高層住宅建筑火災室內交互場景的構建

秦華，侯文昊，冉令華

（1.北京建筑大學機電與車輛工程學院工業工程系，北京100044；2.中國標準化研究院，北京100088）

0 引言

近年來，我國的火災形勢相當嚴峻，尤其是高層建筑的火災已成為城市中最為嚴重的公共災害之一。由于建筑防火中人的行為及其反應對人員疏散起到了關鍵的作用，所以建筑防火不能單純從工程技術方面進行研究，還應該重視人在火災中的行為研究，文章采用人因工程的研究方法，對在人員獲悉火警信息后，決定逃生之前的各種行為反應的分布特征與其影響因素進行研究，旨在針對高層建筑火災逃生前期的住戶行為反應建立相應的理論模型。

建筑火災中人的行為反應是建筑防火性能設計與評估的重要依據之一，而關于逃生行動開始前人的行為反應的研究，近年來已廣泛引起了學者的重視［1－3］，但是，目前尚缺乏可實際應用的研究成果。文章通過對建筑物模型和室內場景的虛擬仿真，構建一旦火情出現后用戶可與環境交互的三維室內場景，目的正是為了后續研究能夠提取高層住宅建筑火災的逃生前期中大量的行為數據，以便于分析影響人們逃生前期的行為反應的主要影響因素。通過研究建筑火災中人的行為反應，這方面的研究成果不僅會為建筑防火設計中科學合理地考慮人的逃生問題提供理論依據，還將為建筑的防火性能設計和評估方法提供參考。

1 高層住宅建筑火災與逃生前期行為

高層住宅建筑一旦發生火災，人員疏散非常困難，這是因為高層住宅建筑火災相對于非高層建筑的火災有其自身的特殊性［4－5］：火災蔓延途徑多、速度快；建筑內人員較多，逃生途徑少，疏散困難。

火災發展過程一般可分為起火、火災初期，旺盛期和衰減期。伴隨著火災發展過程，對于逃生中起關鍵作用的常常是在人們覺察火災之后及達到危險狀況之前這段時間，是逃離火災現場的最佳時段，而這期間人員的行為反應起到了非常關鍵的作用，關系到其能否逃離火災現場［1］。

研究表明，火災發生時，第一次發出警報信號時，只有29%的人做出逃生的行為，其他都在猶豫驗證火災信息，甚至人們還象沒有發生火災一樣，繼續做自己的事情，等待其他人先做出行為反應后，才開始行動［6－7］，或者聯系家人或朋友。在真實火災場景中，這個前期時間持續 5～25 min不等［7－8］。通過對火災信息的探索，人們將對周圍情形的危險程度作出判斷，并決定是否開始自己認為恰當的逃生行為。

人們逃生所需的時間主要由逃生行為前期時間和逃生過程所需時間組成。在實際的火災發生現場，安全逃生時間有限。為了實現成功逃生，要求人們逃生所需要的時間應小于火災過程中給予的疏散時間（如圖1所示）［1］。圖1中的ASET為可用安全疏散時間，RSET為必需安全疏散時間。由此可以發現，前期的人員行為反應非常重要，這是因為一方面這個階段的時間占安全逃生時間的比重相當高，另一方面由于人員行為反應直接導致逃生過程的實施效率與效果，即能否快速而成功的逃生。因此，找出影響人們做出逃生決定的影響因素，減少前期時間，就是相對延長了可用安全疏散時間，這是研究高層建筑火災中人員安全疏散的根本和關鍵。研究認為，主要有三類因素影響了人們的行為反應，分別是人員特征、建筑特征和火勢特征［9－11］。

圖1 人的行為反應與火災發展關系圖

研究火災期間的逃生行為，目前采用的方法主要有火災后的訪談或者問卷調查，這種方法可以獲得人們火災場景中的真實行為，但缺點是數據量有限，且易受到被訪者主觀偏差的影響。另外，隨著仿真技術的發展，各國開發了許多用以描述建筑疏散特性的模型，目前己經完成的和正在開發的疏散模型有20多種，總體上，這些模型都可歸結為網絡節點模型。在我國，關于現代高層建筑防火疏散設計的研究也得到了越來越多人的關注，但研究關注的重點是建筑的疏散特性模型。因此，構建虛擬高層建筑火災場景，讓被調研者即使沒有經歷過火災，也可有一定的身臨其境感，從而可以增強調研數據的真實性和可靠性。

2 高層住宅建筑室內交互場景設計

由于人員行為反應具有模糊性、隨機性和不確定性等特點，構建場景交互方式就是為了及時收集在這種應急狀況下人員的行為特性，由此反應人員當時的心理決策模型。因此，在構建火災場景中必須設計出人員與虛擬場景可能存在的交互方式，從而為后續探索人員逃生前期的應急行為影響因素及存在的特點和規律提供研究基礎。

按照火災行為的相關研究，在建筑物火災前期中，人的行為主要有不采取任何與火災相關的行為、自行滅火、提醒他人、尋找更多的火災相關線索、搜尋財物或人員和逃生等6個方面的表現［12－13］。由于人的決策過程不是孤立的，而是受到各種內在與外在的因素影響，在建筑物火災中人的行為方式取決于人的感知、認知和決策，影響建筑物火災疏散中人的行為的因素既多而且復雜，在不同的條件下，做出的決策和做出決策的時間不同，因此，相關研究中將影響因素分為三類，分別是建筑特征、火情特征和人員特征等。建筑特征包括建筑物的樓層高度、結構布局等，火情特征包括起火位置、煙火強度及發展速度、火警方式等，人員特征包括生理特點（年齡、性別、身體狀況等）、心理特點（火災經驗、培訓和教育、性格等）、初始狀態、信息獲得途徑、人員所處的初始位置等［14－18］。

由于上世紀末起，國內建造的住宅建筑層次較高、每層的布局較復雜而且內部沒有報警系統等，在這樣的高層建筑環境內發生火災，人們在逃生前期會有哪些行為，這是設計室內交互場景過程中需要考慮的，基于上述研究，文章提出前期行為的影響因素有建筑內部特征、獲取火情信息的影響因素以及人員特征。歸納的三類影響因素及考慮這些因素對場景設計的影響如表1所示。圖2呈現的為所設計的局部三維場景。

圖2 局部三維場景圖

3 火災仿真場景中的用戶交互行為

一旦高層住宅建筑發生火災，室內人員會不斷地從周圍環境中感知火災及其相關信息，在沒有采取逃生行為之前，會有以下幾類行為：查詢決策行為需要的信息、收集私人物品包括財物、搜救親朋好友、救火等［17］。為了調研高層住宅建筑火災前期人員的行為，文章將逃生前期的可能行為與可交互的虛擬場景中的道具之間建立對應關系（如圖3所示）。

表1 逃生行為影響因素及對應的虛擬場景設計

要想在虛擬場景中提取出人們在真實火災場景中的行為，還需要考慮到以下兩個方面：（1）在未發生火災前，人們是處于正常生活行為狀態，只有這樣，一旦出現火情，才會出現從正常行為狀態至逃生行為狀態之間的逃生前期行為狀態；（2）除了理性決策，人們在緊急狀態下還會受到情緒的影響，因此虛擬場景中還要考慮激發出參與者當下的情緒與心理，由此獲得的行為才真實可靠。為此，文章通過設計室內場景、火災發展過程中的用戶任務來滿足上述兩方面的要求。

虛擬建筑室內是一套兩居室，包括廚房、衛生間、臥室、客廳等，室內裝修布置按照典型居室設計，用戶在開始正式任務之前，先熟悉建筑室內場景，正式游戲之前有一個場景引導，讓用戶設想正坐在家中的電視機前，觀看一場精彩的比賽，這些設計的目的是讓用戶的行為是正常的理性決策的結果。之后用戶進入正式任務，用戶在室內隱約聞到了樓道里傳來的煙味，象是誰家在燒烤，又象誰家著火了，請用戶根據這種情況確定您的下一步行動，正式任務設計了兩種情況，一種是確實發生了火災；另一種是沒有火災，如果發生火災而用戶沒有進行逃生，表示游戲失敗，但是如果不是火災而進行逃生，也表示失敗。用戶只有在順利完成游戲的情況下，才可以參加抽獎，目的是激發出參與者類似于火災場景中的緊張、焦慮的情緒與心理。對于一位參與者，其實驗任務實施過程如圖4所示。文章只記錄發出真實火警后，參與者決定逃生之前在居室內部的行為活動。

4 結語

圖3 逃生前期的逃生行為與相對應的道具圖

圖4 虛擬場景中的用戶任務圖

通過對建筑物模型和室內場景的虛擬仿真，構建一旦火情出現后用戶可與環境交互的三維室內場景，目的正是為了后續研究能夠提取高層住宅建筑火災的逃生前期中大量的行為數據，以便于分析影響人們逃生前期的行為反應的主要影響因素。研究根據國內住宅建筑的特點和火災報警情況，室內交互場景設計過程中考慮的影響因素包括建筑內部特征、獲取火情信息的影響因素以及人員特征等三類，利用構建的虛擬交互平臺，后續研究以此進行大量逃生前期的行為數據收集，以便于量化分析影響人們逃生前期的行為反應的主要影響因素。

目前采用仿真疏散模型來研究火災中的人員逃生行為的研究較多，總體上，這些模型都可歸結為網絡節點模型，研究關注的重點是建筑的疏散特性模型。但是，要想將仿真環境應用作為行為數據調研的平臺，更重要的是該環境能否激發被試身靈其境，從而產生一定程度上的真實行為，從而使得調研數據具有一定的可靠性，本研究一方面通過限制任務完成時間使得被試產生緊迫感，另一方面除了三維視覺環境，還配有聲音。除此之外，在后期，還會增加沒有時間限制及無聲環境的調研數據，通過差異性檢驗來驗證此環境能否對被試產生一定程度的行為影響。

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