Моделирование дыма и эвакуации: как вычислительные методы повышают обоснованность проектных решений по пожарной безопасности

Проектирование пожарной безопасности зданий всё больше опирается на расчётные сценарии, а не только на предписывающие нормы. Это связано с усложнением объёмно-планировочных решений и ростом доли оценки эффективности (performance-based assessment), при которой проектировщик должен доказать, что принятые решения обеспечивают безопасность. Обзор 93 рецензируемых исследований 2018–2024 годов фиксирует сдвиг от правил к адаптивным, ориентированным на данные моделям, способным учитывать восприятие, познание, социальное взаимодействие и неоднородность поведения людей 1.

Параллельно развивается моделирование дыма. Обзор систем дымовой вентиляции подчёркивает, что перемещение и накопление дыма остаются главной угрозой для жизни, поскольку дым ухудшает видимость и качество воздуха и напрямую ограничивает эвакуацию и работу пожарных 4. Авторы предлагают рассматривать дымовую вентиляцию как систему, определяющую доступное время безопасной эвакуации (Available Safe Egress Time, ASET) через связь с зонированием давления, устойчивостью стратификации дыма и адаптивной логикой управления 4.

Именно сопоставление расчётного времени эвакуации с доступным временем и составляет основу обоснования проектных решений. Чем точнее модели описывают распространение дыма и поведение людей, тем надёжнее проектировщик может утверждать, что пути эвакуации достаточны.

От предписывающих норм к расчётным сценариям

Традиционные модели эвакуации ограниченно представляют поведение человека, принятие решений и динамическое взаимодействие в чрезвычайной ситуации. Это снижает надёжность оценки на ранних стадиях проектирования, особенно в сложных планировках с разнородными группами людей 1. Обзор выделяет пять семейств моделей: агентное моделирование (Agent-Based Modelling, ABM), модели социальных сил (Social Force Models, SFM), клеточные автоматы (Cellular Automata, CA), мультиагентные системы (Multi-Agent Systems, MAS), а также руководства и инженерные модели Общества инженеров пожарной безопасности (Society of Fire Protection Engineers, SFPE) 3.

Наиболее универсальными признаны ABM и CA: они позволяют анализировать пространственные планировки, схемы выходов и динамику эвакуации. Мультиагентные системы добавляют адаптивное принятие решений за счёт машинного обучения и обучения с подкреплением 3. Библиометрический анализ исследований по оценке пожарного риска зданий за 1996–2024 годы также показывает переход инструментов от экспериментально-ориентированных к ориентированным на данные: классические подходы, включая вычислительную гидродинамику (Computational Fluid Dynamics, CFD), долгое время были ограничены однофакторными и мелкомасштабными моделями 2.

Дым как определяющий фактор доступного времени эвакуации

Обзор систем дымовой вентиляции анализирует естественные, механические и гибридные конфигурации, а также международные нормативные рамки, включая EN 12101, NFPA 92 и ISO 21927, наряду с методами оценки эффективности и передовыми инструментами моделирования 4. Особое внимание уделено взаимодействию вентиляции с динамикой эвакуации и устойчивостью системы в изменяющихся условиях 4.

В библиометрическом анализе пожарного риска отдельный кластер исследований посвящён коммерческим и гостиничным зданиям: риск-точки, распространение дыма, движение людей и время эвакуации изучаются с помощью различных имитационных моделей для оптимизации стратегий предотвращения и контроля 2. Упоминается гибридная модель SCHEMA-SI, с помощью которой количественно анализировали рассеивание дыма, время эвакуации и эффективность реакции систем, а также предлагали динамическую сценарную оценку риска 2. Эти примеры показывают, как моделирование дыма встраивается в проектные решения: параметры вентиляции проверяются не изолированно, а в связке с эвакуацией.

Человеко-центричные и гибридные модели

Обзор человеко-центричного моделирования эвакуации рассматривает новые технологии: искусственный интеллект (ИИ), агентное и гибридное моделирование, интеграцию с информационным моделированием зданий (Building Information Modelling, BIM) и иммерсивные среды виртуальной реальности (Virtual Reality, VR) 1. Гибридные модели, по оценке авторов, перспективны для поддержки архитектурных решений, координации проектирования и сценарного управления безопасностью, но требуют более чётких протоколов валидации и общих эталонных тестов 1.

В обзоре модельных подходов к эвакуации интеграция с BIM и симуляторами опасностей рассматривается как траектория к цифровым двойникам, встраивающим безопасность эвакуации в проектный процесс и делающим методы доступными для архитектурной практики 3. Это важно для обоснованности решений: модель становится частью проектного workflow, а не отдельным исследовательским упражнением.

Ограничения и что важно учитывать

У обсуждаемых подходов остаются существенные пробелы. Человеко-центричное моделирование испытывает дефицит эмпирических данных о поведении, недостаточно представляет уязвимые и нейроотличные группы, а результаты, полученные в VR, редко проверяются против вычислительных моделей 1. В обзоре моделей эвакуации отмечаются упрощённая поведенческая реалистичность, недостаточный учёт психологических и когнитивных факторов, разрозненность оптимизации и валидации, а также слабую изученность социальных взаимодействий — коммуникации, кооперации и групповой динамики 3. Кроме того, остаются пробелы в моделировании опасностей за пределами пожара, например сейсмических или мультиопасностных событий 3.

Для практики это означает, что результаты моделирования следует интерпретировать как инструмент поддержки решений, а не как окончательное доказательство. Отсутствие общих эталонов и протоколов валидации ограничивает сопоставимость моделей между проектами 1. Наконец, нормативные рамки, такие как EN 12101, NFPA 92 и ISO 21927, анализируются в обзоре наряду с методами оценки эффективности, но интеграция интеллектуального управления в регуляторно совместимые рамки остаётся предметом дальнейшей работы 4.

Что дальше

Направления развития связаны с повышением поведенческой реалистичности и валидации. Обзор человеко-центричного моделирования указывает на необходимость эмпирических наборов данных о поведении, более полного учёта уязвимых групп и проверки VR-результатов против вычислительных моделей 1. Обзор моделей эвакуации предлагает двигаться к цифровым двойникам, встроенным в проектирование, и к более целостной оптимизации и валидации 3. В области дымовой вентиляции намечен переход от предписывающего выбора систем к контекстно-зависимой оптимизации эффективности с интеграцией интеллектуального управления 4. Библиометрический анализ фиксирует рост интереса к машинному обучению и оценке эффективности на протяжении жизненного цикла здания 2. Для проектировщиков практический вывод состоит в том, чтобы связывать модели дыма и эвакуации в единый сценарий и явно документировать допущения и ограничения расчёта.