建筑火灾中人员安全疏散的不确定性及参数敏感性分析

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人员安全疏散作为建筑防火设计的首要安全目标,正确处理其不确定性问题是设计与评估结果是否可信、能否被人们接受的基础,而目前国内外被广泛应用的各种性能化分析工具和模型都没有涉及分析过程的不确定性和相应的处理措施。在我国大多数人员安全疏散设计的应用中,多采用保守取值和安全系数法处理不确定性,导致无法考虑参数不确定性对设计与评估结果的影响,降低了设计与评估结果的可信度。针对当前人员安全疏散不确定性分析所存在的问题和不足,采用基于拉丁超立方抽样(Latin Hypercube Sampling,LHS)的Monte Carlo模拟方法,对可用安全疏散时间、必需安全疏散时间和人员安全疏散时间余量进行了不确定性和参数敏感性分析。 选用烟气层高度和烟气层温度作为可用安全疏散时间的性能判据,基于ASET双区域火灾烟气模型和水喷淋启动时间预测模型,建立了无喷淋作用和有喷淋作用时可用安全疏散时间预测模型;用概率分布的形式描述各主要输入参数的不确定性,利用基于LHS模拟和数理统计相结合的方法,对可用安全疏散时间进行不确定性和参数敏感性分析。研究示例表明,考虑输入参数的不确定性时可用安全疏散时间为服从某种分布的变量,有喷淋和无喷淋作用下的可用安全疏散时间的分布形式、均值和方差均有较大差异;无喷淋作用时各参数对可用安全疏散时间影响程度强弱次序为:α>Lc>Xc>Tα>Qmax>Zf,有喷淋作用时为r>α>Zf>Lc>Tr>Tα>RTI>Xc>Qmax。 将必需安全疏散时间定义为探测报警时间和人员撤离时间两部分。基于现有探测时间模型,编制了感温和感烟探测响应时间MATLAB计算程序,利用基于LHS的Monte Carlo模拟方法对探测报警时间进行了不确定性和参数敏感性分析。示例结果表明:对于感温型探测器,不确定参数对探测时间影响程度的强弱次序:r>α>Hv>Tr>Tα>Xc>RTI,而感烟探测时间不确定参数影响程度的排序为:r>α>Tα>Hv>Xc。考虑预动时间和人员运动时间的相互影响,利用building Exodus疏散模型作为人员撤离时间的研究工具,通过两个算例(出口宽度不足和出口宽度充足两种情况)的对比,分析了不确定参数对人员撤离时间的影响,为简化人员撤离时间的计算,利用BP神经网络模型对人员撤离时间进行了不确定性和参数敏感性分析,研究示例表明:出口宽度不足时的人员撤离时间与出口宽度充足时的概率分布形式有较大差异;出口宽度不足时,人员密度D和人员预动时间tpre两个参数是影响人员撤离时间的主要参数,而出口宽度充足的情况下,人员预动时间是影响人员撤离时间的主要参数。 以人员安全疏散可靠概率描述人员疏散安全水平,利用可用安全疏散时间和必需安全疏散时间分析模型,阐述了基于Monte Carlo模拟的人员安全疏散可靠概率分析原理和步骤,最后将该分析方法应用于工程实例。结果表明:基于Monte Carlo模拟的人员安全疏散可靠概率分析模型可以清晰地描述人员安全疏散时间余量的分布情况,给出人员安全疏散的可靠概率,并能确定影响人员安全疏散可靠概率的主要参数,设计者可根据设定的安全水平,针对影响程度较大的参数,提出经济有效的改进措施。
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