高校宿舍閘機(jī)對(duì)人員疏散影響的數(shù)值模擬研究

郝宇杭

(中國(guó)人民警察大學(xué) 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

根據(jù)教育部在2021年11月15日發(fā)布的2020年全國(guó)教育事業(yè)發(fā)展情況文件可知，2020年，全國(guó)共有普通高等學(xué)校2 738所，其中普通本科院校1 270所，高職(?？?院校1 468所。2020年，全國(guó)各類高等教育在學(xué)總規(guī)模達(dá)4 183萬(wàn)人，比2019年增加181萬(wàn)人；高等教育毛入學(xué)率達(dá)到54.4%，比2019年提高2.8個(gè)百分點(diǎn)[1]。在接受高等教育人數(shù)不斷增長(zhǎng)的今天，消防安全問(wèn)題越來(lái)越不可忽視。

為保證宿舍安全，部分高校選擇在宿舍入口安裝閘機(jī)，通過(guò)校園卡或人臉識(shí)別進(jìn)入宿舍[2]。而無(wú)論哪種方式的閘機(jī)都會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題，那就是在緊急情況下閘機(jī)是否會(huì)影響學(xué)生疏散。針對(duì)閘機(jī)對(duì)人員疏散影響的數(shù)值模擬，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了一定研究。田娟榮等[3]利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立地鐵站疏散模型，分別對(duì)地鐵站有無(wú)閘機(jī)、閘機(jī)是否及時(shí)開(kāi)啟等幾種情況進(jìn)行疏散模擬并進(jìn)行對(duì)比分析；楊利強(qiáng)[4]通過(guò)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究不同類型閘機(jī)的疏散能力對(duì)疏散時(shí)間的影響；孫亞杰[5]利用Pathfinder軟件建立地鐵站疏散模型，發(fā)現(xiàn)在閘機(jī)總數(shù)不變的情況下，閘機(jī)的位置對(duì)人員疏散有較大影響；馬輝等[6]研究閘機(jī)引導(dǎo)欄桿對(duì)人員疏散造成的影響，認(rèn)為設(shè)置閘機(jī)引導(dǎo)欄桿能有效提升疏散效率；姚遠(yuǎn)等[7]以某地鐵站為例，運(yùn)用Anylogic軟件模擬不同影響因素干擾下的人員疏散，發(fā)現(xiàn)閘機(jī)刷卡環(huán)節(jié)對(duì)疏散效率的影響較為明顯。

目前有關(guān)閘機(jī)對(duì)人員疏散影響的研究大多還集中在地鐵領(lǐng)域，而關(guān)于高校宿舍樓閘機(jī)對(duì)人員疏散影響的研究還較少。高校宿舍是學(xué)生長(zhǎng)期居住的場(chǎng)所，屬于人員密集場(chǎng)所，同時(shí)也屬于消防安全重點(diǎn)單位，但最近幾年高校宿舍火災(zāi)事故屢有發(fā)生(見(jiàn)表1)，造成不同程度的損失，因此研究在緊急情況下學(xué)生能否及時(shí)逃生，對(duì)高校學(xué)生宿舍的消防安全工作具有重要意義[8]。

表1 近年高校宿舍火災(zāi)事故案例

基于上述原因，本文以某高校宿舍樓為研究對(duì)象，通過(guò)Pathfinder模擬有無(wú)閘機(jī)時(shí)典型宿舍樓的疏散，研究宿舍樓設(shè)置的閘機(jī)對(duì)學(xué)生疏散的影響程度。

1 Pathfinder宿舍模型建立

1.1 宿舍樓模型建立

本文以某高校學(xué)生宿舍樓為例，該宿舍樓共有6層，層高3m；除一層外每層28個(gè)房間，共計(jì)164個(gè)房間，每個(gè)房間長(zhǎng)9m，寬4m；宿舍樓每層兩側(cè)各設(shè)一個(gè)自習(xí)室，宿舍樓設(shè)有2個(gè)安全出口，每個(gè)出口凈寬度為3m，左右各設(shè)一部樓梯，樓梯凈寬度為1.5m。

(1)無(wú)閘機(jī)宿舍樓模型建立。該宿舍樓Pathfinder平面圖，如圖1。

圖1 無(wú)閘機(jī)宿舍樓模型

(2)有閘機(jī)宿舍樓模型建立。在宿舍樓一樓東西大廳內(nèi)設(shè)置閘機(jī)，其余部分同圖1。通過(guò)Pathfinder的Rectangular Rooms功能模擬閘機(jī)，每個(gè)出口各設(shè)置4個(gè)閘機(jī)，有閘機(jī)宿舍樓模型，如圖2。以人臉識(shí)別閘機(jī)為例，正常情況下學(xué)生通過(guò)閘機(jī)會(huì)有一個(gè)人臉識(shí)別的時(shí)間，但在本文中假設(shè)緊急情況下，閘機(jī)通道全部打開(kāi)，僅研究閘機(jī)寬度限制逃生的情況下對(duì)人員疏散時(shí)間的影響。

圖2 有閘機(jī)宿舍樓一層模型

1.2 疏散場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

設(shè)定該宿舍樓內(nèi)居住學(xué)生全為男性，共計(jì)164個(gè)房間，每間宿舍學(xué)生人數(shù)為6人，疏散人數(shù)共計(jì)984人。

根據(jù)美國(guó)消防工程師協(xié)會(huì)SFPE發(fā)布的消防工程手冊(cè)《SFPE Hand Book of Fire Protection Engineering》，設(shè)定緊急情況下的成年男性運(yùn)動(dòng)速度為1.5m/s[9]。

根據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸》(GB/T 10000-1988)[10]規(guī)定，設(shè)定學(xué)生肩寬為45cm。

Pathfinder軟件有2個(gè)主要的行為模式：SFPE和Steering。SFPE模式為一個(gè)流動(dòng)模型，它根據(jù)模型中每個(gè)房間的人員密度來(lái)確定人員的疏散行為與運(yùn)動(dòng)速度；而Steering模式行人會(huì)根據(jù)算法自動(dòng)規(guī)劃路徑，更加貼近實(shí)際疏散情況[11-12]，所以本次模擬選擇Steering模式。

將疏散場(chǎng)景分為4種，場(chǎng)景一不設(shè)置閘機(jī)，另外3種場(chǎng)景設(shè)置閘機(jī)。根據(jù)實(shí)地測(cè)量，設(shè)定2個(gè)閘機(jī)之間的寬度一般為0.5m左右，具體場(chǎng)景設(shè)置，見(jiàn)表2。

表2 疏散場(chǎng)景設(shè)置

2 人員疏散模擬

2.1 安全疏散時(shí)間評(píng)估

為保證學(xué)生能夠安全疏散，疏散設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，人員疏散評(píng)估就是考查建筑結(jié)構(gòu)及其各消防子系統(tǒng)保證人員疏散的安全性能[13]，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其流程圖，如圖3。

從圖3可以看出，為保證人員可以安全疏散，疏散設(shè)計(jì)應(yīng)滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，所以可用疏散時(shí)間tASET需要大于必需疏散時(shí)間tRSET，而人員必需疏散時(shí)間包括探測(cè)時(shí)間tdec、報(bào)警時(shí)間twarn、預(yù)動(dòng)作時(shí)間tpre和運(yùn)動(dòng)時(shí)間ttrav，而安全裕量越大，則人員安全性越高。人員所需安全疏散時(shí)間計(jì)算公式如下：

圖3 疏散評(píng)估流程圖

tRSET=tdec+twarn+tpre+S·ttrav

(1)

其中，S為安全系數(shù)，因?yàn)镻athfinder對(duì)人員疏散進(jìn)行模擬與人實(shí)際疏散可能會(huì)存在差異，比如實(shí)際疏散時(shí)疏散人員可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)伴或小團(tuán)體等現(xiàn)象，所以需要考慮安全系數(shù)，而本文將安全系數(shù)設(shè)定為1.1[14]。

根據(jù)相關(guān)研究及標(biāo)準(zhǔn)[13，15]，將探測(cè)時(shí)間、報(bào)警時(shí)間合計(jì)設(shè)定為30s；由于學(xué)生長(zhǎng)期居住在宿舍樓，對(duì)宿舍內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為熟悉[13]，在突發(fā)狀況下學(xué)生能夠快速疏散，所以將預(yù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)定為30s；可用疏散時(shí)間tASET根據(jù)《建筑防火》[16]教材相關(guān)內(nèi)容設(shè)定為6min。

2.2 疏散結(jié)果分析

通過(guò)Pathfinder模擬每種場(chǎng)景5次，最終結(jié)果取5次結(jié)果的平均值，得到4種場(chǎng)景下學(xué)生疏散的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與必需疏散時(shí)間，見(jiàn)表3。

表3 宿舍不同疏散場(chǎng)景的疏散結(jié)果

2.2.1 有無(wú)閘機(jī)對(duì)人員疏散的影響

由于場(chǎng)景二的相鄰閘機(jī)寬度與實(shí)際情況接近，因此以場(chǎng)景一與場(chǎng)景二作對(duì)比，通過(guò)疏散結(jié)果可知在無(wú)閘機(jī)的情況下，學(xué)生的運(yùn)動(dòng)時(shí)間ttrav為251s，根據(jù)式(1)得到學(xué)生的必需疏散時(shí)間為337s，必需疏散時(shí)間小于6min，疏散安全。有閘機(jī)的情況下學(xué)生的運(yùn)動(dòng)時(shí)間ttrav為306s，根據(jù)式(1)得到學(xué)生的必需疏散時(shí)間為397秒，必須疏散時(shí)間超過(guò)了6min，疏散不安全，并且有閘機(jī)的情況下學(xué)生的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和必需疏散時(shí)間比無(wú)閘機(jī)情況下分別增加了21.9%和17.8%。對(duì)于疏散時(shí)間增加的原因，選取2種場(chǎng)景左側(cè)大廳的出口流量進(jìn)行分析，如圖4。通過(guò)分析可以知道，由于閘機(jī)對(duì)出口的寬度限制，導(dǎo)致一層學(xué)生無(wú)法快速疏散，隨后其他樓層的學(xué)生相繼到達(dá)一層，造成擁擠情況，而出口寬度固定，所以出口流量基本保持穩(wěn)定，如圖5。無(wú)閘機(jī)的情況下，一層的學(xué)生能夠在40s內(nèi)及時(shí)疏散，幾乎不會(huì)與其他樓層的學(xué)生相遇造成擁擠，這也是造成無(wú)閘機(jī)情況下前40s的出口流量大于有閘機(jī)情況的原因。并且場(chǎng)景二中由于出口處擁擠較為嚴(yán)重，在一定程度上造成學(xué)生運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致必須疏散時(shí)間超過(guò)可用疏散時(shí)間，緊急情況下有可能引發(fā)疏散事故，對(duì)學(xué)生的生命安全造成威脅?？梢?jiàn)，閘機(jī)對(duì)宿舍樓的人員疏散有很大影響。

圖4 宿舍樓左側(cè)出口流量圖

圖5 有閘機(jī)宿舍樓一層大廳擁擠情況

2.2.2 閘機(jī)寬度對(duì)人員疏散的影響

通過(guò)場(chǎng)景二、三和四的疏散結(jié)果可知，相鄰閘機(jī)之間的距離每增加0.25m，學(xué)生疏散所需的運(yùn)動(dòng)時(shí)間能夠減少8.3%左右；必需疏散時(shí)間能夠減少7.5%左右。對(duì)于疏散時(shí)間減少的原因，選取3種場(chǎng)景左側(cè)大廳出口的疏散場(chǎng)景進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算，疏散前30s，場(chǎng)景二左側(cè)出口處流量約為2人/s，學(xué)生無(wú)法快速疏散，在出口處造成擁擠，導(dǎo)致閘機(jī)處人員密度較大，如圖6(a)。

隨著相鄰閘機(jī)之間的寬度增加，閘機(jī)的通行效率隨之增加，疏散前30s場(chǎng)景三左側(cè)出口處流量能達(dá)到約3人/s，當(dāng)左側(cè)出口學(xué)生疏散之后，右側(cè)的學(xué)生能夠前往左側(cè)閘機(jī)逃生，在一定程度上減輕右側(cè)出口的擁擠程度，人員密度有小幅降低，如圖6(b)。

圖6 3種場(chǎng)景同一時(shí)刻密度圖

當(dāng)相鄰閘機(jī)之間距離變?yōu)?m時(shí)，左側(cè)出口處前30s流量能達(dá)到約3.5人/s。因此左側(cè)出口的學(xué)生能夠快速通過(guò)閘機(jī)，從而讓右側(cè)出口原本擁擠的人群能夠從左側(cè)出口疏散，大大減輕出口處的擁擠程度，人員密度也因此大幅降低，如圖6(c)。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)相鄰閘機(jī)之間的距離變化會(huì)對(duì)學(xué)生疏散造成影響，較小距離會(huì)造成出口處人員聚集，人群密度增大，從而可能引發(fā)安全事故。而距離如果設(shè)置適宜(例如場(chǎng)景四)，疏散時(shí)間與不設(shè)置閘機(jī)的情況相差無(wú)幾，這樣不僅能夠達(dá)到校方方便管理宿舍的目的，也能滿足緊急情況下學(xué)生的安全疏散。

3 結(jié)論

(1)本文通過(guò)Pathfinder軟件分別模擬高校宿舍在不同閘機(jī)設(shè)置場(chǎng)景下的疏散過(guò)程與差異，并通過(guò)流量圖和密度圖分析造成差異的原因。分析之后發(fā)現(xiàn)由于閘機(jī)對(duì)出口寬度的限制，會(huì)造成出口處的擁擠，增大人群密度，在一定程度上會(huì)對(duì)人員疏散造成影響，但通過(guò)改變相鄰閘機(jī)之間的寬度能夠減少這種影響。

(2)高校在出口處設(shè)置閘機(jī)時(shí)，可以考慮在設(shè)置之前進(jìn)行疏散評(píng)估，驗(yàn)證在有閘機(jī)的情況下學(xué)生能否及時(shí)逃生，以此確定相鄰閘機(jī)之間的距離是否合適；同時(shí)應(yīng)定期展開(kāi)消防演習(xí)，提升學(xué)生的消防安全意識(shí)與面對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力。

(3)由于研究時(shí)間有限，本文的模擬方法還存在諸多不足，例如還未考慮不同閘機(jī)類型和閘機(jī)識(shí)別時(shí)間等因素對(duì)疏散是否會(huì)造成影響。因此在后續(xù)研究中，還需要針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的探究。