超高層建築物火災避難決策支援系統.pdf

I 土木與防災研究所 碩士學位論文 土木與防災研究所 碩士學位論文 超高層建築物火災避難 決策支援系統之研究 超高層建築物火災避難 決策支援系統之研究 A Decision Support System on Hazard-prevention and Evacuation in High-Rise Buildings 研究生高任瑋 研究生高任瑋 指導教授林正平 指導教授林正平 中華民國九十四年七月中華民國九十四年七月 I 摘 要摘 要 論文名稱超高層建築物火災避難決策支援系統之研究 頁數79 校所別國立台北科技大學 土木與防災研究所 畢業時間九十三學年度第二學期 學位碩士 研究生高任瑋 指導教授林正平 關鍵詞超高層建築物、避難疏散、決策支援系統 隨著經濟發展，人口往都市集中現象日益明顯，建築基地地價高漲，為充分 達到土地利用，建築物有往超高層化之趨勢，都市建築物高層化已成為都市現代 化之特徵。超高層建築物因各樓層之總使用面積廣大，導致逃生時間較一般建築 物長，避難途中遭遇危險之機率大增。另一方面，由於建築物內部配置及其使用 用途較為複雜，造成人員避難時無法判斷正確之逃生路徑，加重避難人員心理恐 慌與無所適從的感覺。而內部逃生，大多藉由避難安全梯來進行疏散，當避難人 員集中往安全梯進行逃生避難時，勢必隨著人數增加及樓層增高導致逃生所需時 間增長。因此，本研究以避難路徑與時間之關係及群集避難行為為基礎，建立逃 生避難之最適分配動態模擬模式，再結合建築物防災中心監控系統，建立超高層 建築物避難決策支援系統。期待藉由此模式之建立以提高疏散效率，使人群在火 場中順利疏散，降低人員傷亡。 II ABSTRACT TitleA Decision Support System on Hazard-prevention and Pages79 Evacuation in High-Rise Buildings SchoolNational Taipei University of Technology DepartmentDepartment of Civil Engineering TimeJuly , 2005 DegreeMaster ResearcherJen-Wei Kao AdvisorCheng-ping Lin KeywordsHigh-Rise Buildings, Evacuation, Decision Support System As the steadfast development of the local economy continues to drive up the cost of remaining developable building properties, the building technology is increasingly dictated by a high-rise buildings in order to maximize land utilization. Yet a variety of reasons, such as an enormous bulk, complex structure, exceptional construction materials and highly populated density have made high-rise buildings a firetrap in the event of a fire rescue mission, leading to severe casualty and damage. The research tried to establish related mathematical models in building up a decision support system for high-rise buildings. Therefore this study first establishes the egress time in fires, using the assumption that crowd movement in fire is a pipeline movement plus a time variable, Then to establish a dynamic egress model for high-rise buildings. The shortest egress route resulting in the least egress time is then determined using the model established. Secondly, based to the principle that the total number of occupants in a building should be equal to the service capacity of all exits. A table of egress capacity is established using the different egress times to calculate the initial III egress capacity distribution. Revisions and redistribution are used to optimize the initial figures, so as to allow for optimal flow of the evacuees and successful evacuation. This study, which emphasizes hazard prevention in architecture related fields, applies dynamic programming in egress simulates in order to analyze the relationship between signage and evacuation behavior in high-rise buildings. It provides a systematic procedure for determining the optimal combination of decisions. IV 誌謝誌謝 從大學到研究所，這一路走來，在北科六年的求學生涯，有苦、有樂、有歡 笑、也有悲傷，但一切都隨著畢業的腳步來臨，進入了尾聲，成為一生中最美麗 的回憶之一。 在論文撰寫過程中，感謝指導教授 林正平老師無論從觀點的啟發、研究方向 導正、架構建立及研究結果分析的細心指導，口試期間葉文凱老師及張哲豪老師 的指正，使得論文更加周延完整，在此對恩師們僅致上誠摯的謝忱。 在研究所兩年期間，感謝黃昭勳老師和陳立憲老師對於生活中之困惑給予相 當之鼓勵與指引，大學及研究所同學志全、麒然、勝任、紋穎、雅雯、若芸、琮 立、尚樺、慶彥、慶修、延蒼、怡豪、培剛、金龍、芳玉、基全學長、及小燕學 姐，在生活和學業的相互扶持與學習，還有學弟妹智呈、家榮、柏均、昱盈、雅 婷、及宜蓁，在繁雜瑣事上的幫忙。 最後，感謝爸爸和媽媽長久以來的栽培與寬容，姐姐的支持與鼓勵，讓我在 求學期間得已無後顧之憂，順利完成學業。 感謝大家，謹以此論文與你們分享我成長的喜悅。謝謝。 V 目目 錄錄 中文摘要......................................................................................................Ⅰ 英文摘要......................................................................................................Ⅱ 誌謝 .............................................................................................................IV 目錄 .............................................................................................................Ⅴ 表目錄..........................................................................................................VI 圖目錄..........................................................................................................VII 第一章 緒論..............................................................................................1 1.1 研究動機.....................................................................................1 1.2 研究目的.....................................................................................2 1.3 研究方法.....................................................................................3 1.4 研究範圍.....................................................................................3 1.5 研究流程.....................................................................................4 第二章 文獻回顧......................................................................................6 2.1 超高層建築物概述 .....................................................................6 2.2 超高層建築物火災危險性..........................................................7 2.3 超高層建築物之避難據點..........................................................8 2.4 火場中避難人員行動特性..........................................................12 第三章 火場人員避難時間數學模式.......................................................18 3.1 避難路徑之架構.........................................................................18 3.2 人員避難時間關係模擬..............................................................22 第四章 避難路徑決策模式之建立...........................................................29 4.1 避難路徑選擇之概念 .................................................................29 4.2 避難路徑決策模式之架構..........................................................30 4.3 避難路徑決策運算流程 .............................................................39 第五章 實際案例應用與模式評估...........................................................43 5.1 避難決策支援系統組成單元.......................................................43 5.2 實際案例應用-台北國際金融中心..............................................45 5.3 避難模式評估..............................................................................58 5.4 避難模式影響因素評估...............................................................65 第六章 結論與建議..................................................................................74 參考文獻......................................................................................................77 VI 表目錄表目錄 表 2.1 各國安全層設置情況 .....................................................................10 表 2.2 避難行動影響因子.........................................................................14 表 2.3 火災產物與人類反應表..................................................................17 表 3.1 群集移動流量表.............................................................................27 表 4.1 堆積可燃物發熱量.........................................................................37 表 4.2 內部裝修材料火災成長率..............................................................38 表 4.3 建築物空間分析項目 .....................................................................40 表 5.1 台北國際金融中心標準層空間分析...............................................50 表 5.2 各居室出口有效寬度 .....................................................................51 表 5.3 路徑長度與寬度.............................................................................51 表 5.4 居室出口3正向式運算表.............................................................55 表 5.5 居室出口3各避難路徑總避難時間..............................................56 表 5.6 建築物基本資料.............................................................................56 表 5.7 各區劃煙層下降時間 .....................................................................58 表 5.8 最近距離避難模式第 63 層避難路徑.............................................59 表 5.9 最近距離避難模式避難時間..........................................................61 表 5.10 最適路徑避難模式第 63 層避難路徑.............................................62 表 5.11 最適路徑避難模式避難時間 ..........................................................63 表 5.12 各出口寬度之避難時間與疏散效率...............................................68 表 5.13 各收容人口密度之避難時間與疏散效率 .......................................72 VII 圖目錄圖目錄 圖 1.1 研究流程圖.....................................................................................5 圖 2.1 超高層建築物全員避難時間..........................................................8 圖 2.2 台中市金沙大樓直升機救援..........................................................11 圖 2.3 安全層設置示意圖.........................................................................12 圖 2.4 火場人類行為表現示意圖..............................................................13 圖 3.1 避難路徑 ........................................................................................19 圖 3.2 安全區劃流程.................................................................................19 圖 3.3 走廊交會點示意圖.........................................................................20 圖 3.4 安全梯路徑示意圖.........................................................................21 圖 3.5 避難行動流程示意圖 .....................................................................22 圖 3.6 避難等侯線俯視示意圖..................................................................23 圖 3.7 階段路徑計算流程.........................................................................28 圖 4.1 決策序列示意圖.............................................................................29 圖 4.2 煙層下降示意圖.............................................................................35 圖 4.3 避難路徑運算流程.........................................................................39 圖 4.4 動態規劃正向式運算模式..............................................................42 圖 5.1 避難決策支援系統組成架構..........................................................44 圖 5.2 台北國際金融中心安全層平面圖...................................................46 圖 5.3 台北國際金融中心安全層位置圖...................................................47 圖 5.4 台北國際金融中心標準層平面圖...................................................49 圖 5.5 決策點與避難路徑位置圖..............................................................50 圖 5.6 居室出口1避難路徑集合 .............................................................51 VIII 圖 5.7 居室出口2避難路徑集合.............................................................52 圖 5.8 居室出口3避難路徑集合.............................................................52 圖 5.9 居室出口4避難路徑集合.............................................................52 圖 5.10 居室出口5避難路徑集合 .............................................................52 圖 5.11 居室出口6避難路徑集合 .............................................................53 圖 5.12 居室出口7避難路徑集合 .............................................................53 圖 5.13 居室出口8避難路徑集合 .............................................................53 圖 5.14 居室出口9避難路徑集合 .............................................................53 圖 5.15 居室出口10避難路徑集合 ...........................................................54 圖 5.16 最近距離避難模式群集情況..........................................................60 圖 5.17 最適路徑避難模式群集情況..........................................................63 圖 5.18 疏散效率與最適路徑避難人員比例關係圖....................................65 圖 5.19 最近距離各安全梯出口寬度疏散人數比率....................................66 圖 5.20 一般狀態各安全梯出口寬度疏散人數比率....................................67 圖 5.21 最適路徑各安全梯出口寬度疏散人數比率....................................67 圖 5.22 安全梯出口寬度與總避難時間關係圖...........................................69 圖 5.23 安全梯出口寬度與疏散效率關係圖...............................................69 圖 5.24 最近距離各收容人口密度疏散人數比率 .......................................70 圖 5.25 一般狀態各收容人口密度疏散人數比率 .......................................71 圖 5.26 最適路徑各收容人口密度疏散人數比率 .......................................71 圖 5.27 收容人口密度與總避難時間關係圖...............................................73 圖 5.28 收容人口密度與疏散效率關係圖...................................................73 1 第一章第一章 緒論緒論 近年來，國內、外高層建築林立，已成為都市現代化之特徵。超高層建築物 猶如一個微型城市，大樓內收容人口眾多，財物集中，火災發生時，由於樓層高 度極高，高層部份無法從外部營救，救災時間較一般建築物長，僅能靠建築物本 身的消防安全設施來進行滅火，以及避難設施幫助避難人員逃生。本研究欲探討 超高層建築物於火災發生時內部人員緊急避難對策，提供避難者立即且正確之避 難指引，避免內部人員遭受火及煙之危害，使其能順利離開火場。本章針對研究 動機、研究目的、研究方法、研究範圍及研究流程等部份，分別予以定義。 1.1 研究動機研究動機 隨著經濟發展，人口往都市集中現象日益明顯，建築基地地價高漲，為充分 達到土地利用，建築物有往超高層化之趨勢，都市建築物高層化已成為都市現代 化之特徵，例如台北 101 高達 508 公尺。超高層建築物因各樓層之總使用面積廣 大，導致逃生時間過長，避難途中遭遇危險之機率大增，另一方面由於建築物內 部配置及其使用用途較為複雜，造成人員避難時無法判斷正確之逃生路徑，加重 避難人員心理恐慌與無所適從的感覺。而內部逃生，大多藉由避難安全梯來進行 疏散，當避難人員集中往安全梯進行逃生避難時，勢必隨著人數增加及樓層增高 導致避難所需時間增長，恐無法在容許避難時間之內將全部人員疏散至地面層。 因此，如何維持逃生避難時動線之流暢，使人員在遭受危害之前到達避難安全區 域，便成為超高層建築物逃生避難之重要課題。 另一方面，高科技資訊化時代的來臨，在網路技術蓬勃發展的今日，已突破 傳輸頻寬之問題，使得傳統單機式作業型態與封閉式網路型態逐漸被淘汱，取而 代之的是開放性網際網路架構及半封閉性的區域網路架構。在寬頻的架構下，影 2 像與聲音數位化資料高速傳輸，得到資訊即時傳遞的效果。因此，藉由科技與建 築之結合，運用電腦、區域網路LAN、以及數位交換機DPBX的聯線關係，達 到建築物內部資訊傳遞與流動，使建築物之防災中心具備防災、警報、通報、滅 火、及消防等監控系統設備，擁有提供動態資料、火災處理流程指導、及避難引 導廣播等功能。 然而，火災屬於一種持續、動態的災害狀況，其進行方向更受當時複雜環境 影響，隨時均有突發性的情況發生，對於人員避難安全並無一定性之設計原則可 含括。目前國內、外關於逃生避難之相關研究，可歸納為人員行動特性、避難設 施設置、避難安全驗證及電腦避難模式等方面。其中，人員行動特性方面，偏重 於人類心理、生理因素與避難時之移動速度。避難設施設置方面，包含通道寬度、 出口寬度及避難方向等原則性之路徑設計。避難安全驗證方面，為將火場中所有 因素加以量化，檢核避難安全的一種概念。電腦避難模式方面，時下以 building EXOUDS 及 Simulex 兩套軟體為主流，可模擬人員於火場中避難情形。上述逃生 避難相關研究著重於避難時間之計算，所有人員皆往距離自身最近之安全地點移 動，避難途中較少考慮火及煙對人員造成之影響。而實際火場之情況，人員可能 受到火及煙阻礙，使得原本最近路徑無法通行，導致在火場內錯失正確避難路徑 或是產生混亂、擁擠之現象，影響避難時之流暢性，造成人員嚴重傷亡。因此， 本研究欲建立之超高層建築物避難決策支援系統，是以建築物防災中心之安全監 控系統為基礎，進一步推展為「智慧型避難指引系統」 ，可根據火災成長及火場中 人員分佈狀況，即時運算出適切之群集避難分配模式，再藉由傳輸提供避難人員 安全之避難路徑，以降低火災造成人員之傷亡。 1.2 研究目的研究目的 為確保超高層建築物發生火災時內部人員之安全，本研究欲建立避難路徑決 策支援系統，於火災發生時，提供避難人員適切的避難指引，以維持避難動線的 3 流暢。本研究之目的列舉如下 一、建立避難時間數學模式 二、建立避難路徑決策模式 三、建立超高層建築物避難決策支援系統 四、探討避難模式影響因素 1.3 研究方法研究方法 藉由動態規劃之概念，以路徑上之轉折點將所有避難路徑分解為多段路徑， 再根據各階段路徑之狀態，如通道寬度、收容人口密度、及群集移動速度等因素 分別求解。由於動態規劃的特性為求得前一階段之解時，則現階段可利用前一階 段之解進行推算，所以前一階段之解即為起點至現階段之最適解，故不需再由起 點從頭算起。換言之，現階段推算不再考慮過去所做之決策，並將前一階段推導 之路徑作為目前之最適路徑。因此，對於越複雜之路徑使用動態規劃求解則越有 效率，而超高層建築物樓層數多且內部路徑複雜，正適合運用動態規劃推導出人 員避難之最適路徑。 1.4 研究範圍研究範圍 本研究建立之超高層建築物避難決策支援系統，其研究範圍設定如下 一、根據「建築技術規則建築設計施工篇」第 259 條，以高度達 25 層以上或 90 公尺以上，且內部設有安全層之建築物為研究對象。 二、避難安全據點可分為地面層、安全層、及屋頂平台，內部人員只要避難至以 上三個地點之一，即算是避難成功。 三、火災之蔓延成一定性成長，不考慮實際狀況中不確定因素所可能產生之突發 性情形。 四、內部人員皆能自力進行避難行動，且呈現理性之狀態。換句說話，火場中沒 4 有避難弱者存在，所有避難人員將依循本研究所建立之群集避難分配模式行 動，無驚恐、慌亂之情況發生。 1.5 研究流程研究流程 本研究之研究流程共分為五個步驟，首先利用文獻及暨有之相關研究資料， 對於超高層建築物火災狀況和逃生避難相關研究進行探討。其次，針對瞭解現有 超高層建築物內部配置及避難設施之情況，擬定避難路徑之架構。第三步驟，探 討群集人員行動行為，進而建立人員避難時間之關係式。第四步驟，藉由動態規 劃之概念，結合逃生避難相關理論，針對問題需求建立目標函數並找出限制條件， 推導避難路徑決策模式。最後，探討火場中資訊之傳遞與流動，結合建築物防災 中心監控系統，建立超高層建築物避難決策支援系統，並以實例驗證，證明其可 有效提升人員避難效率。研究流程如圖 1.1 所示。 5 確立題目與研究範圍 結論與建議 是否提高 避難效率 修正模式考慮因子 是 否 文獻蒐集與回顧 建立避難時間數學模式 建立避難路徑決策模式 探討建構決策支援系統 實例計算與驗證 避難模式評估 圖 1.1 研究流程圖 6 第二章第二章 文獻回顧文獻回顧 本研究之目的為超高層建築物發生火災時，使內部人員在遭受危害之前，能 順利離開火場，避難至安全區域。首先蒐集國內、外相關超高層建築物各類防救 災對策及避難模式架構，瞭解超高層建築物與一般建築物之差異。接著再探討逃 生避難相關理論，進而為超高層建築物擬定適切之火災避難模式。 2.1 超高層建築物概述超高層建築物概述 根據「建築技術規則建築設計施工篇」第 227 條，高層建築物係指高度在 50 公尺或樓層在 16 層以上之建築物，對於超高層建築物並未加以定義。而國內各相 關單位對於超高層建築物之定義也不盡相同。以內政部建築研究所為例，建築規 劃設計組之定義為 100 公尺以上，而建築防災組則定義為樓層在 25 層以上或高度 90 公尺以上者。因此依研究單位立場不同，對於超高層建築物也會有不同的定義 【23】 。 超高層建築物樓層多、空間大，使用用途廣泛，可作為辦公、旅館、住宅、 餐廳及百貨商場等場所，根據使用用途之不同，以下分為防火管理及收容人口兩 方面來探討。在防火管理上，若整棟建築物作為單一用途使用，對於防火管理則 較為單純。然而，大多數超高層建築物仍分租給若干不同單位作為複合用途，各 種不同危險性之用途處於同一棟建築物時，使用及管理上自然顯得更為複雜。在 收容人口方面，以辦公、住宅用途較為單純，由於內部人員多為員工或是住戶， 對現場之環境較為熟悉，只要加強防火觀念之宣導、定期舉辦避難演習，發生火 災時，尚不致造成嚴重之災害。而使用用途為旅館、餐廳或百貨商場等公共場所， 收容人口除現場員工外，多為不熟悉環境之消費者，當火災發生時，不知應往何 處避難，不瞭解避難設施的位置，易造成火場中慌亂之情形。 7 2.2 超高層建築物火災危險性超高層建築物火災危險性 超高層建築物由於樓層高度極高，且收容人員眾多、內部配置複雜，若不慎 引發火災，對人員產生的危害較一般建築物為高，因超高層建築物之火災具有下 列危險性。 2.2.1 避難