基于Pathfinder的高校教學(xué)樓安全疏散仿真研究

馬 輝，馬映妍

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊，065201)

0 引言

高校教學(xué)樓人員密度大，疏散難度大，了解和掌握高校教學(xué)樓安全疏散特點(diǎn)及影響因素，是解決其疏散瓶頸的基礎(chǔ)。

對于人密集場所安全疏散的研究，國內(nèi)外學(xué)者的研究領(lǐng)域多集中于疏散策略優(yōu)化、疏散流線設(shè)計(jì)、輔助疏散設(shè)施、疏散人員生理心理狀況度疏散影響等方面。如袁理明、范維澄等建筑火災(zāi)中人員安全疏散時(shí)間的預(yù)測研究[1]，張培紅、陳寶智等對大型公共建筑火災(zāi)時(shí)人員疏散行為規(guī)律研究[2]，王厚華、郭丹等建筑物人員疏散行動(dòng)時(shí)間的預(yù)測研究[3]，閻衛(wèi)東通過大量調(diào)查問卷和觀察應(yīng)急疏散演練，得出性別、消防培訓(xùn)和消防演練對疏散時(shí)間影響[4]，郭曉明選取某學(xué)校真實(shí)地震時(shí)的教室監(jiān)控視頻，通過視頻追蹤研究多障礙物教室緊急情況下人員的應(yīng)急反應(yīng)能力、出口選擇比例、出口流量以及疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間等疏散規(guī)律并分析出口門扇開啟角度、樓梯梯段轉(zhuǎn)角以及樓梯梯形對人員疏散效率的影響[5]，楊雨亭針對商業(yè)綜合體中的火災(zāi)和安全疏散進(jìn)行模擬仿真研究[6]，沈陽航空航天大學(xué)的王二元研究了在火災(zāi)過程中老年人的行為以及養(yǎng)老設(shè)施的疏散[7]，陳曉飛針對高層辦公樓火災(zāi)人員疏散策略進(jìn)行研究并進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)[8]，楊海明等提出高層建筑樓梯和電梯耦合疏散策略[9]，閻衛(wèi)東、陳寶智、朱偉等都研究火災(zāi)時(shí)疏散人員路徑的選擇和疏散過程的心理因素與疏散的影響[10-11]。國外方面，Groner N.E 等研究火災(zāi)疏散順序及疏散策略[12]，Alexandra Bystr?m采用對建筑實(shí)體進(jìn)行多種火災(zāi)場景的實(shí)驗(yàn)，利用軟件火災(zāi)模擬軟并進(jìn)行可靠性的分析，最終得出火災(zāi)數(shù)據(jù)與軟件模擬結(jié)果的差異性分析[13]。

教學(xué)樓安全疏散方面的研究很多，如李勃衡等運(yùn)用Pathfinder軟件對高校教學(xué)樓5中疏散場景進(jìn)行模擬，對大小教室所在高低樓層對疏散的影響[14]，吳奕潔等以江西理工大學(xué)主教學(xué)樓為例對防火與安全疏散設(shè)施進(jìn)行調(diào)查，并與法律法規(guī)進(jìn)行比對，判斷其合法合規(guī)性[15]，薛鵬通過人員疏散實(shí)驗(yàn)分析人員疏散視頻獲得了人員運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，構(gòu)建Pathfinder模型后驗(yàn)證軟件的適用性，研究教室過道寬度、桌椅布局對疏散的影響[16]，廖慧敏等運(yùn)用Anylogic軟件，研究疏散指示標(biāo)志對安全疏散的影響[17]，王志濤等運(yùn)用Pathfinder軟件，以某高中教學(xué)樓為研究對象研究出入口位置，樓梯梯段寬度等因素對人員疏散影響[18]。

但仍存在以下問題：(1)人數(shù)設(shè)置方面，大多是采用Pathfinder軟件隨機(jī)分布，未考慮房間使用性質(zhì)不同導(dǎo)致的疏散人員密度差異對疏散效果的影響；(2)未考慮高校教學(xué)樓中夜間自習(xí)情況下人員疏散問題；(3)缺乏對建筑最不利疏散樓層方面的研究。

綜上，本文將以某高校綜合教學(xué)樓為例，運(yùn)用Pathfinder軟件，分析高校教學(xué)樓日間和夜間場景下各樓層人數(shù)、累計(jì)疏散人數(shù)與疏散時(shí)間的關(guān)系，疏散人員性別對疏散效率影響等，為高校應(yīng)急疏散演練、應(yīng)急預(yù)案編制等提供依據(jù)。

1 Pathfinder模型建立

Pathfinder是現(xiàn)階段簡單、直觀、易用的模擬人員緊急疏散逃生的評估系統(tǒng)，它能為使用者提供圖形用戶界面的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括模擬設(shè)計(jì)和執(zhí)行，還有三維可視化工具最終的分析結(jié)果，可以計(jì)算出模擬狀態(tài)下每個(gè)人員自己的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，并且會給予該模擬人一套獨(dú)特的參數(shù)，例如逃生出口的選擇、在運(yùn)行中所需要經(jīng)過的航點(diǎn)、逃生過程中所達(dá)到的最大速度，目前已廣泛應(yīng)用于地鐵、商場、船舶等人員密集場所人員疏散仿真研究，因此本文也運(yùn)用Pathfinder軟件對高校綜合教學(xué)樓人員疏散進(jìn)行仿真研究。

1.1 模型構(gòu)造及尺寸

該教學(xué)樓總面積為15708 m2，共十一層，建筑高44.8 m，一、二層樓層高度為5米，三、四、五、六、七層樓層高度為4.2 m，其余都是3.6 m，平時(shí)用來提供該校本科生上課使用，是集教室、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室和辦公室為一體的綜合教學(xué)樓，建模如下圖所示。

圖2 建筑平面圖

1.2 疏散場景設(shè)定

根據(jù)綜合教學(xué)樓各部分使用功能，分別對日間上課和夜間晚自習(xí)兩種場景對突發(fā)狀況時(shí)人員疏散進(jìn)行仿真研究。

(1) 日間場景：正常上課期間發(fā)生突發(fā)事件，考慮人數(shù)集中的最不利條件設(shè)置人數(shù)，各樓層人員分布情況如表1所示，日間模型全景及人員分布詳見圖3。

表1 日間場景人員分布

圖3 日間模型全景及人員分布圖

(2)夜間場景：晚自習(xí)時(shí)，發(fā)生突發(fā)事件。設(shè)定晚自習(xí)時(shí)僅供五層的三間教室及以下樓層使用(計(jì)算機(jī)房除外)，考慮最不利情況，總?cè)藬?shù)為2378人，人員分布情況如表2所示，夜間模型全景及人員分布詳見圖4。

表2 夜間(晚自習(xí))場景人員分布

續(xù)表

圖4 夜間模型全景及人員分布圖

注：該教學(xué)樓非所在學(xué)校唯一教學(xué)樓，晚自習(xí)僅提供5層及以下教室使用。

1.3 模擬參數(shù)確定

根據(jù)《消防安全工程 第9部分：人員疏散評估指南》(GB/T31593.9-2015)，結(jié)合楊雨亭[6]等人研究確定疏散人員特性參數(shù)如表3所示。

表3 疏散人員特性參數(shù)

2 日間疏散模擬結(jié)果及分析

在日間場景中，整個(gè)博學(xué)樓內(nèi)人員疏散耗時(shí)893 s，日間場景疏散過程圖、樓梯人員密度圖如圖5 和圖6所示。

圖6 疏散樓梯人員密度圖

圖5 186 s博學(xué)樓人員疏散圖

在日間場景中，在博學(xué)樓教室和辦公室上課的全體師生進(jìn)行安全疏散，總疏散人數(shù)為4337人，疏散人數(shù)與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著疏散時(shí)間增加，人員大量擁擠在樓梯及樓梯間，流量最大的出口是一層前門，疏散出口流量最小的是一樓左出口，各層疏散人數(shù)與疏散時(shí)間如表4所示，日間場景疏散層人數(shù)、累計(jì)人數(shù)與疏散時(shí)間關(guān)系如圖7 所示。

表4與圖7表明，日間場景疏散過程中，疏散時(shí)間與疏散層累計(jì)人數(shù)呈正相關(guān)，與該層原始疏散人數(shù)關(guān)系不明顯。

圖7 日間場景疏散層人數(shù)、累計(jì)人數(shù)與疏散時(shí)間關(guān)系

表4 日間場景疏散情況匯總

表5 日間場景最后離開教學(xué)樓人員情況

從性別上看，最后疏散的5人中女性占80%，男性占20%；疏散過程中滯留原因均為樓梯擁堵所致，是影響疏散的瓶頸因素；從疏散起始位置表明，最后疏散人員并不是都是最高層十一層的人員，而是九層1人、十層3人和十一層1人，我國相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等對安全疏散距離僅是對房間內(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)到房門的疏散距離和從房門到疏散樓梯間或外部出口的距離，但實(shí)際上安全疏散是否成功還取決于人員聚集程度，如多層商場，其中某層人員過度集中會嚴(yán)重影響疏散效率，為此對于人員聚集場所中營業(yè)功能宜考慮功能集中的同時(shí)，也要兼顧人員過度集中造成安全疏散效率下降的影響。

3 夜間疏散模擬結(jié)果及分析

傍晚的晚自習(xí)時(shí)間段，人員分布在五層及以下，教學(xué)樓內(nèi)人員疏散完畢耗時(shí)440 s。夜間場景疏散過程圖、樓梯人員密度圖如圖8和圖9所示。

圖8 35 s疏散過程圖

此次模擬的是晚自習(xí)時(shí)間段人員的安全疏散情景。疏散總?cè)藬?shù)2377人，流量最大的出口是一層正前門，流量最小的是左出口，顯示出口利用率不均衡。夜間場景各層疏散人數(shù)與疏散時(shí)間見表6，各疏散層人數(shù)、累計(jì)人數(shù)與疏散時(shí)間關(guān)系如圖10所示。

圖1 建筑立體圖

表6 夜間場景疏散情況匯總

圖10 夜間場景疏散人數(shù)與疏散時(shí)間的關(guān)系

表6與圖10表明，夜間場景疏散過程中，疏散時(shí)間與疏散層累計(jì)人數(shù)呈正相關(guān)，與該層原始疏散人數(shù)關(guān)系不明顯，結(jié)果與日間場景疏散人數(shù)與疏散時(shí)間關(guān)系一致。

表7 夜間場景最后離開教學(xué)樓人員情況

從性別上看，最后疏散的5人中男性占60%,女性占40%；疏散過程中滯留原因均為樓梯擁堵所致，是影響疏散的瓶頸因素，與日間場景一致；從疏散起始位置表明，最后疏散人員并不是位于本場景的最高疏散樓層十層，也不是疏散人群集中區(qū)域的最高層五層，而是所處起始疏散位置人員密度大且相對較高的樓層的四層，由此安全疏散中除要考慮垂直疏散距離和水平疏散距離外，還要綜合考量各疏散層人員密度對安全疏散的影響，特別是教學(xué)樓、商場等人員密集場所在進(jìn)行建筑功能分區(qū)時(shí)要避免人群過于集中，合理進(jìn)行功能分區(qū)。

4 結(jié)論

(1) 日間場景人員疏散用時(shí)893 s，夜間場景用時(shí)440 s，表明疏散人數(shù)對疏散效率影響大。

(2) 高校綜合教學(xué)樓人員疏散效率與疏散層人員密度密切相關(guān)，由于匯集作用，最不利疏散樓層并不是最高樓層，而是疏散層人員密度大且垂直高度較高的樓層。

(3) 日間和夜間場景疏散過程中，疏散時(shí)間與疏散層累計(jì)人數(shù)呈正相關(guān)，與該層原始疏散人數(shù)關(guān)系不明顯。

(4) 人員疏散過程中滯留擁堵的原因均是疏散樓梯擁堵造成的，是制約疏散效率的瓶頸因素。

(5) Pathfinder中性別差異是從肩寬、步速兩方面進(jìn)行設(shè)定，無法體現(xiàn)不同性別體力上的區(qū)別和疏散中男性對女性的減速避讓等社會行為，單從模擬結(jié)果上分析，性別差異對于疏散影響不明顯。