空间知识对大型建筑火灾疏散性能的影响：一种集成仿真方法

《Smart Cities》：Impact of Spatial Knowledge on Fire Evacuation Performance in Large Buildings: An Integrated Simulation Approach

　　

本研究考察复杂建筑环境中高度不确定火灾条件下人员疏散性能，重点关注在智能建筑背景下空间知识与决策策略如何影响紧急情况下有害条件的暴露。研究人员将物理火灾建模、基于智能体建模(ABM)与数据驱动分析相结合的混合仿真框架应用于智利圣地亚哥一座大型学术建筑，纳入具备不同空间知识水平的异质性人员画像，同时评估温度、氧气(O2)浓度、二氧化碳(CO2)水平与一氧化碳(CO)浓度等关键环境变量。通过蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟捕捉随机行为变异性，并采用肯德尔(Kendall)相关分析环境变量与疏散响应间的关联。结果表明，基于最优路径知识的疏散策略相较于无先验空间信息场景显著减少危及生命条件的暴露，成人疏散时间降低34%，年轻人员降低8.5%。这些发现凸显空间知识在疏散决策中的关键作用，并为高占用城市环境中改进智能建筑安全系统与数据驱动疏散规划提供可迁移的方法论框架。

研究背景与动机

随着城市人口持续增长与可用土地日益稀缺，高层建筑建设显著增加，伴随此类结构火灾发生率逐步上升。紧急情况下的主要挑战之一是疏散过程耗时过长，加剧人员风险。在智利等高地震活动国家，地震 recurrence 与结构火灾风险共同给城市应急管理与智能城市准备框架带来重大挑战。智利消防部门报告显示，94.2%的高层建筑火灾中结构条件阻碍了人员疏散，迫切需优化疏散计划。既有文献在综合物理与行为模型、验证模拟经验数据、开发可互操作平台方面仍存在碎片化，人类行为心理社会维度表征有限，"恐慌"概念尚存争议。基于此，研究人员在《Smart Cities》发表该研究，以智利圣地亚哥大学(USACH)教学创新室大楼(EDOC)为案例，推进混合方法桥梁学术开发与实用安全需求。

主要关键技术方法

研究人员采用PyroSim（FDS图形界面）进行火灾传播、烟雾与传热计算流体力学模拟，采用Pathfinder基于智能体建模(ABM)结合Reynolds转向模型模拟人员运动，二者通过时空数据场耦合。引入蒙特卡洛(Monte Carlo)方法对120次模拟中智能体初始位置随机化，纳入年轻与成人（含六亚组）异质画像。运用肯德尔(Kendall)τ相关分析环境变量（温度、O₂、CO₂、CO）与疏散表现指标间序数关联。定义可用安全疏散时间(ASET)为峰值热释放率（peak-HRR=2.5 MW，t=327 s）时刻，必需安全疏散时间(RSET)由探测、犹豫/反应与实时疏散三组件构成。样本为EDOC八层楼单一咖啡厅火源场景，无十字通风、闭窗、标准环境（20 °C）。

研究结果

4.1 物理环境变量

FDS模拟显示火源温度t=327 s达380 °C，主走廊t=280 s超60 °C可耐受阈；CO在火源超3000 ppm，二层楼梯口t≈240 s峰值1800 ppm，底层北出口渐增至1200–1700 ppm。t=327 s空间分布显示高温、缺氧与毒气共存临界体积沿咖啡厅向楼梯蔓延。

4.2 行为疏散变量

成人平均疏散时间从策略0（无知识）528 s降至策略2（完全知识）348 s（降34%），年轻从412 s降至377 s（降8.5%）。箱线图显示策略2中位数下移、四分位距收缩、上须缩短；年轻人因基线机动性高，相对改善较小。空间知识减少瓶颈、稳定个体表现，对慢速脆弱组受益最大。

4.3 空间拥堵分析

t=180 s密度热力图：策略0主楼梯与北出口密度>6人/m²（峰值8.2）；策略1降至4–6；策略2全关键区<4，出口流量分配约40/30/30%，流率1.1–1.3人/(m·s)。

4.4 相关分析

策略0环境温度/气体与疏散时间肯德尔τ达0.85–0.93（O₂约?0.87）；策略2温度τ从0.91降至0.75，CO₂从0.89至0.71，O₂从?0.87至?0.68，CO从0.85至0.70，累积暴露–时间从0.93至0.86。表明知识策略使疏散表现与环境随机性"解耦"，决策由全局最优路径驱动而非局部线索反应。

4.5 ASET–RSET安全裕度评估

ASET=327 s；策略0合并人群RSET≈470 s（超ASET 143 s，不安全）；策略2 RSET≈363 s（超36 s）。空间知识缩小缺口但未转负，需辅以抑制/控烟/分阶段疏散。

4.6 讨论

34%成人改善与田野演习25–40%一致；预移动时间从15 s降至5 s（降67%）。年轻人增益小为新发现，空间知识补偿机动限制甚于增强已能者。敏感性分析：开2 m²窗ASET延至418 s；CO产率0.08→0.15时策略2优势稳健；缺能见度假设使报告改善成上限（成人真实约20–25%，年轻5–7%）；五、八层火策略2增益28–39%。实践上智能建筑需动态导引、VR训练、多气体传感器网与分布出口。

结论翻译

研究人员通过集成FDS、Pathfinder、蒙特卡洛与肯德尔相关评估空间知识对高层火灾疏散影响。完全知识策略使成人均时降约34%（528→348 s）、年轻降8.5%（412→377 s），慢速组受益更强；累积热毒暴露降低，ASET前撤离比例从22%升至68%；ASET?RSET均值仍约?36 s，需抑制/控烟/分阶段补充。肯德尔相关减弱局部环境严重度与疏散时间联结，表现可预测性提升。框架已验证未全实证，温度偏差<10%、流量符SFPE水力预测±8%。建议部署动态寻路、传感器导引、VR/APP空间训练与定期演习，政策上高占用建筑强制ABM分析与智能传感激励。未来工作含实尺演习、显式能见度耦合、社会力与认知架构行为扩展、成本效益分析。