高层建筑火灾情况下人员疏散研究

北京100044； 3.智慧城市国家级虚拟仿真实验教学中心，北京100044)摘要：以某高层办公楼为例开展高层建筑火灾情况下人员 疏散研究。分别利用PyroSi m和Pathfinder仿真软件建立该办

验研究，但存在成本较高，实验数据可靠性不足等缺点。 近年来，随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越受到

公楼的火灾模型和疏散模型，通过对不同区域烟气层高度、烟气温 度、能见度以及CO浓度进行分析，得出不同区域人员可用安全疏 散时间ASET,并采用Pathfinder对有无人员引导作用以及有无 电梯参与疏散进行对比研究，得出在火灾情况下人员引导作用以

国内外学者的欢迎。笔者使用PyroSim和Pathfinder仿 真软件对某高层办公楼进行FDS数值模拟与人员疏散耦 合分析，研究火灾情况下人员疏散策略以及验证电梯辅助

楼梯疏散方式的优越性。针对火灾易波及区域的特殊情 况对疏散策略做进一步优化，提高疏散模型的真实性，为 火灾情况下高层建筑人员疏散提供参考。及电梯的使用可以大幅减少人员必须安全疏散时间RSET,提高 了疏散效率。针对火灾易波及区域的特殊情况，采用PyroSim和

Pathfinder联合仿真，对疏散过程做进一步优化，使仿真结果更加

接近于真实情况。1办公楼基本情况笔者所建物理模型为某高层办公楼，该办公楼共12

关键词：高层建筑;人员疏散;联合仿真；电梯疏散 中图分类号：X913.4,TU972.4文献标志码：A

层，高41.6 m,首层4.2 m,其余层为标准层，层高3.4 m, 单层面积556 m2,首层和标准层如图1、图2所示。办公 楼中部和左侧各有1部楼梯，并配有3部电梯与中间楼梯

文章编号:1009-0029(2019)06-0794-05相邻，首层中部设有大门，两端各有1个小门供逃生人员

高层建筑由于人员众多，结构和功能相对复杂且疏散 方式单一，一旦发生火灾、地震等灾害，极易造成群死群伤

使用。为方便分析，划分标准层为3个区域。的恶性事件。如何快速、高效地实现高层建筑人员安全疏 散是当今研究的热点和难点问题。2火灾烟气模拟仿真2.1 PyroSim建模仿真火灾成长过程一般可分为4个阶段，即起火期、成长

早期的研究主要是通过建立小尺寸实物模型进行实[21] 解后循.基于综合路感强度理论的电动液压助力转向技术研究[D].

镇江:江苏大学，2015.期、稳定期以及衰减期。在应用PyroSim进行仿真时，本gency evacuation simulation software Pathfinder were used for

full-scale modeling and simulation. The results of simulation and sensitivity analysis show that the main factors affecting evacuation are number, speed and seat arrangement, and the minor factors are personnel structure and route planning. According to this, the

[22] 吕慧.巨灾后临时住所火灾风险模糊评估[D].北京:首都经济贸易

大学，2012.Analysis of factors affecting evacuation and risk assessment of extra large gymnasiums

weight of related factors is determined by the Delphi method and

AHP, and the evaluation system is established by the index weight scoring method, and the system is used to evaluate the risk. Thus BIM technology can be applied in the operation and maintenance stage.Key words: extra large gymnasium； BIM； safety evacuation； mathe­matical simulation； AHPhosting eventsZHANG Chao12, LUO Chuan-ting3(1.Project Supervision and Consultation Company, Qingdao

University of Technology, Shandong Qingdao 266033, China；2.

BIM Research Center, Qingdao University of Technology, Shan­dong Qingdao 266033, China；3. Qingdao Bluogly Culture Media

作者简介：张 超(1987-),男，青岛理工大学建设工 程监理公司规划发展部副经理兼BIM工作室主任，工程

Co., Ltd. .Shandong Qingdao 2600, China)Abstract: In order to study the influencing factors of evacuation af­

ter the emergency event in the extra large gymnasium, the Qingdao Citizen Fitness Center Gymnasium was used as the simulation ob­

师，硕士，主要从事BIM技术应用研究，山东省青岛市市 北区抚顺路11号，266033。ject, and the BIM modeling software Revit and the personnel emer­

收稿日期:2019-01-25

基金项目：北京建筑大学博士基金项目(00331615010)；北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项资金资助项目(X18066)；促进高校内涵发展

项目一研究生创新科研项目(PG2018072)794Fire Science and Technology»June 2019,Vol 38,No.6着最不利原则，忽略次要因素（阴燃阶段），选取成长期和

稳定期阶段进行模拟仿真。根据Heskestad等的研究成 果，火灾的发展前期遵守严火的增长过程。根据火源增长

系数a的不同，火灾又可分为慢速、中速、快速、极快4种 类型。由于办公楼可能存在大量的沙发坐垫以及可能存 放的纸箱，依据最不利原则，设定火灾快速增长型，火灾增

长系数a取0.046 ,火源最大热释放速率为1 000.0

kW/n?,设定燃烧反应材料为聚氨酯，着火方式为立即着 图3 PyroSim模型图火，着火面积1 mb计算得到火灾到达最大速率的时间为 146 So图4 2层PyroSim平面图内部高度,m；H.为危险临界高度,m。图1首层平面分布图取1.6 m,经计算，烟气层高度保守选取为2 m。着

火层楼梯间外各区域测得的烟气层高度随时间变化的曲

线，如图5所示。可以看出，A区域紧邻着火房间，烟气层 高度迅速降低到2 m以下，烟气随即由A区域向四周扩

散，烟气层恢复平稳状态并缓慢下降，稳定到2 m以下的 时间为75 s。B区域稳定在2 m以下的时间为98 s。C

区域在整个仿真时间内一直没有下降到2 m及以下状

图2标准层平面分布图态。图6为1号和2号楼梯间烟气层高度随时间变化情 为了提高仿真速度且保持仿真精度，选取着火层、向 况。可以看出，1号楼梯间烟气层高度在115 s时下降到

下一层及向上两层共4层按照1：1的比例构建仿真模型, 2 m以下,2号楼梯则始终处于2 m的上方。整个模型划分为150X65X55共536 250个网格单元，单

4个网格大小0.31 cmX0.30 cmX0.29 cm。设定墙体表面 ——

A区域B区域材料为石膏,地板和房顶均为惰性材料。—C区域设定着火点在2层，着火房间上方装有光电感烟探测 器，报警阈值默认设为3.28%/m. PyroSim模型及2层平 面如图3、图4所示。设定所有房间窗户均为关闭状态，着

火房间在10 s时打开房门，其余房间在光电感烟探测器发

出报警动作5 s后打开房门，楼道和楼梯门以及一楼大门

0 100 200

300 400 500保持常开状态。时间/s图5非楼梯间区域烟气层高度情况2.2模拟结果分析4r烟气层高度、烟气温度、能见度以及有害气体浓度等 是火灾过程中影响人员疏散的重要因素，直接影响可用安

E3S全疏散时间ASET的长短。通过PyroSim软件仿真的方 M式对火灾发生过程中的重要参数进行烟气数值模拟分析, 唤鞋

Fmw/他叫佩h’f确定可用安全疏散时间ASET»…i号楼梯间2.2.1烟气层高度分析—2号楼梯间1 __0•—燃烧过程会伴有浓烈的黑烟，包含大量有的固体微 100■— 200■— 300 ■—400— 500•时间粒。微粒悬浮于空中易形成烟气层，对人员的疏散造成影 /s图6楼梯间区域烟气层高度情况响，对于烟气层安全高度的定义一般符合式（1）。2.2.2温度分析Hs>Hc = Hp + 0.1Hb

（1）根据《建筑火灾安全工程导论》，人员在65七的空气

式中：H,为清晰高度，m；//”为人员平均高度，m；Hb为建筑中无法呼吸，保守选取60七为危险临界温度，图7和图8

鬲防科爭与枚术2019年6月第38卷第6期795为着火层A、B、C区域以及2部楼梯间内距地板1.7 m高 2.2.4有害气体浓度(CO)在建筑物火灾中，伴随着黑色烟气的释放，还会产生 大量的有毒有害气体，如硫化物、氧化物以及CO、CO2

度处的温度变化情况。A区域到达60乜的时间为110 s,

B区域到达60覽的时间为175 s,其他区域均没有到达临

界危险温度。210r180 ■

P

5o 2o 9o 6O

等。其中，CO浓度过高会使人产生头痛、头晕、心悸等症

状，对人员疏散产生着重要的影响，严重时甚至会使人昏

血vAA他厥甚至威胁人的生命。根据有关资料，人类严禁在CO体 积分数为1 000X10\"的环境中超过30 min,不允许在CO 体积分数为500X10-6环境中长时间停留，故选取CO体

番

—A区域…B区域-C区域30 I °

0

亠100

积分数达到500X 10 6为有害气体浓度危险判定指标。

一--------------200

时间/s300 400 500

CO体积分数模拟结果如图11、图12所示。从模拟结果 可以看出，A区域在53 s时到达了临界温度，B区域在 120 s达到危险临界值，C区域以及2个楼梯间始终处于

临界值以下。2.5x10-32.0x10-3蘇处连

。AA

域cBK- 区域CA区Z 域 M

1.5x10-31 .ox 10-30O5.0X10-4O

0 100 200 300 400 500时间/s2.2.3能见度分析对于能见度的描述，SFPE《消防工程手册》给出的是

13 m,而澳大利亚则根据房间大小给出了不同空间所对应

的能见度数值，大空间为10 m,小空间为5 mo综合上述 并结合该高层办公楼实际情况，选取10 m为能见度临界

值。模拟结果如图9和图10所示。由模拟结果可知，区 域A、B、C到达临界值的时间分别为93,128,196 s,而1

号、2号楼梯间到达临界值的时间分别为144.293 s«时间/s图12楼梯间区域CO体积分数2.2.5仿真结果分析对上述仿真结果综合进行分析，确定各个区域可用安

全疏散时间ASET,见表1所示。着火层A区域人员在

53 s内应全部撤出A区域，B区域人员应在98 s内全部 撤出，C区域人员应在196 s内全部撤离着火层。由于着

0

100

200

300 时间/s400 500 600火层楼梯间相较于其他楼层最先受到烟气侵袭，受灾最为

严重，且是其他楼层人员疏散必经之路，故以着火层楼梯

图9非楼梯间区域能见度情况间ASET作为全楼可用安全疏散时间。由表1可知，1号 楼梯间ASET为115 s,2号楼梯间ASET为293 s,故全表1各区域可用安全疏散时间烟气层高度

位置温度 临界时间/s能见度

临界时间/s临界时间/s有害气体 临界时间/sA区域7598无威胁110175

无威胁无威胁无威胁9353B区域C区域128196120无威胁无威胁无威胁0

100 200 300 400 500 600时间/s1号楼梯115无威胁144293图10楼梯间区域能见度情况2号楼梯796Fire Science and Technology,June 2019,Vol 38,No.6楼可用安全疏散时间为293 so由原来的446 s缩减到336 s。3办公楼人员疏散仿真模拟2 00 [

| 一 1号楼梯3.1 Pathfinder 建模

2号楼梯基于Pathfinder建立紧急情况下该办公楼的人员疏 散模型。办公楼共12层，每层以随机方式分布70人，经 查阅相关资料确定不同人群人流高峰时期人员特征值，见

表2所示。表2不同人群人流高峰期特征值特征参数青年男性青年女性中年男性中年女性老人速度/m/s1.551.501.521.401.10肩宽/m0.400.370.410.380.40虽然通过人员引导可以大幅减少必需安全疏散时间根据表2在Pathfinder中设定不同人群人员参数。 (RSET),但仍不能达到安全疏散的要求，故进一步釆用方 由于老人疏散速度最慢，依据最不利原则增加老人比例，

案3进行人员疏散。设定电梯与楼梯相结合疏散方式下 设定青年男性、青年女性、中年男性、中年女性以及老人的

的电梯停靠层为7层和10层，通过不断优化仿真，最终确 比例为1 ： 1 ： 1 ： 1 ： 1。模型除两部楼梯外还有3部电梯与1

定电梯、1号楼梯、2号楼梯最佳疏散比例为4：3：3。总疏 号楼梯相邻，设定电梯运行最大速度为4 m/s,加速度为2

散时间缩短为278 s,相较于方案1缩短了 168 s,相较于 m/U,开关门时间5 s。建立如图13所示的高层办公楼 方案2缩短了 58 s,如图15所示。8Pathfinder模型。根据上述办公楼PyroSim仿真结果，烟 o o 7oo方案1

雾传感器报警时间约为20 s,假设待疏散人员在接到报警 方案26OO 方案

3

信号后有10 s的反应时间，则设定总的延迟时间为30 s。Y/5oo巅 4ooy 溢3OO番 e

2oo 1OO

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

疏散时间/s图15待疏散人数随时间变化3.3.2模拟优化对于PyroSim和Pathfinder模拟，在计算ASET以 图13办公楼Pathfinder模型及RSET时往往只关注建筑物的整体，忽略了火灾易波及 3.2疏散方案设计区域(如A、B、C区域等)和1号楼梯间烟气情况对人员疏 根据疏散过程中有无人员引导作用以及有无电梯参 散以及对总的RSET的影响。针对这种情况，不仅关注于

与疏散设定以下3个疏散方案：建筑物整体，更对火灾易波及区域分别进行了研究。根据

方案1：仅使用楼梯进行疏散，疏散过程中无人员引导 PyroSim仿真结果，得出表3所示各区域的ASET,并基 作用。于各区域ASET对方案3做进一步优化，使其更接近于真 方案2：仅使用楼梯进行疏散，疏散过程中有人员引导

实情况，探讨各区域是否均满足ASET>RSETo作用。表3各区域疏散情况分析方案3：采用楼梯与电梯相结合的疏散方式，设定6层

参数A区域B区域C区域1号楼梯2号楼梯及6层以下全部使用楼梯疏散,7-12层按比例釆用电梯 ASET/s5598196115293与楼梯相结合的方式进行疏散。RSET/s515773.611433.3仿真结果分析及优化ASET>RSET是是是是否3.3.1仿真结果分析由于着火层A、B、C区域最先受到烟气侵袭，按照可 方案1情况下2部楼梯的人员疏散速率，如图14所 用安全疏散时间的长短，制定疏散策略优先对邻近危险区 示。可以看出，在无人员引导的情况下，2号楼梯间在263 域人员进行疏散。设定着火层C区域对应的全部人员使

s时疏散过程结束，而1号楼梯间还有大批人员等待疏散, 用2号楼梯进行疏散，其他区域人员50%使用2号楼梯， 造成楼梯资源的浪费，影响疏散速度。当采用方案2进行

剩余人员使用1号楼梯进行疏散，如图16所示。A区域

人员疏散时，通过划分疏散分区，调整各疏散路径的人员

人员全部撤出该区域时间为51 s,满足ASET>RSET。 比例，最终使两部楼梯几乎同时完成疏散，将疏散总时间

同样，在此方案下B区域和C区域也能够满足安全疏散的

姑彷科学与枚术2019年6月第38卷第6期797要求。图16优化后Pathfinder运行图由于1号楼梯间的ASET较小且为115 s,之后将不

适合作为逃生路线。留有冗余，设定100 s后逃生人员禁

止进入1号楼梯间，楼梯内人员立刻转为使用2号楼梯和 电梯进行疏散。通过不断优化仿真，得出最佳运行方案：

1〜6层全部使用楼梯疏散,7-12层人员通过电梯、1号楼 梯、2号楼梯疏散的百分比分别为62%、23%、15%,总疏散 时间为3 so各区域疏散情况参见表3所示。4总结与展望(1) 火灾模拟结果验证了高层办公楼火灾人员疏散过 程中，对疏散影响较大的因素是能见度和CO浓度。(2) 在火灾疏散过程中，疏散路线的选择对疏散效率

影响较大。应定期开展消防演练，加强火灾疏散过程中的 人员引导，加设安全疏散引导设备。(3) 在确保电梯安全的前提下，电梯辅助楼梯进行疏

散可以大幅增加人员疏散速度，有效提高疏散效率，缩短 人员必需安全疏散时间RSETo(4) 应用PyroSim和Pathfinder软件联合仿真的方式 对火灾易波及区域进行FDS数值模拟和人员疏散耦合分

析可以大幅提高疏散模型的真实性。参考文献：[1] HADJ1SOPHOCLEOUS G.JIA Q. Comparison of FDS predic-

tion of smoke movement in a 10—storey building with experimen­

tal data[J]. Fire Technology, 2009,45(2)： 163-177.⑵ 吕淑然，杨凯.火灾与逃生模拟仿真:PyroSim+Pathfinder中文教程

与工程应用[M].北京：化学工业出版社,2013.[3] 马子超，李杰，岳忠.高校宿舍楼火灾应急疏散研究[J].消防科学与技

术,2016,35(7):935-938.[4] HESKESTAD G, DELICHATSIOS M A.The initial convective flow in fire[J].Symposium (International) on Combustion. 1979,17(I) :1113-1123.[5] 王静，王伟，柯琪材，等.基于Pathfinder的某高校图书馆人员疏散模

拟研究[J].安防科技,2011,(6):3-7.[6] 范维澄，孙金华，陆守香.火灾风险评估方法学[M].北京：科学出版

社，2004.[7] 姜阳.超高层建筑疏散策略研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学,2015.[8] 常玉锋，陈锋，贾沛，等.排烟方式对火场人员疏散影响的数值模拟[J] .武汉工程大学学报,2010,323:46-49.[9] 田鑫，苏燕辰，李冬，等.地铁车站火灾疏散仿真分析[J].科学技术与

工程,2017,17(16):333-337.798[10] 谢玉琪.超高层建筑火灾情况下电梯安全疏散研究[D].西安：西安

建筑科技大学,2016.[11] 焦宇阳，马鸿雁，刘世松.基于参数模糊优化的火灾疏散联合仿真研

究[J]・消防科学与技术,2018,37(9):1191-1194.[12] 唐春雨.高层建筑火灾情况下电梯疏散安全可靠性研究[D].西安：

西安科技大学,2009.[13] 陈娜,王世玲，赵军，等.高校学生公寓应急疏散模拟与优化[J].工业

安全与环保，2017,43(1):62-.[14] 李晶晶，陈国明，朱渊•海洋油气平台火灾疏散耦合风险[J].石油学

报,2016,37(12):1557-1562.Study on personnel evacuation from high-rise

building in fireLIU Shi-song1, MA Hong-yan1'2,3,

JIAO Yu-yang1(1.School of Electrical and Information Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,

China； 2.Beijing Key Laboratory of Intelligent Processing for

Building Big Data, Beijing 100044, China；3.National Virtual Sim­

ulation Experimental Center for Smart City Education, Beijing 100044, China)Abstract: A high-rise office building was taken to study the evacua­

tion of fired buildings. PyroSim and Pathfinder were respectively used to set up fire model and evacuation model. By analyzing the height of flue gas layer, temperature, visibility and CO concentra-

tion of the smoke layer in different areas, the available safe egress time (ASET) for personnel in different regions was obtained. Then

Pathfinder was used to conduct a comparative study on the differ­ences of whether personnel guidance and elevators were used or

not in evacuation. It is concluded that the required safe egress time (RSET) can be greatly reduced by using personal guidance and ele­vators, thus the evacuation efficiency is improved. Through Py­

roSim and Pathfinder joint simulation, the evacuation process is

further optimized by aiming at the special situation of fire-prone ar­eas, so that the results of this simulation are closer to the real situa­tion.Key words: high- rise building； personnel evacuation； joint simula-

tion； elevator evacuation作者简介：刘世松(1992—),男，北京建筑大学电气与 信息工程学院硕士研究生，主要从事建筑火灾人员疏散研

究，北京市西城区展览馆路1号，100044。通信作者：马鸿雁，北京建筑大学电气与信息工程学

院副教授，硕士生导师。收稿日期:2019-02-12Fire Science and Technology .June 2019, Vol 38, No. 6