疏散、排烟及火灾风险模拟软件

疏散模拟软件
目前国际上较为流行的常用疏散模拟软件一览表
目前国内性能化防火设计项目中采用较多的疏散模型工具有SIMULEX、STEPS、BuildingEXODUS，以及日本避难安全检证法提供的水力模型等，下面简要对其进行介绍。

SIMULEX软件是由苏格兰集成环境解决有限公司（Integrated Environmental Solu-tions Ltd）的Peter Thompson博士开发，用来模拟大量人员在多层建筑物中的疏散。

可以运行于任何32位微软操作系统的基于intel的PC（win95/98/ME/2000），采用C++语言编制。

STEPS（Simulation of Transient Evacuation and Pedestrian Movements，瞬态疏散和步行者移动模拟）是一个三维疏散软件，由Mott MacDonald设计。

办公区、体育场馆、购物中心和地铁车站都是可以作为事例的地方，这些地方要求确保在正常情况下的简单运输，而在
紧急情况下可以快速疏散。

在大而拥挤的地方，通过模拟所获得的最优化的人流可以提供一个更适宜的环境和更有效的消防安全设计。

STEPS与SIMULEX软件特点对比
排烟模拟软件
目前，世界各国的研究者建立了许多室内火灾区域模拟的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4以及中国科学技术大学的FAC3等为典型代表。

常用的区域模型有ASET和ASET-B、HARVARD-V和FIRST、CFAST和HAZARD1模型。

其他区域排烟模型软件一栏表
自从1983年Kumar首先建立火灾场模型以来，出现了许多场模拟的大型通用商业软件和火灾专用软件。

通用商业软件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等为代表，都具有非常友好的用户界面形式和方便的前后处理系统。

用于火灾数值模拟的专用软件有瑞典Lund 大学的SOFIE、美国NIST开发的FDS和英国的JASMINE等，它们的特点是针对性较强。

场模拟可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象。

其他场模型排烟软件一栏表
常见火灾风险评估方法
安全评估方法的应用研究最早起源于20世纪30年代的保险业，然后广泛应用于工业生产领域，其发展不但为保险公司提供了收取费用的依据，也使客户企业事故风险得到降低，从而促使政府加强了对安全评估理论和技术的研究，开发风险评估方法。

火灾风险评估作为专项安全评估的重要分支，其研究工作的开展进行得较晚，还没有形成成熟的火灾风险评估方法体系，目前国内外提出的评估方法众多，大体可分为定性分析方法、半定量分析方法和定量分析方法三类。

1.定性分析方法
定性分析方法主要用于识别最危险的火灾事件，但难以给出火灾危险等级，主要用安全检查表、预先危险分析和层次分析法进行建筑火灾风险的定性评估。

1）安全检查表法
安全检查表法就是制订安全检查表，并依据此表实施安全检查和火灾危险控制。

参考火灾安全规范、标准、系统地对一个可能发生的火灾环境进行科学分析，找出各种火灾危险源，依据检查表中的项目把找出的火灾危险源以问题清单形式给出，并制成表，以便于安全检查和火灾安全工程管理。

2）预先危险分析
预先危险分析是指，对具体火灾区域存在的危险进行识别以及对火灾出现条件和可能造成的后果进行宏观概略分析的一种方法。

预先危险性分析的重点应放在具体区域的主要危险源上，并提出控制这些危险源的措施。

预先危险性分析的结果，可作为对新系统综合评估的依据，还可作为系统安全要求、操作规程和设计说明书的内容，同时为预先危险性分析以后要进行的其他危险分析打下基础。

3）层次分析法
层次分析法是美国运筹学家Saaty教授于20世纪80年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法。

其主要特征是，它合理地将定性与定量的决策结合起来，按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化。

该方法自1982年被介绍到我国以来，以其定性与定量相结合地处理各种决策因素的特点，以及其系统灵活简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内，如能源系统分析、城市规划、经济管理、科研评估等，得到了广泛的重视和应用。

层次法的基本思路是首先将所要分析的问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层分析结构模型，最终归结为最低层（方案、措施、指标等）相对于最高层（总目标）相对重要程度的权值或相对优劣次序的问题。

2.半定量分析方法
半定量方法用于确定可能发生的火灾的相对危险性，同时可以评估火灾发生频率和后果，
并根据结果比较不同的方案。

它以火灾风险分级系统为基础，通过对火灾危险源以及其他风险参数进行分析，并按照一定的原则对其赋予适当的指数（或点数），然后通过数学方法综合起来，得到一个子系统或系统的指数（或点数），从而快速简单地估算相对火灾风险等级，所以，这种方法也被称为火灾风险分级法（Fire Risk Ranking Method）。

这种方法不像定量风险评估方法需要投入大量的资金和时间，具有快捷简便的特点。

其不足点在于，这种方法是按照特定类型建筑对象进行分级的，施法不具有普适性；而且评估结果与研究者知识水平、以往经验和历史数据积累以及应用具体情况有关。

适用于建筑火灾风险评估的半定量方法主要有NFPA101M火灾安全评估系统、SIA81法（Gretener法）、火灾风险指数法（Fire Risk Index）、古斯塔夫法等。

另外，适合工业火灾风险评估的方法有等价社会成本指数法（The Equivalent Social Cost Index ESCI）、致命事故等级法（Fatal Ac-cident Rate）、火灾――爆炸风险指数法等。

1）NFPA101M火灾安全评估系统
火灾安全评估系统（FSES）是20世纪70年代美国国家标准局火灾研究中心和公共健康事务局合作开发的。

FSES相当于NFPA101生命安全规范，主要针对一些公共机构和其他居民区，是一种动态的决策方法，它为评估卫生保健设施提供一种统一的方法。

该方法把风险和安全分开，通过运用卫生保健状况来处理风险。

五个风险因素是：患者灵活性、患者密度、火灾区的位置、患者和服务员的比例、患者平均年龄，并因此派生了13种安全因素。

通过Dephi调查法，让火灾专家给每一个风险因素和安全因素赋予相对的权重。

总的安全水平以13个参数的数值计算得出，并与预先描述的风险水平作比较。

2）SIA81法（Gretener法）
这种方法是20世纪60年代首先在瑞士发展起来的，1965年首次公开出版，向外正式推行，迄今已修改过多次，在1984年，出版了“火灾风险评估法SIA DOC81”，即现在大家熟知的Gretener法。

Gretener法以Max Gretener的名字命名，Max Gretener是瑞士消防部（Swiss Fire Prevention Service）的负责人（如今在Zurich的SI－Safety Institute），他在20世纪60年代开始这项研究工作。

Gretener法以损失作基础、凭经验作出选择为补充，用统计法来确定火灾风险。

这个方法在瑞士和其他几个国家受到很好的认可和欢迎。

Fontana推荐此方法作为快速评估法，用于评估大型建筑物可选方案的火灾风险。

因为此法考虑了保险率和执行规范，所以此方法是最重要的火灾风险等级法之一。

3)Entec消防风险评估法
英国Entec公司研发“消防风险评估工具箱”，解决了两个问题，一是评估方法的现实性，是否在一定的时限内能达到最初设定的目标。

经过对环境、毒品管理、海事安全等部门所使用的各种风险评估方法的进行广泛考察之后，研究人员认为如果对这些方法加以适当转换，就可以通过不同的方法对消防队应该接警响应的不同紧急情况进行评估。

二是建立了表达社会对生命安全风险可接受程度的指标。

4）火灾风险指数法
瑞典Magnusson等人提出了另一种半定量火灾风险评估方法——火灾风险指数法（Fire Risk Index Method）。

该方法最初是为评估北欧木屋火灾安全性而建立的，从“木制房屋的火灾安全”项目发展演化而来的，子项目“风险评估”部分，由瑞典隆德大学承担，目标是建立一种简单的火灾风险评估方法，可以同时应用于可燃的和不可燃的多层公寓建筑。

此方法就是“火灾风险指数法”。

5）古斯塔夫法
火灾的危险性包括对建筑物本身的破坏及对建筑物内部人员和财产损失两个方面，常把火灾对建筑物本身的破坏用GR表示，把火灾对建筑物内人员的伤害和财产损坏用IR来表示，两个方面的危险程度共同决定了建筑物的危险度。

显然，这涉及建筑物发生火灾之后的火强度、火的持续时间、建筑物的耐火等级、建筑物的结构材料、可燃物质的数量和特性、人员的结构与素质、火灾报警及灭火条件等多方面因素。

火灾对建筑物本身的破坏与对建筑物内部人员及财产的危害是联系在一起的，但是我们也可以将二者分开来研究。

这种既有区别又有联系的办法就是古斯塔夫法（Gustav Purt）提出的平面分析法。

3、火灾风险评估的定量分析方法
随着性能化防火设计的发展，人们需要更加精确的火灾风险评估方法。

定量分析方法已成为近年最引人注目、发展最快的火灾风险评估方法。

定量风险评估方法以系统发生事故的概率为基础，进而求出风险，以风险大小衡量系统的火灾安全程度，所以也称概率评估法。

该方法需要依据大量数据资料和数学模型。

所以，只有当用于火灾风险评估的数据量较充足时，才可采用定量评估方法进行火灾风险评估。

定量分析综合考虑建筑物发生火灾事故的概率以及火灾产生的后果，所得计算风险值可以直接与风险容忍度进行比较；也可以对不同建筑物或同一建筑物的不同区域或不同消防方案进行比较研究。

1）建筑火灾安全工程法（BFSEM，L曲线法）
BFSEM方法认为所有建筑是空间和分隔件的组合体。

对于特定建筑开展防火性能分析应清楚地识别空间——隔件体系。

而火灾本身也被划分为以不同的速度和不同的方式影响建筑、人员和各类物件的两部分——火焰/热和烟气。

在评估过程中，对于着火可能性，起火空间火势扩大可能性、隔件性能、火势向起火空间以外蔓延、人员安全等各类参数，使用者可以指定基于经验和工程判断的主观概率，或依据统计数据，估计每一件事发生的可能性。

BFSEM提供了一种识别影响建筑防火性能因素的综合方法。

但其在确定各类评估参数时存在较大的不确定性。

2）消防评估CrispⅡ模型
英国发展的一个消防系统区域模型称为CrispⅡ。

CrispⅡ可以用来评估住宅的人员生命
安全，由人员平均伤亡数量给出相对风险。

该方法考虑的主要因素有燃烧物、热气体、冷空气层、出烟孔、墙壁、空间、烟气探测器、消防队和居住者等，采用的主要数学模型是Monte-Carlo。

模拟中最复杂的细节是居住者的行为，包括多种因素的影响，如生理反应、
感知等。

3）火灾风险评估方法FIRECAM
加拿大国家建筑研究院（NRC）正在研究并已开始应用的性能化设计工具：火灾风险与成本评估模型（FIRECAMTM-Fire Risk Evaluation and Cost Assessment Model），它通过分析所有可能发生的火灾场景来评估火灾对建筑物内居民造成的预期风险，同时还能评估消防费用（基建及维修）和预期火灾损失。

FIRECAMTM依靠两个主要参数来评估火灾安全设计的火灾安全性能，即火灾对生命造成的预期风险（ERL和预期火灾损失FCE）；运用统计数据来预测火灾场景发生的几率，比如可能发生的火灾类型或火灾探测器的可靠性，同时还运用数学模型来预测火灾随时间的变化，比如火的发展和蔓延及居民的撤离；FIRECAMTM利用火灾增长、火灾蔓延、烟气流动、居民反应和消防部门反应的动态变化（以时间为函数）来计算ERL和FCE的数值。

它包括：火灾增长模型、烟气流动和居民逃生模型。

FIRECAMTM对火灾蔓延的可能性及火灾后修复建筑物的费用采用的是保守的评估模型，所以对财产损失的评估结果比实际的偏高。

4）火灾风险评估CESARE-Risk模型
澳大利亚消防规范发展中心（FCRC）正在开发一个用于量化建筑消防安全系统性能的风险评估模型，称为CESARE-Risk（它和FIRECAMTM同基于Beck的预测多层、多房间内火灾风险评估系统模型），它采用多种火灾场景，其中考虑了火灾及对火灾的反应的概率特性，采用确定性模型预测建筑内火灾环境随时间的变化。

5）事件树方法
事件树分析法（Event Tree Analysis,ETA）是安全系统工程中重要的分析方法之一。

它是建立在概率论和运筹学的基础上。

在运筹学中用于对不确定的问题作决策，故又称为决策树分析法（Decision Tree Analysis,DTA）。

虽然在不同的地方应用时名称不同，但方法却一样。

美国1974年耗资300万美元对核电站进行风险评估的项目中，事件树分析法起了重要作用，现在许多国家形成了标准化的分析方法。

6）事故树评估方法
事故树评估方法是具体运用运筹学原理对事故原因和结果进行逻辑分析的方法。

事故树分析方法先从事故开始，逐层次向下演绎，将全部出现的事件，用逻辑关系联成整体，将能导致事故的各种因素及相互关系，作出全面、系统、简明和形象的描述。

对于火灾事故，通常是通过事故树分析，经过中间联系环节，能将潜在原因和最终事故联系起来，这样可以查清事故责任，也为采取整改措施提供依据。

通过对原因的逻辑分析，可以分清导致事故原因的主次，原因组合单元，这样控制住有限的几个关键原因，就能有效地防止重大火灾事故的发生，提高管理的有效性，节约人力物力。

4.奥运场馆火灾风险评估方法选择
1）方法选择的原则
（1）目的性
风险评估的根本目的是为了提高奥运工程消防系统的安全水平，进行风险评估后，必须对系统的安全性做一次有效的改进和调控。

每次风险评估的目的要十分明确，针对性要强，以期取得良好效果。

（2）科学性
进行风险评估必须实事求是，必须能反映客观实际。

因此，风险评估必须以可靠数据资料为基础，采取科学合理的分析方法，最大限度排除评估人主观因素影响和干扰，以保障分析评估的质量。

（3）系统性
实际的分析对象往往是一个复杂的系统，包括多个子系统或单元。

因此只有对系统进行详细解剖，研究系统与子系统间的相互关系，才能最大限度地辨识被评估对象的所有危险，才能评估它们对系统影响的重要程度。

（4）综合性
系统的安全涉及人、机、环境等多个方面，不同因素对安全的影响程度不同，因此，分析方法既要充分反映评估对象各方面最重要功能，又要防止过分强调某个因素而导致系统推动平衡。

给出的危险评估应综合考虑各方面的情况，对于同类系统应采用一致的评估标准。

（5）适用性
风险评估与评估方法要适合被评估建筑的具体情况，具有较强的可操作性。

所用的方法要简单、结论要明确、效果要显著。

若设定的不确定因素过多，计算过于复杂，导致使用部门难于理解和应用，反而取不到好的效果。

2）奥运场馆的特点
每个风险分析方法都有各自的优缺点，不同的评估方法适应于不同的评估对象。

对不同的对象，应选用最合适的方法。

在进行奥运工程火灾风险评估前，应首先分析奥运工程在火灾风险评估中所体现的特点。

（1）系统的复杂性
奥运建筑工程主要包括体育场馆、运营中心、配套服务设施等，这些建筑多为人员密集的大型公共建筑，其消防系统复杂，进行火灾风险评估时危险源识别困难，所需要进行分析的评估单元较多。

（2）消防安全的敏感性
由于体育场馆在奥运期间人员众多，包括观众、运动员、工作人员、新闻记者等，一旦发生火灾，极可能造成重大的人员伤亡。

出于对平安奥运的高度重视，奥运工程相关场所对消防安全提出了更高的要求，所以，奥运工程对消防安全具有更高的敏感性。

（3）功能的特殊性
不同的奥运工程建筑在功能上存在的巨大的差别，同样作为竞技场馆，由于其赛事特点不同，其建筑形式、人员数量、可燃物数量等也存在较大差别，如何针对不同类型的建筑进行火灾风险评估是一个需要重点考虑的问题。

3）评估方法的选择
根据对国内外火灾风险评估相关研究成果的分析，结合奥运建筑工程的特点，综合考虑评估方法的成熟性、可操作性和适用性，选择基于层次分析法和专家打分系统的危险度评估方法，这种方法较适宜于体育场馆的火灾风险评估，属于半定量的分析方法。

奥运场馆火灾风险评估方法
1.评估单元划分
基于层次分析的危险度评估方法原则上需要把一个系统分为多个层次，一般取为二、三屋，并分别称为系统、单元、因素。

也就是说，需要把分析对象（系统）划分为若干单元，每个单元根据需要进一步划分为若干因素，再从火灾可能和火灾危害等方面来分析各因素的火灾危险度，各个组成因素的危险度是进行系统危险分析的基础，在此基础上用加权平均的方式确定系统的火灾危险等级。

在本项目中主要依据相关国家标准、规范来衡量其危险度值。

不同单元和因素的作用和性能往往大不相同，它们对系统火灾危险性的影响程度存在很大差别。

常用的修正办法是分别给予它们适当的权重，权重通过综合足够多专家的意见确定。

在确定指标体系时，考虑了如下原则：
1）科学性
指标体系要能够全面反映所评区域火灾风险的各主要方面，其主要指标能够准确分析某一方面的具体内容，体现科学性。

只有这样，获取的信息才具有客观性和可靠性，评估的结果才有较高的可信度。

2）可行性
从奥运工程的实际运行特性出发，所选择评估指标的检查考核方式要简便易行，尽量简化评估工作的程序，容易实现量化，要有可行性。

这样，评估的实施方案才容易被各级部门所接受。

3）可比性
所选指标要具有可比性。

这样，便于各区域间进行横向比较，也便于公安消防部门及时总结共性问题，及时调整有关消防安全管理工作。

以普通体育场馆为例，火灾风险评估体系可分为火灾危险源评估系统、建筑防火性能评估系统、内部消防管理评估系统和消防保卫力量评估系统四部分，这四个二级指标可以继续进行系统划分，产生三级指标甚至四级指标，由这些不同层次的评估单元构成对评估对象的系统分解。

2.基本单元危险度量化方法
在奥运工程火灾风险评估中采取专家打分系统对火灾风险评估体系各指标权重进行打分。

专家系统评估活动是在熟悉评估指标体系的基础上进行的。

根据建立的建筑消防安全破坏力量和抵御力量本乡本土体系，把不同的评估目标划分为基本的评估单元。

多专家评估通过对指标体系进行评估（打分）来完成。

对于多人决策来说，权重分为如下2类：第一类为指标体系中各指标权重，用以确定破坏力量和抵御力量的水平；第二类为各决策者（专家）权重，用以衡量各评审专家在本次评审过程中所占决策份额，即各评审专家的决策不是均权，而由以下两个方面来决定：
1）专家的学术地位K1
K1在每次评审时可根据实际情况确定，例如高校可按职称状况确定，如表8-1所示。

专家学术地位表8-1
若有企业家或甲方负责人或评审机构领导参与决策，K1应综合比较后取值。

2）对项目熟悉程度K2
K2可根据专家自己主持开发该类项目的数量与质量来确定，目前评审中往往由专家自己评估熟悉程度。

如果专家库的数据全面，则可由计算机确定专家对项目的熟悉程度，如表8-2所示。

项目的熟悉程度表8-2
3.基于层次分析法的各级指标权重计算
指标体系确实以后，还需要确定各指标的权重。

只有不同层次，各重要影响因素的权重合理地确定以后，才能以此设计和编写计算程序，实现宣评估。

采用一种改进的分析法计算各指标的权重。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process,简称AHP法）是美国匹兹堡大学教授T.L.Saaty提出的一种系统分析方法。

层次分析法计算权重的实施步骤如下：
1）建立层次结构模型
2）构造判断矩阵标
层次分析结构模型建立以后，将问题转化为层次中各因素相对于上层因素相对重要性的
排序问题。

在排序计算中，采取成对因素的比较判断，并根据一定的比率标度，形成判断矩阵。

最常采用的标度含义如表8-3所示。

判断矩阵标度及含义表8-3
3)构造判断矩阵
设矩阵A中有B1，B2，…，B n个指标，则构造的判断矩阵B为：
b11 b12 (1)
b21 b22 (2)
…………
bｎ1bｎ2…b nn
b ij表示纵列的Ｂi与横行的Ｂｊ相比较结果。

4）计算判断矩阵的最大特征根和特征向量
采用根法计算，其步骤为：
计算判断矩阵每一行元素的乘积Ｍi：
Ｍi＝
5）检验判断者判断思维的一致性
应用层次分析法保持判断思维的一致性是非常重要的。

所谓判断一致性及判断矩阵Ａ有如下关系：
根据矩阵理论，判断矩阵（Ａ为n阶正互反矩阵）在满足上述安全一致性条件下，具有唯一非零的，也是最大的特征根λmax＝n，且除λmax外，其余特征根均为零。

而当判断矩阵具有满意的一致性时，它的最大特征根稍大于矩阵阶数n，且其余特征根接近于零。

这样基于层次分析法得出的结论老师基本合理的。

但是，由于客观食物的复杂性和人们认识上的多样性，以及可能产生的片面性，要求每一个判断都有完全的一致性显然是不可能的，特别是因素多规模大的问题更是如此。

因此，为了保证应用层次分析法得到的结论基本合理，还需要对构造的矩阵进行一致性检验。

λmax比n大得越多，Ａ的不一致程度越严重，用特征向量作为权向量引起的判断误差
越大，因而可以用λmax－n数值的大小来衡量Ａ的不一致程度．
Ｓaaty将式(8-8)定义为一致性指标。

ＣＩ＝0时Ａ为一致阵；ＣＩ越大Ａ的不一致程度越严重。

注意到Ａ的n个特征根之和等于Ａ的对角元素之和，而Ａ的对角元素均为1。

由此可知，一致性指示ＣＩ相当于除λmax外，其余n－1个特征根的平均值（绝对值）。

为了确定Ａ的不一致程度的允许范围，需要找出衡量Ａ的一致性指示ＣＩ的标准。

Ｓaaty又引入随机一致性指示ＲＩ，见表8-4.
随机一致性指示ＲＩ表8-4
表中n＝1，2时ＲＩ＝０，是因为1，2阶的正互反阵总是一致阵。

对于n≥3的成对比较阵Ａ，将它的一致性指标ＣＩ与同阶（指n相同）的随机一致性指标ＲＩ之比称为一致性比率ＣＲ，当ＣＲ＝ＣＩ／ＲＩ<0.10时认为Ａ的不一致性程度在允许范围内，可用其特征向量作为权向量，否则要重新进行成对比较，对Ａ进行调整．
4.火灾风险度判断
根据影响体育场馆火灾发生和危害程度的相关因素进行单元划分，并从以下两个方面对火灾风险进行分析判断：
1）火灾综合危险程度判断方法
根据影响建筑火灾的主要方面，将场馆火灾评估系统划分为火灾危险源、建筑防火特性、内部消防管理和消防保卫力量四个部分，然后参考打分标准和采集信息对所有基本因素进行专家打分，并根据打分情况判断评估对象的火灾风险。

根据基本指标的分值范围，可以通过下述公式计算上层指标的风险分值。

根据Ｒ值的大小可以确定评估目标所处的风险等级。

根据所得分值，对火灾风险进行分级如表8-5所示。

当然，风险分级的合理性将根据应用情况，不断进行调整。