劉 寧，劉文鑫，曲東瀾

(沈陽建筑大學(xué)管理學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

建筑行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，建筑安全生產(chǎn)是建設(shè)項(xiàng)目的核心指標(biāo)，近些年來，頻發(fā)的突發(fā)事故對我國安全管理提出了新的要求與挑戰(zhàn)，同時(shí)也推動(dòng)著我國安全管理的發(fā)展。

我國對于應(yīng)急管理的研究可以概括為形成初期、被動(dòng)發(fā)展期以及提升發(fā)展期3個(gè)階段，現(xiàn)已取得了一定成績。常春光等[1]歸納了應(yīng)急管理過程中應(yīng)急調(diào)度環(huán)節(jié)的各類模型與優(yōu)化算法，指出了應(yīng)急管理的發(fā)展趨勢。李惠玲等[2]構(gòu)建了安全管理成熟度評價(jià)指標(biāo)體系，找出了應(yīng)急管理的薄弱環(huán)節(jié)。但由于建筑施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等原因，涉及建筑施工現(xiàn)場應(yīng)急管理人員疏散的研究較少。

筆者對建筑施工現(xiàn)場安全事故的人員疏散管理開展了系列研究，主要對施工現(xiàn)場總平面圖布局進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)實(shí)際案例建立疏散模型，應(yīng)用仿真軟件AnyLogic進(jìn)行多次疏散模擬。AnyLogic是一款應(yīng)用廣泛的模擬仿真軟件，其人員仿真依托于行人庫，通過行為流程圖構(gòu)建行人移動(dòng)模型，能可視化反映突發(fā)事故應(yīng)急疏散過程，快速計(jì)算疏散結(jié)果并得到相應(yīng)的疏散數(shù)據(jù)。通過疏散仿真結(jié)果分析，仿真模擬技術(shù)能夠優(yōu)化施工現(xiàn)場平面布局，使安全事故發(fā)生時(shí)的安全疏散效率得到顯著提高。

一、施工現(xiàn)場環(huán)境特性

施工現(xiàn)場的應(yīng)急安全環(huán)境主要呈現(xiàn)出以下幾種特性[3-6]：

1.多風(fēng)險(xiǎn)的施工現(xiàn)場

施工現(xiàn)場臨時(shí)設(shè)施多、現(xiàn)場功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普遍需要大量的模板及腳手架、作業(yè)平臺(tái)等，存有較多易燃材料，如不能妥善布置現(xiàn)場結(jié)構(gòu)平面，就會(huì)存在較大的安全隱患。

2.多發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害

建筑施工生產(chǎn)的特殊性主要體現(xiàn)在工期長(多數(shù)需要一年甚至更長時(shí)間)且多為露天作業(yè)，存在不可抗力，如地震、山體滑坡等自然災(zāi)害的隱患。

3.多工種的施工人員

建筑施工包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣等眾多項(xiàng)目，與之相對應(yīng)，完成各類項(xiàng)目的工種繁多。同時(shí)，我國的工程項(xiàng)目總承包多數(shù)采用EPC模式、EPCM模式、D+B模式，現(xiàn)場存在不同分包商，不利于統(tǒng)一管理，容易在應(yīng)急疏散過程中發(fā)生沖突。

4.多目標(biāo)的生產(chǎn)要求

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，一些施工項(xiàng)目為達(dá)成生產(chǎn)目標(biāo)，急于縮短工期、加快進(jìn)度，在質(zhì)量管理、安全管理檢驗(yàn)方面并沒有嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，存在安全隱患。

二、疏散參數(shù)分析

1.應(yīng)急疏散人群參數(shù)分析

Predtechenskii等[7-8]研究密集人群的疏散行為，針對常態(tài)流、舒適流、緊急流3種不同人群的密度，給出了樓梯上行、下行和平直通道人流密度與移動(dòng)速度之間的關(guān)系式(P & M模型)，并給出了緊急流速度增大系數(shù)。

(1)疏散人群在平直通道上的移動(dòng)速度

(1)

其中，D1=NAP÷WLS，N為行走人流中的總?cè)藬?shù)；AP為單個(gè)人的水平投影面積，m2；W為人流的寬度，m；LS為人流的長度，m。適用范圍為0

(2)疏散人群沿樓梯下行的移動(dòng)速度

VD=Xdown×VL

(2)

式中：Xdown為沿樓梯下行時(shí)的修正系數(shù)。

其表達(dá)式為

Xdown=0.755+0.44e-0.39D1down×sin(5.16D1down-0.224)

(3)

(3)疏散人群沿樓梯上行的移動(dòng)速度

VU=XUP×VL

(4)

式中：XUP為沿樓梯上行時(shí)的修正系數(shù)。

其表達(dá)式為

(5)

通常情況下，疏散人員在緊急疏散過程中心理壓力較大，會(huì)導(dǎo)致疏散速度發(fā)生變化，需要應(yīng)用速度增大系數(shù)u1對常態(tài)流情況下的疏散速度進(jìn)行修正。修正后的水平疏散速度V1、樓梯下行時(shí)的速度V2分別為

V1=u1×VL

(6)

V2=u1×VD

(7)

式中：u1=1.49-0.36D1。

2.施工環(huán)境疏散速度修正

由于建筑施工現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，施工現(xiàn)場存在大量的鋼筋綁扎、混凝土澆筑、模板支護(hù)等區(qū)域，疏散人員在此類環(huán)境內(nèi)進(jìn)行疏散時(shí)，速度會(huì)受到障礙物的影響而發(fā)生變化，需要引進(jìn)速度折減系數(shù)u2，對其進(jìn)行修正，即

V3=u2×V1

(8)

式中：u2為施工環(huán)境導(dǎo)致的疏散速度變化的速度折減系數(shù)。

因施工現(xiàn)場存在大量的鋼筋綁扎、模板支護(hù)和混凝土平面區(qū)域，故主要考慮這3種疏散環(huán)境的人流速度。在施工現(xiàn)場已經(jīng)硬化部分(混凝土平面)的疏散可以近似于普通建筑物的疏散，故不需要考慮施工環(huán)境下的速度折減系數(shù)。筆者走訪施工現(xiàn)場，隨機(jī)抽取20名工人，不斷調(diào)整人群密度，進(jìn)行上述3種環(huán)境下30 m小跑的疏散測試，疏散的平均時(shí)間分別為16.2 s，18.9 s，21.1 s，經(jīng)過計(jì)算，得到模板支護(hù)區(qū)域的疏散速度約為已硬化區(qū)域的85.5%，而鋼筋綁扎區(qū)域的疏散速度約為已硬化區(qū)域的77.3%，故筆者將模板支護(hù)區(qū)域及鋼筋綁扎區(qū)域的速度折減系數(shù)設(shè)置為u21=0.855，u22=0.773。

根據(jù)式(1)～式(8)，設(shè)置施工現(xiàn)場疏散人群的移動(dòng)速度，最小值為0.848 m/s，最大值為1.186 m/s，平均值為0.988 m/s，其標(biāo)準(zhǔn)差為1 m/s。

3.應(yīng)急疏散時(shí)間分析

施工現(xiàn)場突發(fā)事故種類較多，各類突發(fā)事故均會(huì)對現(xiàn)場建筑物造成不同程度的危害，影響疏散時(shí)間。突發(fā)事故對在建建筑的毀壞形式主要為建筑結(jié)構(gòu)坍塌及火災(zāi)蔓延[9-10]，二者是危害面積最大的安全事故，需要重點(diǎn)防范。

以tAEST表示突發(fā)事故對施工人員疏散構(gòu)成危險(xiǎn)的臨界值，tREST表示能夠保證施工人員安全撤離作業(yè)面，到達(dá)安全區(qū)域所需要的最短疏散時(shí)間值，故只有當(dāng)tAEST大于tREST時(shí)，施工現(xiàn)場內(nèi)施工人員才能安全疏散。

(1)tAEST

根據(jù)建筑施工現(xiàn)場的特性，可知建筑結(jié)構(gòu)坍塌對施工人員生命安全構(gòu)成最大威脅，施工現(xiàn)場大量的未成形結(jié)構(gòu)構(gòu)件容易遭到破壞，裸露在外的鋼筋和模板極易突然塌陷，現(xiàn)場零散的成品、半成品以及臨時(shí)設(shè)施、施工機(jī)械等隨意堆放，經(jīng)過長期積累，導(dǎo)致場地管理混亂、施工現(xiàn)場空間狹小，會(huì)對場內(nèi)施工人員造成不同程度的危害。

根據(jù)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2014(2018版)對消防安全疏散的規(guī)定，高層建筑的疏散時(shí)間通常按照5～7 min標(biāo)準(zhǔn)，筆者考慮施工現(xiàn)場條件特殊，建筑物易于發(fā)生二次事故，故將其疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為5 min，即300 s。

(2)tREST

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2014(2018版)，安全疏散時(shí)間包括報(bào)警鈴警報(bào)時(shí)間ta、疏散前準(zhǔn)備時(shí)間tpre及疏散行動(dòng)時(shí)間tact，可得所需安全疏散時(shí)間的關(guān)系式為

tREST=ta+tpre+tact

(9)

考慮最不利情況，設(shè)置施工現(xiàn)場報(bào)警鈴警報(bào)時(shí)間ta為5 s。施工現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)突發(fā)事故并做出疏散行為的動(dòng)作之間存在一個(gè)反應(yīng)時(shí)間，即疏散前準(zhǔn)備時(shí)間tpre。由于工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場的特殊性，施工現(xiàn)場要制定合理有效的工程項(xiàng)目現(xiàn)場安全管理制度，做好進(jìn)場前的安全教育與培訓(xùn)工作，使施工人員在應(yīng)對突發(fā)事故時(shí)能更快地進(jìn)入應(yīng)急疏散狀態(tài)，以便降低事故所造成的危害，故將疏散前準(zhǔn)備時(shí)間設(shè)定為3 s。施工人員從作業(yè)面到安全區(qū)域的疏散行動(dòng)時(shí)間tact可以通過仿真模擬過程得到。

三、施工現(xiàn)場疏散模型

1.施工現(xiàn)場首層疏散模型

根據(jù)仿真軟件AnyLogic的應(yīng)用規(guī)則，利用行人庫構(gòu)建施工現(xiàn)場疏散模型，并設(shè)置不同人員疏散行為參數(shù)。建筑施工現(xiàn)場包括場內(nèi)在建建筑、場內(nèi)生活區(qū)以及場內(nèi)辦公區(qū)。項(xiàng)目經(jīng)理部成員主要分布在施工現(xiàn)場，依據(jù)其各自工作職責(zé)及工作內(nèi)容，在工作期間在施工現(xiàn)場進(jìn)行巡視，并每日到會(huì)議室總結(jié)工作。場內(nèi)生活區(qū)包括工人宿舍、廁所、廚房以及食堂。另外，位于場內(nèi)辦公區(qū)的資料室工作人員需全天候在崗，以便于現(xiàn)場施工人員隨時(shí)前來咨詢。利用AnyLogic軟件中時(shí)間表模塊為場內(nèi)人員設(shè)置工作時(shí)間，相應(yīng)信息如表1所示。

表1 相應(yīng)工作人員工作信息

以現(xiàn)場施工人員為例，進(jìn)行具體分析。以Ped Source模塊設(shè)置仿真模型中人員的生成情況；以Ped Select Output模塊設(shè)置模型中不同工人的工作行為情況，可設(shè)置2～5個(gè)出口，反映員工的不同行為路徑；還可以利用Ped Wait模塊控制其在施工現(xiàn)場施工、利用Ped Go To模塊控制其前往食堂就餐和利用Ped Service模塊控制其前往辦公區(qū)匯報(bào)工作等。場內(nèi)邏輯如圖1所示，虛線表示突發(fā)事故時(shí)場內(nèi)的邏輯路線。

圖1 場內(nèi)局部運(yùn)行邏輯

2.施工場內(nèi)在建建筑多層疏散模型

主要介紹建筑模型二層、三層的構(gòu)建，其人員類型為場內(nèi)施工人員。由于AnyLogic軟件不具備樓梯的三維模型搭建功能，為使疏散模擬更直觀、真實(shí)，需以最為接近樓梯臺(tái)階的矩形進(jìn)行繪制。結(jié)合在建建筑比例關(guān)系，根據(jù)層高、梯段長度設(shè)置梯面、踏面寬度和高度。設(shè)置單個(gè)梯段構(gòu)件的參數(shù)后，使用“值編輯器”功能，鍵入代碼使梯段有序上升(見圖2)。

圖2 多層建筑模型效果

根據(jù)AnyLogic軟件規(guī)則，利用Ped Ground Change功能及Ped Area Descriptor 功能，使智能體識(shí)別斜地面并沿斜地面勻速移動(dòng)，模擬施工人員在樓梯上的行動(dòng)過程。

3.緊急疏散設(shè)置

拖入一個(gè)按鈕模塊，用作突發(fā)事故時(shí)間節(jié)點(diǎn)，模擬應(yīng)急疏散過程。利用函數(shù)模塊為場內(nèi)人員設(shè)置疏散路徑，在人員流動(dòng)特性下設(shè)置最短路徑函數(shù)，即突發(fā)事故條件下，場內(nèi)人員優(yōu)先選擇距離最近的出口進(jìn)行疏散。

四、優(yōu)化模型運(yùn)行結(jié)果

1.疏散模型模擬運(yùn)行

選取某公寓建筑項(xiàng)目進(jìn)行施工現(xiàn)場突發(fā)事故應(yīng)急疏散研究，項(xiàng)目共設(shè)置5個(gè)安全出口，在建建筑中自二層通往三層的樓梯共2個(gè)，重大事故發(fā)生時(shí)，二層和三層的作業(yè)人員只能通過樓梯行至一層后由施工場內(nèi)各安全出口進(jìn)行疏散，該施工現(xiàn)場空間結(jié)構(gòu)平面如圖3所示。

圖3 場內(nèi)空間結(jié)構(gòu)平面

通過實(shí)驗(yàn)觀測，人員流動(dòng)狀況模型能夠有效模擬該建筑現(xiàn)場一天內(nèi)的人員流動(dòng)情況。該項(xiàng)目的仿真模擬設(shè)置不同的人員配置方案，開放不同數(shù)量的緊急出口。疏散人員主要分布于辦公區(qū)、生活區(qū)、建筑施工平面以及建筑物內(nèi)多個(gè)作業(yè)面，依據(jù)其特定的時(shí)間表及工作特性進(jìn)行安排，通過疏散過程檢驗(yàn)該模型的合理性，進(jìn)而對施工現(xiàn)場平面布置及場內(nèi)人員配置優(yōu)化情況進(jìn)行對比分析。

(1)施工工作階段模擬

選取6：00作為疏散仿真的開始時(shí)間，施工現(xiàn)場各工種人員正常作業(yè)。利用行人庫中行人密度圖模塊，檢驗(yàn)該項(xiàng)目在不同功能點(diǎn)的行人密度，并依據(jù)行人密度進(jìn)行安全管理優(yōu)化。其施工階段模擬運(yùn)行效果如圖4～圖6所示。

圖4 施工區(qū)域模擬運(yùn)行效果

圖5 生活區(qū)域模擬運(yùn)行效果

圖6 辦公區(qū)域模擬運(yùn)行效果

(2)突發(fā)事故應(yīng)急疏散模擬

選取14：00為場內(nèi)突發(fā)事故時(shí)間點(diǎn)，此時(shí)場內(nèi)勞動(dòng)力總?cè)藬?shù)達(dá)到峰值，為仿真最不利點(diǎn)?，F(xiàn)場事故突發(fā)時(shí)，安全警報(bào)鈴立即進(jìn)入工作狀態(tài)，施工場內(nèi)工作人員開始應(yīng)急疏散。警報(bào)鈴響，即打開緊急出口供場內(nèi)人員應(yīng)急疏散使用，疏散人員優(yōu)先選取距離最近的出口進(jìn)行應(yīng)急疏散。

由于本項(xiàng)目占地面積較大，建筑場內(nèi)共設(shè)置5個(gè)緊急出口，開放不同的緊急出口，便于研究不同出口的利用率及疏散不利點(diǎn)的分布情況。

2.施工人員數(shù)量對疏散效果的影響

施工現(xiàn)場疏散總?cè)藬?shù)對應(yīng)急疏散總時(shí)間存在著直接作用效果。從相應(yīng)參數(shù)分析來看，場內(nèi)疏散總?cè)藬?shù)越多，后疏散的疏散人群能夠安全疏散的可能性越低；場內(nèi)疏散人群的數(shù)量增多會(huì)使人群密集程度加大，導(dǎo)致移動(dòng)速度降低，進(jìn)而影響疏散效率；場內(nèi)疏散人員較多，受緊張、沖動(dòng)等心理因素影響，極易在緊急出口或道路較為狹窄處發(fā)生擁擠、堵塞等情況，導(dǎo)致疏散過程停滯不前。筆者利用AnyLogic軟件對改變場內(nèi)疏散人數(shù)及可應(yīng)用緊急出口組合的情況進(jìn)行仿真模擬，記錄安全疏散所需的時(shí)間(見圖7、圖8)。

圖7 開放5個(gè)出口疏散情況

圖8 整體疏散時(shí)間對比分析

由圖7、圖8可知：

①施工現(xiàn)場突發(fā)事故應(yīng)急疏散時(shí)間隨場內(nèi)疏散總?cè)藬?shù)的增加而不斷增大；

②受場內(nèi)人員分布隨機(jī)性的影響，施工現(xiàn)場突發(fā)事故應(yīng)急疏散時(shí)間與場內(nèi)疏散總?cè)藬?shù)并不呈線性關(guān)系，但可以根據(jù)場內(nèi)疏散總?cè)藬?shù)和回歸線的趨勢粗略地估算施工場內(nèi)突發(fā)事故應(yīng)急疏散時(shí)間；

③當(dāng)施工場內(nèi)疏散總?cè)藬?shù)超過130人時(shí)，疏散時(shí)間-疏散總?cè)藬?shù)曲線的斜率呈階段性上升。通過疏散模擬動(dòng)畫，可以觀察到由于處于在建建筑內(nèi)的人員較多，疏散人員在下樓梯離開在建建筑時(shí)出現(xiàn)了擁堵、停滯的現(xiàn)象，對整體疏散過程造成了較為嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致疏散效率降低、疏散時(shí)間增加。對此，施工單位在編制該工程的施工組織計(jì)劃書時(shí)，應(yīng)盡可能控制在建建筑內(nèi)的人員數(shù)量，將人數(shù)盡可能限制在130人之內(nèi)；

④分別開放D、E出口對總體疏散時(shí)間的影響不大，而當(dāng)疏散人數(shù)逐漸增多時(shí)，C出口對總體疏散時(shí)間的影響較大，因此，當(dāng)總疏散人數(shù)達(dá)到110人以上時(shí)，必須開放C出口，否則會(huì)造成疏散出口擁堵，延誤疏散時(shí)間；

⑤開放5個(gè)安全出口的情況下，該項(xiàng)目所能保證場內(nèi)人員安全疏散的臨界疏散時(shí)間為194.66 s；根據(jù)該曲線可以估算出該工程能保證安全應(yīng)急疏散的最大疏散人群約為110人，要依據(jù)這些數(shù)據(jù)對勞動(dòng)力需求量計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

此外，突發(fā)事故人員疏散會(huì)因從眾、緊張等心理影響，導(dǎo)致人員無法從最近的安全出口進(jìn)行疏散，應(yīng)組織相應(yīng)的入場前安全培訓(xùn)及演練，以降低事故發(fā)生時(shí)的傷亡率。

3.施工平面布置對疏散效果的影響

施工場內(nèi)的突發(fā)事故通常要求場內(nèi)人員快速實(shí)施疏散行為，以免遭受二次事故的傷害，因此，對疏散時(shí)限要求嚴(yán)格。由于建筑施工現(xiàn)場生產(chǎn)的特殊性，施工現(xiàn)場存在大量的臨時(shí)設(shè)備(如混凝土攪拌站、砂漿攪拌站、水池等)，會(huì)成為疏散過程中疏散行為的障礙物，在一定程度上影響場內(nèi)人員對最短疏散路徑的選擇。模型運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，場內(nèi)的混凝土攪拌站及大型器具等均會(huì)阻礙場內(nèi)人群疏散，場內(nèi)施工人員必須繞過此類臨時(shí)建筑。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在建建筑內(nèi)施工人員較多，但只有一個(gè)樓梯通向外界，對應(yīng)急疏散造成很大影響。而當(dāng)施工現(xiàn)場突發(fā)事故時(shí)，避難是非常緊迫的，要求施工人員必須快速找到疏散通道，由最短距離行進(jìn)。因此，在這個(gè)前提下，施工場內(nèi)的臨時(shí)設(shè)備、大型機(jī)具?？繑[放位置應(yīng)盡可能靠邊安置或集中安置，避免阻擋場內(nèi)施工人員疏散通道；在建建筑應(yīng)設(shè)置兩個(gè)以上樓梯及應(yīng)對突發(fā)狀況的臨時(shí)疏散通道，一旦發(fā)生事故，就盡可能快速地進(jìn)行疏散。

為檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，分別對優(yōu)化前后的兩種施工現(xiàn)場平面布置方案進(jìn)行疏散仿真模擬。設(shè)置相同參數(shù)，優(yōu)化前場內(nèi)人員完全疏散時(shí)間為332 s，而調(diào)整場內(nèi)臨時(shí)設(shè)備的擺放位置后，場內(nèi)人員完全疏散時(shí)間為293 s，相較于優(yōu)化前減少了約11.7%。通過觀察上述兩種場地布置情況下的疏散模擬動(dòng)畫，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)整后疏散過程中場內(nèi)人員能更順利地到達(dá)緊急出口，減少繞行，提高了安全疏散的效率。

由場內(nèi)人員疏散密度圖(見圖9、圖10)可以觀測到實(shí)施疏散行為時(shí)的路徑擁堵點(diǎn)，紅色區(qū)域表示疏散過程中存在擁堵，應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)寬疏散路徑，疏導(dǎo)場內(nèi)人員疏散，降低事故傷亡率。

圖9 優(yōu)化前人群密度

圖10 優(yōu)化后人群密度

五、結(jié) 語

將仿真模擬技術(shù)引入施工現(xiàn)場安全管理，能有效提高工程項(xiàng)目管理的安全管理水平，降低施工現(xiàn)場突發(fā)事故的危險(xiǎn)性，增加現(xiàn)場突發(fā)事故安全疏散的可能性。筆者以某項(xiàng)目工程為例，針對突發(fā)事故下人員安全疏散問題，利用AnyLogic軟件進(jìn)行安全疏散模擬，以充分發(fā)揮安全出口功能，實(shí)現(xiàn)重大突發(fā)事故發(fā)生后迅速安全疏散的目標(biāo)，并將得出的結(jié)論反饋到該項(xiàng)目的工程管理中，對其施工組織設(shè)計(jì)提出合理有效的優(yōu)化建議。