張 晉，李炎鋒，代寶乾，李俊梅

(1.北京工業(yè)大學(xué) 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124；2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所 城市有毒有害易燃易爆危險源控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100054)

0 引言

與軌道交通建設(shè)相結(jié)合的地下空間綜合開發(fā)在發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，這也是我國城市中心開展地鐵建設(shè)的趨勢[1]。目前我國地鐵建設(shè)初期多以車站為主，周邊地下空間的建設(shè)與開發(fā)在車站運營后才進(jìn)行。在連通型地下空間綜合開發(fā)尤其是商業(yè)開發(fā)時，其消防設(shè)計往往只注重自身的消防系統(tǒng)設(shè)計[2-3]，忽略了商業(yè)開發(fā)對既有地鐵運營安全的影響。車站疏散能力的研究多集中在車站本身，通過建立各類模型來模擬車站的疏散過程[4-7],研究建筑因素[8]及火災(zāi)因素[9-12]對人員疏散的影響。這些研究忽略了連通型地下空間商業(yè)開發(fā)對既有地鐵車站疏散能力影響，由于地下空間與車站連通，地下空間商業(yè)開發(fā)會吸引更多的客流，可能對車站人員疏散產(chǎn)生不利影響，因此，在開發(fā)連通型地下空間時，應(yīng)充分考慮其投入使用后是否會對車站疏散產(chǎn)生不利影響，防止連通型地下空間商業(yè)開發(fā)對既有地鐵車站帶來風(fēng)險。

本文針對某連通型地下商業(yè)的開發(fā)，從疏散時間及疏散過程擁堵情況等角度研究其對既有車站應(yīng)急疏散能力的影響，提出避免或降低連通型地下空間商業(yè)開發(fā)對車站疏散帶來不利影響的措施，以期為此類連通型地下商業(yè)開發(fā)利用和地鐵運營安全運行提供技術(shù)支持。

1 研究方法

本文通過觀測G車站獲取了客流參數(shù)，然后利用仿真軟件模擬不同突發(fā)條件下G車站人員疏散的過程。通過設(shè)置不同工況，對比商業(yè)開發(fā)前后地鐵車站人員疏散的差異，分析連通型地下商業(yè)開發(fā)對既有車站應(yīng)急疏散能力影響。

1.1 某地鐵車站及連通型地下商業(yè)建筑介紹

G車站在規(guī)劃時預(yù)留有1處連通型地下空間，后期欲對此地下空間進(jìn)行商業(yè)開發(fā)，新建商場。商場及車站站廳均位于G車站地下1層，站臺層位于車站地下2層。未進(jìn)行商業(yè)開發(fā)前，G車站與外界連通的出入口有4處，編號為X，Y，O和P。商業(yè)空間自身與外界連通的出入口有1個，編號為Z。具體見圖1。

圖1 G車站與商場示意Fig.1 Schematic diagram of G station and shopping mall

1.2 軟件及模型原理介紹

此研究采用仿真軟件STEPS進(jìn)行疏散模擬，STEPS是基于元胞自動機模型編輯而成的可視三維疏散軟件，目前廣泛應(yīng)用于地鐵、飛機場、辦公樓、大型購物中心等場所的人員疏散模擬[13]。元胞自動機模型將平面均勻地劃分為多個單獨的矩形網(wǎng)格。每個網(wǎng)格被定義為1個單元。每個人只可以占用1個單元，反之，每個單元每次只能被1個人占用。疏散過程為人員由1個單元移動到下1個單元，直到移動到目標(biāo)區(qū)域。

STEPS計算的疏散時間T等于實際步行時間Trw和實際排隊時間的總和Trq。

T=Trw+Trq

(1)

其中，實際步行時間可表示為：

Trw=Tw-Taw

(2)

Tw=D/V

(3)

Taw=D2/V

(4)

式中：Tw為在沒有排隊條件的情況下到達(dá)出口所需的步行時間，s；Taw為修正的步行時間，s；D為人到出口的距離，m；D2代表人到達(dá)排隊的隊尾時人與出口之間的距離，m；V代表人的行走速度，m/s。

實際排隊時間可表示為：

Trq=Tq-Taq

(5)

Tq=N/I

(6)

Taq=N2/I

(7)

式中：Tq是指在當(dāng)前人員到達(dá)隊列之前，如果沒有人離開平面時的排隊時間，s；N表示在當(dāng)前人員之前到達(dá)出口的人數(shù)；N2是當(dāng)前人員到達(dá)隊尾前離開平面的人數(shù)；I表示出口的疏散能力，人/s；Taq表示修正的排隊時間,s。

1.3 工況設(shè)定

商場與車站之間的防火卷簾未落下(故障或非火災(zāi)場景)時，商場與車站處于連通狀態(tài)，商場開業(yè)可能會對車站的疏散產(chǎn)生影響。本文通過設(shè)定商場出口及列車到站的不同狀態(tài)來研究防火卷簾未落下時商場開業(yè)是否影響車站的疏散能力，各種工況見表1。

1.4 參數(shù)的設(shè)定

1)人員尺寸及步速設(shè)定

通過連續(xù)7 d觀測G車站的乘客得到人員組成比例及步行速度，成年男性和女性的速度分別為1.35 m/s和1.15 m/s，這與Li[14]、郭雩[15]的調(diào)研結(jié)果接近。人員個體生理尺寸采用《中國成年人人體尺寸》(GB 10000—1988)中規(guī)定的尺寸，具體見表2。

表1 工況編號Table 1 List of cases numbers

表2 乘客組成比例、速度及個體尺寸Table 2 Composing proportions, speeds and individual dimensions of passengers

2)人員載荷設(shè)定

G車站2018年最大半小時進(jìn)出站客流量為3 447人，其中進(jìn)站1 602人。列車到站間隔為3 min，因此車站疏散人數(shù)可設(shè)為345人(3 447人÷1 800 s×180 s)，其中站臺候車人數(shù)160人。

列車定員數(shù)為1 408人，因此列車上的疏散人員設(shè)定為1 408人。

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中規(guī)定疏散人員等于建筑面積乘以0.6，此商場面積為4 158 m2，因此商場內(nèi)的疏散人數(shù)設(shè)定為2 495人。具體人員設(shè)定見表3。

表3 各工況人員數(shù)量設(shè)定Table 3 Setting of numbers of passengers in different cases 人

2 結(jié)果分析及討論

各工況下的疏散時間見表4。

表4 各工況疏散時間Table 4 Evacuation time of each case

2.1 2輛車到站時的疏散分析

1)工況A1疏散分析

工況A1疏散過程如圖2所示。

從圖2可以看出，突發(fā)事件發(fā)生后，列車及站臺層人員迅速向通往站廳的樓梯處疏散，并在樓梯底部產(chǎn)生擁堵，一直持續(xù)至站臺層人員疏散完畢；站廳層人員迅速向各個出入口疏散，各出口未出現(xiàn)擁堵。737 s時，站臺層人員疏散完畢。整個疏散過程的瓶頸是站臺層通往站廳層的樓梯底部。

圖2 工況A1疏散過程截圖Fig.2 Screenshots of evacuation process under case A1

2)工況B1疏散分析

突發(fā)事件發(fā)生后，站臺層的疏散情況與工況A1相同；站廳層人員向各出口疏散，商場內(nèi)人員迅速向X，Y及Z出口疏散，并迅速在這3個出口樓梯底部產(chǎn)生擁堵。隨著疏散的進(jìn)行， Z出口樓梯底部的擁堵現(xiàn)象逐漸消失，X及Y出口樓梯底部的擁堵現(xiàn)象一直持續(xù)。737 s時，站臺層人員疏散完畢，846 s時全部人員疏散完畢。這個疏散過程中，O，P出口無擁堵，Z出口樓梯底部擁堵只持續(xù)一段時間。X及Y出口樓梯底部是影響疏散時間的主要因素。

3)工況C1疏散分析

工況C1下車站的疏散過程與工況B1相同，但X及Y出口樓梯底部的擁堵情況更加嚴(yán)重，這2處是影響疏散時間的主要因素。

4)疏散過程分析

圖3為2車到站時疏散人員隨時間變化曲線。由圖3可知，商場開放后O及P出口疏散人數(shù)不變，X及Y出口疏散人數(shù)增加。圖4為2車到站時出口排隊人數(shù)隨時間變換曲線。由圖4可知，工況A1中X及Y出口樓梯無人員排隊。工況B1和C1中X及Y出口樓梯出現(xiàn)人員排隊，產(chǎn)生擁堵。因此，當(dāng)商場開業(yè)后，無論Z出口是否開放，X及Y出口均產(chǎn)生擁堵。工況C1排隊時間較工況B1長,說明當(dāng)Z口不開放時，X及Y出口擁堵情況更嚴(yán)重。

圖3 2車到站時疏散人數(shù)隨疏散時間變化Fig.3 Number of evacuees against evacuation time when two vehicles arrival

圖4 2車到站時出口排隊人數(shù)隨時間變化Fig.4 Number of people queueing against evacuation time when two vehicles arrival

2.2 上行車到站時的疏散分析

上行車到站時，疏散人數(shù)隨時間的變化曲線如圖5所示，出口排隊人數(shù)隨時間變化曲線如圖6所示。圖3與圖5曲線趨勢相同，圖4與圖6曲線趨勢相同，說明上行車到達(dá)時車站的疏散過程與2車到達(dá)時的疏散過程類似。商場開業(yè)前，車站4個出口均無擁堵。商場開業(yè)后，X及Y出口產(chǎn)生擁堵。當(dāng)Z出口不開放時，X及Y出口擁堵更嚴(yán)重。

圖5 上行車到站時疏散人數(shù)隨疏散時間變化Fig.5 Number of evacuees against evacuation time on upward vehicle arrival

圖6 上行車到站時出口排隊人數(shù)隨疏散時間變化Fig.6 Number of people queueing against evacuation time on upward vehicle arrival

2.3 結(jié)果分析

不同工況下各出口的疏散時間與疏散人數(shù)分別如圖7～8所示。

圖7 不同工況下各出口的疏散時間Fig.7 Evacuation time of each exit under different cases

圖8 不同工況下各出口的疏散人數(shù)Fig.8 Number of evacuees of each exit under different cases

由圖7～8可知，下行車到站時各個出入口疏散時間與疏散人數(shù)與上行車到達(dá)時基本相同，下行車到站時的疏散過程與上行車到站時相同。車站站臺層通向站廳層的兩側(cè)樓梯疏散時間和疏散過程相同。以北側(cè)樓梯為研究對象分析商場開業(yè)對站臺層的影響，其中，站臺北側(cè)疏散樓梯的疏散時間如圖9所示，站臺北側(cè)樓梯處人員排隊數(shù)量隨時間變化曲線如圖10所示。

由圖9～10可以看出，商場開業(yè)前后，站臺層的疏散時間基本不變，疏散瓶頸處排隊人數(shù)基本相同，說明商場的開業(yè)對站臺層的疏散無影響。

圖9 站臺北側(cè)疏散樓梯的疏散時間Fig.9 Evacuation time of evacuation through stair on north side of platform

圖10 站臺北側(cè)樓梯處人員排隊數(shù)量隨時間變化Fig.10 Number of people queueing at stair on north side of platform against evacuation time

由圖8可以看出，當(dāng)商場開業(yè)后，O及P出口疏散人數(shù)與疏散時間與商場開業(yè)前基本相同，X及Y出口的疏散人數(shù)及疏散時間明顯增加。這說明商場開業(yè)后，主要影響了X及Y出口的疏散，對O及P出口的疏散無影響。

由2.1，2.2部分可知，無論商場是否開業(yè)，車站內(nèi)的人員全部由O，P，X及Y出口進(jìn)行疏散。商場開業(yè)對O，P疏散無影響，因此，商場開業(yè)前后車站內(nèi)人員通過X及Y出口疏散的人數(shù)不變。車站內(nèi)的疏散路線及人員步行速度均不變，所以車站內(nèi)人員在單位時間內(nèi)到達(dá)X，Y出口的人數(shù)不變，分別設(shè)其值為V站-X，V站-Y。商場開業(yè)前經(jīng)X，Y出口疏散的人員全部為車站內(nèi)人員。商場開業(yè)后，經(jīng)X，Y出口疏散的人員由車站內(nèi)人員和商場內(nèi)人員組成，則：

(8)

(9)

表5 各工況X及Y出口疏散人數(shù)Table 5 Number of people queueing at stair on north side of platform against evacuation time

由圖7可知，當(dāng)商場未開業(yè)時，O，P，X，Y出口的疏散時間基本相同，且各個出口無擁堵，各個出口利用合理。當(dāng)商場開業(yè)且出口全部開放時，Z出口疏散時間與疏散人數(shù)明顯少于X及Y出口的疏散時間與疏散人數(shù)，出口利用不均衡。當(dāng)商場開業(yè)且Z出口不開放時，O及P出口疏散時間與疏散人數(shù)明顯少于X及Y出口的疏散時間與疏散人數(shù)，出口利用不均衡。

《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)及NFPA130(2017版)要求站臺區(qū)人員疏散至安全區(qū)域的時間不大于6 min，但以上2個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均未對安全區(qū)域進(jìn)行具體明確。日本《鐵道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，火災(zāi)時站臺人員疏散至地面的時間不超過10 min。參照日本《鐵道技術(shù)規(guī)范》，商場開業(yè)前，車站人員疏散時間為8 min 23 s，滿足《鐵道技術(shù)規(guī)范》的要求。商場開業(yè)后，疏散時間均大于12 min,不滿足《鐵道技術(shù)規(guī)范》。

綜上所述，當(dāng)商業(yè)開業(yè)后，新增了X及Y出口2個擁堵點，增加了車站人員的疏散時間。因此，商場開業(yè)將對應(yīng)急疏散產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論與建議

1)商場在站廳層，商業(yè)開發(fā)不會對站臺層的疏散過程產(chǎn)生影響，但會對站廳層的疏散產(chǎn)生不利影響。

2)有列車到站時，商業(yè)開發(fā)對O及P出口的疏散無影響，但增加了X及Y出口的疏散人數(shù)及疏散時間，使這2個出口樓梯底部產(chǎn)生擁堵。Z口開放時，X及Y出口的疏散人數(shù)及疏散時間比Z口關(guān)閉時的少。

3)針對商業(yè)開發(fā)可能對車站帶來的不利影響，結(jié)合商場及車站運營的實際情況，建議商場和Z出口應(yīng)同步啟用，以減少突發(fā)事件發(fā)生時X及Y口的疏散人數(shù)；在商場及車站設(shè)置工作人員，同時利用視頻監(jiān)控與應(yīng)急廣播，引導(dǎo)車站內(nèi)乘客向各個出口均勻疏散，避免出現(xiàn)因各出口人員疏散不均衡造成局部人員過度擁擠，引發(fā)擁擠踩踏事故等情況的發(fā)生。