火災(zāi)模擬軟件選取

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢(xún)電話(huà)：400-8352-114

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實(shí)際對(duì)象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計(jì)算假設(shè)等因素都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，各個(gè)軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對(duì)某一工程設(shè)計(jì)，如性能化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選擇最合適的軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬是一比較重要的問(wèn)題。

一、火災(zāi)模擬

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實(shí)際對(duì)象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計(jì)算假設(shè)等因素都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。

（一）概述

火災(zāi)數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的重要內(nèi)容之一，但由于火災(zāi)現(xiàn)象的復(fù)雜性，近幾十年來(lái)才建立起描述火災(zāi)現(xiàn)象的實(shí)用數(shù)學(xué)模型?；馂?zāi)模型主要分為確定性模型和隨機(jī)性模型。

火災(zāi)數(shù)值模型主要有專(zhuān)家系統(tǒng)（Expert

System）、區(qū)域模型（Zone

Model）、場(chǎng)模型（Field

Model）、網(wǎng)絡(luò)模型（Network

Model）和混合模型（Hybrid

Model）。場(chǎng)模型也即CFD模型，主要是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細(xì)的物理量的時(shí)空分布，能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得CFD模型得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

目前用于火災(zāi)模擬的CFD模型主要有：FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專(zhuān)門(mén)針對(duì)火災(zāi)模擬而開(kāi)發(fā)的CFD軟件，簡(jiǎn)單易用。因此，在火災(zāi)模擬中應(yīng)用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計(jì)算流體力學(xué)的通用軟件，將其用于火災(zāi)模擬需要有較強(qiáng)的流體力學(xué)背景。因此，應(yīng)用較少。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)FDS的研究比較多，而對(duì)于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究則較少，對(duì)各個(gè)軟件的對(duì)比研究更少。

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的因素比較多，如所建模型和實(shí)際對(duì)象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計(jì)算假設(shè)等因素都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，怎樣才能使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可信是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。同時(shí)，各個(gè)軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對(duì)某一工程設(shè)計(jì)，如性能化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選擇最合適的軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬是一比較重要的問(wèn)題。因此，為了能夠更好地利用CFD模型進(jìn)行火災(zāi)模擬，有必要對(duì)他們進(jìn)行系統(tǒng)研究。

驗(yàn)證(veriifcation)與確認(rèn)(validation)是評(píng)價(jià)數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長(zhǎng)期以來(lái)，CFD工作者對(duì)CFD軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作一直沒(méi)有給予足夠的重視。因此，對(duì)于計(jì)算結(jié)果的可信度，CFD研究人員并不能給出明確的回答。這使得CFD軟件的使用者對(duì)CFD也持一種矛盾的心態(tài)，既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)工具，又對(duì)CFD的計(jì)算結(jié)果心存疑慮。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計(jì)算和模擬實(shí)體火災(zāi)的方式，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

（二）選取

從軟件易用性來(lái)看，火災(zāi)專(zhuān)用模擬軟件相對(duì)簡(jiǎn)單，在應(yīng)用中不需要作復(fù)雜設(shè)置，使用者只需掌握火災(zāi)基本知識(shí)即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對(duì)使用者要求較高，使用者需要對(duì)流體力學(xué)有深入了解，才能得到合理結(jié)果，因此，一般火災(zāi)模擬選擇專(zhuān)用軟件為宜。

利用火災(zāi)模型進(jìn)行數(shù)值分析前，應(yīng)著重考慮該模型對(duì)所模擬問(wèn)題的適用性及預(yù)測(cè)能力，一般情況下，需要事先利用相關(guān)試驗(yàn)（已有其他人員進(jìn)行的試驗(yàn)或自己進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)）對(duì)模型進(jìn)行確認(rèn)研究。

從模擬準(zhǔn)確性來(lái)看，火災(zāi)專(zhuān)用模擬軟件由于是專(zhuān)門(mén)針對(duì)火災(zāi)開(kāi)發(fā)，在概念模型層面相對(duì)于通用軟件更接近于真實(shí)模型，其數(shù)學(xué)模型更能反映火災(zāi)過(guò)程，因此，一般情況下，建議選擇火災(zāi)專(zhuān)用軟件，除非在專(zhuān)用軟件無(wú)法模擬的情況下才選擇通用軟件。

使用火災(zāi)專(zhuān)用軟件時(shí)，應(yīng)著重考慮網(wǎng)格獨(dú)立性、邊界條件設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時(shí)，還應(yīng)考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

火災(zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)應(yīng)包含其對(duì)各類(lèi)火災(zāi)參數(shù)的預(yù)測(cè)能力研究，如火場(chǎng)溫度、熱輻射通量、反應(yīng)產(chǎn)物的濃度變化（著重研究CO、CO2、煙密度等）、火場(chǎng)能見(jiàn)度等。

對(duì)于通用的CFD軟件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其發(fā)展比較成熟，其程序一般能夠比較準(zhǔn)確的反應(yīng)其所確立的概念模型，因此，對(duì)這類(lèi)模型可以著重于確認(rèn)研究；對(duì)于專(zhuān)用火災(zāi)模擬軟件，如FDS等，已經(jīng)進(jìn)行了較多的確認(rèn)和驗(yàn)證工作，對(duì)于比較常見(jiàn)的火災(zāi)場(chǎng)景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來(lái)模擬分析，而對(duì)一些特殊的場(chǎng)景，如火災(zāi)在狹長(zhǎng)雙層玻璃幕墻內(nèi)的蔓延模擬，還需進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)研究；對(duì)于自行編制的火災(zāi)模擬程序，模型的驗(yàn)證工作是至關(guān)重要的，應(yīng)確保程序能夠準(zhǔn)確反映概念模型。

用Steckler房間火試驗(yàn)，對(duì)PHONEICS和FLUENT進(jìn)行了確認(rèn)研究，就該類(lèi)實(shí)例來(lái)說(shuō)，F(xiàn)LUENT的準(zhǔn)確度要高于PHENICS，但就工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，兩者的模擬結(jié)果一般可滿(mǎn)足工程需要。

火災(zāi)發(fā)展具有確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，火災(zāi)試驗(yàn)的影響因素較多，在選擇確認(rèn)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇可重復(fù)性強(qiáng)的試驗(yàn)，并應(yīng)注重采用不同火災(zāi)場(chǎng)景下的火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)研究，以便更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚哦取?/p>

二、疏散模擬

當(dāng)前世界上開(kāi)發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個(gè)，其他未公開(kāi)的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時(shí)一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問(wèn)題與模型的適用性來(lái)進(jìn)行選擇。

（一）概述

建筑防火設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設(shè)計(jì)，是要求所設(shè)計(jì)的疏散設(shè)施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時(shí)間安全疏散到安全的地方。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括建筑的安全出口、疏散樓梯的寬度、疏散距離是否滿(mǎn)足建筑內(nèi)使用人員的疏散需要，人員的疏散所需時(shí)間是否大于火災(zāi)條件下的可用疏散時(shí)間。

安全疏散時(shí)間判據(jù)，主要按照火災(zāi)發(fā)展與人員疏散時(shí)間為同時(shí)沿一條不可逆的時(shí)間線(xiàn)進(jìn)行，保證建筑物內(nèi)人員安全疏散完畢所需時(shí)間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間。

火災(zāi)中人的疏散過(guò)程是在人的意識(shí)干預(yù)下，感知、認(rèn)知火災(zāi)和環(huán)境信息與行為決策以及執(zhí)行決策的過(guò)程，是一種在時(shí)間壓力下的人體位移。由于人的行為受到年齡、身高、體重、敏捷度、習(xí)性、行動(dòng)能力等心理與生理狀態(tài)和文化背景與受教育程度的影響，十分復(fù)雜，同時(shí)人員在建筑內(nèi)的實(shí)際狀況以及建筑空間特性，如人員的分布情形、熟悉環(huán)境的程度、人數(shù)及其組成和樓梯或出口的寬度、照明、走道寬度、數(shù)量、建筑高度等都對(duì)人員疏散結(jié)束所需時(shí)間和可用于人員疏散的時(shí)間有很大影響。

人員疏散時(shí)間為火災(zāi)探測(cè)報(bào)警時(shí)間、人員預(yù)動(dòng)時(shí)間與人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間之和。在計(jì)算疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來(lái)考慮設(shè)計(jì)計(jì)算中的不確定性因素。

在人員安全疏散的研究方面，由于對(duì)所采取的措施是否能達(dá)到性能化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)如何對(duì)保證人員生命安全的目標(biāo)進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)都缺乏科學(xué)依據(jù)，所以全世界在這方面的研究都處于起步階段。人員疏散軟件方面，有關(guān)研究人員在不斷加大這方面軟件的研究開(kāi)發(fā)力度。國(guó)外從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始就展開(kāi)了人員疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及疏散模擬軟件方面的研究，并把疏散研究的成果及時(shí)的應(yīng)用到了建筑性能化設(shè)計(jì)中，我國(guó)也于近年來(lái)展開(kāi)了這方面的研究。

（二）疏散模型分類(lèi)

人員疏散計(jì)算方法主要有兩種：水力模型和人員行為模型。

1.水力疏散模型

最常用的方法是水力疏散模型，它通過(guò)將人在疏散通道內(nèi)的走動(dòng)模擬為水在管道內(nèi)的流動(dòng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這一方法的缺點(diǎn)是它完全忽略掉了人的個(gè)體特性，而將人群的疏散作為一種整體運(yùn)動(dòng)。水力疏散模型通常對(duì)人員疏散過(guò)程作如下保守假設(shè)：

1）疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點(diǎn)；

2）疏散人員是清醒的，在疏散開(kāi)始的時(shí)刻一起井然有序地進(jìn)行疏散，且人員在疏散過(guò)程中不會(huì)中途返回選擇其它疏散路徑；

3）在疏散過(guò)程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進(jìn)行分配；

4）人員從各個(gè)疏散門(mén)扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

2.人員行為模型

人員行為模型模擬人在火災(zāi)中的行為，綜合考慮了人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用。這類(lèi)模型能夠從一定程度上反映火災(zāi)時(shí)個(gè)人的特性對(duì)人員疏散的影響，但由于“火災(zāi)中人的反應(yīng)與行為”仍舊是一個(gè)較新的領(lǐng)域，對(duì)其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類(lèi)模型時(shí)要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過(guò)實(shí)際疏散實(shí)驗(yàn)或演習(xí)驗(yàn)證的模型為首選。

當(dāng)前世界上開(kāi)發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個(gè)，其他未公開(kāi)的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時(shí)一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問(wèn)題與模型的適用性來(lái)進(jìn)行選擇。下面將通過(guò)分析這些人員疏散模型的功能與特點(diǎn)，對(duì)這些軟件進(jìn)行適當(dāng)分類(lèi)。

1）一般分類(lèi)

疏散模型在處理疏散的一般問(wèn)題時(shí)，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法。

優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進(jìn)行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認(rèn)為人員選擇的疏散路線(xiàn)是最佳的。這一類(lèi)模型適用于大量的人群或?qū)⑺腥藛T當(dāng)作一個(gè)有共同特性的群體來(lái)考慮的情況，而不考慮個(gè)體行為。

模擬法試圖表現(xiàn)實(shí)際的疏散行為與運(yùn)動(dòng)，不僅要得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而且要反映疏散時(shí)選擇的疏散路線(xiàn)及人員所做的決定。由于各個(gè)模型在考慮人員行為時(shí)的詳細(xì)程度不同，因此結(jié)果的準(zhǔn)確度也不相同。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型能識(shí)別出火災(zāi)時(shí)與疏散有關(guān)的危險(xiǎn)或相關(guān)事故，并能對(duì)最后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。通過(guò)多次重復(fù)運(yùn)算，可以估算出與不同防煙分區(qū)設(shè)計(jì)或防火保護(hù)措施有關(guān)的各種重要變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。有關(guān)模型的類(lèi)別與名稱(chēng)如表4-3-4-1所示。

2）建筑空間的表示

各種疏散模型都必須對(duì)建筑空間進(jìn)行描述，以模擬人員在建筑內(nèi)部的疏散過(guò)程。在模型中，空間被劃分為許多小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。根據(jù)對(duì)空間劃分的精細(xì)程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法和粗糙網(wǎng)絡(luò)法。

對(duì)于精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法，整個(gè)封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網(wǎng)格來(lái)表示，各個(gè)模型中節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格大小與形狀都不同。例如，Exodus采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，Simulex則采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而Egress則采用六邊形的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格的大小足以容納一個(gè)人。這些網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的連接也不相同，在Exodus中每個(gè)網(wǎng)格與相鄰的八個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連，而Egress中每個(gè)網(wǎng)格與相鄰的六個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連。因此，Egress的方法可以準(zhǔn)確地表示封閉空間的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時(shí)刻都能將每個(gè)人置于準(zhǔn)確的位置。

對(duì)于粗糙網(wǎng)絡(luò)法，空間的描述是按照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的劃分來(lái)確定，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)房間或走廊，然后根據(jù)它們之間的實(shí)際連接關(guān)系構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型。在這類(lèi)模型中，僅能表示人員從一個(gè)建筑單元移動(dòng)到另一個(gè)建筑單元，而無(wú)法描述人員在一個(gè)建筑單元內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，它也無(wú)法處理一些局部的現(xiàn)象，例如超越前方人員、避開(kāi)障礙物等。

3）人群分析

各類(lèi)疏散模型在對(duì)人員進(jìn)行分析時(shí)，采用了兩種方法：個(gè)體分析法和群體分析法。

個(gè)體分析法允許用戶(hù)設(shè)定或由隨機(jī)方式確定個(gè)體特性，人員決策與運(yùn)動(dòng)由這些個(gè)體特性決定。需要注意的是，不能將個(gè)體的獨(dú)立決定與不能執(zhí)行群體行為混為一談，定義個(gè)體時(shí)并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個(gè)人的個(gè)體特性，然后再為他指定一個(gè)行為，而這個(gè)行為也許就是群體行為。

群體分析法將人群視為一個(gè)具有共同特性的群體。在描述疏散過(guò)程時(shí)，不針對(duì)逃生的個(gè)體，而針對(duì)大量的人群。這種方法難以模擬事件對(duì)個(gè)體的影響（例如：火災(zāi)煙氣毒性的影響），而只能對(duì)整個(gè)人群的普遍影響進(jìn)行模擬。例如，它不能表示老年人或殘疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影響的人的比例。它的好處是模型的運(yùn)算速度相對(duì)較快。

4）行為分析

人員在逃生時(shí)的決策過(guò)程是復(fù)雜的，疏散模型根據(jù)模擬人員決策過(guò)程時(shí)所采用的分析方法，分為以下幾類(lèi)：無(wú)行為準(zhǔn)則模型、函數(shù)模擬行為模型、復(fù)雜行為模型、基于行為準(zhǔn)則的模型以及基于人工智能的模型。

無(wú)行為準(zhǔn)則模型完全依賴(lài)于人群的物理運(yùn)動(dòng)和幾何形狀的物理表達(dá)，來(lái)影響人員的疏散，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷。

函數(shù)模擬行為模型把人員的行為用一個(gè)方程或一個(gè)方程組來(lái)描述，以此達(dá)到控制人的響應(yīng)的目的。這類(lèi)模型可以將人定義為個(gè)體，但由于所有個(gè)體均受到同一函數(shù)相同的影響，且會(huì)以一定的方式對(duì)這種影響產(chǎn)生反作用，因此實(shí)際上削弱了個(gè)體行為。該函數(shù)或者按照現(xiàn)實(shí)生活中人員的行為來(lái)建立，或者引用其它從事人體行為模擬研究領(lǐng)域的成果（例如，磁模型的方程來(lái)源于物理學(xué)）。

復(fù)雜行為模型通過(guò)復(fù)雜的物理方法來(lái)含蓄表示行為決策準(zhǔn)則。此類(lèi)模型一般基于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用，包括心理的或社會(huì)的影響，因而它依賴(lài)于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。

基于行為準(zhǔn)則的模型預(yù)先規(guī)定了一套人員的行為準(zhǔn)則，然后再根據(jù)這些準(zhǔn)則來(lái)確定疏散過(guò)程中人員的行為。例如“假如人在一個(gè)充滿(mǎn)煙氣的房間里，他會(huì)通過(guò)最近的出口離開(kāi)”等類(lèi)似準(zhǔn)則。但是，這種行為決策方式會(huì)導(dǎo)致人員在相同的環(huán)境下以某種確定的方式進(jìn)行反應(yīng)，從而與實(shí)際中的人員反應(yīng)有所差異。

人工智能模型將個(gè)體人員設(shè)計(jì)成能對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準(zhǔn)確地表現(xiàn)其決策過(guò)程，但這會(huì)使用戶(hù)對(duì)人員行為的控制權(quán)被計(jì)算機(jī)所代替。

3.人員行為特性

火災(zāi)是具有突發(fā)性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強(qiáng)烈的熱輻射、噪音和有毒氣體，常在短時(shí)間內(nèi)給人以毀滅性的傷害。身處火場(chǎng)的人們往往需要承受巨大的心理壓力，從而表現(xiàn)出各種各樣的異常行為。研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理素質(zhì)、閱歷和經(jīng)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致人在遭遇火災(zāi)時(shí)，呈現(xiàn)不同的心理反應(yīng)和行為。但是，如果在遭遇火災(zāi)時(shí)，能保持良好的心理狀態(tài)，及時(shí)采取自救行動(dòng)，往往能夠化險(xiǎn)為夷，成功疏散，避免死傷亡。

對(duì)于人員特性的考慮可以分為兩方面，一是單個(gè)人員獨(dú)立考慮；一是全局考慮。大多數(shù)模型可以根據(jù)用戶(hù)要求或計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)定每個(gè)人員的移動(dòng)屬性如步行速度，并記錄每個(gè)人員在任何時(shí)刻的移動(dòng)歷史軌跡。這類(lèi)模型也不排除群集行為特性，但它是按單個(gè)人員檢查和分配各自的移動(dòng)特性的，它需要較多的計(jì)算機(jī)容量，程序處理的難度也稍大。另一類(lèi)是按群集方式來(lái)考慮人員的移動(dòng)特性，它將一群或一組人群按同一特性考慮，即將一群人按同一移動(dòng)速度考慮，認(rèn)為他們同時(shí)到達(dá)或離開(kāi)建筑物的某個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，它具體計(jì)算建筑內(nèi)人員疏散成功率，其操作簡(jiǎn)單，使用方便，運(yùn)行速度也較快。

4.軟件介紹

（1）STEPS。該模型由英國(guó)模特·麥克唐納開(kāi)發(fā)，目的是模擬在正?；蚓o急情況下，人員在不同類(lèi)型建筑物中的疏散情況。

模型是一個(gè)由一系列的網(wǎng)格單元組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在網(wǎng)格系統(tǒng)中，一個(gè)人只能占有一個(gè)單元。網(wǎng)格單元的缺省尺寸是0.5m×0.5m。另一個(gè)細(xì)網(wǎng)格選型可適用于多人占有一個(gè)網(wǎng)格單元，但仍處于測(cè)試階段。

（2）Simulex。該模型是由英國(guó)的湯普森開(kāi)發(fā)，是一個(gè)能夠模擬人群從復(fù)雜建筑物中疏散的模型。模型采用一個(gè)連續(xù)的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個(gè)個(gè)0.2m×0.2m的塊或網(wǎng)格。該模型包含一個(gè)算法，它能夠計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格到最近安全出口的距離，并將這些信息標(biāo)注在一個(gè)距離圖表上。

（3）SGEM。該空間網(wǎng)格疏散模型，由香港城市大型和武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)，其目的是利用CAD平面圖，生成復(fù)雜建筑的疏散圖案，比較得出最佳疏散設(shè)計(jì)路線(xiàn)。這個(gè)模型已經(jīng)被用于一些咨詢(xún)項(xiàng)目。

模型的結(jié)構(gòu)基本上是細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型。最初，此模型將建筑物分成一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表建筑物的空間或區(qū)域（不受保護(hù)、部分保護(hù)和全部保護(hù)），其中區(qū)域之間至少有一個(gè)弧形開(kāi)口連接，由此形成一個(gè)粗的網(wǎng)絡(luò)。然后，在每個(gè)粗的網(wǎng)絡(luò)單元再分成有限的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的大小是0.4m×0.4m，一個(gè)人占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格。此外，同一時(shí)間內(nèi)一個(gè)人只能占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格單元。

（4）buildingEXODUS。該模型由英國(guó)格林尼治大學(xué)開(kāi)發(fā)，其目的是為了模擬疏散大量被很多障礙圍困的人。模型由airEXODUS、buildingEXODUS、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六個(gè) 部分組成。buildingEXODUS試圖考慮“人與人，人與火災(zāi)以及人與建筑物之間的相互作用。”模型包括6個(gè)在模擬疏散方面相互聯(lián)系相互傳遞信息的子模型，他們是人員、運(yùn)動(dòng)、行為、毒性、危險(xiǎn)性和幾何學(xué)子模型。

模型是一種行為模式模型，一個(gè)細(xì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其利用二維空間網(wǎng)格繪制出幾何結(jié)構(gòu)，位置，障礙物等。這種網(wǎng)格由“節(jié)點(diǎn)”和“弧”組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表了建筑平面圖上的小空間，而弧在建筑平面圖上把這些節(jié)點(diǎn)連接在一起。人通過(guò)利用這些弧從建筑物的一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些信息存儲(chǔ)在幾何子模型中。同時(shí)，在整個(gè)模擬過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有毒氣等級(jí)，煙氣溫度和濃度等與其相關(guān)的動(dòng)態(tài)環(huán)境。

5.軟件選取

疏散軟件能夠人為設(shè)置出口障礙，通過(guò)對(duì)建筑平面信息的識(shí)別，可以在某些安全出口受阻的情況下創(chuàng)建另一個(gè)替代的有效距離地圖來(lái)引導(dǎo)人員疏散，從而得出建筑物的最優(yōu)化疏散設(shè)計(jì)方案。

人員的行為特性具有不確定性，無(wú)論是采用函數(shù)型行為模式，還是采用規(guī)則決定方法，都無(wú)法絕對(duì)準(zhǔn)確模擬出火災(zāi)時(shí)人員疏散的真實(shí)情況，在今后的軟件后續(xù)開(kāi)發(fā)中可以增加更多的實(shí)際因素參數(shù)，以修正模擬是疏散結(jié)果。

疏散軟件基本可以定義個(gè)體人員的基本行為特性，模擬出一定的心理反應(yīng)，能夠有條件地尋找出自己有效疏散路徑。國(guó)際上人員疏散軟件的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有一定的積累，并且經(jīng)過(guò)了相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐檢驗(yàn)，但畢竟國(guó)外的人員疏散行為、習(xí)慣，心理反應(yīng)等與我國(guó)居民有很大不同，一些軟件還不能簡(jiǎn)單的直接拿來(lái)應(yīng)用。需結(jié)合我國(guó)的建筑特點(diǎn)和疏散演習(xí)等進(jìn)行校正和應(yīng)用。

一般，當(dāng)建筑的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局規(guī)則、疏散路徑容易辨別、建筑的功能較為單一且人員密度較大的場(chǎng)所，適合采用水力模型來(lái)進(jìn)行人員疏散的計(jì)算，而其他情況則適于采用人員行為模型。原因是：前一種情況下發(fā)生火災(zāi)，人員可以較為快速準(zhǔn)確地獲取關(guān)鍵信息并采取疏散行動(dòng)，人員疏散通常很快由個(gè)體行為轉(zhuǎn)化為群體行為，符合水力模型的適用條件。而其他情況下，人員獲取信息的渠道相對(duì)較少，從接到報(bào)警信號(hào)到識(shí)別火災(zāi)以及疏散過(guò)程中尋找合適的疏散路徑都在很大程度上依賴(lài)于個(gè)體的判斷。因此，人員疏散由個(gè)體行為轉(zhuǎn)化為群體行為的時(shí)間非常長(zhǎng)，有時(shí)候可能自始至終都是個(gè)體行為，這種情況下選用人員行為模型顯然更為合適。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計(jì)算和建筑疏散演習(xí)等方式，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

三、模型評(píng)價(jià)

建筑消防性能化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法中，在確定某計(jì)算方法的確定性模型的適用性時(shí)，如區(qū)域模擬CFAST中的計(jì)算模型、場(chǎng)模擬FDS中的計(jì)算模型等，需由一個(gè)或多個(gè)熟悉火災(zāi)原理的專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種評(píng)價(jià)并不涉及模型的計(jì)算結(jié)果，而應(yīng)該包括所有證據(jù)文件，特別是一些假設(shè)和近似條件。假如求解是通過(guò)手工計(jì)算的，則應(yīng)該通過(guò)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放的文獻(xiàn)提供足夠的背景資料。對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)該通過(guò)開(kāi)放的文獻(xiàn)，判斷是否有足夠的科學(xué)證據(jù)證明模型使用的方法和假設(shè)是正確的。代碼中常量和缺省量的數(shù)值同樣要進(jìn)行精確性和適用性的評(píng)估。后者尤其重要，因?yàn)槌Ａ康闹翟诓煌瑘?chǎng)景中有不一樣的值。在一些特定情況下，這些常量的值經(jīng)常需要調(diào)整，例如不同開(kāi)口情況下的摩擦系數(shù)，不合適的缺省值甚至可能得到錯(cuò)誤的結(jié)果。變量作為輸入?yún)?shù)時(shí)，應(yīng)該明確定義它的上、下限值的適用范圍。

下面針對(duì)建筑消防性能化設(shè)計(jì)計(jì)算方法的確定性模型需要重點(diǎn)評(píng)價(jià)的幾個(gè)方法進(jìn)行論述。

（一）計(jì)算模型的適用性

以火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS為例。FDS可用來(lái)模擬火災(zāi)熱和燃燒產(chǎn)物的輸運(yùn)、氣體和固體表面之間的輻射和對(duì)流傳熱、熱解、火蔓延與增長(zhǎng)、噴淋等。針對(duì)開(kāi)放空間或燃料控制的火災(zāi)，F(xiàn)DS能相對(duì)準(zhǔn)確地模擬。但FDS的局部性在于其限于低速流動(dòng)模擬；通過(guò)分解壓力項(xiàng)，處理狀態(tài)方程，從而濾除聲波的影響。針對(duì)相對(duì)封閉房間內(nèi)氧控制的火災(zāi)場(chǎng)景，有可能會(huì)發(fā)生爆燃現(xiàn)象，在此過(guò)程中壓力波對(duì)火焰的傳播起著較大的影響。在模擬此類(lèi)火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)，盡管FDS能模擬并有可能獲得看似正確的計(jì)算結(jié)果，但從模型基本理論上已不再適用。因此，針對(duì)計(jì)算模型的適用性問(wèn)題，不僅要從計(jì)算結(jié)果來(lái)考慮，還要從模型的自身假設(shè)來(lái)分析。由于計(jì)算軟件為了能模擬更多的問(wèn)題，往往采用普適性的算法，對(duì)于有些根本不滿(mǎn)足計(jì)算模型理論的場(chǎng)景，計(jì)算結(jié)果也可能會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差不大，這樣的結(jié)果是假象，是不能輕易相信的，且也不能說(shuō)明類(lèi)似這樣的場(chǎng)景就可以采用這樣的方法來(lái)計(jì)算。計(jì)算模型理論都不滿(mǎn)足，根本就不允許采用這樣的模型來(lái)計(jì)算。

（二）計(jì)算的收斂性

在數(shù)值方法中，需要對(duì)連續(xù)性的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化然后再求解，也就是用一個(gè)離散的數(shù)值模型來(lái)近似。時(shí)間和空間都要離散化。一個(gè)連續(xù)性的數(shù)學(xué)模型有很多不同的離散方法，形成很多不同的離散模型。為了獲得一個(gè)好的近似解，要求離散模型能夠模擬連續(xù)模型的性質(zhì)和行為。這就要求離散方法采用高階精度的格式，同時(shí)要保證其不會(huì)帶來(lái)計(jì)算結(jié)果的非物理振蕩，能更好地收斂于真實(shí)解。對(duì)于定常模擬來(lái)說(shuō)，只需要求最終的計(jì)算結(jié)果逼近真實(shí)解。但對(duì)于非定常模擬來(lái)說(shuō)，則要求每一計(jì)算時(shí)間步內(nèi)的結(jié)果也要收斂，且要達(dá)到能接受的計(jì)算精度。如果模型沒(méi)有發(fā)生時(shí)間步的截?cái)喽夷鼙３珠L(zhǎng)的時(shí)間步，那表明該模型沒(méi)有收斂性問(wèn)題，反之如果經(jīng)常發(fā)生時(shí)間步截?cái)?，那模型?jì)算將很慢，收斂性差。時(shí)間步的大小主要取決于非線(xiàn)性迭代次數(shù)。如果模型只用一次非線(xiàn)性迭代計(jì)算就可以收斂，那表明模型很容易收斂，如果需要2到3次，模型較易收斂，如果需要4到9次，則模型不易收斂，大于10次的模型可能有問(wèn)題。

影響計(jì)算收斂性的因素很多，如網(wǎng)格尺度、計(jì)算格式精度、初始流場(chǎng)參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)的剛度、計(jì)算模型等。

（三）網(wǎng)格尺度的合理性

對(duì)于建筑火災(zāi)場(chǎng)模擬計(jì)算，首先應(yīng)該考慮網(wǎng)格尺度的合理性問(wèn)題，而這一問(wèn)題也是場(chǎng)模擬計(jì)算中非常重要的問(wèn)題。網(wǎng)格尺度的合理性問(wèn)題直接影響計(jì)算結(jié)果的誤差，甚至影響計(jì)算結(jié)果是否定性合理。網(wǎng)格尺度的合理性一方面是計(jì)算結(jié)果不依賴(lài)于網(wǎng)格尺度的變化，即網(wǎng)格的獨(dú)立性；另一方面，在保證網(wǎng)格獨(dú)立性的同時(shí)，應(yīng)考慮計(jì)算資源的能力，盡可能減少計(jì)算量，提高計(jì)算網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。在場(chǎng)模擬計(jì)算中，如何做到這兩點(diǎn)呢？

1.網(wǎng)格獨(dú)立性

沒(méi)有網(wǎng)格獨(dú)立性的模擬，無(wú)法評(píng)判也沒(méi)有必要評(píng)判計(jì)算結(jié)果的正確與否。在考慮網(wǎng)格的獨(dú)立性問(wèn)題時(shí)，原則上將網(wǎng)格劃分得越小，通過(guò)網(wǎng)格離散的ODE（常微分）方程越逼近連續(xù)性模型的PDE（偏微分）方程，即計(jì)算精度越高，計(jì)算的結(jié)果越逼近真實(shí)值。通常的做法是，下一次要考慮的網(wǎng)格尺度一般為前一次網(wǎng)格尺度的1/2，即網(wǎng)格加密一倍。如果加密一倍的計(jì)算結(jié)果與該次加密前的計(jì)算結(jié)果之間的誤差在可接受的范圍內(nèi)，網(wǎng)格不再加密，即可采用該次加密前的網(wǎng)格尺度的計(jì)算結(jié)果作為最終結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析評(píng)判。如果加密一倍的計(jì)算結(jié)果與該次加密前的網(wǎng)格尺度的計(jì)算結(jié)果之間的誤差不在可接受的范圍內(nèi)，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行加密。當(dāng)然，加密的起點(diǎn)也應(yīng)有一定的基礎(chǔ)，可以基于計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)、基于模型分析、基于計(jì)算問(wèn)題的分析、基于前人或公開(kāi)發(fā)表類(lèi)似問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)等。基于這樣的基礎(chǔ)，可以加密，也可以加粗網(wǎng)格。如火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件（FDS）針對(duì)網(wǎng)格尺度的問(wèn)題，給出了經(jīng)驗(yàn)公式，即火源直徑與網(wǎng)格尺度之比應(yīng)介于4~16。因此，在進(jìn)行火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，網(wǎng)格尺度選擇的起點(diǎn)基于此，針對(duì)問(wèn)題的不同，進(jìn)行加密和加粗網(wǎng)格。針對(duì)開(kāi)放空間，可能滿(mǎn)足此條件的計(jì)算結(jié)果已獨(dú)立于網(wǎng)格尺度。而對(duì)于受限空間或完全封閉空間，這樣的網(wǎng)格尺度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠精強(qiáng)?？傊?，針對(duì)具體的問(wèn)題，也不一定遵循前述加密原則，可適當(dāng)增大加密強(qiáng)度。

2.網(wǎng)格經(jīng)濟(jì)性

盡管加密網(wǎng)格，可以得到逼近真實(shí)值的計(jì)算計(jì)算結(jié)果，但加密也加重計(jì)算資源的負(fù)擔(dān)，大大增加了計(jì)算時(shí)間。一般，加密一倍網(wǎng)格，計(jì)算量增大8倍，計(jì)算時(shí)間可能增大幾十倍，甚至上百倍。一方面要保證一定計(jì)算精度，另一方面要考慮合適的計(jì)算量。因此，采用能滿(mǎn)足該精度的最粗網(wǎng)格，也可以采用局部加密度技術(shù)，在高密度梯度區(qū)（如火源）、壁面附近等加密網(wǎng)格，在低密度梯度區(qū)或影響相對(duì)小的區(qū)域加粗網(wǎng)格。網(wǎng)格加粗可以采用非均勻尺度變化，如指數(shù)加密或加粗等，還可采用更為高級(jí)的加密技術(shù)，如自適應(yīng)網(wǎng)格等，這樣可大大減小計(jì)算網(wǎng)格量，提高計(jì)算速率。當(dāng)然，還可以在可接受的計(jì)算精度條件下，適當(dāng)損失一些精度，也可以大大降低計(jì)算量，且降低的計(jì)算量所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于損失的少量精度。

（四）時(shí)間步長(zhǎng)的合理性

在求解微分方程時(shí)，必須注意時(shí)間步長(zhǎng)的選擇。首先應(yīng)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在分析和求解瞬態(tài)算法時(shí)，為了解的收斂，必須考慮穩(wěn)定性。對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行限制的算法，稱(chēng)作有條件穩(wěn)定。沒(méi)有時(shí)間步長(zhǎng)限制的稱(chēng)為無(wú)條件穩(wěn)定。在求解連續(xù)性問(wèn)題ODE的解析解時(shí)，穩(wěn)定積分能給出衰減解。對(duì)于某些時(shí)間步長(zhǎng)，不穩(wěn)定方法會(huì)產(chǎn)生無(wú)界或快速震蕩的數(shù)值解。要意識(shí)到即使是穩(wěn)定連續(xù)性模型，數(shù)值模型也有可能不穩(wěn)定。因此，原連續(xù)性模型不穩(wěn)定時(shí)，任何數(shù)值模型都得不到精確解。相反，無(wú)條件穩(wěn)定的算法能夠得到穩(wěn)定的數(shù)值模型，即使條件是不穩(wěn)定的。這意味著無(wú)條件穩(wěn)定算法不能考慮快速增長(zhǎng)的現(xiàn)象，例如火災(zāi)本身。

在建筑性能化設(shè)計(jì)計(jì)算的火災(zāi)場(chǎng)模擬中，時(shí)間步通常是條件穩(wěn)定。時(shí)間步過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)數(shù)值振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致不收斂，計(jì)算不能進(jìn)展下去。時(shí)間步一般滿(mǎn)足流動(dòng)的CFL條件，如FDS中的時(shí)間步，其中dx、dy、dz為三個(gè)坐標(biāo)方向最小網(wǎng)格尺度，g為重力加速度，H為計(jì)算域高度。這樣的CFL條件僅考慮流動(dòng)的影響。如果火災(zāi)計(jì)算中涉及到考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)，那么時(shí)間步的取法要綜合流動(dòng)的特征時(shí)間（即CFL條件）和化學(xué)反應(yīng)的特征時(shí)間。一般，化學(xué)反應(yīng)的特征時(shí)間比流動(dòng)的特征時(shí)間要小得多，因此模擬計(jì)算的時(shí)間步由化學(xué)反應(yīng)來(lái)確定。通常，在模擬時(shí)，為了加快計(jì)算效率，時(shí)間步仍采用流動(dòng)時(shí)間步，而采用點(diǎn)隱或全隱的計(jì)算方法來(lái)處理大時(shí)間步下化學(xué)反應(yīng)的剛性問(wèn)題，即認(rèn)為在每一流動(dòng)時(shí)間步內(nèi)認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)已達(dá)到平衡。

另外，滿(mǎn)足CFL條件的計(jì)算中，由于CFL條件中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（如CFL數(shù)等）的選擇不同，也有可能導(dǎo)致計(jì)算不穩(wěn)定。另外，在滿(mǎn)足計(jì)算穩(wěn)定的條件下，由于CFL數(shù)的選擇不同，也可能導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間步的大小不同。當(dāng)然，時(shí)步小，計(jì)算更接近真值；但太小，受到計(jì)算機(jī)舍入誤差的影響也越大。同時(shí)，計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算資源的消耗也越大。因此，在開(kāi)展火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，需要在花費(fèi)和精度之間找尋一個(gè)平衡點(diǎn)。建議開(kāi)展時(shí)間步的收斂性研究，有可能會(huì)由于時(shí)間步大小，影響到火災(zāi)場(chǎng)溫度等參數(shù)的偏差。但一般在滿(mǎn)足CFL條件下，時(shí)間步的影響相對(duì)較小。

（五）計(jì)算區(qū)域選擇的合理性

計(jì)算區(qū)域大小的選擇問(wèn)題，實(shí)質(zhì)是邊界條件問(wèn)題。在計(jì)算中，無(wú)法針對(duì)指定的邊界給出合適的邊界條件，而做的“無(wú)耐”之舉。一般，先確定邊界條件，然后選擇計(jì)算區(qū)域，來(lái)迎合、滿(mǎn)足邊界條件。在采用商業(yè)軟件計(jì)算中，這種情況通常出現(xiàn)，因?yàn)樯虡I(yè)軟件所提供的邊界條件有限。

以FDS模擬開(kāi)放環(huán)境油池火為例，一般四周選擇“OPEN” 邊界條件，即邊界處的速度梯度、溫度梯度和輻射梯度等應(yīng)為0。由于火羽流的存在，浮力導(dǎo)致火羽流高度方向流體速度在很大的距離內(nèi)不為0，因此高度方向區(qū)域選擇主要取決于速度梯度。在水平方向，一方面卷吸導(dǎo)致速度梯度不為0的區(qū)域向四周擴(kuò)展，另一方面輻射和溫度也會(huì)對(duì)計(jì)算區(qū)域的選擇起到?jīng)Q定性的作用。水平區(qū)域的大小要綜合考慮速度、溫度和輻射等的影響。

因此，在開(kāi)展建筑火災(zāi)模擬計(jì)算時(shí)，要統(tǒng)籌分析場(chǎng)景中的流動(dòng)情況、溫度情況和輻射情況，如針對(duì)封閉空間，還要考慮壓力情況來(lái)選擇合適的計(jì)算區(qū)域，也就涉及到計(jì)算區(qū)域的收斂性研究，即要求計(jì)算結(jié)果不依賴(lài)于計(jì)算區(qū)域的大小。當(dāng)然，選擇的計(jì)算區(qū)域要滿(mǎn)足收斂性和可接收精度要求的同時(shí)，還要盡可能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。