教學(xué)樓外接連廊對應(yīng)急疏散影響的研究

朱天璋

（北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044）

0 引 言

相鄰建筑體之間的外接連廊打破了原有樓體獨立的狀態(tài)，連廊兩側(cè)人員數(shù)量和連廊設(shè)立位置的不同都會使整體的應(yīng)急疏散變得更為復(fù)雜。

教學(xué)樓作為日常教學(xué)的主要場所，具有建筑面積大、人員較集中的特點，也多被作為密集人員疏散的模擬場景。隨著越來越多的建筑體增設(shè)了樓體外的連廊，外接連廊在緊急疏散情況下給人員提供了更多路徑選擇的同時也將疏散變得更為復(fù)雜，故樓體外接連廊對應(yīng)急疏散影響的研究愈發(fā)重要。

國內(nèi)許多研究人員對教學(xué)樓的應(yīng)急疏散進(jìn)行了研究，比如：王錕等通過對某高校教學(xué)樓進(jìn)行人員疏散演練及實地現(xiàn)場觀測，采集有關(guān)該幢教學(xué)樓各樓層樓梯出口的人員疏散數(shù)據(jù)，運用回歸曲線估計方法構(gòu)建疏散數(shù)學(xué)模型，提出教室差別利用、合理排課、增加應(yīng)急疏散標(biāo)志來減少疏散擁堵時間[1]；孫超等使用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件Pyrosim 和人員疏散模擬軟件Pathfinder，開展了火災(zāi)蔓延和發(fā)展規(guī)律以及人員緊急疏散情況的數(shù)值模擬研究，為類似建筑物消防安全設(shè)計提供參考性依據(jù)[2]。隨著樓體設(shè)計日漸復(fù)雜，樓體的連廊對整體建筑疏散的影響也有研究人員進(jìn)行了研究，如：李琰等運用PyroSim 和Pathfinder 軟件對連體宿舍樓的疏散進(jìn)行了研究，提出了合理安排居住和增加2～3 層連廊并設(shè)置可移動式外掛樓梯等方式提高整體疏散效率[3]。綜上所述，研究者們常運用Pyrosim 和Pathfinder 等軟件對建筑物整體進(jìn)行疏散仿真模擬研究，但對于教學(xué)樓的外接連廊的位置和連廊兩側(cè)人員數(shù)量不同情況時的研究較少。本文運用具有建筑物真實信息的BIM 模型以及人員疏散模擬軟件Pathfinder 建立參數(shù)化疏散模型，通過改變連廊兩側(cè)人員的數(shù)量及樓體連廊的位置形成系統(tǒng)化的對比實驗，以整體疏散時間作為依據(jù)，研究不同情況時連廊對整體疏散的影響。

1 疏散仿真工具的選擇

1.1 BIM 技術(shù)

BIM 技術(shù)作為一種全新的理念和技術(shù)，建筑物全生命周期可提供豐富的數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)所有的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件設(shè)備等精確地表達(dá)。在項目不同階段，不同的利益相關(guān)方通過在BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責(zé)的協(xié)同工作[4]。

本文采用Revit 2016 對教學(xué)樓進(jìn)行建模，建立的BIM 模型突破了原有的二維圖紙的視角，將整棟建筑的形狀和信息全部匯總在一起，在后期與Pathfinder 軟件相結(jié)合時，在BIM 模型中修改比在傳統(tǒng)圖紙上修改更精準(zhǔn)和高效。

1.2 Pathfinder 仿真軟件

Pathfinder 人員仿真軟件是由美國Thunderhead Engineering 公司開發(fā)的基于人員進(jìn)出和運動的模擬器。它提供了圖形用戶界面的模擬設(shè)計和執(zhí)行，以及三維可視化工具的分析結(jié)果[5]。Pathfinder 軟件具有兩種仿真模式：SFPE 模式和Steering 模式[6]。Steering 模式用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制和碰撞處理相結(jié)合的手段來控制行人運動[7]，軟件的人員模型是基于Agent 模型，在發(fā)生擁堵時會自動選擇其他的路線。考慮實際情況中，人員在逃生時存在擁擠和再選擇路線，本文模擬仿真實驗均選擇Steering 模式。

2 教學(xué)樓疏散模型的建立

2.1 BIM 模型的建立

本文選取某中學(xué)教學(xué)樓作為應(yīng)急疏散研究對象。兩棟教學(xué)樓（1 號樓，2 號樓）總高6 層，在其4 層設(shè)有長16 m、寬7 m 的連廊，每棟教學(xué)樓2～6 層布局一致，其中間設(shè)有長11 m、寬6 m 的天井，單棟教學(xué)樓長38 m、寬25 m，單層教學(xué)樓面積為950 m，兩棟樓的建筑總面積為11 400 m。通過Revit 2016 軟件創(chuàng)建如圖1 所示的BIM 模型，1 層的布局如圖2 所示，2～6 層的平面圖將圖2的“出口1”替換成“教室8”。

圖1 教學(xué)樓BIM 模型

圖2 教學(xué)樓1 層平面圖

2.2 Pathfinder 模型的建立

利用Pathfinder 仿真軟件需要從模型中提取門、樓梯、出口和電梯間等重要信息，BIM 模型不能直接導(dǎo)入Pathfinder 軟件，但可以將BIM 模型轉(zhuǎn)換成支持的dwg 格式文件。

利用Revit 軟件將BIM 模型導(dǎo)出成dwg 格式文件，將dwg 文件導(dǎo)入Pathfinder 軟件中，再利用軟件自帶工具將各層樓板提取出來，將多余的外墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪除以便進(jìn)行較好的展示。在樓板的具體位置設(shè)置每個房間的門、逃生出口和連接上下層的樓梯。門、出口和樓梯的詳細(xì)數(shù)據(jù)都可以在BIM 模型中得到，整個模型需要在最底層加上更寬的地板形成最終的出口，最終形成如圖3 所示的應(yīng)急疏散模型。

圖3 Pathfinder 應(yīng)急疏散模型

2.3 疏散模型參數(shù)化設(shè)定

所用BIM 模型為中學(xué)教學(xué)樓，其每棟1 層有7 間教室，2～6 層有8 間教室，根據(jù)我國教育部頒布的教人[2002]8 號文件規(guī)定每個教室的平均人數(shù)為45～50 人，取最大值50 作為每間教室的人數(shù)，學(xué)生與教職工比例為12∶1，男女比為5∶5。不同年齡和性別的人員在疏散過程中的運行速度也不相同，Pathfinder 軟件在人員疏散過程中主要考慮的是速度和肩寬，通過查閱相關(guān)資料確定4 種不同人員的平均速度和肩寬，如表1 所示。

表1 不同人群的特征值及占比

2.3.1 擁擠程度

根據(jù)（GB50016—2018）《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，因為教室為固定座位的場所，在考慮疏散時采取其座位數(shù)的1.1 倍疏散人數(shù)。但在實際疏散情況中人員數(shù)目不是固定的。定義一個擁擠程度α，在整個實驗中取0.7，0.9 和1.1，其中1.1 即是滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》里考慮的疏散最擁擠情況，α取0.7 和0.9 作為覆蓋更廣的補(bǔ)充實驗，得到的教學(xué)樓每層的疏散總?cè)藬?shù)如表2 所示。

表2 教學(xué)樓每層疏散人數(shù)

2.3.2 兩棟樓人員差異比

在連廊開啟時，考慮兩棟樓疏散人數(shù)存在差異化，定義β為2 號樓與1 號樓人員數(shù)量的比值，β在實驗中取1.0，0.9，0.8，0.7，0.6，0.5。

2.3.3 兩棟樓的總疏散人數(shù)

定義仿真實驗進(jìn)行時兩棟樓的總疏散人數(shù)Q1為：

式中：Q1為仿真實驗中兩棟樓的疏散總?cè)藬?shù)；Q0為單棟樓預(yù)設(shè)的總座位數(shù)。

2.3.4 連廊對整體疏散的影響

設(shè)定疏散1 號樓人員的總時間為T1，疏散2 號樓人員的總時間為T2，連廊開啟時對整體疏散影響的程度百分比系數(shù)σ為：

式中：T′F為連廊開啟時整體疏散所用時間；TF為連廊關(guān)閉時整體疏散所用時間。

3 教學(xué)樓疏散仿真實驗

3.1 教學(xué)樓連廊開啟時應(yīng)急疏散模擬

把Pathfinder 軟件的模式設(shè)置成“Steering”，每個人員的行為設(shè)置成“Goto Any Exit”，原建筑是在兩棟教學(xué)樓的4 層設(shè)立了連廊，為研究不同疏散人數(shù)對兩棟樓整體疏散的影響，采取不同的擁擠程度α和人數(shù)差異比β，以此來更好地適用在不同情況下的緊急疏散。

3.1.1 兩棟樓疏散人數(shù)不同時連廊對疏散總時間的影響

考慮實際情況，兩端的極值分別設(shè)置為人最多時（α=1.1）兩棟樓人數(shù)相同（β=1.0）和人最少時（α=0.7）一棟樓滿員一棟樓半滿（β=0.5）的狀態(tài)。在不同α和β的取值下，用模擬的實驗結(jié)果與表3 中未開啟連廊的疏散總時間進(jìn)行對比，形成對疏散總時間影響的百分比σ，用“+”表示延長時間的百分比，“-”表示減少時間的百分比，最后統(tǒng)計如表4 所示?？傻茫寒?dāng)人員差異比β取1.0 和0.9 時，連廊的開啟沒有對教學(xué)樓的整體疏散起到有利的作用，在疏散總時間上平均增加了5%；當(dāng)β取0.8 時，在不同擁擠程度α下，跟未使用連廊的總疏散時間幾乎相等；當(dāng)β取0.8 以下時，連廊的開啟對整體的疏散產(chǎn)生有利作用，且β取值越低，整體疏散時間減少得越明顯。由此可得，連廊兩側(cè)人員數(shù)量相當(dāng)時連廊的開啟增加了整體的疏散時間。

表3 不同擁擠程度下連廊關(guān)閉時疏散總時間

表4 不同情況下外接連廊對整體疏散時間的影響

3.1.2 樓體連廊設(shè)置在不同位置時對疏散總時間的影響

教學(xué)樓整體是6 層的高度，為研究不同連廊的位置對教學(xué)樓疏散產(chǎn)生的影響，α分別取1.1，0.9 和0.7，因為差異比β在取1.0，0.9 時是負(fù)面影響，在取0.8 時的結(jié)果不明顯，故分別取0.7，0.6 和0.5。在Pathfinder 軟件中，將4 層的連廊位置分別移動到3 層、5 層和6 層的位置，最終形成如表5 所示的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗結(jié)果可得，連廊位置的不同對整體疏散的影響不同。在實驗數(shù)據(jù)中連廊位置在3 層時，對疏散起到的有利作用最??；連廊位置高于3 層時，連廊的開啟對整體的疏散影響效果顯著提升，且在第5 層時對整體疏散時間起到最大化的減少。在α=1.1，β=0.5 時，在第5 層開啟的連廊比在第4 層開啟的連廊對疏散的總時間多減少了27.6 s。整體實驗總結(jié)為在連廊兩側(cè)人員數(shù)量相當(dāng)時，連廊的開啟會延長整體的疏散時間；當(dāng)連廊兩側(cè)人員差異較大時，連廊的開啟會顯著縮短整體疏散時間。在相同的條件下，連廊位置的不同會影響到整體教學(xué)樓的疏散效率，連廊位置較低時，對整體疏散時間減少的最?。欢谧罡邔右韵碌妮^高位置設(shè)置連廊時，會對整體疏散起到較顯著的效果。在本次實驗中，連廊位置設(shè)置在5 層比原先4層位置對整體疏散效率提升要高。

表5 不同人員數(shù)量和不同連廊位置對整體疏散時間的影響

4 結(jié) 語

本文針對相鄰教學(xué)樓之間的外接連廊兩側(cè)人員數(shù)量不同以及連廊位置不同對整體疏散時間影響的問題，運用了保留真實建筑內(nèi)部信息的BIM 技術(shù)和人員疏散仿真軟件Pathfinder 共同建立了人員疏散仿真模型，并通過參數(shù)化的設(shè)定，構(gòu)建了系統(tǒng)的對比實驗，其實驗結(jié)果可總結(jié)為以下3 點：

1）通過疏散過程仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)，在緊急疏散時，大部分人會選擇離自身較近的樓梯口進(jìn)行逃生，往往造成在單一出口大量擁堵的情況，不利于整體的疏散，而充分地利用每個出口可減少整體的疏散時間。

2）通過不同位置的連廊對比疏散仿真實驗可以發(fā)現(xiàn)，要提高整體疏散效率應(yīng)將連廊位置設(shè)置在較高層。在本次實驗中，在4 層或5 層設(shè)置連廊的疏散效率比在3 層或6 層都要高，連廊位置設(shè)置在5 層時對整體疏散效率提升最大。實驗的結(jié)果可為建筑設(shè)計中連廊的位置提供參考。

3）通過不同人數(shù)的對比疏散仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)，在兩棟樓人數(shù)相當(dāng)時，連廊的開啟延長了整體的疏散時間，降低了整體疏散效率。為了更有效地提高疏散效率，建議教學(xué)樓管理部門培訓(xùn)專業(yè)的應(yīng)急疏散人員，根據(jù)現(xiàn)場的實際擁堵情況引導(dǎo)人員選擇更合理的逃生路線。