Сегодня в рубрике «Взгляд на проблему» представлен авторский взгляд начальника кафедры пожарной безопасности Сергея Ботяна и доцента кафедры пожарной безопасности, кандидата технических наук Дениса Неханя на современные подходы и методы численного моделирования, используемые для оценки временных интервалов эвакуации людей в условиях пожара.
Безопасность являлась и является первоочередной и ключевой жизненной потребностью человека. Безопасность человека – это состояние, при котором он защищен от воздействия некоторых опасных источников, или угроз.
Анализ множества угроз позволяет выделить пожар как явление, преследующее человечество на протяжении его существования. Простая нормативная трактовка данного понятия – неконтролируемое горение вне специального очага, приводящее к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу – несет за собой более глубокий смысл, чем кажется многим на первый взгляд.
С целью удовлетворения потребности человека в безопасности при нахождении в любых зданиях при маловероятных, но вместе с тем возможных пожарах в них, государством предпринят ряд мероприятий. Одним из таких мероприятий является обеспечение своевременной эвакуации людей из зданий в условиях пожара [1].
Продолжительность безопасной эвакуации людей ограничена временем блокирования эвакуационных путей опасными факторами пожара, которое определяется динамикой их распространения. Теорией горения еще в XVIII в. были заложены основы по моделированию пожаров, однако в практическом применении они получили широкое применение в последние десятилетия, благодаря значительному развитию в области вычислительной техники и программного обеспечения.
В настоящее время для оценки времени блокирования эвакуационных путей разработаны интегральная, зонная и полевая математические модели пожара, которые в зависимости от сложности объемно-планировочных решений зданий, параметров воздухообмена, характеристик пожарной нагрузки, позволяющие оценить достижение критических значений опасных факторов пожара.
Интегральная модель пожара пользуется популярностью у специалистов проектировщиков по причине простоты ее использования путем решения простейших уравнений с получением среднеобъемных величин опасных факторов. Указанная модель основана на серии экспериментальных данных, полученных в помещениях зальной планировки, и имеет ряд ограничений по высоте и проемности помещений, что в свою не позволяет ее применять для большинства современных зданий, ввиду высоких отклонений полученных значений от реальных.
В развитие интегральной модели разработаны зонная и полевая математические модели прогнозирования динамики опасных факторов пожара. Такие модели позволяют оценить значения опасных факторов пожара в рассматриваемых зонах и/или ячейках (конечных элементах). Зонная и полевая модели основаны на решении системы трех- или двумерных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных, в связи с чем их реализация становится возможной только на базе программных комплексов (например, CFAST, FDS, FLUENT, CFX), поскольку трудоемкость решения самых простейших задач и полученные результаты вручную несоизмеримы с затраченным временным ресурсом. Указанные модели применимы для помещений со сложной геометрической конфигурацией, а также помещений с большим количеством внутренних преград (атриумы с системой галерей и примыкающих коридоров, многофункциональные центры со сложной системой вертикальных и горизонтальных связей и т.д.). Они также позволяют учеть работу систем противопожарной защиты (системы пожаротушения, дымоудаления и пр.), способные качественно изменить картину пожара. В целом, различие математических моделей прогнозирования динамики опасных факторов пожара заключается в разном уровне детализации термогазодинамической картины пожара.
Второй временной параметр, характеризующий завершение процесса эвакуации людей, является время покидания людьми здания. Данный показатель времени, с учетом оценки времени блокирования путей эвакуации, позволяет установить критерий своевременности (успеха) эвакуации.
Фактическое время эвакуации [2] показывает за какое время практически могут покинуть помещение, здание. Время эвакуации людей, определенное расчетным путем по данным о размерах эвакуационных путей и выходов, а также параметрах движения людей называется расчетным [2]. Поскольку процесс определения оптимального количества и параметров эвакуационных путей и выходов реализуется на стадии разработки проектных решений, время покидания людьми здания определятся расчетным способом.
Современное представление о структуре людского потока, в котором расстояние между идущими людьми постоянно изменяется, в результате чего могут возникать местные уплотнения, которые затем рассасываются и возникают вновь [3], требует при моделировании его движения полного учета всех выявленных кинематических и психофизиологических закономерностей. В зависимости от полноты их учета возможны несколько моделей движения людского потока.
Исследования, проведенные С. В. Беляевым, В. М. Предтеченским, А. М. Милинским и М. Я. Ройтманом, легли в основу реализации закономерностей движения людского потока в виде первой математической модели, получившей название упрощенно-аналитическая. Эта теория достаточно достоверно описывает кинематические закономерности процесса движения на всем маршруте эвакуации людей от мест их нахождения до выхода в безопасную зону, однако не учитывает растекание людского потока. Основные положения разработанной теории были использованы в СНиП II–2–80 [4], в настоящее время широко практически используются и реализованы в ГОСТ 12.1.004-91 [5].
Перспективным направлением развития в области эвакуации людей из зданий является моделирование людских потоков на основе создания моделей индивидуального движения, сочетающих на новом уровне достоинства моделирования движения людей в потоках и их индивидуального движения, переходящего в поточное. Такой инструмент позволяет наиболее полно воспроизвести случайное и неравномерное по длине потока размещение людей, когда расстояние между идущими людьми меняется и возникают местные уплотнения, которые затем рассасываются и возникают снова. Указанные возможности реализованы в имитационно-стохастической и индивидуально-поточной моделях движения людских потоков. Их реализация стала осуществима путем использования возможностей электронно-вычислительных машин, в частности на базе программных комплексов Pathfinder, Fenix+. Флоутек «FDS+Evac», SIMULEX, STEPS, BuildingExodus и пр.
Следует отметить, что, несмотря на колоссальную изученность оценки временных параметров, обеспечивающих своевременность и безопасность эвакуации, в современных строительных нормах Республики Беларусь
СН 2.02.05-2020 “Пожарная безопасность зданий и сооружений” [6] изложены требования к путям эвакуации «….из расчета не менее 0,006 м на 1 человека...». Указанная норма никак не связана ни с характеристиками пожара, ни с пожарно-техническими показателями здания, а также не учитывает скорость движения людей. Это не противопожарная, а эргономическая норма, основана на антропометрических данных по среднестатистической ширине в плечах двигающегося человека, которая была принята в середине XX века в нормах Советского союза.
Современные инструменты и возможности моделирования процесса эвакуации и пожара в зданиях позволяют совершенствовать более гибкое и аргументированное нормирование, без снижения уровня безопасности человека.
Постепенное накопление знаний, опыта, возможностей по совершенствованию процессов должно отражаться в новых методологических принципах нормирования пожарной безопасности в строительстве. Однако, гибкий и индивидуальный подход нормирования пожарной безопасности, основанный на результатах расчетов, имеет свои недостатки.
На примере Российской Федерации, где используется несколько десятков программ, зачастую используются программы, не соответствующие методикам, изложенным в [7, 8] искусственно занижающие время эвакуации, даже некоторые из них используют закономерности, не относящиеся к людским потокам [9, 10]. Вторым глобальным вопросом является то, что специалисты, выполняющие расчет, не всегда понимают, что именно они моделируют: не у всех из них есть необходимая квалификация и даже специальное образование.
В целом, хочется отметить, что отсутствующие на сегодняшний день в Республике Беларусь требования к квалификации лиц, осуществляющих расчеты по оценке пожарной безопасности, приводят к «неопределенности» полученных результатов.
С учетом развития науки и техники, тенденций мирового общества, считаем актуальным вопрос использования и отражения в нормативных правовых актах Республики Беларусь возможностей использования современных инструментов по моделированию временных интервалов, используемых для оценки своевременной эвакуации из зданий в условиях пожара. Вместе с тем, хотелось бы отметить, что ни грамотно поставленный эксперимент с участием людей, ни расчетные модели никогда не смогут учесть все факторы, которые будут отражать действительность при пожаре. Однако попытки учесть максимально возможное на сегодняшний день количество факторов и приблизить расчеты к реальным обстоятельствам – это большой шаг, который, однозначно, благоприятствует безопасности белорусского народа в части защиты от пожаров в зданиях.
Внедрение указанных математических моделей должно проходить последовательно и учитывать обязательную сертификацию программных продуктов с оценкой адекватности их результатов эталонным данным. Также полагаем, что необходимо установить для специалистов, выполняющих указанные расчеты, требования по квалификации и обучению, на примере личных аттестатов специалистов-проектировщиков.
Используемая литература
1. Здания и сооружения, строительные материалы и изделия. Безопасность [Электронный ресурс] : ТР 2009/013/BY // СтройДОКУМЕНТ / РУП «Стройтехнорм». – Режим доступа: https://normy.by/ips.php.
2. Пассивная противопожарная защита. Термины и определения : СТБ 11.0.03-95. – Введ. 16.03.95. – Минск : Белстандарт, 1995. – 19 с.
3. Предтеченский В. М., Милинский А. И. Проектирование зданий с учетом организации движения людских потоков. – М.: Изд. лит. по строительству, 1969; Berlin, 1971; Koln, 1971; Praha, 1972; U.S., New Delhi, 1978. Изд. 2. – М.: Стройиздат, 1979
4. СНиП II–A.5–70. Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений.
5. Пожарная безопасность. Общие требования [Электронный ресурс]: ГОСТ 12.1.004-91 // СтройДОК онлайн / РУП «Стройтехнорм». – Режим доступа: https://normy.by/ips.php.
6. Пожарная безопасность зданий и сооружений. [Электронный ресурс] : СН 2.02.05-2020 // СтройДОК онлайн / РУП «Стройтехнорм». – Режим доступа: https://normy.by/ips.php.
7. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (утв. приказом МЧС России от 10.07.2009 г. № 404, зарег. в Министерстве юстиции РФ (рег. № 14541 от 17.08.2009 г.)).
8. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности (утв. приказом МЧС России № 382 от 30.06.2009 г.).
9. Тестовые задачи для проверки точности моделирования времени эвакуации людей в случае пожара: учеб. - метод. пособие. Часть 1 / В. В. Холщевников, Д.А. Самошин Р.Н. Истратов, М. М. Шаранова . – М.: Академия ГПС МЧС России, 2019. – 26 с.
10. Холщевников В.В., Самошин Д.А. и др. Эвакуация и поведение людей при пожарах: Учеб. пособие . – 2- е изд., перераб. и доп. – М .: Академия ГПС МЧС России, 2015. – 26 2 с.
