基于Pathfinder高校图书馆火灾疏散研究.docx

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基于Pathfinder高校图书馆火灾疏散研究

安徽建筑大学

毕业设计（论文）

专业安全工程

班级13安全

班

学生姓名方岩

学号04

课题高校图书馆火灾风险及疏散研究

指导教师余陶

2017年05月25日

毕业设计（论文）

论文题目：

高校图书馆火灾风险及疏散研究

专业班级：

13级安全工程

（2）班

作者姓名：

方岩

指导教师：

余陶

完成时间：

2017年5月

AnhuiJianzhuUniversity

ADissertationforBachelor’sDegree

ResearchonFireRiskandEvacuationofUniversityLibrary

Speciality:

SafetyEngineering

Author’sName:

FangYan

Supervisor:

Yutao

FinishedTime:

May,2017

摘要

本文基于Pathfinder计算机安全疏散模拟软件对安徽建筑大学南区的校图书馆进行了人员模拟疏散研究与分析。

首先根据图书馆结构图建立了简化版1:

1图书馆实体模型，然后通过Pathfinder软件对其进行了人员模拟疏散分析，探究了校图书馆安全出口的完全开放与否对安全疏散的影响，分析了拥堵现象对疏散时间的影响和量化了图书馆最大安全容纳人数。

研究结果表明：

安全疏散出口全部开放会大大缩短疏散所用时间，且拥堵现象正是影响疏散时间的主要因素；通过分析与计算，得出了图书馆内人员的总数（N）与所需安全疏散时间（RSET）之间的经验公式，并以此计算出了校图书馆最大安全容纳人数。

最后就研究结果，对图书馆管理人员与其安全疏散对策提出了若干建议。

关键字：

Pathfinder;人员疏散模拟；数值模拟

Abstract

BasedonthePathfindercomputerevacuationsimulationsoftware,thispaperstudiesandanalyzesthepersonnelevacuationoftheschoollibraryintheSouthernDistrictofAnhuiUniversityofArchitecture.Firstly,asimplifiedlibraryversion1:

1librarymodelisestablishedaccordingtothelibrarystructurediagram.Then,thepersonnelsimulationmodelissimulatedbyPathfindersoftware,andtheinfluenceofthesafeopeningoftheschoollibraryonthesafeevacuationisexplored.Theimpactofthecongestionontheevacuationtimeandquantifythemaximumnumberofpeopleinthelibrary.Theresultsshowthattheopeningofsafeevacuationanddischargewillgreatlyshortenthetimeofevacuation,andthecongestionisthemainfactoraffectingtheevacuationtime.Throughtheanalysisandcalculation,thetotalnumberofpersonnelinthelibrary（N）andtherequiredevacuationTime（RSET）betweentheempiricalformula,andtocalculatetheschool'slargestsafestoragecapacity.Finally,somesuggestionsareputforwardforthelibrarymanagementpersonnelandtheirsafeevacuationmeasures.

Keywords：

Pathfinder,Personnelevacuationsimulation,NumericalSimulation

第一章绪论

选题情况与背景依据

火灾是指可燃物发生燃烧时在时间上失去控制（或在空间上失去控制）。

在人类历史上的各种各类的灾害中，火灾是对人最具威胁的灾害之一。

人同动物相比最大的进步是可以使用和利用火，而人对火的使用从有人类历史之前就存在。

所以说火在给人类带来了历史的同时也给人类带来了伤害，而人在使用火的历史中也一直在分析与总结火给人们带来的伤害。

所以当火灾到来时，人们要尽快和安全的逃生。

火对于人来说是一柄双刃剑，光近期在我国范围内就有多起血的教训。

据公安部消防局的数据，2017年第一季度，全国共接报火灾8万余起，直接造成了近8亿元的财产损失，伤亡人数加起来更是有800多人之多。

从直接导致火灾发生的因素看来，因违反安全规定，乱接或线路老化等原因造成的火灾共万起，占总数的%；由人员使用失误而造成的火灾共万起，占总数的%；此外，烟头引发的占%，滥用火源引发的占6%，由生产活动不慎引发的占%，自燃的占%，恶意纵火引发的占%，起火原因不明确（不能排除两种以上原因）的占%，遗留火种等其他原因引发的占%，原因仍在调查的占4%。

由此可见火灾伴自始至终都随着人类社会，给人类社会带来巨额的经济损失与人员损失。

时刻威胁着人们的生命与财产安全。

虽然一直以来人类并没没有放弃对火灾的防治与相关方面的研究，但就目前的科技水平而言，火灾的发生依旧不可避免。

因此，如何在火灾来临时合理减损成为人类不得不考虑的问题。

我国的科学发展观强调一切以人为本、可持续发展。

城市作为整个社会文明积累的聚集区，是实现整个国家现代化的关键点，其安全水平至关重要。

然而，现实中却有众多不安全的危险源威胁着人类社会的安全与安定，例如：

失火、爆炸、化工泄漏等，属于典型的危害人类安全环境的问题。

随着我国GDP的数额越来越巨大和国民过上了物资与心理生活都十分满足的生活，数量众多的高层建筑如：

写字楼、商场等被建了起来，出现了许多拥有大量人员存在的建筑物，例如：

购物中心、车站、地铁、体育馆和公共娱乐场所等。

与此同时，建筑火灾的风险及其可能造成的损失也随之大大增加（表。

近年来，发生在公共建筑中的造成群死群伤的重特大火灾事故时有发生，比如：

（1）黑龙江仓库火灾事故2017年3月黑龙江大市场的三层仓库发生火灾，火焰覆盖面积达万平方米。

该着火仓库建于一座13层民房内，其中1—3层为仓库，4—13层为居民楼。

火灾扑救过程中，起火建筑发生了数次倒塌事故，坍塌面积达4000平方米，造成多名救火人员死亡、数十人受伤。

（2）云南：

大理600年古城楼发生火灾1月5日凌晨3时01分，云南大理巍山县一历史古城楼遭遇火灾并遭到严重破坏。

过火面积约280平方米，截至5时左右，火势得到遏制且表面明火基本扑灭，索性没有人员死亡事件发生。

但古城楼上部已确认毁坏，调查表明火灾为拱辰楼东南角夹层上方电线故障，引燃可燃物导致。

（3）台州:

玉环1·14火灾由于火焰蔓延速度过快，造成将楼道作为逃生通道的9名人员死亡，经调查，死亡原因均为吸入大量致命烟气。

年龄最小的遇难者仅有4岁。

（4）西藏一大排档煤气罐爆炸1月15日晚10时许，西藏日土县日月街罗长发超市旁一大排档内发生因煤气罐的不安全状态而引起的爆炸，现场一度十分混乱。

爆炸致7名现场人员死亡，其中4名现场人员当场死亡，3人送医抢救后由于抢救无效死亡。

另有数十人人受伤，其中2人重伤。

（5）吉林:

一液化气站爆炸1月17日18时43分，吉林通化市五一路五一小区附近一液化气站发生爆炸，通化消防支队接警后立即调集16个消防中队50台消防车数百名救火人员感到现场扑救。

20时55分，救火成功。

（6）莆田沿街6层民房发生大火火灾发生后火焰从一楼店面向上蔓延至四楼。

至21日凌晨3时许,大火被全部扑灭。

其间,消防云梯车成功将5楼被困的一家5口人救出。

不幸的是,65岁的蔡老太及其11岁的孙女在火中身亡。

（7）新疆一台球馆火灾有8名消防员冲进火场搜寻，台球馆内一悬吊的真皮沙发突然掉落，8名消防员当场被真皮沙发压住，受困火场殉职。

据初步调查，疑为台球馆人员在厨房做夜宵时引发火灾。

另据有关新闻报道，有2民人员在火灾中被救出。

这些灾害的发生不仅造成了重大的国民伤亡事件和人的的财产损失，而且造成了巨大的难以忘记的当事人的心理创伤。

究其原因，主要是因为在危险到来的时候，没有事先制定的当危险到来时的危险预案来处理危险，并且也没有合理的、可以实施的人员疏散办法来及时的对遭受危险的人员进行疏散和撤离。

大量事故案例表明，在火灾等紧急情况下，公共建筑中人员密集，且多数人员对所处环境陌生，再加上心理恐慌等因素，如果没有正确的诱导和分流措施，以及通畅的疏散设施，往往在疏散瓶颈、楼梯等处发生拥挤甚至踩踏事故，这极大地降低了疏散效率，是造成群死群伤事故的直接原因。

然而，及时有效地对人员进行疏散则可以大大减小事故损失。

一个比较成功的案例就是对美国造成巨大损失的“911”事件。

该事件中，在没有电且浓烟滚滚的情况下，有数万人在一个半小时内从世贸大厦的两栋受损的110层高的楼中安全跑了出来。

期间，死亡的人近3000人中处于被飞机撞到的那一层下面的楼层中的只有76人。

在这一案例中，成熟的安全撤离诱导系统起到了举足轻重的作用。

二十一世纪后，我们国家日益壮大，发展速度大大增加，经济，科技都是一天一个样的变化。

这离不开国家制定的由高校对社会进行人才输送的战略。

高校规模的扩大与对学生人数的扩大也是必然发生的。

但是，因为人员数量的大量增加，而高等院校的教学资源的增长速度远远小于人员增长速度，因此平均教学资源的占有量也必然减少，学校教学的配套设施与资源也严重不够。

教学楼、宿舍的破旧，部分电器设备线路的老化，消防设备数量不够，消防通道、防火门的堵塞也不可避免。

因此，高校的消防安全教育与消防疏散策略不可缺少，也不可忽略。

这是保障学生人身安全，维护社会安定的必要措施。

图书馆内藏书不计其数，书本身就是一个很好的可燃物，加之图书馆内人员数量多而密集，出口相对过于狭窄，所以对校图书馆进行人员疏散分析是很有必要的。

通过对图书馆的人员疏散分析，我们可以得到最佳的消防、安全疏散对策，为将来可能发生的事故做好预防准备，做到在危险发生之前就做好预防措施。

研究现状

对人员疏散问题的研究主要包含两个方面的内容，一个是人员运动行为规律研究，另一个是人员疏散过程模拟研究。

其中，人员运动行为规律研究是模拟研究的基础，而模拟研究又是解决疏散安全问题时最简单同时也最容易被人掌握的一个研究模拟方法。

人员运动行为规律研究

由于人员运动行为的复杂性，研究者们釆用多种方法幵展了研究工作，主要包括三种：

第一种是调查与研究已经发生了的事情。

当然，这种调查的方法是多种多样的，可以对以往资料进行分析也可以走访询问经历该种事件的人。

Wood用实地访问的方式对经历该种事件的人进行了调查，得到了人在火灾发生时的行为反应特征数据库【1】。

Helbing等人对麦加朝圣中的大规模人群录像资料进行了图像处理和理论分析，发现密集人群的运动会自发地出现由“自由流”到“走走停停波”，再到“瑞流运动”的相变。

当经历者处于“端流运动”状态时，内部压力突然释放会使行人跌倒，进而引起采踏事故。

2001年“911”事件后，由美国国家标准技术研究院主导，联合其他主要国家和研究机构开展了迄今为止规模最大、内容最系统的调查研究，针对事件中的人群行为、疏散过程和应急通讯，收集了丰富的第一手资料。

二是设计合理的实验，模拟真实场景的特点，以得到尽量接近实际的结果。

实验是研究人员疏散行为的基础，通过实验可以观察人员疏散运动中一些特殊现象，分析探索人员疏散的基本动力学理论。

实验结果既可以用来演化计算机模型规则，也可以用来验证模型。

目前幵展的实验基本上都是相似性实验或者模拟实验（即不完全与实际紧急情况相同的实验），观测人员在紧急情况下的行为。

模拟实验虽然与实际场景不完全相同，但是在模拟中还是能得到相对可信的人的基本参数，诸如：

移动速度、密度分布等，还可以观测到某些典型的人员行为，能为下一步探究打下基础，也能对研究现实情况是如何发展的进行模拟验证。

如何开展更加接近现实反应的实验模拟仍然是一个难点。

为了解决这一难点，学者们进行了一系列的小场景实验模拟，例如学校的房间中、行廊与狭窄又狭长的通道里、光线昏暗或人在其中视线受阻的环境中、其它特定场景下。

研究者们通过这些实验与模拟，提取了行人运动的基本数据，为模型建立提供基本参数，同时进行模型的验证。

三是类比研究，简单的来说，可以先研究与人相似的群体，在将其行动反应推广成人的，譬如昆虫、动物等。

如Ballerini等人经过长期野外观测获得了大量鸟群运动数据，发现控制鸟群中个体间相互作用的是拓扑距离，而非以往普遍认为的物理距离，这样的具有单独行动的行动方法在群体收到扰乱时依然可以保持群体的总体性【2】。

Saloma等人研究表明，恐慌条件下的个体决策行为往往被“从众行为”所収代，造成恐慌的迅速传播，容场引发拥挤现象。

【3】Deneubourg等人指出，具有内部相互作用的群居生物都可能表现出类似特征。

【4】Watanabe等人指出，在危险到来，人员在疏散时，在人员密度特别大或前面发生拥堵时，后面的人会根据前面的现实情况改变自己的疏散速度或逃生方向。

【5】

人员疏散过程模拟研究

从人类的历史来看，每一次科学领域的发展都与当时的生产力有着不能分割的联系。

1980年后，因为计算机技术的开发与利用，各类研究领域都有了更深层面的发展，这其中就包含了人员疏散的研究。

使用计算机辅助进行模拟研究的软件就有二十余种，主要有EXIT89、Simulex、GridFlow、CRISP、VEGAS、Pathfinder、BGRAF等。

这些电脑程序的开发为人类进行各种楼房的疏散模拟提供了大量的手段。

当然，我国在这方面也没有落后，在这一方面，我们国家也运用了许多该类型的计算机软件进行了人员的疏散模拟,尤其是一些人特别多，一旦发生危险会造成大量人员死亡事故的场所，运用这些软件进行模式会让我们得到一些在危险来临时的应急预案，同时我们也能在这些场所的设计之初就能对这些场所的安全性进行一个大概的判断，从根本上防治危险的到来。

第二章火灾安全疏散

介绍

火灾安全疏散是一个发生火灾时人疏散到安全区域的过程。

在当前研究中,通常用两个参数来确定人们可以安全撤离。

可用安全疏散时间（ASET）和所需的安全疏散时间资源集（Kuligowski，2013年）。

如果ASET超过资源集,这意味着人们可以安全地从建筑撤离到安全地带。

参数ASET是火灾从开始持续到人们可以不再被疏散。

这也是在火灾持续期间风险在火灾中可以危及疏散的因素。

ASET可以由火灾模型或场模拟确定（Ronchi,2013）。

资源集的参数是发生火灾后人们疏散到安全区域所需要的时间。

包括识别时间,反应时间和运动时间。

这些时间的解释有如下的三点：

（1）识别时间。

探测器信号是火灾探测器安装时生成的激活释放热烟雾或热辐射火的一个信号。

然后,人们或疏散人员自己意识到发生了火灾。

这一时期被称为识别时间，持续时间取决于探测器安装的类型，布局,规模和火的增长速度。

消防工程师学会（SFPE）总结了模型可预测的识别时间。

他们还进一步发展了相应的在不稳定的火灾中预测模型的稳定识别时间（Seguridadcontraincendiosetal.,2002）【6】。

（2）反应时间。

反应时间与疏散人员在疏散是的心理状态、行为特征、年龄、学位熟悉的建筑,反应灵敏度,甚至疏散人员的集群特征密切相关。

所有这些因素有一个巨大的随机性。

因此,很难用数学函数描述反应时间的准确。

目前有两种方法用来对人们的反应时间进行研究，即仿真建模和疏散测试。

例如,Gwynneetal开发了一个模型模拟人在火灾中的认可,决策和准备疏散的行为过程（Gwynneetal.,2001）【7】。

（3）运动时间。

运动时间是所有疏散人员从疏散行动开始时到撤离至安全区域所需的时间。

这段时间取决于人员疏散密度、最大室内疏散距离、有效宽度疏散门等参数。

（Zhangetal.,2016）【8】。

直到现在,一些仿真疏散模型,如BGRAF,EXODUS，SIMULEX可以用来预测在一个特定的建筑中疏散的运动时间和性能，因此他们成为一个做建筑疏散分析的重要工具。

在近年来Kuligowski基于复杂性水平居住者的行为分类了28个不同的疏散模型（Kuligowski,2004）【9】。

Santos和Aguirre已经描述了一个评论紧急疏散仿真模型模拟方法包括基于流程的方法,点格自动机和基于代理模型（SantosandAguirre,2004）。

【10】Tang已经通过火灾动力学模拟（FDS）开发了基于计算流体动力学和地理信息系统（GIS）的数据模型人员反应的一个基于主体的仿真模型，包含了火灾场景和建筑结构。

【11】Braglia在紧急疏散人员的退出选择条件下提出了一种新的基于博弈论的方法。

模型包括了许多其他参数和方面并且试图获得一个令人满意的表示实际疏散的过程和在紧急条件下人类的行为。

【12】然而,在一个真正的火中，由于火的来源，人员和建筑，人们的疏散行为特征是典型的不确定性特征。

例如,在疏散过程中,可能会疏散通道堵塞。

因此火灾撤离时有可用的出口宽度的不确定性存在。

因此,在疏散过程中存在二元性，包括确定性和随机性。

【13】目前对人们的安全疏散的研究仍然使用建筑热环境确定性的方法，而很少有研究疏散参数的不确定性和随机性。

Maclennanetal.建议可以使用威布尔分布模型的概率分布资源集（Maclennanetal.,1999）。

【14】Franciscoetal.分析了许多不确定性参数与热探测器的时间预测模型。

然后他们利用一个概率密度函数来描述不确定参数,从而开发一个初步检测时间的概率分析模型。

Fruin表明,人们的身体大小在不确定性中扮演着重要的角色，影响人们的运动时间的准确性（Fruin,1971）。

【15】Helbingetal.使用特定的分布模型消除人体型的不确定性,从而提高资源集的计算精度和可靠性（Helbingetal.,1997）。

然而,很少有基于疏散过程中不确定因素的影响来研究人们的安全疏散。

对资源集的不确定性，本研究研究进行了随机性和确定性的识别时间，反应时间和运动时间。

确定性和随机性的数学表达式在疏散过程中已经开发出来。

进一步来说，基于拉丁超立方抽样法，概率模型为人们在火灾不确定因素影响下的安全疏散也被开发出来。

疏散过程确定性和随机性的数学表达式

人疏散过程的数学表达式

所需的安全疏散时间（资源集）由五部分组成:

从着火到检测到火的时间，检测到居住者的火灾紧急通知的时间，通知到人并决定采取行动的时间，从决定采取行动到开始疏散的时间，和从疏散开始到其结束的时间。

从着火到检测到火的时间和检测到居住者的火灾紧急通知的时间可以统称为“识别时间”。

通知到人并决定采取行动的时间和从决定采取行动到开始疏散的时间可以统称为“人员反应时间”。

RSET=Td+Tpre+Tt

这里Td是识别时间（s），Tpre是人员反应时间（s），Tt是从疏散开始到其结束的时间（人的运动时间）（s）。

每个组件会受到一些不确定因素的影响,因此资源集遵循一定的概率分布。

下面是讨论不确定因素及其分布函数。

1．识别时间

火灾探测器安装激活后，当火灾发展到一定阶段,热或烟雾，发生的源火,探测器信号时生成。

然后，人们意识到建筑起火。

这一时期被称为识别时间。

由于这是由不同的检测器实现的,所以识别时间难以确定。

目前,研究识别时间的不确定性主要是基于数学统计分析。

我们都知道,在建筑中烟雾探测器使用最为广泛。

Beyler和Clearyetal.做了很多对点型烟雾探测器识别时间的研究。

他们开发了一个数学表达式计算识别时间:

这里A=g/CpT∞р∞:

g是重力加速度（看做s2），Cp,T∞,和р∞别是室外环境中的比热容,温度和空气的密度；H是建筑的天花板高度（m），这是每个建筑的固定值；α是火的增长率（KW/S2）火的增长速度,α有关火的速度发展,和它的值是可燃的类型,影响室内结构、通风、空气接触面积等等。

因此,它是不确定的参数。

Holbornetal.进行了统计分析许多火灾数据,发现火增长率α遵循对数正态分布LnN（à,,它的值的范围在KW/S2到KW/S2之间。

此外,R是火灾探测器和中心线之间的圆的径向距离（m）。

由于火灾源位于两个探测器和遵循均匀分布,R也认为按照均匀分布。

参数u是上限烟气流经探测器的速度（m/s）。

CurtatM的研究表明u是均匀分布的U,。

2.人员反应时间

人员反应时间是受到很多因素的影响，包括建筑结构、位置的火源、易燃的特点，建筑，居住者的分布和类型的报警系统。

在某些情况下（例如人是清醒的,经历了一场消防演习或熟悉报警系统），人员反应时间可能只有几秒。

然而,在其他情况下（例如人睡着了,不熟悉报警系统或不能得到其他人员的帮助）有些人的反应时间可能需要几分钟。

目前,研究反应时间的不确定性主要是基于数学统计分析。

即，当人们疏散对人们的行为特征进行研究，使用数据反应时间来确定适当的时间概率分布函数反应时间。

在许多火灾场景中,如在教室,零售市场,和会议室会安装视频和图像传感器系统来记录疏散演习。

然后,他们在对当人逃离火灾现场录制的视频进行了统计分析,并确定以下反应时间的分布函数。

这里tmeam是在疏散过程中人员的反应时间。

3．人员运动时间

影响运动时间的不确定的因素包括建筑面积、有效的出口宽度和疏散距离,等等。

人类行为的方面也应考虑,如人和所在地的关系,人与人之间的距离,减少行走速度的人的密度高、分布的行走速度,人员类型，人的反应时间等。

特别是,步行速度的变化对疏散时间会有很大的影响，比如在充满烟尘的隧道,为了能找到路，在整个疏散过程中人们会一个跟着一个顺着墙走。

这意味着速度较慢的人会减缓背后的人的速度。

运动的时间通常是步行的总和时间和传递时间,如下所示:

Tt=tw+tp

步行时间tw是人们从初始位置到疏散出口行走所需的时间，且：

这里L是人们从初始位置到疏散出口行走所需的距离（m）。

它并不只取决于人们对出口的分布。

它还取决于建筑的形状，家具和由于结构的最终崩溃形成的障碍。

因此它是一个可以被描述随机的变量，如下：

L`～U（Lmix,Lmax）

这里Lmin是人们从他们最初的位置走疏散通道最近的距离（m），Lmax是人们从他们的初始位置到疏散通道的最远的距离，需要考虑建筑的形状,家具,和由于结构的最终崩溃形成的障碍（m）。

参数v是人员在疏散中的步行速度。

这取决于许多因素,如火灾条件下,疏散行为,人口密度和乘员类型。

由于疏散行为的复杂性和是在火灾条件下,现有模型中步行速度是通过许多实验验证的。

例如,美国消防工程手册给了一个水力模型来计算行走的速度v在我们先前的研究中已经讨论了（NelsonandMowrer,2002）。

美国消防工程手册指定,当人员密度小于人/m2,避免拥挤在疏散,和人