丁元春， 劉星星， 李文建， 李琦

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

近幾年多次發(fā)生高校食堂火災(zāi)，引起社會的廣泛重視， 如：2018 年12 月北京航空航天大學(xué)食堂發(fā)生火災(zāi)[1]；2019 年6 月19 日凌晨上海大學(xué)閘北和寶山兩校區(qū)食堂先后發(fā)生火情；2020 年4 月7 日上午河北師范大學(xué)匯華學(xué)院南院區(qū)學(xué)生食堂發(fā)生火災(zāi)。 食堂在就餐高峰期人流量大，若發(fā)生火災(zāi)人員疏散十分不易。在火災(zāi)危險的狀況下，容易發(fā)生嚴(yán)重的踩踏事故最終導(dǎo)致財產(chǎn)損失和人員傷亡[2]。近年來國內(nèi)外不少學(xué)者針對高校食堂火災(zāi)及人員疏散進(jìn)行研究，例如：文獻(xiàn)[3]基于Pathfinder 軟件對疏散的過程出口瓶頸現(xiàn)象進(jìn)行研究，得出當(dāng)疏散人員人數(shù)較多時，出口總寬度不變的情況下出口數(shù)量越少越有利于人員疏散等結(jié)論；文獻(xiàn)[4]利用Anylogic軟件考慮恐慌心理對高校食堂疏散進(jìn)行仿真模擬得出，與不考慮恐慌心理相比考慮恐慌影響導(dǎo)致疏散時間延長1.3 倍；文獻(xiàn)[5]以北京某高校食堂為例，利用元胞自動機(jī)研究大學(xué)食堂中每個行人的運(yùn)動，對食堂在不同情況下的安全性能和效率進(jìn)行了評估；文獻(xiàn)[6]基于元胞自動機(jī)研究了緊急情況是大學(xué)食堂中的人員對出口選擇行為；文獻(xiàn)[7]研究午餐高峰期某高校食堂的人流統(tǒng)計特征構(gòu)建模型再現(xiàn)高校食堂高峰時段復(fù)雜的交通現(xiàn)象；文獻(xiàn)[8]利用Pathfinder 仿真模擬研究了門的開度對人群疏散的影響， 得出當(dāng)門張開角度115°至135°時最有利于人員疏散；文獻(xiàn)[9]基于Pathfinder 研究了不同樓梯形式的疏散能力，得出“雙飛型樓梯”的抗障礙物性能優(yōu)于“分叉型樓梯”；文獻(xiàn)[10]利用FDS 研究了高校食堂火災(zāi)煙氣擴(kuò)散特性及運(yùn)動規(guī)律，得出火災(zāi)發(fā)展到穩(wěn)定階段時，火場溫度、能見度、煙氣層高度都隨窗地比呈非線性變化；文獻(xiàn)[11]利用Pahfinder 模擬不同出口形狀、群體人員構(gòu)成比例、人員初始位置， 得出出口的形狀對疏散效率有明顯的影響，其中“V”形出口的疏散時間最短；文獻(xiàn)[12]研究了公共場所行人運(yùn)動的特點(diǎn)，得出公共場所人員緊急疏散時有明顯的從眾心理。上述研究主要考慮了單一因素如：心理因素、樓梯的形式、出口的個數(shù)及位置、出口形狀以及出口處導(dǎo)流墻對食堂人員緊急疏散的影響， 對多因素作用的聯(lián)合影響研究鮮有涉及，而且未提出有效方案以提高食堂的疏散效率。本文以合肥某高校食為研究對象， 該食堂長約56 m，寬約 32 m， 共上下兩層， 就餐高峰期人數(shù)維持在1000 人左右，且經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計上、下兩層就餐人數(shù)比約為 1∶1。 基于 Pathfinder 研究改變食堂結(jié)構(gòu)、疏散人員的分布以及增加樓梯對疏散效率聯(lián)合影響， 并針對食堂這類結(jié)構(gòu)的建筑提出高效的疏散方案。

1 食堂火災(zāi)人員疏散仿真模型建立

1.1 食堂模型

該食堂長約 56 m，寬約 32 m，共上下兩層，就餐高峰期人數(shù)維持在1000 人左右， 且經(jīng)過調(diào)查上、下兩層就餐人數(shù)比約為1∶1。 就餐者多為學(xué)生，及少量教師、家屬和校內(nèi)工作人員。 食堂共兩層且結(jié)構(gòu)對稱，每層高4 m，東西長56 m，南北長32 m，總占地面積約 3600 m2。 內(nèi)部東側(cè)為切配間、炒菜間、蒸飯間、菜房、冷庫、配電間、倉庫、更衣室、打菜區(qū)等，西側(cè)為衛(wèi)生間、辦公室和吧臺，中間大面積為就餐大廳。建筑物有兩個室內(nèi)樓梯間，東側(cè)有為方便工作人員搬運(yùn)貨物而設(shè)置的兩個出口，南側(cè)面朝研究生公寓僅有一個出口。 根據(jù)測量南出口2 m，北出口2 m。 經(jīng)過對食堂內(nèi)部布置的相對簡化， 得出整體結(jié)構(gòu)平面如圖1。 用 Pathfinder 軟件創(chuàng)建模型食堂二層模型圖2。

圖1 食堂平面視圖

圖2 食堂二層模型

圖1 中A 區(qū)域?yàn)槲鞅笔彝鈽翘?，B 區(qū)域?yàn)楸背隹冢珻 區(qū)域?yàn)榫筒痛髲d，D 區(qū)域?yàn)槟铣隹凇?圖 2 各功能區(qū)與圖1 相對應(yīng)。

1.2 人員模型

根據(jù)實(shí)地調(diào)研， 食堂內(nèi)共有工作人員 60 名，年齡在25 歲到50 歲之間。食堂在就餐時間人員結(jié)構(gòu)比較單一，以年輕的學(xué)生為主。 因此設(shè)置人員分為兩類：青年男和青年女。

1）設(shè)置人員肩寬

由于男性和女性的體型有很大的差距，所以本文依據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國成年人人體尺寸》，選用中國人的身形，表 1 和表 2 分別給出了詳細(xì)數(shù)據(jù)。

表 1 18～60 歲人體尺寸（男）

表 2 18～60 歲人體尺寸（女）

男、 女最大肩寬平均值分別對應(yīng)為比例為50%時的數(shù)值為：431，397 mm。

2）設(shè)置人員速度

Pathfinder 軟件默認(rèn)人員最大速度為1.19 m/s，但是實(shí)際上男、女的最大速度是有差別的，且該食堂內(nèi)的人均屬于成年人，本文將男性最高速度設(shè)置為 1.35 m/s，女性最高速度設(shè)為 1.15 m/s。

3）疏散人員數(shù)實(shí)地統(tǒng)計

為了得到更加精確合理的模擬人員數(shù)量和特征，在食堂早中晚三個就餐比較集中的時間段進(jìn)行觀察統(tǒng)計。 根據(jù)實(shí)地觀察，發(fā)現(xiàn)早晨就餐人數(shù)雖多，但大多數(shù)會選擇外帶。 中午就餐人數(shù)最多，座位基本處于爆滿的狀態(tài)，并且還有大部分人在打飯區(qū)域，因此人員爆滿的狀態(tài)會維持很久。所以根據(jù)實(shí)際情況，模擬的人員總數(shù)設(shè)置為1000 名。 該校為理工科高校男女比例為4∶1， 因此在該模型中將男生總?cè)藬?shù)設(shè)置為800 人， 女生總?cè)藬?shù)設(shè)置為200 人。

2 疏散標(biāo)準(zhǔn)

人員安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)[13]：在規(guī)定的時間之內(nèi)將人員安全疏散到建筑物外部，并且期間也沒有因?yàn)槿巳簱矶露斐扇杭录陌l(fā)生。關(guān)于人員的安全疏散涉及兩個概念[14]：可用安全疏散時間tASET和必須安全疏散時間tRSET， 安全疏散判斷標(biāo)準(zhǔn)是：tASET＞tRSET。

2.1 必須安全疏散時間tRSET

必須安全疏散時間[15]是指從起火時刻算到人完全疏散出去的時間，用公式來表示：

其中，ta為探測報警時間；tp為反應(yīng)時間；tm為疏散時間。

探測報警時間指的是火災(zāi)發(fā)展到一定程度時，火災(zāi)環(huán)境中的一些因素引發(fā)了報警裝置作用，從而使人們意識到火災(zāi)來臨的這段時長。 或者人根據(jù)現(xiàn)象，通過聽覺、嗅覺、視覺等意識到火災(zāi)來臨所需要的時長。由此可以看出探測報警時間是由報警裝置的靈敏程度、人的敏感度和火災(zāi)本身的發(fā)展程度而定的。 根據(jù)實(shí)際情況，本文將報警探測時間ta設(shè)為30 s。

反應(yīng)時間tp的確定比較難，因?yàn)槭苋酥黧w影響比較大， 表3 列出典型建筑物中人的反應(yīng)時間[16]。對于本文的研究對象而言，食堂的結(jié)構(gòu)簡單且沒有較大的遮擋物，而且就餐者多為對食堂熟悉的大學(xué)生，從接收到警報到做出反應(yīng)再到準(zhǔn)備疏散的時間很短，因此將tp設(shè)為30 s。

表3 各種典型建筑物設(shè)置的報警裝置下人的反應(yīng)時長 單位：s

表3 中，T1為實(shí)況的聲音轉(zhuǎn)播；T2為非直播聲音系統(tǒng)或者是視覺信號傳播；T3為警笛、 警鈴報警裝置的聲音傳播。

疏散時間tm的確定一些計算模型 （如 Fire-CAMTM、EXIT89、BFIRES 等）進(jìn)行預(yù)測和計算。本文將用Pathfinder 軟件對食堂進(jìn)行仿真模擬，求得疏散時間。

2.2 可用安全疏散時間tASET

tASET是指起火時刻到火災(zāi)對人員安全構(gòu)成危險極限狀態(tài)的時間[17]。 主要是由火災(zāi)發(fā)展的情況（如煙氣和高溫）、 著火建筑物所擁有的滅火裝置和建筑物自身的結(jié)構(gòu)所決定的。

查閱《建筑防火設(shè)計》得知，建筑物的用途不同，誘發(fā)火災(zāi)的原因也不一樣，對于有些較大型的公用建筑來講，里面人員較為復(fù)雜，有老人也有小孩兒，所以這種建筑的耐火等級應(yīng)該規(guī)定為一級或者二級；對于賓館，可燃物較多，人員類型復(fù)雜且旅客對建筑物不太熟悉， 所以這種建筑應(yīng)該定為一級或者二級；而對于就餐人員基本固定，且對環(huán)境又熟悉的高校食堂來講，耐火等級可定為三級[18]。 查閱《安全疏散通道的要求和設(shè)施》得知人員密集的公共建筑，一、二級耐火等級人員疏散時間不應(yīng)超過5 min，三級耐火等級的建筑物不應(yīng)超過3 min。 本文中食堂為耐火等級為三級的人員密集公共建筑，安全疏散允許時間為3 min，因此研究對象食堂的tASET定為 180 s。

3 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)該食堂現(xiàn)有的疏散條件對就餐高峰期時人員疏散進(jìn)行模擬，判斷該食堂容納人數(shù)最多時的安全疏散是否符合要求，如不符合，則通過改變出口寬度、各層人員分布以及增加戶外樓梯等方式使人員疏散時間最終達(dá)到要求。 各工況設(shè)置如表4。

表4 工況設(shè)置

根據(jù)調(diào)查食堂午餐就餐高峰期時一層與二層人數(shù)比約為1∶1，因此工況一中一、二兩層人數(shù)均設(shè)置為500 人， 出口寬度為200 cm， 兩部寬150 cm的室內(nèi)樓梯。 依據(jù)男青年肩寬為42 cm，工況二在工況一的基礎(chǔ)上將出口寬度增加50 cm， 約為一個男性青年的身位。 因?yàn)槭程靡粚幼畲笕菁{量為600人，因此工況三在工況二的基礎(chǔ)上將一、二兩層人數(shù)分配比調(diào)整為 6∶4，及一層 600 人，二層 400 人。為了緩解室內(nèi)樓梯的疏散壓力，工況四在工況三的基礎(chǔ)上在食堂二層南側(cè)增加一部寬150 cm 的室外樓梯。

3.1 工況一模擬結(jié)果及分析

圖 3（a）和圖 3（b）分別顯示了工況一，一層、二層疏散的人員路徑。

從圖 3（a）和圖 3（b）可以看出，人員在緊急疏散時優(yōu)先考慮距離自己較近的出口，食堂擺放的桌椅對疏散路線的選擇具有很大的影響，規(guī)則的擺放桌椅并且桌椅之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x有助于人員的疏散。在疏散時樓層各個出口、樓梯人員密度極大，容易發(fā)生踩踏事件。

圖3 工況一人員疏散路徑

圖4 顯示了各層人員數(shù)量隨時間的變化曲線。從圖4 可以看出來， 該工況疏散耗時tm為180 s，必須安全疏散時間tRSET為240 s， 大于可用安全疏散時間（tASET=180 s）。 該工況下約有 260 人沒有完成疏散。

圖4 工況一各層人員數(shù)量隨時間變化曲線

3.2 工況二模擬結(jié)果及分析

工況二將南北出口寬增加至250 cm， 疏散完畢各層人數(shù)隨時間變化曲線如圖5。

圖5 工況二各層人員數(shù)量隨時間變化曲線

對比圖4 可以看出當(dāng)出口寬度增大至250 cm時，一層人員完成疏散總耗時由140 s 縮短至120 s，節(jié)約時間17%，顯著提高了一層的疏散效率。 但工況二疏散耗時tm為177s, 必須安全疏散時間tRSET為237 s，與工況一相比幾乎沒有變化，依然達(dá)不到安全疏散的要求。 模擬結(jié)果說明，僅擴(kuò)大一層出口寬度雖然提高了一層人員的疏散效率但不能有效地提高建筑整體的疏散效率。

3.3 工況三模擬結(jié)果及分析

工況一、 工況二的人員在上下兩層均勻分布，工況二疏散結(jié)果表明僅改變出口寬顯著提高一層人員疏散效率， 但對整體疏散效率的提高非常有限。因此工況三將在工況二的基礎(chǔ)上對人員進(jìn)行合理分配，一層布置600 人，二層400 人。工況三各層人數(shù)隨時間變化曲線圖如圖6。

圖6 工況三各層人員數(shù)量隨時間變化曲線

該工況疏散總耗時為148 s，相比工況一、工況二，總耗時約減少了30 s?？偸枭⑿侍岣?2%。因?yàn)橐粚尤藬?shù)的增加該工況，一層人員疏散耗時約為140 s 與工況一第一層耗時大致相同。 該工況疏散耗時tm為148 s， 必須安全疏散時間tRSET為208 s，略大于可用安全疏散時間（tASET=180 s）。 該工況下約有90 人沒有完成疏散。

3.4 工況四模擬結(jié)果及分析

工況四在二樓南側(cè)增加一部寬為150 cm 的外部樓梯。 工況四各層人數(shù)隨時間變化曲線圖如圖7 所示。

圖7 工況四各層人員數(shù)量隨時間變化曲線

從圖7 可以看出增加一部戶外樓梯一、二層的疏散效率都明顯提高了。該工況一層未疏散人數(shù)與二層未疏散人數(shù)曲線出現(xiàn)了交叉，因?yàn)槎哟罅康娜藛T通過室外樓梯直接疏散到地面未經(jīng)過一層，緩解了一層疏散時擁堵的情況，加速了一層人員的疏散。而二層人員通過樓梯疏散時的速度慢于一層人員直接通過出口疏散至安全區(qū)域， 因此在40 s 時兩層未疏散人數(shù)相等圖線相交。與工況三相比該工況一層人員的疏散速度有明顯提高。該工況總耗時106 s，必須安全疏散時間 tRSET為 166 s，小于可用安全疏散時間（tASET=180 s）。 該工況下所有人員均完成疏散。

4 結(jié) 論

本文通過Pathfinder 模擬某高校二層食堂突發(fā)緊急情況時憑借現(xiàn)有的疏散條件無法達(dá)到安全疏散的要求。 通過改變一層出口寬度、在總?cè)藬?shù)不變的條件下調(diào)整兩層就餐人數(shù)比例、增加室外樓梯進(jìn)一步探究是否滿足安全疏散條件。由不同工況對比分析得出對于該食堂僅改變出口的寬度對建筑物整體的疏散效率的提高有限。在總疏散人數(shù)不變的條件下，調(diào)整人員分配結(jié)構(gòu)使得二層人數(shù)小于一層人數(shù)能有效地縮短總疏散耗時。通過室外樓梯直接將二層人員直接疏散至地面能極大提高建筑的疏散效率。

在食堂等大空間、結(jié)構(gòu)簡單、人員密度大的建筑設(shè)計中，可以設(shè)置多部室外樓梯使二層人員可以直接疏散至地面提高其疏散效率。