某高校食堂應(yīng)急安全疏散模擬研究

楊甜甜 萬杰 蒙曉妍

（1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，西安 710055；2.中國電信南寧西鄉(xiāng)塘區(qū)分公司 新陽支局，南寧 530000）

0 引言

高校食堂內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊且易燃易爆品復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。緊急情況下的人員疏散問題受多方面因素影響，主要有建筑物內(nèi)部自身結(jié)構(gòu)、疏散人員的個體特征等［1-2］。針對建筑物自身結(jié)構(gòu)對安全疏散的影響問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了較多研究，謝灼利等［3］發(fā)現(xiàn)，利用仿真軟件模擬應(yīng)急疏散過程，樓梯是整個疏散過程的瓶頸，而樓梯的疏散能力主要受人員流量和樓梯的有效寬度制約；益朋等［4］發(fā)現(xiàn)，在相同的占地面積情況下，兩側(cè)布局障礙物比中心布局障礙物對疏散時間、疏散通道利用率和出口效率更優(yōu)；鄭霞忠等［5］發(fā)現(xiàn)，多出口情況下疏散人員重復(fù)選擇相同出口會產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，因此，提升出口利用率能夠有效提高疏散網(wǎng)絡(luò)整體疏散效率；汪洋等［6］發(fā)現(xiàn)，疏散過程中安全出口的利用率差異較大，疏散樓梯及出口處容易出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

綜上可知，目前學(xué)者們運用FDS、Pyrosim和Pathfinder對各類建筑物進行了較多的仿真模擬研究，但學(xué)者們的火災(zāi)疏散研究大都集中在高層宿舍樓、大型體育場、商業(yè)街等建筑，對于高校食堂的研究較少，鑒于此，本文擬采用疏散模擬軟件Pathfinder進行安全疏散仿真模擬，旨在為提高類似高校食堂建筑物的火災(zāi)應(yīng)急安全疏散效率提供參考。

1 食堂概況及人員分布

1.1 食堂概況

選取西安某高校學(xué)生食堂作為研究對象進行模擬分析，該食堂總疏散面積2 677.5 m2，建筑高度14 m，共3層，建筑共有4個樓梯和一層與二層相連接的2個扶梯，共設(shè)5個安全出口。建筑結(jié)構(gòu)相對規(guī)則和對稱，一層疏散面積最大，北側(cè)與西側(cè)各設(shè)有一排集中買餐窗口，東北側(cè)設(shè)有一較小獨立餐廳；食堂的二層西側(cè)和北側(cè)各設(shè)有集中買餐窗口，東北側(cè)有一較小獨立餐廳；食堂三層布局與二層類似，二層與三層中間空有長17.5 m、寬7 m的面積，為頂層透明玻璃采光設(shè)計使用。食堂內(nèi)各個出口及樓梯參數(shù)見表1，食堂3D全景模擬圖見圖1，一層模擬圖見圖2。

1.2 人員分布情況

通過對學(xué)生食堂—周內(nèi)人員流動情況的調(diào)查，根據(jù)最不利原則，選擇人員負荷最大的中午12：00進行模擬，為實際制定安全疏散措施提供參考。在模擬中，一樓500人，二樓和三樓各320人，餐廳可容納最多人數(shù)時的人口參數(shù)設(shè)置為1 140人，對幾何模型中用餐區(qū)域人員密度設(shè)為1.39 m2/人，其他區(qū)域設(shè)為5.57 m2/人。

2 建立模型

2.1 Pathfinder簡介

Pathfinder［7］是由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的一款基于Agent的智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)仿真軟件，主要用于建筑防災(zāi)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、災(zāi)難逃生科學(xué)研究、人員災(zāi)難疏散模擬訓(xùn)練。在軟件中建立的3D幾何模型的幾何結(jié)構(gòu)中包括了房間、門、樓梯、出口等。

軟件中有SFPE模式和Steering模式，SFPE模式使用了火災(zāi)防護設(shè)計手冊中的概念，模式中行人的行走速率由每個房間的人群密度決定，通過出口的人流量則由出口寬度決定。而Steering模式使用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機制和碰撞處理相結(jié)合的手段來控制行人運動，人員之間的距離和最近點的路徑超過某一閾值的時候，算法就會產(chǎn)生新的路徑，從而改變了行人的行走軌跡?？偟膩碚f，Pathfinder軟件是一個采用三維網(wǎng)格模型來模擬正常和緊急情況下的人員疏散，網(wǎng)格分解使計算速度更快，同時能見度高，能清晰地看到疏散動態(tài)過程記錄疏散數(shù)據(jù)模擬疏散過程，適用于大型復(fù)雜建筑物的評價和分析。

2.2 模型建立

不同性別和年齡的人之間存在明顯的個體差異，依據(jù)《中國成年人人體尺寸》（GB/T 10000—1988）［8］，同時考慮到人體在運動過程中肩寬和速度的變化且不考慮外來人員，僅以食堂員工與在校學(xué)生為主體，得到各疏散人員類別相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 人員參數(shù)設(shè)置匯總

2.3 初始模擬

以食堂現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)條件和人員條件，確定在發(fā)生突發(fā)情況進行應(yīng)急疏散時的疏散路線。疏散開始，一層的疏散人員將就近選擇疏散路線，可選擇南側(cè)安全門和東側(cè)的3處安全門進行疏散；二層的疏散人員可以選擇南側(cè)樓梯、東側(cè)兩處樓梯和中間兩處扶梯疏散到一層再選擇就近安全門疏散，其中，中間扶梯在發(fā)生突發(fā)情況時直接向一層進行疏散；最后三層疏散人員通過南側(cè)兩側(cè)樓梯通向二層，再選擇路線通向一層后疏散。人員疏散行徑路線示意圖見圖3。

在確定人員疏散路線后，根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一層的北側(cè)安全出口在實際中為后廚食材輸送的一條通道，在一般情況下非工作人員不得進入廚房的工作區(qū)間。因此，結(jié)合實際情況對初始模擬情況作出兩種情景設(shè)定。情景一是將北側(cè)安全門設(shè)為常閉狀態(tài)，情景二是在工作人員反應(yīng)8 s后將北側(cè)安全門開啟。

情景一的總疏散時間為422.5 s。下面將情景一疏散過程中的一些關(guān)鍵時刻作為分析的依據(jù)，模擬結(jié)果如圖4和圖5。

分析可知，在0 s時疏散人員還比較分散，當(dāng)24 s時，疏散人員基本集中在樓梯口和安全出口，此時樓梯間人員密度約為2.75～3人/m2。由圖5可知，最大擁擠時間段在0～150 s，同時也是人員疏散率最快的時間段，其中南側(cè)門最大的疏散率在2～2.5人/s，其余門的使用率在1～2人/s之間；從150 s至疏散結(jié)束就呈現(xiàn)出第二種狀態(tài)，在接近150 s時東側(cè)安全門以最快結(jié)束了使用，同時其他門的使用率也開始呈現(xiàn)下滑的現(xiàn)象，其中東北側(cè)安全門250 s結(jié)束使用，而東側(cè)安全二門與南側(cè)安全門開始呈現(xiàn)平穩(wěn)的使用狀態(tài)，保持此疏散狀態(tài)直至疏散完畢。

接下來進行情景二的模擬，在人員開始疏散后，買餐窗口的工作人員反應(yīng)8 s后打開了北側(cè)后廚的安全出口，總疏散時間為420.5 s，情景二各門的使用率如圖6。

通過模擬結(jié)果可知打開北側(cè)后廚安全疏散門后總疏散時間比情景一疏散時間只減少了2 s。從圖6中可以看出，相比其他門，北側(cè)安全門的使用率極低，雖然多了一個安全門可以通向外界，但是只有極少一部分人選擇，對整個疏散過程的影響甚微，這是因為人員習(xí)慣性從自己熟知的出口逃生［9］。因此食堂整個安全疏散過程需要進行改進與優(yōu)化設(shè)計，找到導(dǎo)致?lián)矶庐a(chǎn)生原因并制定相應(yīng)對策。

3 優(yōu)化仿真模擬

3.1 改變桌椅布局

為分析桌椅布局對安全疏散時間的影響，將一層原豎向桌椅改變成橫向，總安全疏散時間為419.3 s，相比較初始模擬情況只減少了1.23 s的時間。更改前后各門疏散見圖7，各門人群密度見圖8。從圖7可以得出，北側(cè)安全門并無明顯變化，但在100 s至150 s的時間段內(nèi)，對比初始和更改，更改后的其他門的使用率有些許變化。同時還發(fā)現(xiàn)在東北側(cè)安全出口，因為桌椅改成橫向，導(dǎo)致在原位置上的通道反而變小了。原本成扇型的局部擁擠狀態(tài)變成了像“S”型的擁擠狀態(tài)，這樣使得疏散人員擁擠在東北安全出口的同時距離桌椅非常近，反而阻礙了此處人員的疏散，同時還可能碰撞到桌椅。因此可以得出，改變食堂一層桌椅擺向?qū)傮w疏散時間影響不大，對安全出口門的使用率有些許變化。

3.2 增加扶梯

為近一步了解安全疏散路徑與總疏散時間的關(guān)系，此模擬在三層與一層之間直接增加一個扶梯，更改方案如圖9。

由模擬結(jié)果知，在三層增加一個直達一層的扶梯大幅度減少了總疏散時間，總疏散時間為293.0 s。在0 s至150 s的時間段內(nèi)，疏散人員更加均勻地使用了各安全門，快速完成了疏散。說明增加逃生疏散路徑與增加安全出口數(shù)量能有效達到疏散效果，因此，要直接增加該疏散樓層通向外界的疏散路徑與出口才有效果。

從圖10可以看出三層的扶梯比一層的兩個扶梯的使用率都要高，因為增加了一條三層與一層的路徑，很大程度減少了三層人員的等待時間，降低了南側(cè)與東側(cè)樓梯的人員密度，因此大幅度減少了疏散的時間。

3.3 優(yōu)化樓梯、安全出口的寬度

在各個模擬情況中，有些減少了總疏散時間，有些反而增加了總疏散時間?？傮w來看，各模擬情況樓梯和安全出口都多次出現(xiàn)人群密集的情況，這也是阻礙安全疏散的原因之一，北側(cè)安全門的使用率一直很低，而南側(cè)和東側(cè)的安全門很容易出現(xiàn)擁堵。為緩解擁堵情況，接下來對樓梯和門的尺寸優(yōu)化之后進行模擬，樓梯和門尺寸優(yōu)化情況見表3。更改后安全門使用率見圖11，更改后24 s時人群密度見圖12。

表3 樓梯和門更改情況

從圖11可知，除北側(cè)安全門還是處于極低使用情況之外，其余的安全出口在人員疏散的效率上都得到極大提高。而南側(cè)安全門更是從初始的2人/s提升至4人/s，東側(cè)安全門達到了3人/s的水平，從而減少了總疏散時間。

從圖12中看出與初始情況相同時間內(nèi)的人群密度明顯得到緩解，同時在此時刻的疏散人數(shù)也大幅度增加，初始情況在一層的東側(cè)和南側(cè)都較為擁擠，而在更改尺寸后南側(cè)安全出口人員密集程度也有所減少，一層?xùn)|側(cè)的安全出口一和二的人員密度只有1.04～2.27人/m2，而東北側(cè)安全出口更是低于2.27人/m2。因此樓梯、安全門的寬度對于應(yīng)急疏散的緩解能力是至關(guān)重要的，并且在各個方法中都是有效的體現(xiàn)。

優(yōu)化了樓梯安全出口的寬度前后樓梯使用情況見圖13。

如圖13的樓梯使用率對比可知人群密度有所減少、人員的疏散速度有所增加，同時樓梯的使用率也大幅度增加，在更改了尺寸后的情況來看，東側(cè)和南側(cè)這兩個主要疏散樓梯提高了2倍的使用率。因此更改樓梯、安全門的寬度可以使疏散樓梯較短時間內(nèi)能夠保證大量人群的安全通過，對于應(yīng)急疏散的緩解能力是十分有效的。

由以上可知，針對食堂當(dāng)前存在的問題，在優(yōu)化方案中模擬了以下3種情況：將食堂一層的桌椅改為橫向；在三層增加一個直達一層的扶梯；改變樓梯、安全門結(jié)構(gòu)尺寸。經(jīng)過仿真模擬，在初始狀態(tài)下進行優(yōu)化的總疏散時間分別為419.3 s、293.0 s、305.5 s。

4 結(jié)論

1）根據(jù)食堂的實際情況進行了合理的設(shè)計與建模，對初始情況進行常閉備用門和反應(yīng)時間后開啟備用門的模擬，發(fā)現(xiàn)緊急狀態(tài)下，疏散人員習(xí)慣性選擇熟知出口進行逃生，導(dǎo)致各個疏散出口的使用率差異明顯。

2）在初始情況的基礎(chǔ)上進行不同情景的綜合模擬，得出優(yōu)化方案（增加一個三層直達一層扶梯）較初始情景總的疏散時間縮短了約30.7%，并且疏散樓梯、各個出口的使用率較初始情景大幅提高。

3）理論與模型相結(jié)合能有效模擬出食堂潛在的疏散問題，為學(xué)生食堂的安全疏散管理工作提供支持依據(jù)。