高层建筑火灾时的人员安全疏散性能
摘 要: 高层建筑与消防疏散的审查了以下目标，
1）找出影响人的表现的关键行为因素在发生火灾的高层建筑， 有关这种类型的建筑和未来的研究领域的奇点; 2）审查的程序和目前高层建筑采用的策略;
3）审查和分析疏散模型的能力通过审查的高层建筑撤离的背景下其电流特性和应用。该审查包括对高层建筑和建模技术和工具，人的行为均发现。不同类别的建筑物使用人考虑到，即办公楼，住宅楼和卫生保健设施。单个或结合使用不同的出口部件的进行了分析。出口组件包括使用楼梯，电梯以及逃生的替代手段（如，天空桥，直升机，等）。出口部件的有效性很大程度上受到建筑用途和人口参与。
审查表明，疏散模型可以有效地用于研究搬迁战略，与高层建筑相关的安全问题。出口机型的高层建筑疏散的适用性与他们代表不同的出口组件和复杂的行为过程的灵活性有关。审查强调了没有使用一个明确的模型，但是这的预测能力 如果多于一个模型被用于研究不同疏散建模技术将得到加强出口方面。未来的研究和模型的发展应着眼于员工行为的影响研究，群体动力学和残疾人。给定建筑物的高度增加而逐渐减少人口的体能，疲劳对疏散的影响，还需要进一步的研究。 关键词: 高层建筑疏散; 人类行为在火; 出口; 楼梯疏散, 疏散电梯; 人迁移策略
考虑不同类别的建筑使用,即写字楼、住宅和卫生保健设施。个人或组合使用不同的出口组件进行了分析。出口包括使用楼梯、电梯以及替代逃生途径(如。,空中桥梁,直升机,等等)。出口的有效性强烈影响建筑使用和人口参与。审查表明,疏散模型可以有效地用来研究和迁移策略安全问题与有关高层建筑。为高层建筑疏散出口模型的适用性与他们相关联的灵活性代表不同出口和复杂的行为过程。评论强调,如果不止一个模型是用来研究不同出口方面，没有一个明确的模型使用的预测能力疏散模型技术会提高。未来的研究应该集中在研究和模型发展的影
响员工的行为,团体动力学和残疾人。鉴于建筑高度的增加和逐渐减少人口的体能,疲劳对疏散的影响，需要进一步的研究。
根据2012年国家消防协会(NFPA)的定义,定义了高楼大厦为建筑高度大于75英尺(约23米)的建筑，测量最低高度为消防部门车辆在地面上能到达的最高高度。根据霍尔(2011),主要的建筑使用,可以通过确定建筑办公楼的类型进行分类,如住宅建筑、酒店、公寓和卫生保健设施。从每一类建筑的基础设施和人口特征分析，预测建筑物住户的使用的可能,并制定一个适当的行为消防安全设计。
事实上,考虑疏散人口、人的体能、人所熟悉的环境等可能会大大影响基础设施。尽管建筑规范建立了高层建筑设计的最低要求,但考虑到他们的复杂性和额外的消防和救援行动的困难性，往往需要附加生命安全特性保障安全。例如，在美国的NFPA101(NFPA 2012),或英国经批准的文档B(建筑监管2006)国际技术指导的观点：可以申请高楼大厦出口组件的设计(如楼梯的几何特征)。另一方面,高层建筑的疏散性能仍然是必需的。
一般概念下，虽然可以额外使用具体的建议，但可能需要考虑到这种类型的建筑的特殊功能。需由国家和国际委员会提供专业的建议,例如gb50045-95,设计防火规范高层建筑在中国(gb50045-95 95),消防安全超级高层住宅建筑的要求，新加坡(新加坡民防部队2006)或章节7中国家建筑防火和生命安全的代码(印度标准2005)。
最近(2011)美国霍尔统计表明,在美国，平均每年有15700起火灾都发生于高层建筑,其共导致53人死亡,546人受伤,每年2。35亿美元的直接财产损失。现在的高层建筑的死亡人数低于同一类型的低楼建筑。然而,这种类型的建筑，事实是一个单一的高层建筑火灾可能会导致高死亡人数。研究人员进行了深入为了分析重大高层建筑的火灾事件研究。以米高梅大饭店为例，死亡的总数是85人(最好Demers 1982年,克拉克县消防局1981)，俄克拉荷马爆炸案默里联邦大楼导致168人死亡(Mallonee et al。1996年)，芝加哥库克县行政大楼火灾(软件和里德2006),导致6人死亡。1960年代末，高层建筑规范的研究越来越引起安全委员会的关注。当时的主要问题是对出口楼梯的设计进行了分析,为出口楼梯提供宽度公式和估计最低总疏散时间。分析了居住者的撤离疏散实际允许的时间。这使高层建筑的安全评估规范化。
事实上,它显示提供健壮的方法的重要性出口,需要一个详细的调查基础设施之间的相互作用的过程和居住者的行为(Galea et al。2008;2008 b)。几个问题促使了世贸中心关于我们目前的安全充足的攻击法规和高层紧急程序建筑。对于什么类型高层建筑需要我们设计疏散场景吗?什么高层建筑建议设计疏散出口组件?什么是电梯疏散?应该用什么设计来改善措施或过程出口效率呢?这些问题没有一个简单的答案,每个建筑需要的细节考虑在内。此外,一个高层建筑的知识方面的仍然十分缺乏(Kuligowski 2011)。
因此,为了提供具体建议，每个个体需要调查单一方面的疏散过程。
本文提出了以下问题:他们在使用不同的出口情况下，是否能分别提供定性和定量信息？他们是否能比较不同的设计方案和迁移策略?这些问题,都需要进一步研究。这种分析是一项需要进一步确定优缺点的评估当前的疏散模型的基本步骤。为了回答这些问题,一组目标已确定。这个必要的检查是一个更大的研究项目(Ronchi和尼尔森2013),旨在研究高层建筑疏散策略。
一组特定的定义也和他们对应:
(1)确定人关键行为影响因素表现在一幢高层火灾的这种类型的建筑。
(2)目前审查的程序和策略采用高层建筑(如水平和垂直疏散方法、分阶段疏散总疏散,defend-in-place等等)。
(3)通过回顾当前的特征和应用程序，审查和分析在高层建筑模型的疏散能力。
审查是各方参与设计高层建筑和性能疏散系统的成员,如消防安全工程师、架构师、消防人员等。目前的工作缺乏专门的审查疏散的模型和人类行为的研究。
事实上,以前的评论(据et al。1999;Kuligowski et al。2010年)在考虑解决没有疏散功能的建筑模型的类型。一个方法是文献回顾，是为了实现本研究的目标。第一步是定义大量的关键字,以确保系统的搜索数据库。关键词包括:高层建筑,高层建筑疏散、紧急疏散,疏散策略,电梯疏散,楼梯疏散。文献主要是来自不同数据库的检索。
材料分析可分为三个主要的类别;(1)人类行为在高层建筑火灾疏散的影响(2)出口组件和策略(3)建模研究。在分析高层建筑疏散评估的领域，材料收集的的问题的需要进一步的研究。这项工作的限制主要集中在研究高层建筑使用不同的火灾疏散的出口组件。由于这样的事实文献综述是在这种背景下,进行它的主要研究是关于疏散和地址问题及人类行为对发生火灾和出口的影响。研究重点是最常见用途的建筑,即办公大楼、住宅(如公寓、酒店)和卫生保健设施。根据霍尔(2011),这些建筑的使用占高层建筑火灾的最重要的一部分。然而,其他类型(例如集会、娱乐、存储等)的使用使得设计和行为问题可能呈现不同的特点。高层建筑疏散的文献研究是有限的。这包括人类行为的分析,搬迁策略和模型的研究。这些主题被认为是有效的选择不同疏散模型研究的疏散策略。应该注意的是,考虑到审查范围非常的广泛,在一些地方详细描述是有限宽度的分析。大纲审查处理的第一部分介绍了问题和目标。第二部分审查了不同的用途高层建筑关键因素与标识。第三部分给出了使用不同的出口组件。出口组件包括使用楼梯,疏散电梯、天桥和替代的逃避手段(如直升飞机撤离,等等)。第四部分提供了可以用来疏散高层建筑的措施。不同的出口组件的结合使用描述,尤其关注联合使用撤离的电梯和楼梯。主要的策略分析,即总疏散(即同步疏散),分阶段疏散、defend-in-place和延迟疏散。分批撤离这里作为一个总疏散,只有一些地板的子集被疏散。对与残疾人有关的问题也进行了描述。回顾主要疏散的能力模型模拟高层建筑疏散第五部分中提供的审核。在第六部分讨论的材料Ronchi和尼尔森2013年火灾科学评论,最后一个案例提供了建议未来的研究的一部分需要调查的主题。
随着我国经济的腾飞, 城市化进程进一步加快,城市人口数量也在不断增加, 人们的生活水平也快速提升。人口密度的增加, 地价的升值, 使得现在的城市建筑向高、大发展。 高层建筑一方面解决了城市人口增加的问题, 但是另一方面也给火灾安全问题带来了挑战。 楼层的增加, 使建筑的构造更加复杂化, 无论是建筑材料还是电气方面都要求有更好的质量, 建筑火灾的隐患也同样增加不少, 任何一个环节出现问题, 都有可能出现火灾的危险。 现在的消防并不能很好地解决高层建筑的火灾, 消防设施能够达到的高度也非常有限。 如何完善高层建筑本身的防火设施和安全疏散, 是改善高层建筑安全的重要方法, 是人员逃生的重要保证。
国际上在人员疏散方面, 形成了比较健全的人员疏散策略和人员疏散模型。Sine在研究了阻塞状态下人员心理学的基础上, 提出了ORSET ( Occupant Response Shelter Escape Time line)模型的概念,把心理学、建筑学、管理学以及火灾报警设施的分布统一起来, 从而计算出最小疏散时间, 以便指导人员
的疏散。美国则是以NIST( National Institute of Standard and Technology )为代表, 围绕人员疏散安全展开研究, 包括最短疏散时间的计算、最优化疏散模型的建立、火灾中人员的决策以及对环境的反应、火灾对人员影响的评估方法等。 日本则较注重把火灾中人员行为统计、人员疏散安全评估方法、火灾危险性评估和性能化设计结合起来进行研究。 1994年, Fahy提出了一种针对高层建筑的人员疏散模型。 1995年, Thompson等提出了大型建筑人员疏散的计算机模型。
国内在人员疏散方面也已进行了一些研究, 文献中回顾了建筑物火灾疏散中人员行为研究的发展, 将模糊数学理论应用到建筑安全综合评价中, 对人员的疏散策略和堵塞现象也进行了研究。 但是, 当前我国对高层建筑人员疏散的研究还远不能满足经济发展的需要, 从20世纪90年代以来, 我国多次发生有重大人员伤亡的火灾。 本文中将火灾时人员的疏散过程分成觉察、发出警报和行动3个部分, 采用经验公式计算得到3个部分的时间, 并采用水力模型模拟人员在楼梯间的疏散行动过程, 计算高层建筑火灾情况下人员在楼梯和通道的流动时间, 实现人员疏散行动过程的计算机模拟。
1 计算模型 1。 1
人员安全疏散条件人员的安全疏散是指在着火建筑物中的人员从发生火灾到火灾危及人员安全之前到达安全区域,即人员疏散的时间tev要小于危险情况的来临时间tcrit。 火灾发展与人员疏散的时间线如图所示, 火灾时人员的疏散过程可以分成3个阶段: 觉察、发出警报和行动, 若3个阶段的时间分别为ta、tb、tm, 则人员疏散时间tev = ta+ tb + tm。 人员安全疏散的条件是tev < tcr it, 如图1所示。
1.2 水力模型
水力模型是将高层建筑中的人员流动看作管里的水流动, 根据建筑结构的特性将其模拟成蓄水池和水管。 该模型忽略了建筑的布局和大小, 每一个网格节点都可以表示一个房间或者走廊, 并且按照建筑的实际结构, 用代表出口的弧线将这些网格节点连接起来, 弧线上的权值表示该出口的疏散能力。
高层建筑火灾的水力模型, 将重点放在疏散楼梯的瓶颈效应以及疏散楼梯的最大人员荷载量, 也就是说, 疏散楼梯是一个带有一定蓄水量的水池, 该水池有n个进水口(即是代表了n 层建筑), 而只有一个出水口(疏散楼梯的地面层出口), 分别设定进水口和出水口的人员流速, n 个进水口和一个出水口同时开启时, 蓄水池中的所有水量(建筑楼层中的人员荷载)最后流净所需的时间即是人员疏散的运动时间, 如图2所示。
1.3 人员疏散时间的计算
一般, 发出警报的时间tb 远远小于觉察时间ta和疏散行动时间tm, 因此在总疏散时间中可不予考虑。 A f 为楼层里所存在的需要疏散的人员所占据的房间的地面面积之和; 当建筑物作为住宅楼、宾馆等使用时A= 300, 在其他用途时A= 180。
房间的疏散行动时间是指从疏散开始时刻到所有的人员疏散到楼层中的走廊所需的时间, 由步行时间tm, t和停留解除时间tm, q组成。 步行时间是指利用步行距离最大值Lmax, room的疏散路线进行疏散所需的时间, 若步行的速度为v, 则步行时间为tm,
t = Lmax, room /v （3) 停留解除时间指疏散房间的疏散人员P 聚集在宽度为B 的出口前, 由停留
状态到全体人员通过出口所需要的时间,
tm, q = P / (NB ) (4) 式中: N 为单位宽度的疏散通道在单位时间内通过的人员总数量, 称为有效流动系数, 一般地, 有效流动系数N 使用1.5人每米每秒。
人员在楼层的疏散行动时间, 是指疏散到楼层走廊之后的人员从走廊通过楼梯到达安全区域所需要的时间。 人员在每一层的楼梯和平台上行走的距离是1012m, 每一层楼梯和平台的水平投影面积为67139m2, 平台的面积为29156m2。 假设人员在楼梯和平台的最大密度为4 人/m2, 则平台的容量为P 1 = 29156 @ 4U 118人, 楼梯和平台的容量P 2 = 67139 @ 4= 270人。 经计算从周一到周六最危险时间段的人员流入与流出楼梯所需要的时间如表1所示。 周一、周三、周五和周六人员疏散最危险的时间段是1~ 2节、周二和周四人员疏散最危险的时间段是3~ 4节。
从表1中的结果看到, 人员流入楼梯的时间随楼层的增加先增加再减少, 这一方面是由于各个楼层中人员数量不同造成的, 另一方面也是由所在的楼层决定。 因为随着楼层的增加, 该楼层前室入口的有效流动系数N 受到其下方各楼层的前室入口流量的影响也越大, 所以需要流入的时间比较长, 流入时间随着楼层增加而增加; 同时在31 号教学楼中,随着楼层的增加, 课室的使用率会大大下降, 特别是在最顶层, 利用率非常低, 结果上面楼层的人员数量就会明显下降, 导致流入时间随着楼层的增加而减少。当高层建筑物发生火灾时, 基本上每一层人员流出楼梯间的时间远远比人员流入楼梯间的时间长, 即人员在逃生过程中很大一部分时间是用在楼梯间的流动时间上, 因此人员在楼梯间的流动时间将决定人员能否安全离开着火建筑到达安全区域。高层建筑楼梯间的水力模型, 主要是针对人员在楼梯间的流动特性, 将人员疏散研究的重点放在人员在楼梯间的流动上, 所以对高层建筑楼梯间水力模型的研究具有比较广泛的意义。
Wong等人（2005年）进行的一项研究中，他们使用步骤来演示该提高排气效率100层的高层建筑中应用时，楼梯和电梯相结合的策略。特别是，采用的策略包括利用天空大堂和穿梭电梯。在乘员的总数疏散约21,000点。的几何形状该建筑是非常复杂的，其中包括三个楼梯，四避难层和14梭电梯连接避难所地板和地电平。撤离人员的比例等待电梯疏散的避难层通过使用耐性系数的校准和排队时间的估计。研究表明，该总疏散时间可以在不被显著减少复杂的程序，但使用了一种简单有效搬迁的策略。
Wong等人（2005）指出仍然有必要调查的不同的建筑高，电梯的能力和进入更深入到可能的行为因素。疏散模式是因此采用在这种情况下，优化了出口高层建筑的策略，显示出的影响在总的疏散时间充足的计划。
沉文和伟柔（2011）使用building EXODUS调查在台北运用疏散电梯101，第二最高的建筑在世界上。在他们的研究中，他们采用building EXODUS的计算疏散楼梯使用，并手工计算的使用电梯疏散时间计算。该仿真结果表明，使用电梯作为一个疏散的方法可以帮助减少疏散时间在非消防应急。然而，在该情况下火灾事件，电梯疏散是由于不太有效建筑物的特定布局。在这种情况下，使用的疏散模式是有益的决定适当的出口组件有关聘用到建筑物下的具体特征考虑。本节提出了一套疏散用途模型预测，援助和解释安全设计高层建筑。这表明，不同的模型可以成功地用于相对于所述建筑类型和所考虑的变量。然而，一个单一的明确的仿真模型与高层建筑相关的行为问题尚未确定。车型一般存在不同特性和