李 倩，魯祥友，景艷陽，李德輝，方 武

（安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥230601，E-mail：1073022310@qq.com）

隨著人類社會物質(zhì)水平的不斷提升，城市化進程不斷加快，土地資源短缺問題日漸凸顯，越來越多的高層建筑崛地而起。豎向空間的利用有效緩解了城市資源不足，但也帶來了很多問題。高層建筑開發(fā)費用高，防震能力低，逃生路線長，火災危險性大。尤其是發(fā)生火災進行人員疏散時，存在巨大風險[1]。

為了減小高層建筑火災發(fā)生概率和降低高層建筑火災發(fā)生后的事故嚴重程度，20 世紀70 年代起，許多學者開始針對高層建筑火災中使用電梯疏散的可行性進行研究[2，3]。Yutae Lee 等[4]對電梯系統(tǒng)進行建模和分析，研究了高峰期的往返時間，并推導出了大廳中疏散人員排隊長度、往返時間、等待時間、乘電梯時間和行程時間的分布函數(shù)。Yuanchun Ding 等[5]通過Pathfinder 建模仿真研究了結(jié)合樓梯和電梯的高層建筑疏散策略。N.Cai 等[6]認為超高層建筑中疏散時長是主要的安全隱患，電梯在火災疏散中起了關鍵作用，通過分析煙氣擴散和壓力分布，對電梯采用不同的加壓系統(tǒng)排煙設計來解決火災時煙氣擴散到電梯系統(tǒng)中的問題。張鴻武[7]對上海中心大廈作為研究對象，研究了使用電梯作為輔助疏散技術，對使用消防疏散的電梯提出了防火、防煙、防排水、供電等一系列輔助消防電梯運行安全的措施。宋文華等[8]闡述了高層建筑在火災情況下人員疏散的復雜性，指明了高層建筑傳統(tǒng)的疏散方式及其存在的主要問題，提出了使用電梯疏散的可行性并指出對消防電梯不足的改進措施。胡傳平等[9]采用電梯疏散ELVAC 模型和樓梯疏散SIMULEX 模型，分析了電梯數(shù)量、人員分布等對電梯疏散的影響。張鵬等[10]研究了高層建筑的疏散電梯系統(tǒng)EEES，通過風險評估得出電梯是比樓梯更加安全的逃生工具。以上研究分析了高層建筑在火災中利用電梯疏散的可行性，為高層建筑在火災中使用電梯樓梯協(xié)同疏散提供了一些理論依據(jù)。

Andree 等[11]認為，在高層建筑中僅使用疏散樓梯向下移動會有明顯的疲勞感，對于一些老人和行動不便者更是難上加難，當他們使用樓梯沿著高樓層向下移動時，需要停下來休息。因此，為了協(xié)助行動不便的人，已經(jīng)確定在高層建筑中使用撤離電梯作為撤離樓梯的補充是一種可能的解決方案。在911 事件中，世界貿(mào)易中心第二座大樓的疏散電梯僅72s 就救出了31 名世貿(mào)中心工作人員[12]。許多著名的高層建筑，例如哈利法塔，雙子塔和尤里卡塔，都已經(jīng)采用了電梯疏散策略[13]。研究表明，在高層建筑發(fā)生火災的情況下，使用電梯撤離是可行的。但是，有關電梯在高層建筑火災中的疏散理論和模型尚未成熟，仍有許多問題（如最佳疏散策略、總疏散時間的控制及電梯樓梯協(xié)同疏散等）對高層建筑的可行性需要進一步探討[14]。因此，為了研究高層建筑中使用電梯/樓梯協(xié)同疏散的最佳策略，本文利用疏散仿真軟件Pathfinder 對某醫(yī)院的行政辦公樓人員疏散進行了仿真疏散模擬。

1 仿真方法

Pathfinder 是由美國公司開發(fā)的一款利用計算機技術圖形仿真并加入游戲角色領域技術的人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)。Pathfinder 作為一個以人物為基礎的模擬器，通過對人員參數(shù)如人員數(shù)量、人員密度、人員特征、運動速率等，進行定義來實現(xiàn)模擬過程中不同人員參數(shù)下，其逃生路徑與疏散時間的不同。該軟件除了自身建模以外還支持CAD文件、FDS 文件的導入，對于BIM 模型，可以經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導入該軟件，提升了研究人員的工作效率。

Pathfinder 軟件在對人員進行疏散仿真時有兩種基本的人員運動方式可供選擇：SFPE 模式和Steering 模式。SFPE 模式顧名思義遵循SFPE 準則，即密度決定速度，寬度決定流量，它考慮具體的人的運動行為，當疏散對象遇到較為擁堵的疏散出口時，例如在即將通過的樓梯或是門的人員密度過大，疏散人員就會忽略即將通過的疏散出口走向附近的其他疏散門；Steering 模式是一種疏散人員只會選擇離自己最近的疏散門的就近法則疏散模式，無論這個疏散出口多么擁擠，有多少人在排隊等候，疏散人員都不會去考慮其他疏散口。相比較SFPE 模式，疏散人員選用Steering 模式更為真實，當人員間距與最近點路徑超過系統(tǒng)預設值時，系統(tǒng)就會重新規(guī)劃新的路徑，此時，每個疏散人員的運動軌跡都會發(fā)生一些改變。考慮到人群在緊急情況下的疏散逃生容易因為害怕、恐懼、跟風的心理會出現(xiàn)某一疏散出口的擁堵現(xiàn)象，因此本文仿真模擬均采用Steering 模式。

2 仿真實驗參數(shù)設置及疏散方案設置

2.1 模型制作過程

首先將本實驗的Revit 模型導入Pathfinder，方法如下：

第一步，將Revit 模型調(diào)整為三維視圖并隱藏除去建筑和結(jié)構(gòu)以外的族。

第二步，處理好的三維模型導出成CAD 選項中的DWG 或者DWF 格式，如圖1 所示。

圖1 Revit 模型格式轉(zhuǎn)換

第三步，打開Pathfinder，點擊Import，導入DWG 格式文件，如圖2 所示。

圖2 導入Pathfinder 中的Revit 模型

第四步，設置樓層高度，隱藏樓板，進行房間的繪制或利用軟件中自動生成房間功能完成房間創(chuàng)建。

第五步，房間創(chuàng)建結(jié)束，設置疏散出口，樓梯。最后隱藏導入模型，得到如圖3 所示疏散模型。

圖3 轉(zhuǎn)化后的疏散模型

圖2 是將轉(zhuǎn)換好格式的Revit 模型導入到Pathfinder 軟件之后的三維模型，圖3 為實驗用醫(yī)院行政辦公樓應急疏散模型，共15 層，1~4 層為裙樓，5~15 為標準層，每層層高為4.0m。實驗要求目標：發(fā)生緊急情況時需盡快將所有被困人員疏散至地面安全區(qū)域。

2.2 電梯參數(shù)

（1）電梯疏散的優(yōu)先級順序從上往下，為方便比對，電梯不?？糠菢藴蕦印?/p>

（2）電梯的釋放層為一層，在模擬開始階段，電梯在釋放層開始運行。

（3）一旦電梯已經(jīng)接載了人員，在人員出電梯之前它將只前往釋放樓層，而不前往任何其他樓層去接任何人，也就是說即使非滿員也不會?？酷尫艑右酝獾臉菍?。

2.3 人員參數(shù)

圖4 為Pathfinder 人員密度分布。本實驗中，總計疏散1280 人，其中老人10%，小孩10%，成年人80%。具體分布為：一層大廳不設人，二、三層會議室設置280 人，4~15 層設置每層60 人。為了方便實驗數(shù)據(jù)的比對，1~4 層有單獨疏散出口，不影響5~15 層疏散結(jié)果。表1 為人員行進速度及體形參數(shù)。

圖4 Pathfinder 人員密度分布

表1 人員行進速度及體形參數(shù)

2.4 疏散方案設置

考慮處于高層的人員，一是沒有足夠的體力進行長距離的下行疏散；二是長距離的下行疏散人員速度會逐漸變慢，降低疏散效率，而電梯在垂直方向上的疏散速度快的特點使得處于高層的人員適合使用電梯疏散。為了得到最佳疏散策略，不僅要考慮疏散時間還要考慮疏散效果，疏散過程中應避免樓梯間產(chǎn)生長時間的擁堵現(xiàn)象[15]。本文提出以下疏散策略，并對其疏散效果進行比較分析，以期找到最佳疏散方案。

方案一：設置所有人員都使用樓梯疏散或都使用電梯進行疏散。其中使用電梯疏散策略設置了3種不同參數(shù)，L1 為設置一部電梯荷載為20 人，加速度1.5m/s2，最大運行速度2.5m/s；L2 為設置兩部電梯，電梯1 荷載為20 人，電梯2 荷載為13 人，加速度1.5m/s2，最大運行速度2.5m/s；L3 為設置一部電梯荷載為20 人，加速度1.5m/s2，最大運行速度5m/s。

方案二：設置5~15 層總?cè)藬?shù)的10%、20%、30%、40%、50%比例使用電梯進行向下疏散，與方案一進行比對。

方案三：設置n 層及n 層以上每層總?cè)藬?shù)的10%、20%、30%、40%、50%比例使用電梯進行向下疏散，找到最佳疏散樓層以及最佳疏散比例。

3 高層建筑電梯樓梯協(xié)同疏散結(jié)果分析

3 種方案實驗仿真結(jié)果如下：

（1）方案一仿真結(jié)果及分析。從圖5 以及表2中可以看出，全部使用樓梯的疏散時間為616.775s；全部使用電梯進行疏散，其中L1 的疏散時間為2149.375s；L2 的疏散時間為1711.525s；L3 的疏散時間為2145.575s?？梢缘贸鼋Y(jié)論：一是全部使用樓梯的疏散時間比全部使用電梯策略中L1 全部使用電梯進行疏散會大大增加疏散時間，電梯只能作為輔助疏散的工具；二是通過L1，L2，L3 的數(shù)據(jù)比較可以得出提高電梯最大運行速度可以減少總疏散時間，但是增加一部電梯比單純增加電梯最大運行速度要更加有效。

圖5 L1，L2，L3 情況下疏散時間和疏散人數(shù)關系圖

表2 全部使用樓梯進行疏散

（2）方案二仿真結(jié)果及分析?？紤]到電梯只能作為輔助疏散的工具，設置不同比例的人數(shù)乘坐電梯進行疏散。以10%為間隔，設置每層總?cè)藬?shù)的10%、20%、30%、40%、50%乘坐電梯進行疏散。不同比例下的疏散總時長如表3 所示。

表3 不同比例下的疏散總時長

通過分析圖6，在0~150s 時P1、P2、P3、P4、P5 疏散效率基本一致，此時大約有600 人已經(jīng)成功疏散完畢，在大約150s 之后曲線出現(xiàn)差異，其中P1、P2、P3 較為契合，P2 疏散效率最佳，疏散時間最短，P4、P5 疏散效率顯著降低。出現(xiàn)這種情況的一部分原因是，大約在150s 左右，1~4 層的人員通過專用疏散通道已疏散完畢，另外一個原因是，電梯荷載有限，造成很多人擁堵在疏散電梯門口排隊等待。在150s~350s 時，觀察P4、P5 兩條曲線，P5 疏散效率明顯優(yōu)于P4，但在350s 之后，P5 疏散效率驟降，結(jié)合仿真動畫觀察到，通過樓梯進行疏散的人員已經(jīng)疏散完畢，但處于5~7 層的人員仍然在疏散電梯門口進行排隊等待，造成了疏散時間的浪費，P5 比P4 等待電梯的人員比例更多，這就解釋了在350s 之后P5 疏散效率明顯低于P4。分析表3 可知。當取5~15 層總?cè)藬?shù)20%的人員乘坐電梯進行疏散，疏散時間為665.5s，疏散時長最短。但仍比全部通過樓梯進行疏散多了48.7s，說明樓梯資源沒有被充分利用，每一層都按比例使用電梯進行疏散會造成疏散資源的浪費和疏散時間的增加。

圖6 疏散時間與疏散人數(shù)關系圖

（3）方案三仿真結(jié)果及分析。為了得出最佳疏散結(jié)果，在方案二結(jié)果的基礎上，以第n 層為基準，令n 層及第n 層以上不同比例人員利用電梯進行疏散，其余人員通過樓梯進行疏散。疏散比例以10%為間隔，最高疏散比例為50%。第n 層及n 層以上使用電梯的人員比例為X%，記為Nn-X%。例如，第5 層及5 層以上（5~15 層）使用電梯進行疏散的人員比例為10%，記為N5-10%。不同疏散策略下疏散總時長如表4 所示。

表4 不同疏散策略下疏散總時長（方案三）

仿真結(jié)果如圖7 所示。分析圖7（a）可知，在高層中某幾層使用電梯進行疏散會大大縮短總疏散時間，n 大于等于11 時最為明顯。當n 值取11時，N11-10%，也就是11 層以上人員的10%使用電梯進行疏散，總疏散時長為456.5s，比僅通過樓梯進行疏散的時間縮短了160.3s，疏散時間減少了26.0%，最后一個通過電梯疏散完畢與最后一個通過樓梯疏散完畢的人員相差74.4s；當n 取12 時，N12-10%，總疏散時長為407.8s，疏散時間最短。比僅通過樓梯進行疏散的時間縮短了209s，疏散時間減少了33.9%，最后一個通過電梯疏散完畢與最后一個通過樓梯疏散完畢的人員相差97.7s。得出結(jié)論：當n 值取12 時疏散時間最短，當n 取11 時疏散時差相對較短。也就是12~15 層有10%的人員通過電梯進行疏散，其余人通過樓梯進行疏散，可得到最短疏散時長，11~15 層有10%的人員通過電梯進行疏散，其余人通過樓梯進行疏散，疏散效果相對較好。

分析圖7（b）20%比例，可以得到和10%幾乎相似的結(jié)論，其中N11-20%整體疏散時間為386.0s，比僅通過樓梯進行疏散的時間縮短了230.8s，疏散時間減少了37.4%，最后一個通過電梯疏散完畢與最后一個通過樓梯疏散完畢的人員僅相差2.7s，此時樓梯資源和電梯資源可以得到充分利用。雖然N12-20%整體疏散時間為398.5s，比N11-20%只多了12.5s，但該組數(shù)據(jù)的樓梯電梯疏散時間差為84.6s，疏散效果不佳。

如圖7（c）、（d）、（e），最佳疏散樓層也集中在n 大于等于11 的幾種策略里，并且各種比例的最佳疏散策略的總疏散時長并無明顯差距，分析原因可能與電梯荷載相關，兩部電梯總荷載數(shù)33人，而標準層每層有60 名疏散人員，也就是說即使通過電梯的疏散比例為50%，電梯的工作總次數(shù)也無明顯差異，所以不同比例下最后一個通過電梯進行疏散完畢的時間總是相似。對比圖6 分析圖7，幾種不同疏散策略仿真結(jié)果，同時結(jié)合逃生個體數(shù)量隨時間的變化圖可以得出結(jié)論，最初，幾種比例逃生狀態(tài)和逃生效率差別不大，在180s 之后，疏散曲線開始明顯分層，更加驗證了電梯樓梯協(xié)同疏散的重要性，每一層都使用電梯進行疏散在疏散后期疏散效率會大打折扣，其遺留逃生個體數(shù)量也明顯大于最佳疏散策略，不僅造成了疏散時間上的浪費還會造成人員擁堵。綜上，對比不同比例的疏散策略，不同比例的最佳疏散策略在疏散總時長上并無較大差異，但是其疏散效果存在很大差異，其中N11-20%總疏散時間最短，疏散效果也最佳，是方案三眾多疏散策略里的最佳疏散策略。

圖7 不同比例下疏散時間與疏散人數(shù)關系圖（方案三）

部分疏散策略樓梯、電梯疏散時間如表5 所示。

表5 部分疏散策略樓梯、電梯疏散時間

4 結(jié)語

本文對某醫(yī)院行政辦公樓進行了樓梯/電梯協(xié)同疏散模擬。結(jié)果表明：對于高層建筑電梯可以作為協(xié)同疏散的輔助工具，提高電梯最大運行速度可以減少總疏散時間，但是增加一部電梯比單純增加電梯最大運行速度要更加有效。設置每層電梯都使用總?cè)藬?shù)的固定比例（10%、20%、30%、40%、50%）進行疏散的時候，樓梯資源不易被充分利用，同時每一層都使用電梯進行疏散會造成疏散資源的浪費和疏散時間的增加。當設置n 層及n 層以上每層總?cè)藬?shù)的10%、20%、30%、40%、50%比例使用電梯進行向下疏散，存在最佳疏散樓層N11 及最佳疏散比例20%，最后一個通過電梯疏散完畢與最后一個通過樓梯疏散完畢的人員僅相差2.7s，此時樓梯資源和電梯資源都得到充分利用，此方法可以為相關高層建筑火災疏散策略決策提供一定參考依據(jù)。