王福秋 张予馨 丁赛喆 黄鑫炎
高层建筑火灾是城市公共安全的重要挑战。尽管集成了先进的火灾探测报警系统和灭火系统，建造了符合规范的紧急出口，一旦发生火灾，在疏散和救援过程中依然会出现大量的伤亡。据统计，美国高层建筑平均每年发生15,700起火灾，造成53处设施、546人伤亡和2.35亿美元的财产损失。最近备受瞩目的一些高层建筑火灾，如伦敦的格伦费尔大厦火灾（2017年）、孟加拉国达卡的FR大厦火灾（2019年）和南京雨花台区高层建筑火灾（2024年），均造成了严重的人员伤亡。现实表明，当火灾真正发生时，现有高层建筑的疏散安全设计往往不能保证人员疏散安全。
制定分阶段的疏散逃生策略可以高效解决这些问题，即通过火灾位置，大小以及人员位置、个人身体能力和楼层人数将建筑物划分为多个区域，在确保安全的情况下确定每个区域的疏散开始时间，通过公共广播或其他媒介组织楼内人员分批次有序地进行撤离，以确保安全高效的疏散过程。这一疏散策略能够有效地缓解逃生路线上潜在的过度拥挤和拥堵问题。
然而，以前的研究只提出了这一方法，却面临以下问题：1）分阶段疏散策略的设计往往是任意确定的，缺乏定量策略；2） 未能考虑到火灾过程中烟气的运动和扩散会对高层建筑的疏散过程产生的重大影响。因此，在本研究中，我们提出了一种改进的阶段疏散策略制定方法，通过结合烟雾的动态运动和疏散过程，提出了优化的分阶段疏散策略。
我们的优化分阶段疏散策略选择包括以下三个步骤：
第一步：高层建筑基本信息建模：该阶段包括收集有关建筑物理属性的相关信息，以构建建筑信息模型（BIM），作为后续仿真模型的基础输入数据。
第二步：设计有代表性的分阶段疏散策略：我们使用双区模型计算整个高层建筑上层烟高和温度的动态变化情况，并基于预测结果设计几种具有代表性的分阶段疏散场景，以便在下一步进行分析和比较。
第三步：根据模拟结果选择最佳疏散策略。本步骤的重点是分析和比较各种疏散场景。我们使用Pathfinder软件和数学模型计算来模拟行人运动，并通过模拟结果确定最有效的疏散策略。
我们以一栋25层容纳2400人的典型高层建筑为例，阐述了提出的优化的分阶段疏散策略选择的具体过程。首先，我们根据该建筑进行BIM建模。在此基础之上，我们利用BRI2022双区模型对烟气扩散情况进行计算，下图显示了着火房间、4楼走廊和竖井三个区域的烟雾运动随时间变化的分布特征。
利用双区模型的模拟结果，我们制定了四种不同的分阶段疏散策略，如下图所示。随后，我们利用Pathfinder模型对四种策略分别进行模拟实验。模拟结果表明，第四种策略的疏散效率最优。通过对楼梯间的人流量进行统计，发现第四种策略的楼梯拥挤时间减少了65%。
综上，本研究深入探讨了优化的高层建筑分阶段疏散策略制定方法。未来，我们的研究工作可以在消防演习中引入分阶段的疏散方式，探究其效果，也会进一步通过精确的模型程序等验证不同方法的有效性。此外，也会考虑楼层功能、每个楼层的行人分布和其他相关因素，以提高模拟的准确性，为高层建筑的疏散场景提供更真实的描述。
该项研究受香港主题研究计划“SureFire：智慧城市灾害防控和火灾应急研究”和国家自然科学基金资助。文章已发表于核心期刊《Journal of Building Engineering》。全文链接见“阅读原文”。香港理工火灾安全科学研究团队将持续推进相关工作，助力智慧城市消防从理论走向实践。
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图文 | 丁赛哲
编辑 | 谢伟康
审核 | 黄鑫炎
