基于演化算法的建筑物人員疏散動態模擬系統

韓瑩雪

（北方工業大學，北京 100013）

1 引言

雖然高層建筑的出現緩解了城市用地緊張的問題，促進了城鎮化的發展，但由于其垂直方向上的建筑高度較大，結構復雜，人員密集，且大部分已建和在建的高層建筑都位于繁華的城市中心地帶，一旦發生火災，人員疏散困難，救援難度較大，將帶來極大的人員傷亡和財產損失。而高層建筑火災造成極大人員傷亡的一個重要原因就是，發生火災時，缺乏相對有效的人員疏散策略，這主要包括人們對疏散路線的不熟悉，疏散設施的缺陷和疏散方式未得到充分利用等。合理、高效的疏散策略是人們生命安全的重要保障，因此，為提高疏散效率，減少人員傷亡，在有限的時間內疏散盡可能多的人員，對高層建筑火災情況下的人員疏散策略進行研究具有較強的現實意義。同時，高層建筑內的人員疏散問題也是制約高層建筑發展的重要因素，高層建筑發生火災時的人員安全疏散問題已成為了一個亟待解決的世界性難題。

2 高層建筑火災的起因

（1）生活和生產用火不慎。生活用火是最常見的火源，其種類繁多，主要包括炊事用火，照明、取暖用火，節日活動用火和煙火等，這些都與人們的日常生活息息相關，稍有不慎，極易引發高層建筑火災。生產用火是指高層建筑施工、維護時的用火，主要包括樓地面和屋頂鋪防水瀝青時的用火和電焊火花等，這些火源溫度較高，使用過程中應注意周圍環境，避免因使用不當造成高層建筑火災。

（2）違反生產安全制度。高層建筑的生產安全制度就是指施工過程中應當注意的生產安全制度，各施工環節中易引發高層建筑火災的是鋼筋的切割、焊接過程和板材的切割過程。一方面，切割機在使用過程中，不按時加潤滑劑或沒有及時清除附著在機器軸承上面的雜物、廢料，而使機器這些部位摩擦發熱，引起附著物燃燒起火；另一方面，使用電焊焊接鋼筋時，沒有采取相應的防火措施，也會釀成高層建筑火災。

（3）電氣設備的設計、安裝、使用及維護不當。公安部消防局2015年全國火災情況分析中指出，高層建筑火災，尤其是較大火災中有55.9%是由于違反電氣安裝使用規定引發的。高層建筑中電氣設備較多，功率差異較大，不合理的設計容易造成電路故障，引發火災；將大功率發熱電氣設備安裝在可燃物附近，容易發生火災；使用私拉亂扯的電線容易引發明火，造成高層建筑火災；電氣設備的維護不當會使線路接頭接觸不良，易造成電線短路，引發火災。

（4）自然現象引起。引起高層建筑火災的自然現象主要有自燃、雷擊、靜電和地震等。所謂自燃，是指在沒有任何明火的情況下，物質受空氣氧化或外界溫度、濕度的影響，經過較長時間的發熱和蓄熱，溫度達到燃點而發生燃燒的現象。如大量堆積在一起的油布、油紙，因為空氣不流通，內部發熱久聚不散，溫度逐漸升高，發生自燃。雷擊引起的高層建筑火災，一是雷電直接擊在建筑物上發生的熱效應、機械效應等引起的；二是雷電產生的靜電感應和電磁感應引起的；三是高電位沿著電路或金屬管道侵入建筑物內部引起的。靜電通常是由摩擦、撞擊而產生的。因靜電引起的火災事故屢見不鮮，如易燃、可燃液體在塑料管中流動，由于摩擦產生的靜電，導致液體燃燒爆炸。發生地震時，因為急于疏散，人們往往來不及切斷電源、熄滅爐火等，因而地震發生的同時，經常伴有各種火災的發生。

（5）縱火。主要包括人員的故意縱火和意識不清情況下的意外縱火。

（6）建筑布局不合理，建筑材料選用不當。在建筑布局方面，防火間距不符合消防安全的要求，沒有考慮風向、地勢等因素對火災蔓延的影響，往往會造成發生火災時火燒連營，形成大面積火災。在建筑構造、裝修方面，大量采用可燃構件和可燃、易燃性裝修材料都會大大增加高層建筑發生火災的可能性。

3 高層建筑火災樓梯、電梯混合疏散策略

3.1 樓梯、電梯混合疏散策略

顯然，高層建筑利用電梯進行人員疏散的最大特點就是運送時間短，而樓梯疏散的安全、可靠性又是其他疏散方式所難以取代的，所以，單獨地使用樓梯或電梯并不能達到最好的疏散效果，而必須將這兩種疏散方式結合在一起，以追求在最短的時間內疏散盡可能多的人員。因此，在整個疏散過程中，樓梯和電梯都必須得到最充分的利用，最理想的情況是從樓梯中下來的最后一個人與從電梯中下來的最后一個人幾乎同時到達出口處。基于這個思路，在已有研究成果的基礎上，本文提出了一種新的樓梯、電梯混合疏散方式，它是一種待疏散人員同時利用樓梯、電梯，但不依賴電梯的疏散模式。高層建筑發生火災時，電梯的運行模式與平時不同，須采用新的停靠規則實現最為有效的疏散，即疏散開始時，人員首先選擇樓梯進行疏散，電梯自動計算運行到最高層時，該層尚未疏散的人數是否大于（或等于）電梯額定人數，若大于（或等于）則選擇停靠，并根據未疏散人數確定停靠在該層的電梯數量，若小于則不停靠，繼續計算運行到下一層時未疏散人數是否大于（或等于）電梯額定人數，直到計算出運行到第二層時，該層的未疏散人數小于電梯額定人數，則電梯停止運行。

3.2 樓梯、電梯疏散時間計算

（1）水平通道疏散時間。樓層水平通道運動時間是指疏散人員通過走廊移動到樓梯間或電梯間的行走時間，它主要由疏散距離和人員行走速度決定，而人員行走速度又受人流密度的影響。

（2）樓梯疏散時間。樓梯疏散模型一般都是基于流體力學模型建立的，就是把人群看成一個連續的，流動的整體，不考慮人與人之間、人與環境之間的相互作用對人員運動的影響。疏散開始時，樓梯上的人流密度相對較小，人群以速度勻速下樓，不受人流密度的影響。當人群運動到下一層時，在樓層平臺處與下一層的疏散人群形成匯流，人流密度迅速上升超過某一臨界值，然后趨于穩定，此時疏散行動表現為集群流動，具有流體力學的特征。研究資料表明，當疏散通道中人流密度超過3.57人/m2時，會造成疏散中的危險。

（3）電梯疏散時間。一般情況下，電梯從啟動到停止，最多經歷5種運動狀態，依次為勻加速運動、變加速運動、勻速運動、變減速運動和勻減速運動。

4 結束語

近年來，高層建筑火災頻發，對人們的生命、財產安全造成了極大的危害，雖然全國消防部門加大了對高層建筑的防火管理力度，但高層建筑火災的形勢依然嚴峻，高層建筑火災人員疏散問題已成為當前研究的一個熱點。