H.1 概述
人群疏散有3個(gè)基本屬性：密度、速度和流速。人群密度以每單位面積多少人來定義，例如2.0人/m2。人群密度也能以每個(gè)人占多大面積來表示，例如0.5m2/人。速度是人員的移動速度，通常以m/s來表示。流速是人群通過某一點(diǎn)的速率，比如每單位時(shí)間通過一個(gè)門口的流速為2.0人/s。
從大量對消防工程通用計(jì)算方法的研究中得出的水平和垂直行進(jìn)速度和通行速度結(jié)果，在以下部分將予以介紹。本附錄還給出了行動不便人員的數(shù)據(jù)。
H.2 有效寬度概念
當(dāng)人們通過建筑出口通道時(shí)，與墻面或他們通過的其他固定障礙物之間保持有一個(gè)邊界凈空。留有凈空的目的是為了使側(cè)體擺動和保持身體平衡。
在Pauls[經(jīng)Proulx(參見參考文獻(xiàn)[27])復(fù)核]、Fruin(參見參考文獻(xiàn)[28])、Habicht和Braaksma(參見參考文獻(xiàn)[29])的研究工作中，分析了這種人群移動現(xiàn)象。出口通道的有用(有效)寬度是指通道凈寬度減去邊界層的寬度。表H.1給出了邊界層的寬度。出口通道任一部分的有效寬度等于出口通道那一部分凈寬減去邊界層的和。
凈寬按照以下方法測得：
a) 在走廊或回廊中墻到墻之間的距離；
b) 樓梯中梯級的寬度；
c) 門在打開位置的實(shí)際通行寬度；
d) 集中布置的座席通道間距；
e) 在集中布置席位時(shí)，一排座位中最擁擠部分的座位間距(無人時(shí))。
對于有扶手的情況，應(yīng)比較沒有扶手的有效寬度和有扶手時(shí)從扶手邊緣計(jì)算的凈寬度，兩個(gè)寬度中較小的一個(gè)將被采用。只有扶手突出大于6cm時(shí)，表H.1中的值才可以使用。較小的中間體高度或較低的障礙物，比如門的把手，應(yīng)以處理扶手一樣的方式對待。當(dāng)通道局部變寬或變窄時(shí)，僅該部分的凈寬度變寬或變窄。
Pauls對多層建筑疏散做了廣泛的研究，包括58項(xiàng)高層建筑疏散實(shí)驗(yàn)，見Proulx(參見參考文獻(xiàn)[27])的評論。不同于早期由Togawa(參見參考文獻(xiàn)[30])、Melinek和Booth(參見參考文獻(xiàn)[32])、Predilinskii和Melinskii(參見參考文獻(xiàn)[33])提出的預(yù)測總疏散時(shí)間的模型，Pauls的主要方法是通過建筑疏散實(shí)驗(yàn)找出一個(gè)符合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的簡單公式。在這個(gè)過程中，Pauls發(fā)現(xiàn)樓梯的通行速度是寬度的一個(gè)線性函數(shù)(也就是，樓梯的通行速度與寬度的遞增，而不是“單位寬度”有關(guān))。Pauls還發(fā)現(xiàn)，使用“有效寬度”的概念可以得到數(shù)據(jù)的最佳公式。由于邊界層是常數(shù)，所以比起寬的疏散通道，窄的對通行速度計(jì)算有更大的影響。遞增寬度和通行速度的關(guān)系及有效寬度模型在工程計(jì)算中被廣泛應(yīng)用，并被用于改進(jìn)在SFPE手冊(參見參考文獻(xiàn)[35])中Nelson和Mowrer提到的綜合通行計(jì)算方法。圖H.1說明了有效寬度的概念，表H.1給出了不同建筑部分的邊界層數(shù)值。 說明：
1——扶手；
a——樓梯的標(biāo)注寬度；
b——有效寬度；
c——踏步區(qū)域。 圖H.1 樓梯的有效寬度[來自Pauls(參見參考文獻(xiàn)[34]) 表H.1 邊界層寬度 H.3 水平行進(jìn)速度
觀測資料和實(shí)驗(yàn)都顯示人群的疏散速度是人員密度的函數(shù)，水平疏散和垂直疏散會有所不同。在Nelson和Mowrer(參見參考文獻(xiàn)[35])介紹了人員密度對行進(jìn)速度的影響。對于人員密度小于0.54人/m2的疏散通道，人們各自按照自己的速度疏散，不會受到其他人速度的影響；當(dāng)人員密度超過3.8人/m2時(shí)，疏散將無法進(jìn)行。
典型的未受阻礙的行進(jìn)速度大約為1.2m/s。例如，基于辦公樓的實(shí)驗(yàn)研究，Pauls(參見參考文獻(xiàn)[18])引用的為1.25m/s。Nelson和Mowrer(參見參考文獻(xiàn)[35])引用的為1.19m/s。他們的方法來自于Fruin(參見參考文獻(xiàn)[28])、Pauls[經(jīng)Proulx(參見參考文獻(xiàn)[27])復(fù)核]及Predtechenskii和Milinskii(參見參考文獻(xiàn)[33])的研究工作。
Ando以及其他人(參見參考文獻(xiàn)[36])研究發(fā)現(xiàn)，火車站旅客未受阻礙的行進(jìn)速度隨著年齡和性別的不同而不同。男性和女性的速度/年齡分布是單峰且不對稱的，都是在大約20歲時(shí)出現(xiàn)峰值(男性大約為1.6m/s，女性大約為1.3m/s)。
Thompson和Marchant(參見參考文獻(xiàn)[37])發(fā)明了分析人群疏散錄像帶的新技術(shù)，并以人們之間的距離為基礎(chǔ)推理出模擬個(gè)人疏散的算法。從這項(xiàng)研究中，Thompson和Marchant提出“干擾閾”為1.6m，因此，當(dāng)人們之間的距離大于1.6m時(shí)，行進(jìn)速度不會受到影響。他們還提出男性的無阻礙行進(jìn)速度大約為1.7m/s，女性大約為0.8m/s(中值為1.4m/s)。根據(jù)這個(gè)模型，當(dāng)人們之間的距離小于1.6m時(shí)，行進(jìn)速度隨著人們之間距離的減少而下降，當(dāng)擠滿了人時(shí)速度幾乎降為0，因此，人們之間的距離應(yīng)等于他們的身高。
當(dāng)人員密度在0.54人/m2～3.8人/m2之間時(shí)，Nelson和Mowrer(參見參考文獻(xiàn)[35])推導(dǎo)出的人員密度和行進(jìn)速度關(guān)系如式(H.1)所示： 式中：
S——疏散時(shí)的行走速度，單位為米每秒(m/s)；
D——人員密度，單位為人每平方米(人/m2)；
k——水平疏散取1.4；
a——取0.266。
H.4 垂直行進(jìn)速度
Ando以及其他人(參見參考文獻(xiàn)[36])研究提出樓梯中無阻礙的向下速度大約為0.8m/s，向上大約為0.7m/s。
Fruin(參見參考文獻(xiàn)[28])根據(jù)年齡和性別提出了樓梯中行進(jìn)速度的一系列值。對樓梯中向下疏散來說，從30歲以下男性的1.01m/s到50歲以上女性的0.595m/s；對樓梯中向上疏散來說，從30歲以下男性的0.67m/s到50歲以上女性的0.485m/s。Fruin(參見參考文獻(xiàn)[28])的數(shù)據(jù)來自于兩種樓梯的觀察資料，一種梯級為7in高、11.25in寬，另一種梯級為6in高、12in寬。樓梯的梯級高度較小時(shí)，向上和向下的行進(jìn)速度會變快。
Nelson和Mowrer(參見參考文獻(xiàn)[35])提出了4種不同樓梯設(shè)計(jì)(梯級高度在6.5in～7.5in之間，梯級寬度在10in～13in之間)的行進(jìn)速度。行進(jìn)速度從0.85m/s～1.05m/s，隨著梯級高度的減小而增加。向上和向下行進(jìn)速度沒有區(qū)別，不同性別和年齡的速度也沒有區(qū)別。
人員密度對垂直行進(jìn)速度的影響見式(H.1)，k的不同常數(shù)的使用見表H.2。 表H.2 最大無阻礙行走速度和通行流速 表H.2列出的數(shù)據(jù)范圍中，樓梯中的疏散速度近似與梯級寬度與高度之比的平方根成比例。現(xiàn)在還沒有足夠的數(shù)據(jù)證明這個(gè)關(guān)系超出數(shù)據(jù)范圍的可能性。
H.5 水平和垂直疏散通道的最大通行速度
H.5.1 通行速度
表H.3給出了來自參考文獻(xiàn)[37](Thompson和Marchant著)的最大出口通行速度。Pauls指出表H.3給出的更高通行速度界限的來源可能不能反應(yīng)實(shí)際建筑的疏散，像街道或運(yùn)動場這些地點(diǎn)才有更高的通行速度。 表H.3 最大通行流速一覽 在最大通行能力下，通行速度取決于人員密度和行走速度。通行流速，即每秒通過每米有效寬度的人數(shù)，如式(H.2)所示： 式中：
Fs——通行流速，單位為人每米秒[人/(m·s)]；
D——人員密度，單位為人每平方米(人/m2)；
S——步行速度，單位為米每秒(m/s)。
由式(H.1)和式(H.2)可得式(H.3)： 式中的k值可從表H.2得到。
隨著人員密度的增長，特定通行速度增大到最大密度值1.9人/m2。當(dāng)人員密度較高達(dá)到3.77人/m2時(shí)，通行速度下降為0。樓梯中的最大通行流速見表H.2。
通過疏散通道中某一點(diǎn)的通行流量Fc可以表示為通行流速和有效寬度的乘積，如式(H.4)所示： 式中：
Fc——通行流量，單位為人每秒(人/s)；
Fs——通行流速，單位為人每米秒[人/(m·s)]；
We——有效寬度，單位為米(m)。
一群人通過疏散通道中某一點(diǎn)的通行時(shí)間tp可由式(H.5)表示： 式中：
tp——通行時(shí)間，單位為秒(s)；
P——通過的人數(shù)，單位為人；
Fc——通行流量，單位為人每秒(人/s)。
H.5.2 過渡點(diǎn)
H.5.2.1 過渡點(diǎn)是指在出口系統(tǒng)中，通道特性或尺寸改變，或通道匯合的任一點(diǎn)。過渡點(diǎn)的典型例子包括：
a) 出口通道變寬或變窄的點(diǎn)。例如，由于服務(wù)臺或其他原因，走廊可能在一小段距離內(nèi)變窄。計(jì)算所得人員密度D和特定通行速度Fs在到達(dá)這段距離前，正在通過這段距離和通過這段距離后三個(gè)階段是不同的。
b) 走廊與樓梯的銜接點(diǎn)。實(shí)際上有兩個(gè)過渡點(diǎn)：一個(gè)發(fā)生在疏散人流通過門口時(shí)，另一個(gè)發(fā)生在疏散人流離開門口進(jìn)入樓梯時(shí)。
c) 兩個(gè)或更多疏散人流的匯合點(diǎn)。例如，分支過道人流在疏散人流共用的主要過道的相遇點(diǎn)，也是進(jìn)入多個(gè)樓層共用樓梯的相遇點(diǎn)。
H.5.2.2 以下規(guī)則用來確定過渡點(diǎn)通道的人員密度和通行速度：
a) 在過渡點(diǎn)之后的通行速度是人流進(jìn)入過渡點(diǎn)的一個(gè)函數(shù)。
b) 過渡點(diǎn)的計(jì)算所得通行速度Fc不能超過最大特定通行速度Fsm，因?yàn)樗耐ǖ酪蛩厥潜煌ǖ赖挠行挾萕e所乘。
c) 在H.5.2.2b)的范圍內(nèi)，離開過渡點(diǎn)的通道的特定通行速度Fs由以下公式?jīng)Q定：
1) 一股人流進(jìn)入或離開過渡點(diǎn)的情況見式(H.6)： 式中：
Fs(out)——離開過渡點(diǎn)的通行流速；
Fs(in)——到達(dá)過渡點(diǎn)的通行流速；
We(in)——過渡點(diǎn)前的有效寬度；
We(out)——過渡點(diǎn)后的有效寬度。
2) 兩股人流進(jìn)入，一股人流離開過渡點(diǎn)的情況，比如下樓梯的一條匯合人流和樓層的兩條進(jìn)入人流見式(H.7)： 這里下標(biāo)(in—1)和(in—2)代表兩條進(jìn)入人流的值。
3) 其他匯合的情況，一般應(yīng)用式(H.8)： 這里下標(biāo)(in—n)和(out—n)中的字母n等于進(jìn)入(in—n)或離開(out—n)過渡點(diǎn)的通道總數(shù)目。
d) 按H.5.2.2c)中的公式，當(dāng)計(jì)算所年導(dǎo)離開過渡點(diǎn)的通道特定通行速度Fs超過最大特定通行速度Fsmax時(shí)，在過渡點(diǎn)的進(jìn)入端就會出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象。隊(duì)伍中的人員數(shù)量將會以一定比率遞增，這個(gè)比率等于進(jìn)入過渡點(diǎn)通道的計(jì)算所得通行速度Fc與離開過渡點(diǎn)通道的計(jì)算所得通行速度之差。
e) 計(jì)算所得的外出人流通行速度Fs(out)小于最大特定通行速度Fsm，因?yàn)闊o法預(yù)先知道進(jìn)入通道將如何匯合。通過過渡點(diǎn)，所有通道有平等的機(jī)會通向出口，或其中一條通道比起其他通道來更具有優(yōu)勢。在保守計(jì)算中，通常假設(shè)所關(guān)心的通道優(yōu)先于其他通道。如果所有通道都在考慮范圍之內(nèi)，就有必要通過計(jì)算確定每種優(yōu)先條件下每條通道的界限。
H.5.3 計(jì)算多層建筑總疏散通行時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)方法
Pauls對多層建筑疏散做了廣泛的研究，包括58項(xiàng)高層建筑的疏散，見參考文獻(xiàn)[27]和[30]。他的實(shí)驗(yàn)?zāi)M把人們沿樓梯的通行速度看作是有效寬度的函數(shù)。Pauls指出當(dāng)人員密度小于0.5人/m2時(shí)，人們能以1.25m/s的速度疏散。當(dāng)人員密度達(dá)到4人/m2～5人/m2時(shí)，等同于相當(dāng)擁擠的電梯，行進(jìn)速度會大大下降。在樓梯中，當(dāng)人員密度較低，人們感覺相對舒適時(shí)，沿著樓梯斜面的平均行進(jìn)速度大約為1.1m/s。關(guān)于樓梯的計(jì)算公式如式(H.9)所示： 在理想條件下：
a) 當(dāng)人員密度為2人/m2時(shí)，每個(gè)人占有略小于兩個(gè)梯級；
b) 每隔15s，每層有一個(gè)下坡速度，沿著樓梯斜面的速度為1.25m/s；
c) 通行速度為1.18人/(m·s)(有效樓梯寬度)。
因此，樓梯向下的最佳通行速度為1.18人/(m·s)(有效寬度)。Pauls所得數(shù)據(jù)來自29個(gè)疏散演習(xí)的觀測數(shù)據(jù)，演習(xí)主要在8層～21層高的辦公樓中進(jìn)行。Pauls發(fā)現(xiàn)，建筑疏散時(shí)間從人員較少時(shí)的大約10s/層到人員較多時(shí)的大約20s/層不等。疏散公式從這些疏散時(shí)間的觀測資料中得出。第一個(gè)公式見式(H.10)： 將被用來預(yù)測建筑中人員較多[超過800人/m(有效樓梯寬度)]時(shí)的疏散時(shí)間。tmin表示完成通過樓梯的自由總疏散的最小時(shí)間，以分計(jì)；p表示每米有效樓梯寬度實(shí)際有多少疏散人員，一般在樓梯的出口處測得。
Pauls使用的“有效樓梯寬度”定義如下：
基于模擬的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶淹ㄐ兴俣让枥L為樓梯有效寬度的線性函數(shù)。樓梯有效寬度是指樓梯實(shí)際寬度扣除邊緣影響(每面墻的邊界層為150mm或6in，每一扶手框架的邊界層為90mm或3.5in)剩下的寬度。樓梯有效寬度考慮了人們移動時(shí)左右搖擺的傾向，尤其是在人群中慢慢移動時(shí)。因此，使用了基于人員肩膀靜態(tài)尺寸假設(shè)的每單位寬度擺幅傳統(tǒng)模型。
第二個(gè)公式見式(H.11)： 將被用于每米有效樓梯寬度的人數(shù)小于800人時(shí)的情況。
Pauls也對在樓梯中自由疏散時(shí)的疏散速度和人員密度的關(guān)系進(jìn)行了研究，特別需要強(qiáng)調(diào)的是這個(gè)疏散是指垂直向下的疏散。
根據(jù)58層高建筑的實(shí)驗(yàn)疏散通行時(shí)間的研究為基礎(chǔ)，Pauls推理出式(H.12)： 用來預(yù)測8層～15層高建筑的同時(shí)疏散總運(yùn)動時(shí)間的預(yù)測曲線的錯(cuò)誤率為0.2％。
H.5.4 行動不便和其他因素對行進(jìn)速度的影響
行動不便對行進(jìn)速度的影響最大，如一個(gè)家庭的行進(jìn)速度取決于最慢成員的速度，或拄拐杖的人的行進(jìn)速度。其他還有許多因素對行進(jìn)速度有影響，包括：
——人員特性，如年齡、性別、穿衣和體格等；
——環(huán)境條件，如建筑內(nèi)的煙氣或應(yīng)急照明、樓梯間或走廊設(shè)計(jì)、尺寸和地面材料等。
表H.4給出了從本部分參考文獻(xiàn)得到的行進(jìn)速度。 表H.4 參考文獻(xiàn)中的行進(jìn)速度