基于Pathfinder模擬高校圖書(shū)館火災(zāi)疏散

張景鋼，尹宜辰，何 鑫

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

近年來(lái)火災(zāi)事故屢見(jiàn)不鮮。高校圖書(shū)館火災(zāi)威脅著學(xué)生們的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響[1]。因此，正確分析影響圖書(shū)館火災(zāi)疏散的影響因素，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，以保證人員安全疏散是十分必要的。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在高校相關(guān)教學(xué)環(huán)境中的人員應(yīng)急疏散進(jìn)行了大量的研究，例如，以Nuria Pelechanon為主的研究團(tuán)隊(duì)建立了相關(guān)安全疏散模型，從而論證了將人類(lèi)心理和生理因素納入模型的重要性；湛蓮香等人研究了學(xué)生宿舍不同樓層著火對(duì)學(xué)生疏散的影響，并對(duì)最不利的樓層場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化處理，使其滿(mǎn)足安全疏散要求；謝明峰等人將數(shù)值模擬應(yīng)用于人員疏散研究從而分析了人員疏散過(guò)程中存在的擁堵問(wèn)題，改進(jìn)了安全出口的開(kāi)放狀態(tài)、數(shù)量、寬度以及疏散路線(xiàn)四個(gè)方面；閻衛(wèi)東等人在圖書(shū)館火災(zāi)中提出通過(guò)增加廣播指引以及適當(dāng)出口引流等措施，可提高疏散效率，為火災(zāi)人員安全疏散管理提供更多解決方向[2]。

本文將通過(guò)某高校圖書(shū)館為例，假定著火位置以及圖書(shū)館內(nèi)部安全門(mén)開(kāi)閉情況，運(yùn)用pathfinder模擬軟件，對(duì)此圖書(shū)館進(jìn)行火災(zāi)人員疏散的模擬，根據(jù)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 Pathfinder仿真工程軟件簡(jiǎn)介

Pathfinder由美國(guó)的Thunderhead Engineering公司研發(fā)，是一種的簡(jiǎn)單直觀的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。該軟件為大家提供先進(jìn)的可視化用戶(hù)界面，同時(shí)還擁有三維動(dòng)畫(huà)的效果等；此外軟件內(nèi)置的角色素材庫(kù)里面包含了許多的可設(shè)置項(xiàng)目，可以比相同類(lèi)型的模擬器更加真實(shí)并且圖形效果也更加理想，同時(shí)還擁有完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計(jì)等[3]。這些真實(shí)地人群給用戶(hù)帶來(lái)真實(shí)的感官，Pathfinder還支持標(biāo)準(zhǔn)的圖形卡順暢的進(jìn)行成千上萬(wàn)人的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)模擬，為用戶(hù)群體在建模模擬分析中提供更為科學(xué)的數(shù)據(jù)[4]。

2 建筑概況

2.1 空間概況

該圖書(shū)館共5層，建筑面積25900 m2，圖書(shū)館整體呈長(zhǎng)方體，每層高4.5 m。1-4層的各層平面圖近似“7”字形，除1層外每層各有一大型閱覽室，是人員的主要聚集點(diǎn)；3、4層結(jié)構(gòu)相似。防火設(shè)計(jì)耐火等級(jí)為一級(jí)。

2.2 人員概況

實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)其共有2200個(gè)閱覽座位和400個(gè)機(jī)位。日進(jìn)館人次約為4100次/日，如表1所示。

表1 各樓層總?cè)藬?shù)及不同區(qū)域最高峰時(shí)期人數(shù)分布

3 基于pathfinder的疏散模型構(gòu)建與模擬分析

Pathfinder支持兩種移動(dòng)仿真模式。在Steering模式里，門(mén)不會(huì)限制人群的流動(dòng)，人與人之間會(huì)保持一個(gè)合理的間距。在SEPE模式里，人們并不會(huì)試圖去避開(kāi)對(duì)方，并且會(huì)互相擁擠，但是門(mén)會(huì)限制人群的流動(dòng)，人員的流動(dòng)是由空間中的人員密度控制的[5]。通過(guò)對(duì)于圖書(shū)館結(jié)構(gòu)與人流量分析可知，圖書(shū)館面積較大，即使人流量在高峰階段也較為適中，門(mén)在應(yīng)急疏散時(shí)影響因素較小發(fā)生擁擠的概率較小，故可以在特定模塊使用SEPE模式。但從本設(shè)計(jì)決定性方面考慮，Steering這種模式能更好模擬人員疏散時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景。

此外在構(gòu)建相關(guān)情景建模前，對(duì)該館火災(zāi)、煙流蔓延特征進(jìn)行分析。該館整體呈長(zhǎng)方形，1-4層的各層平面圖近似“7”字形。易著火區(qū)域?yàn)槊繉娱営[書(shū)庫(kù)，由于長(zhǎng)方形的構(gòu)造特點(diǎn)使得火災(zāi)在整體蔓延上發(fā)散性強(qiáng)且范圍較廣，同時(shí)煙流散入同層其他房間的時(shí)間在沒(méi)有障礙的前提下較其他場(chǎng)所也大量減少。故而易著火區(qū)的火災(zāi)、煙流蔓延特征有成型快、蔓延廣、火勢(shì)猛等特點(diǎn)。此外不同樓層之間發(fā)生火災(zāi)，其疏散情景建模結(jié)果差別較大。

3.1 建筑建模

首先根據(jù)某高校圖書(shū)館的建筑設(shè)計(jì)的平面圖，在 Pathfinder的2D視圖下構(gòu)單線(xiàn)條仿真平面模型，如圖1。在上一步驟的基礎(chǔ)上，將全部的疏散樓層組合，為仿真模型的3D 結(jié)構(gòu)構(gòu)建整體框架如圖2所示。

圖1 單線(xiàn)條一層模型

圖2 立體圖模型

3.2 人物建模

高校圖書(shū)館人員火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬的假設(shè)條件如下：

(1) 疏散人員按圖書(shū)館各層最高峰人數(shù)布置，人物肩寬為50.0 cm，身高平均1.7 m，其余為普通默認(rèn)設(shè)置。

(2) 忽略人員個(gè)體差異，假設(shè)其意識(shí)清醒，行動(dòng)能力正常。人員比例分布青年男性40%，青年女性40%，中老年人20%。由于圖書(shū)館不屬高層建筑，在疏散時(shí)無(wú)消防電梯，故設(shè)置人物在疏散時(shí)只能從門(mén)與樓梯逃生而不可使用普通電梯。

(3) 人物日常走路平均速度1.2 m/s，疏散時(shí)平均疏散速度為2 m/s，并設(shè)定人員反應(yīng)加速時(shí)間、持續(xù)時(shí)間，且分區(qū)內(nèi)人物隨機(jī)分布，人員行為模式采用Streeing模式。

3.3 情景建模

針對(duì)不同的著火位置和安全門(mén)開(kāi)閉情況，進(jìn)行情景模擬，設(shè)置情景如下：

(1) 情景一：模擬二三樓書(shū)庫(kù)著火(未開(kāi)啟內(nèi)部樓梯安全出口與校史館出口)

(2) 情景二：模擬四五層書(shū)庫(kù)著火(未開(kāi)啟內(nèi)部樓梯安全出口與校史館出口)

(3) 情景三：模擬四五層書(shū)庫(kù)著火(開(kāi)啟全部安全疏散出口)

4 疏散模擬分析

4.1 疏散的時(shí)間時(shí)序分析

根據(jù)marchant提出的避難理論，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，整個(gè)行人疏散過(guò)程與火災(zāi)擴(kuò)散的時(shí)序關(guān)系[6]如圖3所示:

圖3 marchant避難理論

Tp:行人感應(yīng)火災(zāi)發(fā)生所需時(shí)間，即從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警時(shí)間，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為60 s；Tr:行人做出反應(yīng)所需時(shí)間；Ta:人員反應(yīng)后采取行動(dòng)所需時(shí)間；Ts:行人從建筑中疏散出去達(dá)到安全地點(diǎn)所需時(shí)間；Tf:可用的安全逃生時(shí)間(又稱(chēng)“避難允許時(shí)間”)Tr+Ta:避難前置時(shí)間，即火災(zāi)識(shí)別后人員準(zhǔn)備疏散的響應(yīng)時(shí)間，即火災(zāi)識(shí)別后到人員疏散行動(dòng)開(kāi)始 之前的響應(yīng)時(shí)間Tc，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為120 s，見(jiàn)公式(1)。

Tc=Tr+Ta°Tp+Tr+Ta

(1)

為從火災(zāi)發(fā)生到人員開(kāi)始疏散的疏散開(kāi)始時(shí)間Tst見(jiàn)公式(2)。

Tst=Tp+Tc

(2)

避難逃生總時(shí)間RSET為，見(jiàn)公式(3)。

RSET=Tst+αTs

(3)

式中，α為安全系數(shù)．(主要考慮人員從著火點(diǎn)，全部疏散至供人員疏散用的封閉樓梯間、室外樓梯的入口和首層直通室外的樓梯入口或者直通室外的門(mén)的過(guò)程中的不確定性因素，對(duì)人員移動(dòng)時(shí)間的影響．提出設(shè)定，α=1.5)。故圖書(shū)館內(nèi)所有行人成功疏散逃生的條件為(公式4):

Tp+Tr+Ta+Ts≤Tf

(4)

即，RSET≤ASET[7]。

預(yù)計(jì)得td+tPRE=25+35=60 s

根據(jù)煙氣及火災(zāi)相關(guān)知識(shí)，設(shè)定ASET為300 s[8]。

4.2 仿真疏散結(jié)果與分析

在完成以上模擬所需參數(shù)后，即可開(kāi)始本次動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。根據(jù)Pathfinder模擬分析結(jié)果，三種情況下成功疏散人數(shù)隨時(shí)間變化圖如圖4、圖6、以及圖8所示，其中縱坐標(biāo)為圖書(shū)館內(nèi)人數(shù)，橫坐標(biāo)為疏散總時(shí)間。三種情況下各樓層全部人員的疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖4 疏散人數(shù)變化圖一

圖5 疏散門(mén)流量一

圖6 疏散人數(shù)變化圖二

圖7 疏散門(mén)流量二

圖8 疏散人數(shù)變化圖三

表2 各情景人員全部疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2.1 情景一：模擬二三樓書(shū)庫(kù)著火(未開(kāi)啟內(nèi)部樓梯安全出口與校史館出口)

根據(jù)模擬結(jié)果如圖4，圖5所示，按最高峰人數(shù)，統(tǒng)計(jì)疏散時(shí)間以及各門(mén)疏散人數(shù)如下：

① 五層人員全部疏散時(shí)間為31 s，四層人員全部疏散時(shí)間為104 s，三層人員全部疏散時(shí)間為132 s，二層人員全部疏散時(shí)間為145 s，一層人員也即全部人員疏散時(shí)間為196 s。

② 疏散樓梯使用分配：南側(cè)樓梯256人，北側(cè)樓梯315人，財(cái)務(wù)室樓梯250人，分揀室樓梯159人，內(nèi)部樓梯190人，雙梯230人。

③ 疏散安全出口疏散人數(shù)分布：南側(cè)疏散安全出口222人，北側(cè)疏散安全出口362人，圖書(shū)館正門(mén)疏散出口286人，財(cái)務(wù)室疏散出口190人，校史館疏散出口人85人，分揀室疏散出口120人，內(nèi)部疏散出口135人。

綜合以上結(jié)果，在情景一條件下進(jìn)行的疏散模擬，人員疏散時(shí)間253 s，加上設(shè)定的響應(yīng)時(shí)間等不確定因素的60 s[9]，共計(jì)RSET共計(jì)313 s，大于ASET的300 s預(yù)計(jì)時(shí)間，此時(shí)的疏散非常危險(xiǎn)。分揀室樓梯與內(nèi)部樓梯的作用時(shí)間短，使用人數(shù)少；而東西側(cè)樓梯較為擁擠。

4.2.2 場(chǎng)景二：模擬四五層書(shū)庫(kù)著火(未開(kāi)啟內(nèi)部樓梯安全出口與校史館出口)

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，按最高峰人數(shù)，統(tǒng)計(jì)疏散時(shí)間以及各門(mén)疏散人數(shù)如下：

① 五層人員全部疏散時(shí)間為40 s，四層人員全部疏散時(shí)間為125 s，三層人員全部疏散時(shí)間為140 s，二層人員全部疏散時(shí)間為162 s，一層人員也即全部人員疏散時(shí)間為176 s。

② 疏散樓梯使用分配：南側(cè)樓梯178人，北側(cè)樓梯299人，財(cái)務(wù)室樓梯150人，分揀室樓梯140人，內(nèi)部樓梯186人。

③ 疏散安全出口疏散人數(shù)分布：南側(cè)疏散安全出口256人，北側(cè)疏散安全出口323人，圖書(shū)館正門(mén)疏散出口251人，財(cái)務(wù)室疏散出口182人，校史館疏散出口人85人，分揀室疏散出口120人，內(nèi)部疏散出口183人。

綜合以上結(jié)果，在情景二條件下進(jìn)行的疏散模擬，人員疏散時(shí)間196 s，加上設(shè)定的響應(yīng)時(shí)間等不確定因素的60 s[9]，共計(jì)RSET共計(jì)256 s，小于ASET的300 s預(yù)計(jì)時(shí)間，此時(shí)的疏散較為安全，但仍有很多隱患。

4.2.3 場(chǎng)景三：模擬四五層書(shū)庫(kù)著火(開(kāi)啟全部安全疏散出口)

按最高峰人數(shù)，根據(jù)模擬結(jié)果顯示，按最高峰人數(shù)，統(tǒng)計(jì)疏散時(shí)間以及各門(mén)疏散人數(shù)如下：

① 五層人員全部疏散時(shí)間為40 s，四層人員全部疏散時(shí)間為116 s，三層人員全部疏散時(shí)間為130 s，二層人員全部疏散時(shí)間為145 s，一層人員也即全部人員疏散時(shí)間為164 s。

② 疏散樓梯使用分配：南側(cè)樓梯190人，北側(cè)樓梯199人，財(cái)務(wù)室樓梯146人，分揀室樓梯157人，內(nèi)部樓梯180人。

③ 疏散安全出口疏散人數(shù)分布：南側(cè)疏散安全出口229人，北側(cè)疏散安全出口264人，圖書(shū)館正門(mén)疏散出口296人，財(cái)務(wù)室疏散出口157人，校史館疏散出口人103人，分揀室疏散出口136人，內(nèi)部疏散出口215人。

綜合以上結(jié)果，在情景三條件下進(jìn)行的疏散模擬，人員疏散時(shí)間164 s，加上設(shè)定的響應(yīng)時(shí)間等不確定因素的60 s[9]，共計(jì)RSET共計(jì)224 s，小于300 s的預(yù)計(jì)時(shí)間，此時(shí)疏散為安全狀態(tài)。由于開(kāi)啟了所有疏散出口，可明顯看出在火災(zāi)發(fā)生前期人員撤離未發(fā)生極為擁堵的狀態(tài)。且與場(chǎng)景一與場(chǎng)景二相比，之前擁擠的北側(cè)樓梯人員流動(dòng)也明顯得到舒緩。二樓的大量人員分流至內(nèi)部樓梯、雙梯、分揀室樓梯，同時(shí)也降低了疏散引導(dǎo)人員的負(fù)擔(dān)。場(chǎng)景三即是本疏散設(shè)計(jì)中所要要求的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步通過(guò)軟件模擬的方法驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行及有效性。

5 結(jié)論

(1) 圖書(shū)館發(fā)生火災(zāi)時(shí)影響人員疏散的主要因素為疏散通道內(nèi)人員的擁擠與疏散程度。當(dāng)前圖書(shū)館管理現(xiàn)狀不能滿(mǎn)足火災(zāi)時(shí)人員安全疏散的要求，一旦發(fā)生火災(zāi)將造成重大人員傷亡。圖書(shū)館應(yīng)對(duì)管理人員進(jìn)行更多安全疏散方面的培訓(xùn)。

圖9 疏散門(mén)流量三

(2) 在日常管理中應(yīng)確保全部的安全疏散出口可開(kāi)啟，且不堆積雜物。根據(jù)模擬場(chǎng)景一、二與場(chǎng)景三的對(duì)比可以清晰地認(rèn)識(shí)到安全門(mén)的重要性。

(3) 圖書(shū)館兩側(cè)門(mén)對(duì)圖書(shū)館的安全疏散有一定影響，建議安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)，確保在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能及時(shí)打開(kāi)[11]。同時(shí)定期檢查各項(xiàng)疏散設(shè)備的可靠性，防止意外發(fā)生時(shí)。設(shè)備的好壞直接決定了RSET的大小，有時(shí)盡管撤離迅速，但門(mén)出現(xiàn)故障，滅火器用不了等因素而導(dǎo)致前期反應(yīng)加長(zhǎng)。

(4) 要建立健全管理機(jī)制和責(zé)任機(jī)制，通過(guò)有效的措施加強(qiáng)管理。在廣大師生中要進(jìn)行使用防火器材的普及教育，并要組織消防演習(xí)。