地下商業建筑人員消防疏散行為模型研究

摘 要：隨著我國建筑業市場逐漸成熟，消防安全與技術研究逐漸從硬件裝置的施工落實向符合群體疏散行為特征的性能化設計方向發展。商業建筑地下空間利用深層化、復雜化的代表類型，需要根據疏散行為模型獲取消防要求與安全基礎數據。本研究從工程設計需要的角度出發，利用風險感知模型對人群面對火災時的疏散行為進行分析，并通過VR模擬的方式收集不同群體在火災情境下的路徑選擇數據，對人員疏散的綜合模擬進行了計算。利用該模型可以有效規劃商業建筑的疏散路徑，優化地下空間的消防設計。

關鍵詞：地下商業建筑；消防性能；疏散路徑；仿真模擬

中圖分類號：TU 92" " " " 文獻標志碼：A

目前，國內許多地區的消防中心都組織過大型的消防疏散演習，歸納總結了人流運動基本特征與規律。很多學者對此進行了分析，并在此基礎上，利用人工神經網絡軟件數據分析法對影響路徑選擇的單一因素進行分析[1]，針對照明、標識、群體特征等因素進行單變量計算，對各因素對群體路徑選擇的影響進行了數值分析量化[2]。本研究充分利用國內相關研究結果和VR技術進行仿真試驗，模擬火災情景，更高效地收集了人群路徑選擇數據，對消防設計的有效性進行了檢驗，為優化疏散路徑提供數據，以供參考。

1 提取疏散路徑規劃影響因子

1.1 商業建筑地下空間疏散路徑問題分析

商業建筑的地下消防性能化設計是在地下建筑消防安全設計規范的基礎上，對建筑消防設施相關的指標和性能進行可行性研究，通過分析人群行為學，充分運用消防安全工程學原理與技術，優化防火設計，最大化消防安全與建筑整體設計的契合度，優化消防安全投資效益的新設計模式。

商業建筑類型的建筑結構與人員組成特征不同，基本可以概括為商場地下空間、綜合地下空間、商業街道地下空間這3種主要類型。研究綜合分析了山東地區商業地下建筑現狀，對3種地下空間的路徑特征、節點數量等進行了統計分析，結果如圖1所示。

商場地下空間主要為廳式大堂結構，動線路徑單一，路線邊界模糊，人員能辨別自身位置，但是節點特征不明顯，需要明確的引導標志。綜合地下空間多為輻射式布局，方向性質明確，有業態、功能的明確區分，節點特征突出，出口較多。但在疏導過程中動線容易交叉[3]，中庭容易人群聚集。地下商業街空間路線方向弱，個體無法快速判斷自身位置，空間視野狹窄，節點特征弱化，多數建筑出口不明確，采光分布不均勻，在疏散過程中更容易出現動線交叉與踩踏，需要明確的引導標識。

1.2 提取商業建筑地下空間疏散關鍵因子

當突發性火災發生時，地下建筑空間中的人員處于騷動狀態，人們開始自發性尋找避難路徑，處于需要緊急疏散的狀態。此時，人們尋路的第一考慮要素是判斷安全出口方位，估算路徑距離，首要考慮目標是進入室外空間。但是建筑物結構空間、煙氣與溫度環境、人群密集度等因素都對人員的判斷和疏散效果有負面影響，因此人們開始試圖獲取更多的環境信息，根據經驗意識進行行為決策，并通過多次行動觀察了解疏散效果的反饋[4]。因此，高效快速地展示疏散信息，向群眾提供直接有效的疏散引導，是緩解騷亂、維持疏散秩序的基礎。疏散信息可以分為建筑信息、設施信息和人群信息3類。通過相關研究總結分析這3類因素，相關因子數量統計結果Wenn圖如圖2所示。

采用Kendall協調性分析法對提取的相關影響因子的統一性進行評價，計算各指標具有統計學意義的協調性系數，以Plt;0.05為判斷標準。研究在第一階段共提取了42個相關性因子，對其中協調性系數大于25%的因子進行統籌計算，構成相關因子結構體系，見表1。

2 地下商業建筑疏散路徑模型模擬試驗

在前一階段的因素分析結構的基礎上，采用虛擬模擬法對地下商業建筑火災發生時人員的尋路選擇和選擇數據進行分析。研究借助VR技術，對火災發生過程中建筑的部分結構特性進行可視化呈現，邀請地下商超的工作人員和流動人員進行測試和模擬，記錄人們選擇路徑時候的數據，挖掘人的判斷邏輯和影響因素的相關作用[5]。

2.1 模型分析平臺構成與數據收集

研究融合了3種不同類型的地下商業建筑的特點，在一個基礎模型內構建了24種建筑火災場景，志愿者進入系統后可根據提示自主進行路徑選擇。模型從路徑提示、煙霧影響、群體反映等多方面進行干擾性測試，最大限度地減少模型模擬的不真實感，對測試者沒有專業性知識的要求，以此獲取更真實準確的數據。

系統構成主要采用HMD為核心的模擬方案，PS-VR設備進行獨立場景演示，系統分辨率設置為1080px×1200px，采用環繞音加強氛圍營造效果，并利用手環記錄群體在接收到火災信息、疏散提示、人群聲影響時候的心率變化，判斷不同因素對受災人員群體興趣的影響[6]。

火災建筑模型設置為輻射形，中心是自然采光中庭，疏散出口為均勻分布的4個，內部疏散通道寬度設置為2～5m，涵蓋了3類地下建筑的疏散通道特征。建筑內部存在功能分區，路徑設置上有樓梯、自動扶梯等特殊設備，建筑主體為鋼筋土結構，模型基礎平面構成如圖3所示。

建筑模型按照消防要求，安裝合格數量的滅火器和隔煙卷簾。在試驗過程中，人員在模型內隨機刷新地點，當接收到火災信號時開始選擇疏散路徑。期間模型內伴有警報與提示音，中途響起疏散廣播，環境能見度根據時間逐步下降，人員從出口處脫離建筑時模擬完成。試驗會自動記錄人員在節點處的路徑選擇，尤其是各路口的行動情況，生成人員移動的坐標數據文件。

2.2 建立情境抽象與數據模型

模擬數據結果顯示，當進行火災路徑選擇時，人群選擇呈現明顯的整體性特征，個人行為在標識引導的作用下，呈現快速耦合的現象。通過分析相關研究的人群聚集相關的模型結果，研究選用常規的自組織物理模型作為數據抽象提取的基礎，分析模型中4個相同出口在疏散過程中的人流密度差異。模型結果顯示消防疏散經驗對人群決策的影響遠大于消防理論知識，證明消防演習的頻次和有效度對群眾的直覺決策影響較大。但是多數群體尤其是散客群體缺乏相關的意識和經驗。模型測試結果表明，路口的人群在沒有進行專業引導過程中出現了短暫物理約束的情況，整體決策需要借助相關警示進行引導。人流數據分析結果顯示，模型中內側路口處動線規劃不合理，其收緊過渡段需要復合疏散人流變化函數曲線。以BUCBE-VAC為基本框架建立人流分析模型，數據源來自VR群體模擬路線數據庫，將人員疏散行為作為模擬對象，以疏散時間作為目的參數，建立起核心的人群行為模擬模塊和動線分析規劃模擬模塊，通過SDK開源程序和成熟的人流模擬計算插件PdeSim實現模型的人流量分析，將數據庫中的個人行動信息以時間作為指針參數與模型深度結合，挖掘其群體性人流參數，疏散行為和路徑[7]。

2.3 因子體系的模擬融合

將提取出的重點因子融入場景模擬中，用正交法設計試驗進行選擇影響分析，以采光強度為例，在具體場景中改變選擇點兩側通道內的照度水平，左邊調整為明亮采光，右側改為弱度采光色調，利用VR模型測試亮度變化后人群的選擇率。對至少50人進行行為測試，選擇數據利用SPSS進行數據分析，判斷5%的水平上，2組數據作為獨立樣本是否存在顯著差異，統計分析結果見表2。

以普通亮度選擇率為數據組1，明亮選擇率為數據組2，統計結果顯示，兩組數據之間的方差齊性檢驗顯著性為0.198gt;0.05，二者方差不齊，選用不假定方差組的檢驗結果。檢驗結果顯示二者之間的顯著性（雙尾）Siglt;0.001，因此在5%的水平下，二者選擇率之間存在明顯差異，二者之間選擇率均值差異為13.30%，提高通道明度會增加通道的人流量，當疏導調控時，此因素需要進行相應的模型權重賦值。進行多因素權重分析調整的數據模型，可從VR模擬仿真中抽象出選擇模擬函數，通過調整參數模型對商業建筑消防疏散路徑選擇進行模擬評估。

3 疏散路徑方案性能優化

模擬結果顯示，主次分明的疏散路徑設計可以有效避免群眾選擇路線時出現動線上的相交性和空間上的同向性，疏散通道存在最優模擬值，最佳寬度組合與建筑規模和人流量有關，模型可針對預測人流參數計算主次疏散路徑的寬度組合[8]。結合功能分區考慮，需要將疏散出口與疏散的主要路徑連接，這是保證疏散路徑動線合理的標準，盡可能地增加人群匯入區動線的夾角角度。主次通道的照度要考慮消防人群疏散的需求，照度應有明顯區分，當前多數燈光都有無極調節功能，可安置動態的消防亮度調節系統，建立安全電路，在保證火災階段的基礎照明的條件下，通過調節燈光強度，高效引導人流。

4 結語

本文通過實地分析調研，深入分析了當前地下行業建筑疏散路徑規劃現狀，對其形態、規模、動線特征等進行了數據統計，結合群體行為學特征總結了消防疏散問題，為建立VR場景模擬模型奠定了現實基礎。聯動VR場景模擬技術與BUCBE-VAC數字建模技術，充分利用人流模擬計算插件PdeSim，對個人火災行為選擇數據進行了提取和分析，在行為數據庫的基礎上，建立可靠的抽象數據模擬模型。模型與提取的相關影響因子進行了數據耦合，采用預定義的行為和全局分析兩種方式對出口人流進行模擬分析。模型分析結果對改進商業地下建筑消防設計合理性、提高消防路徑規劃效果有重要意義，研究以分區規劃、路徑設計、采光設置為例，進行整合規劃。在后續研究過程中，可提高人流分析模塊精度，開發更高效的人流模擬引擎，對消防設計進行全局化指導優化。

參考文獻

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[2]葛陽，李子航，劉思語，等.地下商業建筑中的消防安全疏散研究[J].消防界（電子版），2023，9（3）：100-102.

[3]張慧.地下商業建筑消防安全設計工作探究[J].今日消防，2022，7（12）：85-87.

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[8]吳頔.重慶地下商業建筑消防疏散行為影響要素研究[D].重慶：重慶大學，2016.