FDS+EVAC5.0在建筑火灾和人员疏散领域中的研究进展

2021年3月2日发(作者：联系我们翻译)

FDS+EVAC5.0

在建筑火灾 和人员疏散领域

中的研究进展

班

级：安全

0901

学生姓名：蒋

旭

指导教师：赵江平

摘要：

< p>
建筑火灾中由于人员不能及时疏散被烟气窒息情况十分突出

,

所造成的生

命财产损失巨大。目前确定建筑物火灾疏散方式的常用方法有

2

种：一是直接

分析火灾案例，

< p>
二是采用计算机模拟。

直接分析火灾案例属于事后情况的分析，

< p>
即对灾难的分析以避免类似的灾难再发生。统计分析的案例越多，所得出的规

律越具有说服力。计算机模拟是指火灾场景为一种假设情况，即如果火灾按设

定的情况 发生，预测人员将如何逃生。对于特定的研究对象，采用计算机软件

对人员疏散情况进行 模拟，获得火灾中的一些重要参数，可以有效地指导人员

逃生

[ 1]

关键词：

建筑火灾，

FDS+EVAC

，人员疏散，数值模拟

第

I

页

Research

progress

of

building

fire

and

evacuation

adopted

by

FDS+EVAC5.0

Class:

Name:

Safety Engineering 0901

JIANG Xu

Instructor:

Prof. ZHAO JiangPing

Abstract:

Staff can not be timely in building fire evacuation was prominent by

smoke suffocation, have caused great losses of life and property. Current methods

determine how the building fire evacuation there are 2 ways: first direct analysis of

fire case, the second is the use of computer simulations. Direct analysis of fire cases

belonging to ex- post analysis, analysis of the disaster to avoid similar disasters

happening again. Statistic analysis of case, the more derived law more convincing.

Computer simulation was fire scenario to a hypothetical situation, that is, if fire

occurs at scheduled, predict how officers will escape. For specific subjects, the use of

computer software to simulate the evacuation, access to some important parameters

in the fire, can effectively guide people to escape

Key words:

Building fire, FDS+EV

AC, evacuation, numerical simulation

第

II

页

目录

1

引言

.

........................... .................................

1

2

研究背景

.

..................................... ...................

2

2.1

建筑物火灾时人员疏散行为的基本规律

.

.........................

2

2.2

人员疏散研究现状

........ ...................................

5

3 FDS+EVAC

研究及应用

< /p>

........................................ ......

6

3.1 FDS+EVAC

简介

.

< p>
............................................ ..

6

3.2

数值模拟原理

.

.................................. .............

7

3.3 FDS+EVAC

的应用

.

........................................... .

7

3.3.1 FDS

算例演示

......... .................................

7

3.3.2 EVAC

算例演示

........................................

10

3.3.3 FDS+EVAC

应用实例

....................................

12

4

结论

.

.. .................................................. .......

14

参考文献

< /p>

.

............................ .............................

15

第

III

页

1

引言

建筑火灾，除了造成巨大的财产损失，还对建筑物中人员的生命安全造成

极大的威胁。当代科学技术日新月异，新材料、新结构、新设备层出不穷，随

之 而来的超高层建筑、巨型建筑、地下建筑等，其技术的密度和复杂程度己今

非昔比，因此 建筑物中人员的安全问题也日益突出。现有的防火规范中，有关

人员疏散的规定已经远远 不能满足新型建筑的需求。近年来，许多学者利用建

筑防火性能化设计的方法对建筑火灾 中遇到的问题展开研究，利用各种计算机

模拟的方法对火灾和人员的疏散进行细致分析。

由于大型复杂的新型建筑的出现，我们必须考虑到以下情况人 员疏散的模

拟的影响

:1

、

< p>
高密度人群拥挤状况

2

、

与疏散反应时间及出口路线选择相关联的

人员决策过程。

近年来 ，

人群疏散研究己成为国际上安全研究的一个新的热点，

国内外 己经开发出多种计算机软件对火灾中人员疏散进行模拟研究。但是这些

模型通常将人员疏 散运动与火灾发展两个过程分开考虑，这些模拟软件及其背

后的模型同实际情况仍存在较 大的差别，这主要是因为这些软件的基础模型尚

没有考虑到火灾人员的决策过程以及火场 环境的实时作用对人员行为的影响，

而这是在火灾基础上建立疏散模型的关键部分。其次 ，人员疏散具有明显的随

机性，然而当前的研究多采用确定性分析方法。

因此，我们需要建立一个模型，将火灾的发展过程和人员疏散结合起来研

究，通过火灾对人员疏散的作用来寻找建筑火灾时人员的疏散运动规律。最新

开发的

FDS+EVAC

软件对建筑火灾中的人员疏散 行为分不同情况进行了对比模拟

研究，并针对其局限性进行了部分优化。

第

1

页

2

研究背景

近年来，围绕人员疏散行为决策，针对疏散流动过程中离散状态人员疏散

行为的随机性 ，以及连续疏散流动过程中的群组现象，国内外学者进行了大量

的理论研究和试验模拟， 这些研究成果已逐步应用到建筑性能化防火设计中，

并指导建筑物的疏散设计和突发事故 应急预案的制定。

2.1

建筑物火灾时人员疏散行为的基本规律

在目前 的防火性能化设计中，我们一般把火灾中人员安全疏散过程大致分

为感知过程、响应过程 、疏散运动过程等阶段。火灾从发生时起直至发展到对

人体构成威胁所需要的时间一般由 可燃物开始燃烧以及火灾持续发展到图

2.1

所示状态的时间 构成

[2]

。疏散者可用安全疏散时间

ASET

指的是火灾自发生时起

直至火灾对人体构成威胁时二者 之间的时间间隔，即危险来临时间

(trisk);

火

灾自发生时直至疏散者成功逃离出危险区域所必须的时间为称之为必需疏散时

间

RSET

，也即疏散时间

(te se

即

e)

，因此，要想保证疏散者安 全撤离，则应达

到以下基本条件

:

ASET>RSET

火灾对人体造成威胁的因素通常包括烟气 产生的热辐射、烟气浓度和能见

度等等。因此人员安全疏散的判断依据就包括了以下几种 因素

:

第

2

页

图

2.1

人员疏散时间示意图

(l)

烟气层的高度

在火灾发生的过程中，烟气层不但产生热量，而且在形成的过程中会产生

大量的 微小的固体颗粒、胶质物以及毒性分解物，这些对人体有害的物质成为

影响疏散者疏散行 动和救援行动的最大障碍。在人员疏散的过程中，只有保证

烟气层在人体头部以上才能使 人员在疏散时不会受到热烟气的热辐射，以及避

免烟气直接被人体吸入。

(2)

热辐射

< p>
根据以往对人体的热辐射耐受能力测试研究，其研究结果表明人体对烟气

层 等火灾环境所产生的热辐射耐受极限为

2.5kw/m2

，相关 测试结果如表

2-2

所

示，其中，当辐 射热强度为

2.5kw/m2

时，烟气层温度大约为

< p>
180

℃

-200

℃。< /p>

表

2-2

人体对辐射热的耐受极限

热辐射强度

(kw/m2)

<2.5

耐受时间

(3)

热对流

>5min

2.5

30s

10

4s

一些试验研究显示，达到一定温度的热空气经人体呼吸或 接触后，会造成

一定程度的热冲击和皮肤烧伤，而空气中本身所含有的水分更对这两种危 害有

着进一步的影响，如表

2-3

所示 。大量的实践证明，对于绝大多数火灾环境来

说，当人体承受

1 00

℃环境的热对流时，只能维持非常短的一段时间。

表

2-3

人体对热烟气的耐受极限

温度与湿度

耐受时间

<60

℃，水分饱和

60

℃，

水分含量

100

℃，

水分含量

>30min

12min

1min

(4)

烟气产生的毒性

火灾发生和发展的过程中，可燃物热分解时会产生大量的有毒有害物质，

第

3

页

当可燃材料不同时，

其热分解产物和和有毒物质的浓度也会有不同程 度的差异。

由于可燃物的各个组分所产生的热解产物其种类和生成的量相对复杂，而且有

毒、有害组分对人体的伤害其本身也有很大的差别，所以在火灾的安全性评估

< p>
和预测时，很难将这种影响进行定量的描述。在实际的工程应用中，通常的做

法是，利用一种简化的处理方法

:

当烟气的减光度小于或等于

则可以认为

不同的毒性燃烧产物其浓度 在

30min

内尚不能达到人体的耐受极限。结果也证

明这种方法比较有效。

(5)

能见度

通常情况下，烟气浓度越高时，则能见度越低，疏散者选择疏散路线和做

出疏散决策的 时间就相应的延长。下表

2-4

给出了适用于普通房间和大面积 区

域的最低减光度。在一些大面积区域，我们要求更低的减光度，这样做是为了

在确定逃生方向时可以看得更远。

表

2-4

适用于普通房间和大面积区域的最低减光度

位置

与能见度等值的减光度

(l/m)

普通房间

(5m)

0.2

大面积区域

(10m)

0.1

建筑物火灾时，

人员疏散行为过程可大体概括为两个主要阶段，

即

:

疏散行

为开始前的决策反应阶段和疏散行动开始后的人员疏散流动过程。

发现火警后，建筑物内滞留的待疏散人员在疏散行动开始前的决策反应，

对于整个人员疏散行为过程的影响非常重要。可借助疏散行动开始时间参数对

其 进行评价。

1993

年世贸中心爆炸事件之后，研究人员通过调 查发现，

110

层

的超高层建筑物中， 全部人员完成安全疏散大约需要

1

至

3

个小时，其中人们

做出疏散决策的时间竟占到总疏散时间的三分 之二以上。其中人的生理及心理

特点、火灾安全的教育背景和经验、当时的工作状态等因 素，对疏散行动开始

前的决策过程起着非常重要的制约作用。

可将这些因素进一步归纳为三个相互作用的变量，即目标变量、运动变量

第

4

页

和约束变量。所谓目标变量，即疏散过程中当前的疏散行动目 标和最终安全目

标。运动变量，即疏散行动人员的疏散运动速度、疏散通道的流动能力等 。约

束变量，即对疏散行为的约束或障碍。包括疏散人员彼此之间的相互影响和制

约，烟气或火焰等周围环境热物理状态对疏散行动的制约，疏散空间建筑结构

< br>或空间障碍物对疏散人员疏散行动的阻碍作用等。

2.2

人员疏散研究现状

目前国际上有二十多种常用的人员疏散模型。

按照模型的基本原理

,

可将人

员疏散模型分为

3

类

:

优化法、

< br>模拟法和风险评估法

;(1)

优化

(optimization)

模

型

:

忽略周围人员和非相关避难的行为

,

假定人员以最有效的方式进行疏散

,

将

人员视为具有共同特征的整体。如

:EVACNET+

和

TAKAHASHI

’

S MODEL

。

(2)

模拟

(si mulation)

模型

:

表现疏散行 为和行动状况

,

不仅要达到正确的评估结果

,

也

要能采取接近真实避难路径情景。

如

:BGRAF,

EXITT,

EGRESS,

ESCAPE,

EVACSIM,

EXIT89, EXODUS,MAGNETMODEL, PAXPORT, SIMULEX,VEGAS

< br>。

(3)

风险评估

(risk

assessment)

模型

:

识别火灾时与疏散有关的危险或相关事故

,

并 对最后的风险

进行量化。

通过多次计算

,

它能评估改变防火分区设计、

消防措施等参数的效果。

如

:CRISP,

WAYOUT

< p>
。疏散模拟中人员行为是最关键的因素

,

也是最主 要的研究对

象。模型按照其考虑人员运动的方式又可以分为

2< /p>

类

:(1)

只考虑人的运动的模

型

:

仅考虑建筑及其各部分的疏散能力

,

通常称为环境决定因素模型或“滚珠”

模型< /p>

,

它将每个人都当作只对外部信号产生自动响应的无意识的客体< /p>

,

疏散方向

和疏散速度仅仅由物理因素决 定

,

如人群密度

,

出口疏散能力等

,

将人群的疏散

作 为一种整体运动。如

EVACNET+,TAKAHASHI

’

S

MODEL

等模型。

(2)

综合考虑人

的运动与行为相互关系的模型

:

模型不仅考虑了建筑物的物理特性

,

而且将每个

人当作一个主动因素

,

考虑人对各种火灾信号的响应及其个体行为

:

个 体响应时

间

,

如何选择出口等

,

如

EGRESS,E-SCAPE,EXIT 98,EXODUS

等模型。

现有模型中采

第

5

页

用的人员行为描述方法主要有以下

5

种方法

:(1)

无行为规则模型

:

< p>
完全依赖人群

的物理运动和几何形状的物理表达来影响人员疏散

< p>
,

并对其进行预测判断。

(2)

< br>函数模拟行为模型

:

通过方程式或方程组完全决定人员的 行为反应

,

并应用于整

个人群。

(3)

复杂行为模型

:

不确表示行为决定准则

,

而是通过复杂的物理方法间

接表示

,

可能主要基于第二手数据的应用

,

包括心理或社会的影响。

(4)

< p>
基于行为

规则的模型

:

明 确承认个体行为特性

,

事先设定规则机制

,

采用基于规则的行为

决定方法。

( 5)

基于人工智能的模型

:

赋予个体分 析能力

,

使之能通过对所处环境

进行智 能分析而做出行为决策。

研究疏散中人的行为通常考虑三种相 互作用

:

人与人

,

人与建筑物及人与环

境的相互作用

;

这些作用会影响人员的行为和决策过程。

它们不仅与客观的物理

条件有关

,

而且在更大程度上取决于人员自身的生理、

心理和社会因素。

Helbing

等人提出 “社会力”模型

,

借鉴了牛顿第二定律

,

考虑了三种社会力

:

自驱动力

,

排斥力和吸引力。模拟了自组织

(lane forming)

、堵塞、门口集结

(arching)

、

快即是慢、相向流的“摆动

(oscill atory)

”等现象

[3]

。

3 FDS+EVAC

研究及应用

3.1 FDS+EVAC

简介

FDS+EV AC

软件是由芬兰

VTT

技术研究中心 在美国国家标准技术局

(NIST)

火

灾动力学模拟软件

(FDS)

的基础上研发的逃生模型，

可以同步模拟火灾发展和火

场中人员的疏散情况。该模型采用网格计算 方法，所依据的基本运算法则是通

过运动方程模拟每个人的行为，采用匈牙利交通专家< /p>

Helbing

提出的社会力模

型作为运 动计算的模型

[4]

通过该软件以

F DS

为平台可以直接得到和火灾相关的一些特征，如温度、

烟气 、

CO

及

CO2

等气体浓度的分布情况，模拟结果可以用

FDS

自带的可视化 软

第

6

页

件

SmokeView

进行动画演示

[5]

。人选择出口的算法是利用烟气 的浓度来计算的，

烟气降低能见度，烟气的刺激和窒息作用降低了人的行走速度。

3.2

数值模拟原理

该软件的基本算法运动模型是基于德国物理教授

Helbing

的基于恐惧心理

状态的社会力模型

[6,7]

。该模型有

2

个假设，一是将人视为自驱动的有 几何和物

理特征的粒子：

二是在运动过程中会受到外界物理力与

“社会

-

心理力”

的影响，

人人都会有自己的运动控制方程，建筑物内存在着一个虚拟的、符合流体力 学

规律的、指示人员向出口方向行动的二维“人流”流场。该“人流”流场是理

想化的流场，不考虑人员的“再进入行为”

、

“ 羊群行为”

[8]

、

“回避行为”等对

流场的扰动。运用

FDS

的流场求解器 求解二维不可压缩势流的数值近似解，就

好像在出口安装了一台虚拟的“抽风机”一样， 吸引“人流”从建筑物内流出。

这种方式能够产生较好的人员疏散流场，

该流场指引人员选择疏散出口与路线。

疏散路线不一定是最短的，通常也会是接 近最短路线的。

3.3 FDS+EVAC

的应用

3.3.1 FDS

算例演示

Thunderhead Engineering PyroSim

< br>是一款用于消防模拟的软件。

PyroSim

的图形用户 界面可以作为消防动态仿真器

(FDS)

。

PyroSim

被用来建立消防模拟

,

并对火灾中烟气的运动、温度、和毒气浓度进行准确预测分析。

PyroSim 2008

的图形用户界面适用于

FDS version 5< /p>

和

SMV(Smokeview)

。

第

7

页