王志濤副教授 李軼杰

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 北京城市與工程安全減災(zāi)中心，北京 100124)

0 引言

城市公共場(chǎng)所人群高度聚集、流動(dòng)性大，緊急狀態(tài)時(shí)常發(fā)生群死群傷的擁擠踩踏事故，造成大量人員傷亡和惡劣的社會(huì)影響[1]。2008年汶川地震時(shí)中小學(xué)校受損嚴(yán)重，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，之后國(guó)家針對(duì)建筑抗震性能提升完善了相應(yīng)的法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223-2008)規(guī)定：“幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂的抗震設(shè)防類(lèi)別應(yīng)不低于重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)”，保障其在遭遇地震影響時(shí)主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重破壞[2]。教學(xué)樓作為災(zāi)后避難場(chǎng)所或避難建筑也引發(fā)了廣泛的討論[3-6]，但從防災(zāi)避難功能角度看，僅保障建筑結(jié)構(gòu)安全還難以滿足安全疏散的需求。由于教學(xué)樓屬于人員密集場(chǎng)所，且其使用者主要為年齡小、躲避災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)不足的學(xué)生，災(zāi)害發(fā)生時(shí)極易造成出口和疏散通道擁堵、疏散時(shí)間延長(zhǎng)甚至踩踏事件等發(fā)生而加劇災(zāi)害損失。因此，研究在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)如何保障教學(xué)樓內(nèi)高密度人員的安全疏散具有重要意義[7]。

由于火災(zāi)、地震等突發(fā)事件頻繁發(fā)生，公共場(chǎng)所人群疏散問(wèn)題備受關(guān)注，疏散模擬技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善[8]。張立紅[9]等根據(jù)行人到出口的距離、出口行人密度兩方面的因素，得出了出口選擇模型；田水承[10]等對(duì)出入口形狀與疏散時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行了研究并得出了最有利于疏散的出入口形狀；袁江瀅[11]等對(duì)高校宿舍樓在不同火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散過(guò)程進(jìn)行分析，提出了樓梯位置設(shè)計(jì)的建議；李勃衡[12]等對(duì)高校教學(xué)樓5種不同場(chǎng)景下的人員疏散情況進(jìn)行模擬，并提出了高校教學(xué)樓教室布置方案以及學(xué)生課程的調(diào)整方案；王靜[13]等通過(guò)對(duì)高校圖書(shū)館的疏散模擬，指出了樓梯內(nèi)人員疏散速度是影響整體疏散時(shí)間的主要原因。A.Cuesta[14]研究了教學(xué)樓人員疏散情況，并對(duì)疏散數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)了影響建筑物疏散性能的因素。

教學(xué)樓對(duì)外出入口和疏散樓梯梯段寬度是影響內(nèi)部人員快速疏散的重要因素，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮疏散需求對(duì)其出入口和樓梯寬度進(jìn)行合理優(yōu)化是保障災(zāi)害時(shí)人員安全疏散的重要方面。本文選取某高中教學(xué)樓為研究對(duì)象，利用仿真軟件Pathfinder建立其模型，通過(guò)變換出入口位置，改變樓梯梯段寬度等不同方式，分別進(jìn)行了人員疏散仿真模擬，并對(duì)其影響進(jìn)行了分析，以期為該類(lèi)建筑緊急疏散設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 Pathfinder軟件功能簡(jiǎn)介

Pathfinder是由美國(guó)Thunderhead Engineering公司開(kāi)發(fā)的一款基于人員疏散和移動(dòng)模擬的仿真器，可模擬在常態(tài)和緊急情況下人員的疏散情況。該軟件為用戶提供了仿真模擬設(shè)計(jì)和運(yùn)行的圖形用戶界面，以及用于結(jié)果分析的2D和3D可視化工具[15]。Pathfinder在建模過(guò)程中，房間、樓梯、出口及疏散人員等均可進(jìn)行仿真模擬，疏散人員會(huì)根據(jù)環(huán)境的改變做出響應(yīng)。同時(shí)，Pathfinder支持兩種移動(dòng)仿真模擬，在Steering模式里，門(mén)不會(huì)限制人群的流動(dòng)，并且人與人之間會(huì)保持一個(gè)合理的疏散間距；在SFPE模式里，人們并不會(huì)試圖去避開(kāi)對(duì)方，會(huì)相互擁擠，但是門(mén)會(huì)限制人群的流動(dòng)，并且人員的移動(dòng)速度由空間中的人員密度控制。

1.2 教學(xué)樓概況

選取某高中教學(xué)樓為研究對(duì)象(平面圖布置，如圖1)，該教學(xué)樓平面為“回”字形，總長(zhǎng)度54.2m，總寬度49.2m，內(nèi)部為31.5m×31.5m的中庭。教學(xué)樓共4層，層高為3.9m，每層設(shè)有8間容納60人的普通教室，男女衛(wèi)生間各兩個(gè)，辦公室以及多功能教室等空間。其中教室尺寸均為10.5m×7.5m，每間教室設(shè)有前后兩個(gè)出入口，門(mén)洞寬度均為1m，除此之外，一層每間教室還設(shè)有兩個(gè)直接對(duì)外的出入口，寬度同樣為1m。一層公共出入口寬度為4m，出入口處設(shè)置門(mén)廳，門(mén)廳尺寸為12m×8.6m，廊道凈寬度為2.7m，樓梯分別位于教學(xué)樓的四角位置，樓梯間紅線寬度為3.7m。

1.3 基礎(chǔ)模型與場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)上述教學(xué)樓平面圖，在Pathfinder中建立相應(yīng)的模型。一般情況下，教學(xué)樓內(nèi)人員最密集時(shí)刻為學(xué)生集中上課時(shí)間，因此，本文將模擬學(xué)生上課時(shí)突發(fā)災(zāi)難的疏散場(chǎng)景，每間教室均勻設(shè)置60名學(xué)生，共計(jì)1 920人(忽略教師數(shù)量)，每名學(xué)生的肩寬為42cm，疏散速度為1.2m/s。

2 出入口對(duì)疏散時(shí)間的影響分析

2.1 疏散模型設(shè)定

疏散模型的設(shè)定基于以下假設(shè)：

(1)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，教學(xué)樓內(nèi)的人員優(yōu)先選擇距離對(duì)外出入口最近的路線進(jìn)行逃生，在遇到過(guò)于擁擠的情況時(shí)，一些人員會(huì)選擇其他路線。

(2)位于大廳處的公共出入口可供教學(xué)樓內(nèi)所有人員疏散使用，而與單獨(dú)教室相聯(lián)系的出入口可能無(wú)法為整棟教學(xué)樓的人員提供疏散服務(wù)——如果在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，一層教室與廊道之間的門(mén)未安全打開(kāi)，那么一層教室對(duì)外出入口只能供本教室人員疏散使用，其余由樓上疏散下來(lái)的人員，只能通過(guò)大廳處的公共出入口即1號(hào)門(mén)疏散到室外,如圖2。但是，如果在災(zāi)害發(fā)生時(shí)一層教室與廊道之間的門(mén)可以安全打開(kāi)，那么一層教室對(duì)外出入口可作為整棟教學(xué)樓的疏散出口使用，如圖3。

圖2 一層教室門(mén)不可作為疏散出口Fig.2 Classroom doors on the first floor cannot be used as evacuation exits

圖3 一層教室門(mén)可作為對(duì)外出口Fig.3 Classroom doors on the first floor can be used as evacuation exits

本文通過(guò)調(diào)整一層對(duì)外出入口的設(shè)置方式，建立不同的模型(見(jiàn)表1)，分別進(jìn)行疏散實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比疏散過(guò)程以及所用疏散時(shí)間，為出入口設(shè)置方案提供參考。

表1 疏散模型介紹Tab.1 Introduction to evacuation model

2.2 模擬結(jié)果分析

模型A：疏散開(kāi)始后，一層教室的所有人員通過(guò)教室對(duì)外的出入口(2號(hào)門(mén)、3號(hào)門(mén))疏散到室外，約在疏散開(kāi)始26.5s時(shí)一層教室內(nèi)的人員疏散完畢；位于二、三、四層教學(xué)樓西側(cè)教室的人員，利用疏散樓梯1、2進(jìn)行疏散，位于東側(cè)教室的人員，利用疏散樓梯3、4進(jìn)行疏散，約在疏散開(kāi)始后40s時(shí)，幾乎所有人員離開(kāi)教室，與樓梯最靠近的教室門(mén)處有少量人員未能疏散出去。這時(shí)，教學(xué)樓內(nèi)的樓梯全部產(chǎn)生了擁堵(如圖4)，各個(gè)樓層樓梯處匯聚的人員數(shù)量大致相等，擁堵時(shí)間一直持續(xù)到第186s，總疏散時(shí)間為274s。通過(guò)對(duì)疏散模擬仿真視頻的觀察可以發(fā)現(xiàn)，由疏散樓梯3、4疏散到一樓的人員，基本上通過(guò)穿越最靠近樓梯的教室2、3號(hào)門(mén)疏散到室外，而由疏散樓梯1、2疏散到一樓的人員，則通過(guò)穿越最靠近樓梯的教室或由公共出入口疏散到室外。

圖4 疏散開(kāi)始40s時(shí)樓梯擁堵情況Fig.4 Stair congestion at the beginning of evacuation for 40s

模型B：此模型中假定的場(chǎng)景為一層教室與廊道之間的門(mén)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，并且處于教室內(nèi)的人員在災(zāi)害發(fā)生后未將門(mén)開(kāi)啟，這時(shí)二層及以上人員無(wú)法穿越教室疏散到室外。在疏散開(kāi)始后35s，所有樓梯產(chǎn)生擁堵，并且由于由樓梯3、4疏散的路程較長(zhǎng)，因此較多人員選擇由樓梯1、2疏散，這就使得樓梯1、2聚集大量人員(如圖5)，擁堵情況較為嚴(yán)重。之后位于隊(duì)尾的人員，又折返選擇走東側(cè)樓梯進(jìn)行逃生，樓梯的總擁堵時(shí)間長(zhǎng)達(dá)204s。由樓梯3、4疏散下來(lái)的人員需要通過(guò)一層廊道從公共主入口1號(hào)門(mén)疏散到室外，整個(gè)過(guò)程中一層廊道未出現(xiàn)擁堵情況，疏散過(guò)程順暢，但是公共出入口1號(hào)門(mén)處出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)90s的擁堵(如圖6)，整體疏散時(shí)間長(zhǎng)達(dá)318.8s，相比模型A，延長(zhǎng)了約44s。從疏散過(guò)程可以看出，對(duì)于學(xué)校教學(xué)樓這類(lèi)人員密度大且人員分布較為固定的場(chǎng)所來(lái)說(shuō)，應(yīng)制定災(zāi)害逃生應(yīng)急預(yù)案并加強(qiáng)平時(shí)災(zāi)害疏散演練，使得學(xué)生在災(zāi)害發(fā)生后能夠第一時(shí)間選擇預(yù)先制定的路線逃生，避免產(chǎn)生疏散樓梯使用不均勻、大量人員擁堵在一處使得疏散時(shí)間延長(zhǎng)從而帶來(lái)的傷亡可能性。

圖5 疏散開(kāi)始35s時(shí)擁堵情況示意圖Fig.5 Schematic diagram of congestion at 35s after evacuation begins

圖6 出入口擁堵示意圖Fig.6 Exit congestion diagram

模型C：通過(guò)對(duì)模型C疏散過(guò)程的觀察可以看出，由于由樓梯3、4疏散到一層后可以直接到達(dá)室外，大部分人員會(huì)選擇從樓梯3、4疏散(如圖7)，但是由于樓梯3、4較為擁擠，部分位于隊(duì)尾的人員會(huì)選擇轉(zhuǎn)向樓梯1、2進(jìn)行疏散。在疏散開(kāi)始的100s內(nèi)，部分一層人員以及由樓上疏散下來(lái)的人員，會(huì)選擇從靠近樓梯3、4的出入口進(jìn)行疏散，這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較嚴(yán)重的擁堵情況(如圖8)，但是在100s之后，原來(lái)位于一層的人員全部疏散完畢，之后4號(hào)門(mén)、5號(hào)門(mén)兩個(gè)出入口疏散較為順暢。公共出入口1號(hào)門(mén)在整個(gè)疏散過(guò)程中，并未產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象。因此建議在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將疏散樓梯與主要出入口相鄰設(shè)置，若疏散樓梯數(shù)量較多，則可以采用部分疏散樓梯與出入口相鄰設(shè)置，在其余疏散樓梯處設(shè)置次要出入口的方式，以大幅縮短災(zāi)后疏散時(shí)間。

圖7 擁堵情況示意圖Fig.7 Schematic diagram of congestion

模型D：疏散開(kāi)始后，一層教室中的人員會(huì)有一少部分通過(guò)4號(hào)門(mén)、5號(hào)門(mén)進(jìn)行疏散，其余人員由教室對(duì)外的出入口2、3號(hào)門(mén)進(jìn)行疏散。二、三、四層的人員，由樓梯3、4疏散下來(lái)到達(dá)一樓后，基本會(huì)選擇從樓梯處的出入口，即4號(hào)門(mén)或5號(hào)門(mén)疏散到室外(如圖9)；由樓梯1、2疏散下來(lái)的人員到達(dá)一樓后，一少部分從公共出入口1號(hào)門(mén)疏散，另外的人員會(huì)選擇穿越靠近樓梯的教室，由2號(hào)門(mén)或者3號(hào)門(mén)疏散到室外。在圖9所示的5個(gè)門(mén)中，4號(hào)門(mén)與5號(hào)門(mén)人員通行數(shù)量最多，其次是2號(hào)門(mén)與3號(hào)門(mén)，作為公共出入口的1號(hào)門(mén)的人員通行數(shù)量最少。模型D在4個(gè)模型中門(mén)的數(shù)量最多，但是總的疏散時(shí)間與模型C相差并不大。

圖8 出入口擁堵示意圖Fig.8 Exit congestion diagram

圖9 出入口擁堵示意圖Fig.9 Exit congestion diagram

將A、B、C、D 4個(gè)模型不同疏散階段對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)，可以看出，模型C與D在各個(gè)階段的疏散時(shí)間基本重合，這表明在原教學(xué)樓基礎(chǔ)上增設(shè)4號(hào)門(mén)、5號(hào)門(mén)兩個(gè)對(duì)外出入口，一層教室對(duì)外出入口2、3號(hào)門(mén)無(wú)論是否設(shè)置，疏散過(guò)程及疏散總時(shí)間基本上保持不變。同時(shí)可以看出，模型C的疏散時(shí)間相比于模型A略短，表明在疏散樓梯3、4處設(shè)置4號(hào)門(mén)與5號(hào)門(mén)兩個(gè)出入口，與在一層各教室設(shè)置對(duì)外出入口2、3號(hào)門(mén)對(duì)人員疏散起到了相同的促進(jìn)作用。在模型B的場(chǎng)景下疏散時(shí)間最長(zhǎng)，分析其原因是由于出入口數(shù)量較少，人員到達(dá)一層后不能夠及時(shí)疏散到室外，導(dǎo)致人員在樓梯上的擁堵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，最終使整個(gè)疏散時(shí)間延長(zhǎng)了約50s。

表2 不同疏散階段對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間Tab.2 Evacuation time corresponding to different evacuation phases

3 樓梯梯段寬度對(duì)疏散時(shí)間的影響

以上在研究出入口對(duì)疏散時(shí)間的影響時(shí)，雖然模型A、C與D的出入口的總數(shù)量與總寬度均不相同，但是總疏散時(shí)間卻基本保持不變，因此可以確定在這3種狀態(tài)下，出入口不再是影響疏散時(shí)間的主要因素。通過(guò)觀察整個(gè)疏散過(guò)程，發(fā)現(xiàn)樓梯處是造成人員擁堵的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且擁堵時(shí)間較長(zhǎng)，因此本文進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整樓梯梯段寬度來(lái)研究其對(duì)疏散時(shí)間的影響。

根據(jù)《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50099-2011)的要求：“中小學(xué)校教學(xué)用房的樓梯梯段寬度應(yīng)為人流股數(shù)的整數(shù)倍。梯段寬度不應(yīng)小于1.20m，并應(yīng)按0.60m的整數(shù)倍增加梯段寬度。”前文中所使用的A-D 4個(gè)模型的樓梯梯段寬度均為1.8m，利用模型C作為基礎(chǔ)模型，將梯段寬度增加0.6m后設(shè)定為模型E，即模型E的梯段寬度為2.4m。對(duì)模型E進(jìn)行10次疏散仿真模擬，記錄總疏散時(shí)間并計(jì)算其平均值，得出模型E的疏散總疏散時(shí)間為242.5s。

根據(jù)以上對(duì)模型C與模型E的對(duì)比分析可以看出，將樓梯梯段寬度擴(kuò)大0.6m之后，總疏散時(shí)間縮短了26.5s，疏散效率提高了近10%，見(jiàn)表3。而模型C疏散過(guò)程中樓梯擁堵時(shí)長(zhǎng)約為150s，模型E疏散過(guò)程中樓梯擁堵時(shí)長(zhǎng)約為128s，相比模型C縮短了22s，與總疏散時(shí)間的縮短時(shí)間26.5s量級(jí)上基本持平。由此可以得知，在教學(xué)樓對(duì)外出入口足夠的情況下，樓梯擁堵是造成疏散時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的主要因素，因此，當(dāng)建筑物疏散時(shí)間不滿足要求時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)加寬樓梯梯段寬度的方式來(lái)縮短疏散時(shí)間。

表3 不同疏散階段對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間Tab.3 Evacuation time corresponding to different evacuation phases

4 結(jié)論

利用Pathfinder軟件可以模擬不同情境下的人員疏散情況，本文通過(guò)改變教學(xué)樓出入口和樓梯梯段寬度作為設(shè)定模型開(kāi)展模擬仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比分析不同場(chǎng)景下的人員疏散過(guò)程和疏散時(shí)間，表明不同的出入口布局方式和樓梯梯段寬度均會(huì)對(duì)緊急情況下人員疏散有著重要的影響。因此，該類(lèi)建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮出入口設(shè)置方式，選擇合適的樓梯梯段寬度，同時(shí)加強(qiáng)緊急疏散引導(dǎo)標(biāo)識(shí)建設(shè)和應(yīng)急疏散演練，以確保突發(fā)事件發(fā)生時(shí)人員的安全疏散。