转载 | 从哈尔滨“8.25”大火谈人员安全疏散
本文转载自 许镇博士的公众号：学术小镇
2018年8月25日，哈尔滨市松北区太阳岛北龙温泉休闲酒店发生重大火灾事故。到目前为止，事故已造成20人死亡，20多人受伤。
面对这起惨烈的火灾事故，我们在唏嘘感慨之时，也应该思考一下如果我们自己遭遇火灾应如何安全疏散呢？
1. 火灾对人员疏散的危害
虽然这次火灾事故人员伤亡原因还尚在调查中，但对于建筑火灾，烟气一般都是头号杀手。美国消防协会NFPA报告指出，建筑火灾中超过2/3死亡是由火灾烟气造成的。
那么，烟气危害为何如此厉害？一般来说,烟气的危害主要包括三个方面:毒性作用、高温热辐射、低能见度。
让我们用一个例子来看一看烟气的危害。选取了一栋宾馆作为算例，假设将起火点设置在建筑5层，房间可燃物是两个尺寸为1.8 m x 1.5 m的普通床，材质为海绵和编织物。
假设起火房间窗户是关闭的，一旦窗起火，烟气蔓延到整个楼道只需要96s，也就是1分半左右的时间。可见烟气蔓延速度之快！
在燃烧充分发展时，整个楼层温度、可见性和一氧化碳分布情况如下图所示：
温度分布
可见性分布
一氧化碳浓度分布
可以看出，除了温度外，可见性和毒性都随烟气蔓延而影响整个区域。楼道是人员疏散的重要场所，但受烟气影响，部分楼道的可见度已经低于5m（室内安全疏散阈值），严重影响疏散。此外，一氧化碳气体也随烟气进一步扩散，加剧对人员安全疏散的影响。
2. 如何提升火灾安全疏散能力？
关于这个问题，大家可能第一个想到的是消防疏散演练。然而，考虑到安全性，消防疏散演练中一般不会有烟气。但是，火灾烟气对人员危害非常大，安全疏散必须充分考虑烟气影响。那么，如何才能在安全的前提下进行有火灾烟气的疏散演练呢？
答案是——虚拟疏散演练。我们可以通过一种“玩游戏”的方式，在虚拟场景中添加烟气，人员根据烟气情况开展疏散，并且根据烟气伤害结果给人员疏散打分，从而评出最安全的虚拟疏散策略。对，就是玩着把本事学了。
不过，要实现这样的虚拟疏散，还是需要解决两个关键问题的：
（1）如何实现合理、真实感的火灾烟气？
（2）如何评估烟气的综合危害？
上述两个问题详细技术讨论课参考具体方法可以参考Xu Zhen, Lu Xinzheng, et al. A virtual reality based fire trainingsimulator with smoke hazard assessment capacity. Advances in EngineeringSoftware, 2014, 68: 1–8. (影响因子3.198，期刊季度MostDownloaded Articles第2名)。可点击原文下载。
（1）烟气可视化
烟气不是“动画效果”，是需要根据精细化CFD模拟计算而得。将空间离散化，可以根据数值模拟结果设置烟气的可视化效果，这样就可以保证虚拟空间的烟气分布与数值模拟结果是一致的。此处可以利用体渲染网格或粒子系统网格实现。
数值空间与虚拟空间的烟气映射关系
（2）烟气评价
烟气可以造成多方面的危害，为了综合度量烟气危害，我们基于有效剂量分数概念提出了烟气危害评价模型（Integrated hazards dose，IHD）。IHD由考虑了烟气中6种主要有害气体的有效剂量分数（FED6-gas）以及综合考虑辐射热和传导热的有效剂量分数FEDheat构成：
IHD越高，烟气的综合危害越大。根据FED6-Gas和FEDheat，当IHD达到1.0时，烟气危害对人类是致命的。经验统计数据表明,一般情况下推荐将0.3 作为安全疏散的阈值。
（3）疏散案例
假设某人（就叫小明吧）在一个上下两层的地铁站里遭遇火灾，他有path1和path2两条路径可以逃生。Path1直接走下层通道，但要走一整段隧道长度；Path2走上层通道，只需要走半个隧道长度。那么，小明应该走哪条路呢？
好，让小明在我们虚拟疏散平台中分别进行虚拟疏散演练，并且记录他疏散过程中的烟气伤害值，也就是IHD指标。
Path1的虚拟疏散过程与伤害值
Path2的虚拟疏散过程与伤害值
疏散演练完毕，结果出来了：Path1虽然更长，但是更安全。
这是为什么呢？我们做出IHD分布图和疏散路线的人员伤害值。由于烟气是向上运动的，大量烟气通过楼梯口涌入上层隧道，所以上层隧道烟气危害要大于底层隧道。这也解释了，Path2在楼梯处上楼时，IHD曲线为什么会快速增加。尽管由于距离短，Path2疏散时间比Path1更短，但是Path2积累的伤害值更大，已经超过了0.3，可能会使人员丧失疏散能力。
所以，安全疏散不只是跑得快，还要躲着烟。
3. 结 语
建筑火灾中，烟气几乎是人员安全的头号威胁。为了提升人员火灾疏散能力，推荐采用虚拟疏散演练手段，既可以充分考虑烟气分布和伤害特征，又可以保证人员演练的安全性。
为了避免再次出现哈尔滨“8.25”这样的惨剧，我们课题组后面会将研发的建筑火灾虚拟演练系统开放，希望能帮助大家提高建筑火灾疏散能力。我们会开发在线演练版本，让大家免费使用，也会在虚拟疏散演练系统中增加更多的火灾情景，让大家能够适应不同的火灾。
希望我们的科研成果能服务生活，发挥更大的价值！
（行文仓促，如有错误，请批评指正。）
本文作者
许镇. 北京科技大学，副教授，主要研究方向：城市数字综合防灾；
魏炜. 北京科技大学，硕士研究生，主要研究方向：建筑火灾虚拟疏散；
吴元. 北京科技大学，本科生，主要研究方向：情景仿真技术。
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