建筑火灾环境下人员安全疏散不确定性研究

论文摘要

火灾发生和发展的双重性规律决定了建筑防火安全设计过程中存在多种类型的不确定性。人员安全疏散作为建筑防火设计中的重要目标之一,在计算ASET与RSET过程中涉及到很多不确定性的参数,同样也存在不确定性问题。当前,在利用消防设计工具计算可用安全疏散时间(ASET)和必需安全疏散时间(RSET)过程中,经常忽略不确定性或者采用保守取值、安全系数等方法来处理不确定性,而缺乏直接量化其不确定性的有效方法。正确处理这些参数不确定性是建筑防火设计与评估中值得认真思考和深入研究的关键技术问题,是人员安全疏散设计与评估结果是否可信、能否被人们接受的基础。本文针对单一空间建筑,提出系统的人员安全疏散不确定性分析方法,主要研究工作如下:基于MomeCarlo模拟的人员安全疏散不确定性分析方法。依据火灾动力学理论,建立了ASET和RSET有关的时间预测模型:烟气层高度到达临界高度时间预测模型(即ASET)、探测时间预测模型。阐述了ASET和RSET计算有关的参数不确定性,采用概率手段描述不确定参数,通过MonteCarlo抽样模拟技术分别对ASET和RSET的不确定性进行研究。示例分析结果表明该方法可以应用于人员安全疏散不确定性分析。提出人员安全疏散参数敏感性分析方法。本文采用单因素敏感性分析方法,在基本取值处对单参数进行敏感性分析,根据敏感性分析结果,将敏感性较小的参数视为常数(取其基准值),然后进行不确定性分析,该方法可以保证不确定性分析精度的同时减少不确定性分析的参数个数,降低不确定性分析的工作量。文中给出示例,先考虑全部不确定参数,对ASET和RSET不确定性进行了研究,然后采用本文提出的参数敏感性方法分别对ASET和RSET不确定参数进行分析,找出主要不确定参数,并通过逐一增加主要不确定参数,研究多个不确定参数对结果的影响。结果表明:在考虑所有主要不确定参数情况下的计算结果与考虑全部不确定参数计算的结果几乎一致,证明了本文提出的人员安全疏散参数敏感性分析方法是正确有效的。建立了人员安全疏散可靠性分析模型。主要包括:(1)以可靠概率(可靠指数)为安全指标描述建筑火灾人员疏散安全水平,介绍了有关人员安全疏散可靠分析的基本原理,推导了可靠概率的表达式。针对FOSM算法存在的精度和效率问题,提出基于PSO智能优化算法的可靠指数计算方法。示例分析表明:基于PSO智能优化近似算法比FOSM算法更接近MonteCarlo模拟结果,是适用于人员安全疏散可靠概率计算的方法。(2)由于现有算法将参数取为理论分布,有可能造成与参数实际有效取值范围不相符,并导致人员安全疏散可靠概率计算值总是小于1。针对这一问题,考虑参数的实际取值范围,采用概率截尾分布描述不确定参数,推导出截尾分布的PDF表达式,给出了根据截尾分布PDF的随机数产生程序,提出了参数服从截尾分布时人员安全疏散可靠概率计算的MonteCarlo方法。(3)发展了可靠指数对不确定参数的敏感性分析方法,该方法在进行可靠概率计算之前,可以遴选出对结果影响较大的参数。通过分析和比较各参数的敏感性,在参数给定的取值范围内,将敏感性较小的参数视为常数(取其基准值),从而有效减少不确定参数个数,降低可靠概率计算的工作量。示例结果表明本文给出的参数敏感性分析方法是行之有效的。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 图例目录
• 表格目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究现状及存在的问题
• 1.2.1 ASET不确定性的相关研究
• 1.2.2 RSET不确定性的相关研究
• 1.2.3 人员疏散安全水平
• 1.2.4 参数敏感性研究
• 1.2.5 存在的问题
• 1.3 研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 论文章节安排
• 参考文献
• 第2章 人员安全疏散不确定参数分析
• 2.1 人员安全疏散状态方程及其不确定因素
• 2.2 RSET计算
• 2.2.1 探测报警时间
• 2.2.2 人员预动作时间计算
• 2.2.3 人员运动时间计算
• 2.3 ASET计算
• 2.4 RSET不确定性分析
• 2.4.1 感温探测器探测时间的不确定性分析
• 2.4.2 感烟探测器探测时间的不确定性分析
• 2.4.3 人员预动作时间的不确定性分析
• 2.4.4 人员运动时间的不确定分析
• 2.4.5 RSET的不确定性分析
• 2.5 ASET不确定性分析
• 2.5.1 影响ASET的主要参数及其不确定性分析
• 2.5.2 ASET不确定分析举例
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 人员安全疏散参数敏感性分析
• 3.1 引言
• 3.2 不确定参数敏感性分析内容与方法
• 3.3 ASET参数敏感性分析
• 3.4 RSET参数敏感性分析
• 3.4.1 探测时间参数敏感性分析
• 3.4.2 人员疏散时间参数敏感性分析
• 3.4.3 RSET参数敏感性分析
• 3.5 参数敏感性分析结果的验证
• 3.5.1 ASET参数敏感性分析结果的验证
• 3.5.2 感温探测器探测时间参数敏感性分析结果验证
• 3.5.3 RSET参数敏感性分析结果的验证
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 人员安全疏散可靠性分析模型
• 4.1 引言
• 4.2 参数理论分布人员安全疏散可靠性分析方法
• 4.2.1 可靠性分析的基本原理
• 4.2.2 一次二阶矩法（First Order Second Moment）
• 4.2.3 JC方法
• 4.2.4 智能优化方法
• 4.2.5 蒙特卡罗模拟方法
• 4.3 参数截尾分布人员安全疏散可靠性分析方法
• 4.3.1 ASET和RSET截尾分布条件下的可靠概率计算
• 4.3.2 非线性人员疏散状态方程变量截尾分布的可靠概率计算
• 4.4 参数敏感性分析
• 4.5 示例分析
• 4.5.1 可靠概率计算
• 4.5.2 参数敏感性计算
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 典型大型公共建筑中人员安全疏散不确定性研究
• 5.1 引言
• 5.2 工程概况
• 5.3 不确定性方法分析
• 5.3.1 参数取值及其分布
• 5.3.2 参数敏感性分析
• 5.3.3 结果分析
• 5.4 确定性方法分析
• 5.4.1 ASET计算
• 5.4.2 RSET计算
• 5.4.3 结果分析
• 5.5 两种方法结果的对比与讨论
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结与结论
• 6.2 本文创新点
• 6.3 研究展望
• 攻读博士学位期间参与的科研项目与发表的学术论文