火災(zāi)模擬軟件的選取參考模板

1、火災(zāi)模擬軟件的選取在火災(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)等因素都會對模擬結(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)等因素都會對模擬結(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，近幾十年來才建立起描述火災(zāi)

2、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)值模型主要有專家系統(tǒng)（Expert System）、區(qū)域模型（Zone Model）、場模型（Field Model）、網(wǎng)絡(luò)模型（Network Model）和混合模型（Hybrid Model）。場模型也即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是專門針對火災(zāi)模擬而開發(fā)的CF

3、D軟件，簡單易用。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，國內(nèi)外對FDS的研究比較多，而對于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究則較少，對各個(gè)軟件的對比研究更少。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)等因素都會對模擬結(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，對某一工程設(shè)計(jì)，如性能化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選

4、擇最合適的軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬是一比較重要的問題。因此，為了能夠更好地利用CFD模型進(jìn)行火災(zāi)模擬，有必要對他們進(jìn)行系統(tǒng)研究。驗(yàn)證(veriifcation)與確認(rèn)(validation)是評價(jià)數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對CFD軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對于計(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1 / 15從軟件易用性來看，火災(zāi)專用模

5、擬軟件相對簡單，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)基本知識即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對使用者要求較高，使用者需要對流體力學(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)著重考慮該模型對所模擬問題的適用性及預(yù)測能力，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)）對模型進(jìn)行確認(rèn)研究。從模擬準(zhǔn)確性來看，火災(zāi)專用模擬軟件由于是專門針對火災(zāi)開發(fā)，在概念模型層面相對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)過程，因此，一般情況下，建議選擇火災(zāi)專用軟件，除非在專用軟件無法模擬的情況下才選擇通用軟件。使

6、用火災(zāi)專用軟件時(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?；馂?zāi)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)應(yīng)包含其對各類火災(zāi)參數(shù)的預(yù)測能力研究，如火場溫度、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）、火場能見度等。對于通用的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，對這類模型可以著重于確認(rèn)研究；對于專用火災(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，對于比較常見的火災(zāi)場景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來模擬分析，而對一些特殊的場景，

7、如火災(zāi)在狹長雙層玻璃幕墻內(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PHONEICS和FLUENT進(jìn)行了確認(rèn)研究，就該類實(shí)例來說，F(xiàn)LUENT的準(zhǔn)確度要高于PHENICS，但就工程應(yīng)用來說，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，兩者的模擬結(jié)果一般可滿足工程需要?；馂?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)場景下的火災(zāi)試驗(yàn)對其進(jìn)行確認(rèn)研究，以便更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚哦?。二、疏散模擬當(dāng)前世界

8、上開發(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)際問題與模型的適用性來進(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

9、態(tài)的時(shí)間?；馂?zāi)中人的疏散過程是在人的意識干預(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1.52的安全系數(shù)來考慮設(shè)計(jì)計(jì)算中的不確定性因素。在人員安

10、全疏散的研究方面，由于對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)如何對保證人員生命安全的目標(biāo)進(jìn)行合理的評價(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發(fā)力度。國外從20世紀(jì)80年代初開始就展開了人員疏散基礎(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，我國也于近年來展開了這方面的研究。（二）疏散模型分類人員疏散計(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)來進(jìn)行計(jì)算。這一方法的缺點(diǎn)是它完全忽略

11、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人員疏散過程作如下保守假設(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，在疏散開始的時(shí)刻一起井然有序地進(jìn)行疏散，且人員在疏散過程中不會中途返回選擇其它疏散路徑；3）在疏散過程中，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。這類模型能夠從一定程度上反映火災(zāi)時(shí)個(gè)人的特性對

12、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，對其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類模型時(shí)要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過實(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)際問題與模型的適用性來進(jìn)行選擇。下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點(diǎn)，對這些軟件進(jìn)行適當(dāng)分類。1）一般分類疏散模型在處理疏散的一般問題時(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

13、為。通常，模型認(rèn)為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類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)評估模型能識別出火災(zāi)時(shí)與疏散有關(guān)的危險(xiǎn)或相關(guān)事故，并能對最后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。通過多次重復(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)模型的類別與名稱如表4-3-4-1所示。2）建筑空間的表示各種疏散模型都必須對建筑空間進(jìn)行描述，以模擬人員在建

14、筑內(nèi)部的疏散過程。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

15、，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，而無法描述人員在一個(gè)建筑單元內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，它也無法處理一些局部的現(xiàn)象，例如超越前方人員、避開障礙物等。3）人群分析各類疏散模型在對人員進(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

16、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。在描述疏散過程時(shí)，不針對逃生的個(gè)體，而針對大量的人群。這種方法難以模擬事件對個(gè)體的影響（例如：火災(zāi)煙氣毒性的影響），而只能對整個(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)算速度相對較快。 4）行為分析人員在逃生時(shí)的決策過程是復(fù)雜的，疏散模型根據(jù)模擬人員決策過程時(shí)所采用的分析方法，分為以下幾類：無行為準(zhǔn)則模型、函數(shù)模擬行為

17、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。無行為準(zhǔn)則模型完全依賴于人群的物理運(yùn)動(dòng)和幾何形狀的物理表達(dá)，來影響人員的疏散，并對其進(jìn)行預(yù)測判斷。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)方程組來描述，以此達(dá)到控制人的響應(yīng)的目的。這類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，且會以一定的方式對這種影響產(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，磁模型的方程來源于物理學(xué)）。復(fù)雜行為模型通過復(fù)雜的物理方法來含蓄表示行為決策準(zhǔn)則。此類模型一般基于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用，包括心理的或社

18、會的影響，因而它依賴于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性?；谛袨闇?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)則來確定疏散過程中人員的行為。例如“假如人在一個(gè)充滿煙氣的房間里，他會通過最近的出口離開”等類似準(zhǔn)則。但是，這種行為決策方式會導(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)成能對周圍環(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)其決策過程，但這會使用戶對人員行為的控制權(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

19、處火場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。另一類是按群集方式來考慮人員的移動(dòng)特性

20、，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。該模型由英國模特·麥克唐納開發(fā)，目的是模擬在正?；蚓o急情況下，人員在不同類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，但仍處于測試階段。（2）Simulex。該模型是由英國的湯普森開發(fā)，是一個(gè)能夠模擬人群從復(fù)雜建筑物中疏散的

21、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。這個(gè)模型已經(jīng)被用于一些咨詢項(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)

22、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。該模型由英國格林尼治大學(xué)開發(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?！蹦Ｐ桶?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

23、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)。這些信息存儲在幾何子模型中。同時(shí)，在整個(gè)模擬過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有毒氣等級，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，通過對建筑平面信息的識別，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，都無法絕對準(zhǔn)確模擬出火災(zāi)時(shí)人員

24、疏散的真實(shí)情況，在今后的軟件后續(xù)開發(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。國際上人員疏散軟件的開發(fā)已經(jīng)有一定的積累，并且經(jīng)過了相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐檢驗(yàn)，但畢竟國外的人員疏散行為、習(xí)慣，心理反應(yīng)等與我國居民有很大不同，一些軟件還不能簡單的直接拿來應(yīng)用。需結(jié)合我國的建筑特點(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所，適合采用水力模型來進(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)

25、，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較少，從接到報(bào)警信號到識別火災(zāi)以及疏散過程中尋找合適的疏散路徑都在很大程度上依賴于個(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，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、場模擬FDS中的計(jì)算模型等，需由一個(gè)

26、或多個(gè)熟悉火災(zāi)原理的專家對其進(jìn)行評價(jià)。這種評價(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。假如求解是通過手工計(jì)算的，則應(yīng)該通過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和開放的文獻(xiàn)提供足夠的背景資料。對計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)該通過開放的文獻(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估。后者尤其重要，因?yàn)槌Ａ康闹翟诓煌瑘鼍爸杏胁灰粯拥闹?。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。下面針對建筑消防性能化設(shè)計(jì)

27、計(jì)算方法的確定性模型需要重點(diǎn)評價(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流傳熱、熱解、火蔓延與增長、噴淋等。針對開放空間或燃料控制的火災(zāi)，F(xiàn)DS能相對準(zhǔn)確地模擬。但FDS的局部性在于其限于低速流動(dòng)模擬；通過分解壓力項(xiàng)，處理狀態(tài)方程，從而濾除聲波的影響。針對相對封閉房間內(nèi)氧控制的火災(zāi)場景，有可能會發(fā)生爆燃現(xiàn)象，在此過程中壓力波對火焰的傳播起著較大的影響。在模擬此類火災(zāi)場景時(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，針對計(jì)算模型的適用性問題，不僅要從計(jì)算結(jié)果

28、來考慮，還要從模型的自身假設(shè)來分析。由于計(jì)算軟件為了能模擬更多的問題，往往采用普適性的算法，對于有些根本不滿足計(jì)算模型理論的場景，計(jì)算結(jié)果也可能會與實(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，且也不能說明類似這樣的場景就可以采用這樣的方法來計(jì)算。計(jì)算模型理論都不滿足，根本就不允許采用這樣的模型來計(jì)算。（二）計(jì)算的收斂性在數(shù)值方法中，需要對連續(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

29、精度的格式，同時(shí)要保證其不會帶來計(jì)算結(jié)果的非物理振蕩，能更好地收斂于真實(shí)解。對于定常模擬來說，只需要求最終的計(jì)算結(jié)果逼近真實(shí)解。但對于非定常模擬來說，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。如果模型沒有發(fā)生時(shí)間步的截?cái)喽夷鼙３珠L的時(shí)間步，那表明該模型沒有收斂性問題，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性迭代次數(shù)。如果模型只用一次非線性迭代計(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

30、流場參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)的剛度、計(jì)算模型等。（三）網(wǎng)格尺度的合理性對于建筑火災(zāi)場模擬計(jì)算，首先應(yīng)該考慮網(wǎng)格尺度的合理性問題，而這一問題也是場模擬計(jì)算中非常重要的問題。網(wǎng)格尺度的合理性問題直接影響計(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。在場模擬計(jì)算中，如何做到這兩點(diǎn)呢？1.網(wǎng)格獨(dú)立性沒有網(wǎng)格獨(dú)立性的模擬，無法評判也沒有必要評判計(jì)算結(jié)果的正確與否。在考慮網(wǎng)格的獨(dú)立性問題時(shí)，原則上將網(wǎng)格劃分得越小，通過網(wǎng)格離散的ODE（常微分）方程越

31、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)果來進(jìn)行分析評判。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)算問題的分析、基于前人或公開發(fā)表類似問題的經(jīng)驗(yàn)等?；谶@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（

32、FDS）針對網(wǎng)格尺度的問題，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416。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，針對問題的不同，進(jìn)行加密和加粗網(wǎng)格。針對開放空間，可能滿足此條件的計(jì)算結(jié)果已獨(dú)立于網(wǎng)格尺度。而對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?，針對具體的問題，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，

33、采用能滿足該精度的最粗網(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)算量所帶來的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于損失的少量精度。（四）時(shí)間步長的合理性在求解微分方程時(shí)，必須注意時(shí)間步長的選擇。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。對時(shí)間步長進(jìn)行限制的算法，稱作有條件穩(wěn)定。沒有時(shí)間步長限制的稱為無條件穩(wěn)定。在求解連續(xù)性問題ODE的解析解時(shí)，穩(wěn)定積分能給出衰減解。對于某些時(shí)間步長，不穩(wěn)定方法會產(chǎn)生無界或快速震蕩的數(shù)值解。要意識到即使是穩(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