某地震中典型住宅的逃生分析

嚴銘姣

（山西工商學院 建筑工程學院，山西太原 030062）

0 引言

云南省魯?shù)榭h地處小江斷裂帶，近年已多次遭受地震侵害，據(jù)統(tǒng)計，2003年以來發(fā)生了3次5級以上地震。如2014.08.03的6.5級地震造成617人死亡，3000多人受傷。這主要是由于魯?shù)榈貐^(qū)人口密集，房屋抗震性能差，地震來臨時房屋倒塌，人員來不及疏散而造成。可見，人員的安全疏散與人員的生命安全直接相關。

通過大量的人員演習來尋找應急疏散規(guī)律不但會耗費巨大的人力、物力和財力，而且難以得到與地震來臨時相似的結(jié)果。相比之下，系統(tǒng)仿真是一種較為直接且行之有效的方法。目前用于行人仿真的模型主要有離散化模型和連續(xù)性模型兩大類。本文主要以利用Anylogic為代表的連續(xù)型社會力模型，選取魯?shù)榭h重災害區(qū)龍頭山鎮(zhèn)的典型土坯房結(jié)構(gòu)布局，分析其在08.03地震時逃生時間的影響因素。

1 社會力模型及關鍵參數(shù)的確定

1.1 社會力模型

社會力模型（ Social Force Model，SF）最早由Helbing等人提出，它是連續(xù)性模型的代表，考慮了行人流的離散特征，假設行人流的動態(tài)特征是在個體相互之間的作用力下產(chǎn)生的，是基于物理力的行人行為模型。它將行人看作滿足牛頓力學運動定律的質(zhì)點，用力矢量來描述行人的真實受力以及內(nèi)在動機。其表達式為：

式中m代表行人的質(zhì)量，代表行人的期望速度代表期望速度的方向，νi(t)代表行人i的速度，τ代表步長。該模型由3部分力組成，即等式（1）右邊的3項，第一項代表自驅(qū)動力，第二項代表人與人（i、j）之間的作用力第三項代表人與障礙物（i、w）之間的作用力

1.2 關鍵參數(shù)的確定

1.2.1 疏散時間

建筑物遭遇地震作用后，其中的人員能否安全疏散主要取決于兩個特征時間，一個是建筑破壞到對人構(gòu)成危險所需的時間，或稱可用安全疏散時間（Available Safety Egress Time，ASET）；另一個是人員疏散到達安全區(qū)域所需要的時間，或稱所需安全疏散時間（Require Safety Egress Time，RSET）[3]。

考慮到魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)土坯房的特點：抗震性能極差，據(jù)報道，本次地震發(fā)生15s，全部倒塌，文中的安全疏散時間，是指全部人員抵達出口的時間，定為15s，即ASET=15s，暫未考慮人員反應時間。如果人員能在建筑達到危險狀態(tài)之前即15s內(nèi)全部疏散到安全區(qū)域，便可認為該建筑物的布局設計對于地震中的人員疏散是安全的。

1.2.2 疏散速度

Helbing等人認為行人在放松時的自我期望速度為0.6m/s，常態(tài)時為1m/s，緊張時為1.5m/s[2]。Fruin通過實驗統(tǒng)計也得出人在正常情況下的行走速度為1.2m/s，在緊張狀態(tài)下人員疏散可達1.5m/s[4]。由于本文是針對普通家庭而言，有成年人，也有不同年齡小孩，綜合各種因素，如考慮成年人攜帶小孩、家人互相照應等，對模型進行簡化，在成人緊張狀態(tài)下1.5m/s的逃生速度的基礎上乘以系數(shù)0.7，為1.05m/s，取1.0m/s作為平面上的平均逃生速度。但為了覆蓋其他未考慮的情況，減少簡化模型對結(jié)果的可靠性造成的影響，筆者在建模時還分別考慮了逃生速度為0.5～1.5m/s之間均勻分布的不同情況。

對于地震來臨時，處于二層樓上的人員，在樓梯梯段上的逃生速度，筆者借鑒了呂雷[5]等人通過試驗統(tǒng)計得出的樓梯等效長度為3.6m，疏散人數(shù)少于5人的人員疏散速度0.6m/s，由于龍頭山鎮(zhèn)的土坯房層高為2.7m左右，本文中采用樓梯段疏散速度0.7m/s。

2 實例建模與結(jié)果分析

2.1 實例建模

2.1.1 環(huán)境空間及疏散對象

為了分析魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)房屋在本次08.03地震中建筑布局對人員逃生的影響情況，本文以該地方典型土坯房結(jié)構(gòu)為例構(gòu)造疏散空間，如圖1所示。

圖1 龍頭山鎮(zhèn)土坯房典型平面布局

建筑用地面積約72m2，總建筑面積144m2，功能布局如圖1所示。由于地震發(fā)生具有不可預知性，人員的分布應該具有隨機性，本文考慮到建模的簡化，仿真開始時，在室內(nèi)指定不同路徑進行逃生疏散，但這些指定路徑中也考慮了最不利的位置。由于當?shù)匚蹇谥揖佣?，則疏散對象取五人。分別分析地震來臨時，人員處于一層跟二層兩種不同位置的逃生情況，并對結(jié)構(gòu)布局進行改進，再次進行逃生分析。

2.1.2 仿真模型的建立

分析圖1所示建筑布局，采用Anylogic提供的行人庫中的相應對象模塊建立仿真流程圖，并按照上述分析數(shù)據(jù)設置相應的參數(shù)。以二樓為起點的流程圖如圖2所示。

這盹居然打了四個小時——汽車也晚點了。到了龍崗，凌晨一點了。我舍不得掏錢住旅館，想打車回去。問了幾輛摩的，去坑梓嗎？答，去！多少錢？答，四十，差一分也不去。丟雷老母！我丟了句比國語中“他媽的”還惡毒的廣東話。打TAXI也不過四十！

圖2 仿真流程圖

2.1.3 仿真動畫設計

利用Presentation中的Image直接讀取AutoCAD平面圖，按照圖底中的房間布置繪制墻壁以及其他障礙物，添加出入口和行人行走路徑，并將動畫中的圖像與流程圖中的模塊進行相應的匹配。如圖3所示。

圖3 行人疏散動態(tài)圖

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 逃生路線和疏散時間及疏散速度的關系

整理Anylogic的仿真結(jié)果，可以得到地震來臨時處于不同樓層人員在不同速度及路徑情況下的疏散時間，如圖4和圖5。

圖4 一樓的行人逃生速度對時間的影響

圖5 二樓的行人逃生速度對時間的影響

從以上圖表可看出，地震來臨時處于一樓的人員以0.7～1.2m/s（該速度符合Helbing和Fruin等人對恐慌狀態(tài)下人員行走速度的研究）的速度均可以在15s內(nèi)順利逃生，無需改進。但由于樓梯對逃生速度的影響，處于二樓的人員所需時間將大幅增加。此外，經(jīng)過對仿真過程的觀察可知，對于土坯房而言，這種建筑布局較為繁瑣，隔墻多，轉(zhuǎn)彎多，人員很難沿著最短路徑前進，這也很大程度上影響了逃生時間。所以，應考慮以上因素，對二樓布局進行改進并觀察其改進后的人員逃生情況。

2.2.2 障礙物對逃生時間的影響分析

圖6 二樓改進后的建筑布局

同樣得出地震來臨時處于二樓的人員在不同速度及路徑情況下的疏散時間，并生成建筑布局改進前后逃生時間對比圖（圖7）。

圖7 障礙減少后改進前后二樓的行人逃生速度對時間的影響對比圖

由圖7可以看出，改進以后整體疏散時間都有所縮短，尤其是當行走速度較快（大于0.8m/s）時更加顯著。經(jīng)分析得出，時間縮短的原因主要來自于障礙物和轉(zhuǎn)彎數(shù)量的減少，且避免轉(zhuǎn)彎靠近墻壁和其他房間。路徑得到簡化，可以讓行人以較塊的速度沿最優(yōu)路徑行走，從仿真畫面可以看出，行走速度處于0.9～1.3m/s時，縮短的時間主要來自轉(zhuǎn)彎數(shù)量減少，且這部分能夠縮短的時間較多。

綜合以上分析可知，單純增加個人期望速度，并不能獲得疏散最快速度，因為速度過快可能導致人員之間的碰撞、人與障礙物之間的碰撞等，以至于阻礙疏散的進行。且逃生期望速度存在最優(yōu)速度，若把人員的期望速度調(diào)整在最佳值，并通過對建筑布局的改進，如減少隔墻的長度和障礙物的數(shù)目，盡量保證人員通往出口的路徑最短且暢通。

3 結(jié)論

本文借助Anylogic軟件，定量分析了魯?shù)榈貐^(qū)典型土坯房在地震來臨時，人員處于不同樓層，逃生速度及結(jié)構(gòu)布局對疏散時間的影響。結(jié)果表明，在逃生中，存在最優(yōu)期望速度。而結(jié)構(gòu)布局上，由于建筑面積在60～70m2，處于一樓的人員，此項對疏散時間無太大影響。但對于二樓，樓梯嚴重影響了逃生速度，且逃生距離相對較長，結(jié)構(gòu)布局對于疏散時間有顯著的影響。

造成逃生困難的基本原因是地震時房屋倒塌時間短，人員無法在此時間內(nèi)以最近的路線進行逃生。為解決這種問題，建議以下措施：（1）在災后重建時，杜絕建設土坯房，加強房屋抗震性能的設計，以延長倒塌時間；（2）對于抗震性能差的房屋，只限于建造一層，且在規(guī)劃建筑布局時，避免過多拐角的設計，以此縮短逃生路徑；（3）在地震來臨時，人員還應盡可能將疏散速度控制在最佳疏散速度區(qū)段，以達到安全、科學的疏散。

然而，由于地震本身的復雜性，加之疏散過程影響因素繁多及不確定性，如：人員恐慌、周圍環(huán)境多變等，導致目前疏散問題仍存在較多瓶頸，本文僅對特定環(huán)境下的疏散問題加以分析，后續(xù)將在如何合理規(guī)劃房間結(jié)構(gòu)或建筑空間布局，為逃生提供最短時間遵循的原則和規(guī)律上做深入研究。

[1]Helbing D，Molnar P.Social force model for pedestrian dynamics[J].Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids&Related Interdisciplinary Topics，1995，51 （5）：4282-4286.

[2]Helbing D，F(xiàn)arkas I，Vicsek T.Simulating Dynamical Features of Escape Panic[J].Nature，2000，407 （6803）：487-490.

[3]LY Cooper，DW Stroup.ASET-A Computer program for Calculating Available Safety Egress Time[J].Fire Safety Journal，1985，9（1）：29-45.

[4]Heigeas L，Luciani A，Thollot J，etal.A physically-based particle model of emergent crowed behavior[R].Physics，2010：1-9.

[5]呂雷，程遠平，王婕，等.對學校教學樓疏散人數(shù)及疏散速度的調(diào)查研究[J].安全，2006，27（1）：10-13.