周　建,　陳　勝

(1.西安建筑科技大學(xué) 信控學(xué)院, 陜西 西安　710055;

2.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安　710054)

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大型綜合體建筑疏散指示系統(tǒng)的引導(dǎo)作用*

周建1,陳勝2

(1.西安建筑科技大學(xué) 信控學(xué)院, 陜西 西安710055;

2.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安710054)

摘要：根據(jù)大型綜合體建筑的特點(diǎn),結(jié)合西安市某大型綜合體建筑項(xiàng)目,對元胞自動機(jī)的模型加以改進(jìn),建立適用于綜合體建筑的疏散模型。運(yùn)用疏散模型對處于不同環(huán)境下的人員進(jìn)行了疏散仿真。仿真結(jié)果表明,疏散指示燈的應(yīng)用提高了綜合體建筑在發(fā)生緊急情況下的疏散效率,可為相似綜合體建筑的應(yīng)急疏散設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：綜合體建筑; 消防; 元胞自動機(jī); 疏散模型; 仿真

0引言

目前,我國處于城市的快速發(fā)展階段,越來越多的人涌入城市,使得城市建筑不斷向著空間化、多元化方向發(fā)展,故城市綜合體建筑應(yīng)運(yùn)而生。綜合體建筑空間大,人員較多,遇到緊急情況時(shí)人員疏散時(shí)間較長,極易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此,尋求一種合理的人員疏散模型是設(shè)計(jì)大型綜合體時(shí)首先要考慮的問題。

本文結(jié)合西安市某大型綜合體建筑項(xiàng)目,對元胞自動機(jī)的模型加以改進(jìn)[1],建立了適用于綜合體建筑的疏散模型,并進(jìn)行了仿真。

1疏散模型的建立

在建立應(yīng)急疏散模型時(shí),需要綜合考慮很多因素,如疏散空間具有虛擬性及怎樣選擇疏散路徑等因素。本文主要說明疏散指示在大型綜合體建筑中對人員疏散情況的影響[2]。

1.1模型虛擬化

對大型綜合體建筑的環(huán)境進(jìn)行虛擬化模擬,將該空間的規(guī)則用網(wǎng)格形式表示。具體的表示形式是:首先假設(shè)任意一個元胞個體在t時(shí)刻所在的位置為(i,j),則說明在該時(shí)刻單元格的位置是在空間的第i行第j列,其相應(yīng)8個鄰近元胞坐標(biāo)分別為(i-1,j-1)、(i-1,j)、(i,j-1)、(i-1,j+1)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j-1)、(i+1,j+1)。每個元胞個體都有一些自身的特點(diǎn),如被某些特定的物體占據(jù),可能是空的,而且其狀態(tài)隨著時(shí)間的改變而不斷地變化。元胞機(jī)模型狀態(tài)不斷變化,而且在t-1時(shí)刻和t時(shí)刻的模型是相互緊密聯(lián)系的。該模型的鄰域有Von Neumann和Moore兩種模式[3-4],如圖1所示,其中黑色區(qū)域代表中心的元胞,而灰色部分表示鄰域。

模型虛擬化的作用就是對綜合體建筑的疏散區(qū)域進(jìn)行相同面積的網(wǎng)格劃分。在所有的網(wǎng)格中都有一個不同的元胞,則整體就形成了綜合體建筑的元胞空間,表示在疏散區(qū)域中每個人占據(jù)一個元胞空間。在疏散模型中,精度的高低直接決定仿真模擬效果的好壞,且網(wǎng)格的邊長也決定模型的精度大小。為了保證很高的分辨率,必須使網(wǎng)格邊長盡可能得短,不僅滿足該模型的要求,同時(shí)提高了模型的準(zhǔn)確度。我國成年人身體的幾何尺寸如表1所示。

圖1　兩種鄰域方式

表1中國成年人身體的幾何尺寸

百分位數(shù)/%最大肩寬/cm男女肩寬/cm男女胸厚/cm男女236.232.532.029.415.613.9838.735.133.231.117.515.11541.237.534.332.718.316.54544.840.238.236.920.319.88047.543.640.938.423.122.39046.942.738.236.321.220.59949.646.442.140.025.824.0

從表1可見,在平面空間中人員占據(jù)的一塊區(qū)域類似于橢圓,根據(jù)測量的人員尺寸數(shù)據(jù)可以計(jì)算橢圓的面積為0.128 m2。將單元格劃分成0.4 m×0.4 m的單元格,綜合體建筑中每一個人員的所在面積表示為一個單元格。這樣的劃分不僅能減少在模擬仿真中的重復(fù)現(xiàn)象,更能準(zhǔn)確地反映出綜合體建筑中人員的位置。

在模擬環(huán)境中,人員的移動特點(diǎn)能很好地反映模型的真實(shí)性,這些特點(diǎn)既是重要的參數(shù),也是模型中要解決的難點(diǎn)。一般,模型中人員的行進(jìn)速度、方向都是固定不變的,在實(shí)際的疏散環(huán)境中這些都是不斷變化的?？紤]建筑體中人員疏散具有延遲性,且受其他因素的影響,本文選擇利用W.Daamen & Hoogendoorn提出的人群移動速度和人群密度關(guān)系的表達(dá)式:

式中:v——人群移動速度,m/s;

D——人群密度,人/m2。

若D<5,人群不會出現(xiàn)遲滯和擁擠的情況。

1.2引入疏散指示燈

為了很好地表示在疏散照明中指示燈對疏散的影響,在模型中添加指示燈的設(shè)置模塊[5]。

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中指出,疏散指示燈應(yīng)包括樓梯道出口處的疏散指示和在建筑安全通道的指示燈。在建筑綜合體中,疏散指示燈有兩種不同的布設(shè)方式:附著式和地埋式。附著式是將燈布設(shè)在墻上,覆蓋區(qū)域類似于一個扇形;地埋式將燈具全部埋在地面上,具有很寬的覆蓋范圍,類似于一個圓形。疏散指示燈覆蓋范圍示意如圖2所示。

圖2　疏散指示燈覆蓋范圍示意

在綜合體建筑中,疏散指示燈主要為疏散的人員提供通道和出口的準(zhǔn)確信息。在疏散模型中,要對疏散指示燈具進(jìn)行如下設(shè)置:

(1) 選擇指示燈的型號,在不同的位置選擇不同的燈具,在建筑拐角過道選擇方向指示燈,在出口選擇出口指示燈。

(2) 設(shè)置指示燈影響的區(qū)域范圍,是以燈所占的網(wǎng)格為中心,向四周擴(kuò)散的網(wǎng)格。如果采用附著式,設(shè)影響半徑為6個網(wǎng)格,張角為150°;選擇地埋式,假設(shè)影響半徑也為6個網(wǎng)格,而張角為360°。

(3) 把已經(jīng)設(shè)置過的指示燈屬性復(fù)制到特定的網(wǎng)格。出口指示燈和地埋式方向指示燈離散后的覆蓋范圍示意如圖3所示。

圖3　指示燈的覆蓋范圍示意

根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求,并結(jié)合綜合體建筑的設(shè)計(jì)要求,在綜合體建筑疏散模擬過程中應(yīng)在虛擬化后的綜合體建筑中布置疏散指示燈。在設(shè)計(jì)過程中,假定在引導(dǎo)范圍內(nèi)只有被疏散人員,且被引導(dǎo),并從就近的距離出口開始疏散。

1.3人員疏散模型仿真流程

按照上述步驟對疏散模型進(jìn)行虛擬化,并引入指示燈,建立了綜合體建筑模型[6]。疏散模型流程如圖4所示。

圖4　疏散模型流程

2典型案例分析

2.1綜合體建筑概述

西安某大型綜合體建筑的總面積為42 126 m2,建筑高度為41.3 m。該綜合體為地下2層,地上11層,集商業(yè)、住宅、辦公、酒店、娛樂休閑為一體,-2F為車庫、機(jī)房等,-1F為商業(yè)、超市、娛樂用房,地上部分為娛樂休閑、酒店、住宅用房等。綜合體-1F共有三個疏散通道。

2.2綜合體建筑疏散模擬

在沒有布置疏散指示燈的情況下,對綜合體建筑-1F進(jìn)行疏散模擬。因?yàn)榻ㄖ馂?zāi)的特點(diǎn)是在5~8 min就很快出現(xiàn)轟燃,而綜合體建筑內(nèi)的人員想要安全逃生的合理時(shí)間為6.8~16.2 min。依據(jù)GB 50016—2014要求,在此次模擬中人的最大允許逃生時(shí)間選取6 min,如果人員超過這個時(shí)間還未逃離,則表示沒有被安全疏散。不同情景下疏散人數(shù)與疏散時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

圖5　不同情景下疏散人數(shù)與疏散時(shí)間的關(guān)系

在保證燈源的位置和數(shù)量不變的情況下,以疏散300人為例,燈具影響的范圍分別為1.0、1.5、2.0、2.5 m時(shí),探討燈影響范圍的大小對疏散人群的影響,模擬結(jié)果取10次的平均值。燈影響范圍不同時(shí)疏散人數(shù)與疏散時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。

圖6　燈影響范圍不同時(shí)疏散人數(shù)與疏散時(shí)間的關(guān)系

從圖6可以看出,燈影響半徑較小時(shí),人員不能夠完全得到指示,增加了疏散時(shí)間;若增大燈影響的半徑,被影響的面積相應(yīng)增加,大大縮短了疏散時(shí)間,人員疏散更加充分,提高了疏散效率。

3結(jié)語

結(jié)合西安某大型綜合體項(xiàng)目,分析了元胞自動機(jī)原理,建立了大型綜合體建筑疏散模型,并運(yùn)用疏散模型模擬仿真了疏散指示燈在大型綜合體建筑發(fā)生緊急情況下的引導(dǎo)作用。試驗(yàn)結(jié)果表明,疏散指示燈的應(yīng)用大大提高了綜合體建筑在發(fā)生緊急情況下的疏散效率。本文沒有討論燈具的布置位置,這會影響疏散指示的疏散效率。建議在以后的綜合體建筑應(yīng)急疏散設(shè)計(jì)研究中,可以對燈的位置進(jìn)行優(yōu)化布局,以提高綜合體建筑的疏散效率。

[1]王延釗.基于改進(jìn)元胞自動機(jī)地下空間人員疏散模擬研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008.

[2]黃希發(fā).大型場館人員疏散仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

[3]任小娟.基于元胞自動機(jī)的人員疏散模型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30(7):309-312.

[4]孟俊仙,周淑秋,饒敏.基于元胞自動機(jī)的人員疏散仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009,30(1):241-243.

[5]王付明,劉貴坤,宋大鵬.人員緊急疏散系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型研究[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,9(2):254-256.

[6]李強(qiáng),崔喜紅,陳晉.大型公共場所人員疏散策略模擬與應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2011.

Guidance Effect of Guiding Evacuation System in Large Complex Building

ZHOUJian1,CHENSheng2

(1.Information and Control Engineering Institute, Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055, China; 2.Xi’an Institute of Architectural Design, Xi’an 710054, China)

Abstract：According to the characteristics of large-scale complex buildings and combining by a large complex construction project in Xi’an,the model of cellular automata was improved to establish the evacuation model which was suitable for the complex building.By using of the evacuation model,the simulation evacuations of personnel were carried out at the different environments.The simulation results show that the application of evacuation indicating lamps improve the evacuation efficiency of large complex building in case of an emergency,which can provide a theoretical basis for the design of emergency evacuation in complex building.

Key words:complex building; fire fighting; cellular automata model; evacuation model; simulation

收稿日期：2015-07-28

中圖分類號：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2016)02-0012-04

*基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178313)

陳勝(1990—),男,碩士研究生,從事建筑能耗與監(jiān)測工作。