建筑安全在设计的应用

１疏散设计中的优化模型

１．１确保安全疏散的条件火灾中能够保证安全疏散的临界条件是：ＡＳＥＴ＞ＲＳＥＴ。其中：ＡＳＥＴ是可利用的疏散时间，ＲＳＥＴ是疏散实际所需时间。ＲＳＥＴ＝ｔｄ＋ｔｍ＋ｔｐｍ，ｔｄ是探测火灾所需时间，ｔｍ是人员在疏散通道上的行走时间，ｔｐｍ是疏散前人员的延迟时间，包括反应时间和准备时间，ｔｄ＋ｔｍ基本为一定值ｃ，而ｔｐｍ则是呈正态分布的函数。ＡＳＥＴ是从起火至火灾发展到临界条件（可能造成伤亡的不能忍受的状态）的时间，ＡＳＥＴ∈［０，ｔｕｃ］。λ＝ＡＳＥＴ－ＲＳＥＴ，称为安全裕度或者安全系数。λ＞０时人员能够安全疏散。１．２其他优化模型在满足安全的前提下，还应当满足以下条件，才是最优的设计。

（１）滞留时间最短。合理的设计可以调节人群到达出口处的时间，避免人群在出口处的滞留时间过长，如图１所示。通向走廊的门远离主要出口时，有利于人流的疏散；通向走廊的门离主要出口较近时，不利于人流的疏散。（２）疏散时间最短。根据人群的相互作用理论，建筑内人群疏散时间的综合计算公式，如式（１）所示。ｔｅｓｃａｐｅ＝ｔｄ＋ｔｐｍ＋（ｌｍａｘｖ＋∑ｐＡａｒｅａ∑ＮｅｆｆＢａｖａｉｌ）×Ｋ（１）式中：ｔｅｓｃａｐｅ为总的疏散时间，ｓ；ｔｐ为人员预行动（延迟）时间；ｌｍａｘ为空间内从任意点到出口的最长距离，ｍ；ｖ为行走速度，ｍ／ｓ；ｐ为人流密度，人／ｍ２；Ａａｒｅａ为每个房间的面积，ｍ２；Ｎｅｆｆ为有效的通行能力，人／（ｍ·ｓ）；Ｂａｖａｉｌ为门的可利用宽度，ｍ。

２ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ软件的原理

目前，可利用的疏散模拟软件主要有２６种，主要分为运动模型、局部行为模型、行为模型三种。与其他模型相比，ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ结合了社会因素的观点，包括了每个人员的特性及社会学的特点，共２２项，如年龄、姓名、性别、步行速度、死亡等。该模型中的人员特征包括对建筑物的熟悉程度、自身的活力以及忍耐力等。该模型可以模拟大量人员在建筑物内的疏散，且考虑了因毒气或高温而使人产生的停留或延迟。ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ还有一些独特之处，如考虑火灾产物的作用以及出口处可能发生的堵塞。ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ已经广泛应用于超市、医院、车站、学校、机场等建筑人员疏散过程的模拟分析之中，可以用来评价建筑设计是否符合规范要求，分析人员疏散性能以及各种建筑结构中的人群移动效率。而且，通过研究疏散动力学的性质可以确定设计存在缺陷的区域，对改进建筑设计和疏散程序提出建议。

３案例分析

３．１基本情况该建筑为某市的新建歌剧院，一层为有５００个座位的观众厅，楼上四层均为高档包厢，座位数量分别为３５０、３４８、２８０、３５０，总容量为１８２８个座位，具体情况见表１．通过对于ＲＳＥＴ的模拟以及ＣＦＡＳＴ对于ＡＳＥＴ的模拟计算可以得出：五层包厢中座位之间疏散通道只有０．５ｍ，存在人员拥挤的安全隐患；五层包厢中ＡＳＥＴ＜ＲＳＥＴ，火灾中存在安全隐患。

３．２方案优化

（１）在五层包厢只有一个出口能正常使用并且疏散通道的宽度为０．５ｍ情况下，对人群在火灾中疏散的情况进行模拟。设计中存在的缺陷主要是座位之间疏散通道的宽度不足，只有０．５ｍ。模拟结果显示：在人群疏散中造成了严重的拥挤和堵塞。在该情况下进行了１０次模拟，结果如表２所示。模拟结果分析如下：疏散开始初期，平均每人跳跃座位的次数较少；随着温度的增加，ＣＯ体积分数的加大，平均每人跳跃座位的次数逐渐增加。死亡人员都是由于发生极端行为跳入某些座位的角落，由于受到高温的作用，其可移动性下降，在较长时间的热辐射作用下造成的。ＦＩＨ表示人员在火场中的遭受火灾影响的累积结果，它是由毒性子模型计算的动力学特征。

ＦＩＨ＝１表示人将由于热而失去能力，ＦＩＨ上升时可移动性下降；ＦＩＨ＝０表示人的行为不受火灾的影响。从模拟结果可以得出：虽然３４９人成功疏散，但是在疏散过程中都不同程度地受到了高温和ＣＯ气体的影响。只有１人因受火灾的影响而死亡。口能正常使用的情况下，对五层包厢的人群在火灾中疏散的情况进行模拟。在增加了疏散通道的宽度之后进行了１０次模拟，在这１０次模拟中，３５０人都成功疏散出来，但每次的具体情况也有差异，详细结果如表３所示。将增加了疏散通道的宽度之后的模拟结果与增加之前的结果进行对比。可以看出：增加了疏散通道的宽度之后，疏散时间的均值由３４４．２ｓ减少至３３０．６ｓ。增加了疏散通道的宽度之后，每个人跳跃座位次数由６．２次／人减少至５．８４次／人，减少了拥挤和堵塞。增加了疏散通道的宽度之后，死亡率降低为零。

（３）五层包厢在两个出口都能正常使用、疏散通道的宽度为１．２ｍ、发生火灾情况下的模拟结果如表４所示。从表４的模拟结果可以得出：在两个出口都能正常使用的情况下，火灾对疏散者的影响很小，因为平均每人跳跃座位的次数减少。（４）对五层包厢在增加到三个出口、疏散出口总宽度为４．５ｍ、疏散通道的宽度为１．２ｍ并且三个出口都能正常使用、发生火灾情况进行模拟，模拟结果如表５所示。每次３５０人均能顺利疏散；平均疏散时间为１２９．１ｓ；平均每人跳跃座位的次数为２．１次／人；每次的ＦＩＨ＝０。从表５还可以看出：该模拟疏散过程中各个出口人流的分配是合理的；另外，最佳出口性能指数平均为ＯＰＳ＝０．３７５，说明疏散效率较高，达到了良好的疏散效果。

（５）对五层包厢在增加到４个出口、疏散出口总宽度为６．０ｍ、疏散通道的宽度１．２ｍ并且４个都能正常使用、发生火灾的情况进行模拟，模拟结果如表６所示。每次３５０人均能顺利疏散；平均疏散时间为１１７．１ｓ；平均每人跳跃座位的次数为１．８次／人；每次的ＦＩＨ＝０。从表６可以看出：该模拟疏散过程中各个出口人流的分配是合理的；另外，最佳出口性能指数平均为ＯＰＳ＝０．５２５，说明疏散效率较高，疏散效果良好。

４结论

（１）疏散通道宽度不合理会造成人群拥挤的堵塞现象，还会造成人员的死亡。增加疏散通道的宽度可以减少疏散时间、降低人员伤亡。（２）增加疏散出口的数量可以有效降低疏散时间和跳跃座位的次数，避免火灾对人群疏散的影响，确保人群疏散的安全。总之，从所有疏散模拟的结果可以得出：五层包厢增加１或２个出口的改进设计是比较合理的。综合考虑周围情况，增加２个出口的设计为最优设计。