郝宇杭

(中國人民警察大學 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

根據(jù)教育部在2021年11月15日發(fā)布的2020年全國教育事業(yè)發(fā)展情況文件可知，2020年，全國共有普通高等學校2 738所，其中普通本科院校1 270所，高職(?？?院校1 468所。2020年，全國各類高等教育在學總規(guī)模達4 183萬人，比2019年增加181萬人；高等教育毛入學率達到54.4%，比2019年提高2.8個百分點[1]。在接受高等教育人數(shù)不斷增長的今天，消防安全問題越來越不可忽視。

為保證宿舍安全，部分高校選擇在宿舍入口安裝閘機，通過校園卡或人臉識別進入宿舍[2]。而無論哪種方式的閘機都會引發(fā)一個問題，那就是在緊急情況下閘機是否會影響學生疏散。針對閘機對人員疏散影響的數(shù)值模擬，國內學者做了一定研究。田娟榮等[3]利用計算機仿真技術建立地鐵站疏散模型，分別對地鐵站有無閘機、閘機是否及時開啟等幾種情況進行疏散模擬并進行對比分析；楊利強[4]通過設計仿真實驗，對比研究不同類型閘機的疏散能力對疏散時間的影響；孫亞杰[5]利用Pathfinder軟件建立地鐵站疏散模型，發(fā)現(xiàn)在閘機總數(shù)不變的情況下，閘機的位置對人員疏散有較大影響；馬輝等[6]研究閘機引導欄桿對人員疏散造成的影響，認為設置閘機引導欄桿能有效提升疏散效率；姚遠等[7]以某地鐵站為例，運用Anylogic軟件模擬不同影響因素干擾下的人員疏散，發(fā)現(xiàn)閘機刷卡環(huán)節(jié)對疏散效率的影響較為明顯。

目前有關閘機對人員疏散影響的研究大多還集中在地鐵領域，而關于高校宿舍樓閘機對人員疏散影響的研究還較少。高校宿舍是學生長期居住的場所，屬于人員密集場所，同時也屬于消防安全重點單位，但最近幾年高校宿舍火災事故屢有發(fā)生(見表1)，造成不同程度的損失，因此研究在緊急情況下學生能否及時逃生，對高校學生宿舍的消防安全工作具有重要意義[8]。

表1 近年高校宿舍火災事故案例

基于上述原因，本文以某高校宿舍樓為研究對象，通過Pathfinder模擬有無閘機時典型宿舍樓的疏散，研究宿舍樓設置的閘機對學生疏散的影響程度。

1 Pathfinder宿舍模型建立

1.1 宿舍樓模型建立

本文以某高校學生宿舍樓為例，該宿舍樓共有6層，層高3m；除一層外每層28個房間，共計164個房間，每個房間長9m，寬4m；宿舍樓每層兩側各設一個自習室，宿舍樓設有2個安全出口，每個出口凈寬度為3m，左右各設一部樓梯，樓梯凈寬度為1.5m。

(1)無閘機宿舍樓模型建立。該宿舍樓Pathfinder平面圖，如圖1。

圖1 無閘機宿舍樓模型

(2)有閘機宿舍樓模型建立。在宿舍樓一樓東西大廳內設置閘機，其余部分同圖1。通過Pathfinder的Rectangular Rooms功能模擬閘機，每個出口各設置4個閘機，有閘機宿舍樓模型，如圖2。以人臉識別閘機為例，正常情況下學生通過閘機會有一個人臉識別的時間，但在本文中假設緊急情況下，閘機通道全部打開，僅研究閘機寬度限制逃生的情況下對人員疏散時間的影響。

圖2 有閘機宿舍樓一層模型

1.2 疏散場景參數(shù)設置

設定該宿舍樓內居住學生全為男性，共計164個房間，每間宿舍學生人數(shù)為6人，疏散人數(shù)共計984人。

根據(jù)美國消防工程師協(xié)會SFPE發(fā)布的消防工程手冊《SFPE Hand Book of Fire Protection Engineering》，設定緊急情況下的成年男性運動速度為1.5m/s[9]。

根據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB/T 10000-1988)[10]規(guī)定，設定學生肩寬為45cm。

Pathfinder軟件有2個主要的行為模式：SFPE和Steering。SFPE模式為一個流動模型，它根據(jù)模型中每個房間的人員密度來確定人員的疏散行為與運動速度；而Steering模式行人會根據(jù)算法自動規(guī)劃路徑，更加貼近實際疏散情況[11-12]，所以本次模擬選擇Steering模式。

將疏散場景分為4種，場景一不設置閘機，另外3種場景設置閘機。根據(jù)實地測量，設定2個閘機之間的寬度一般為0.5m左右，具體場景設置，見表2。

表2 疏散場景設置

2 人員疏散模擬

2.1 安全疏散時間評估

為保證學生能夠安全疏散，疏散設計應滿足相關標準，人員疏散評估就是考查建筑結構及其各消防子系統(tǒng)保證人員疏散的安全性能[13]，根據(jù)現(xiàn)行國家標準，其流程圖，如圖3。

從圖3可以看出，為保證人員可以安全疏散，疏散設計應滿足判定標準，所以可用疏散時間tASET需要大于必需疏散時間tRSET，而人員必需疏散時間包括探測時間tdec、報警時間twarn、預動作時間tpre和運動時間ttrav，而安全裕量越大，則人員安全性越高。人員所需安全疏散時間計算公式如下：

圖3 疏散評估流程圖

tRSET=tdec+twarn+tpre+S·ttrav

(1)

其中，S為安全系數(shù)，因為Pathfinder對人員疏散進行模擬與人實際疏散可能會存在差異，比如實際疏散時疏散人員可能會出現(xiàn)結伴或小團體等現(xiàn)象，所以需要考慮安全系數(shù)，而本文將安全系數(shù)設定為1.1[14]。

根據(jù)相關研究及標準[13，15]，將探測時間、報警時間合計設定為30s；由于學生長期居住在宿舍樓，對宿舍內部結構較為熟悉[13]，在突發(fā)狀況下學生能夠快速疏散，所以將預動作時間設定為30s；可用疏散時間tASET根據(jù)《建筑防火》[16]教材相關內容設定為6min。

2.2 疏散結果分析

通過Pathfinder模擬每種場景5次，最終結果取5次結果的平均值，得到4種場景下學生疏散的運動時間與必需疏散時間，見表3。

表3 宿舍不同疏散場景的疏散結果

2.2.1 有無閘機對人員疏散的影響

由于場景二的相鄰閘機寬度與實際情況接近，因此以場景一與場景二作對比，通過疏散結果可知在無閘機的情況下，學生的運動時間ttrav為251s，根據(jù)式(1)得到學生的必需疏散時間為337s，必需疏散時間小于6min，疏散安全。有閘機的情況下學生的運動時間ttrav為306s，根據(jù)式(1)得到學生的必需疏散時間為397秒，必須疏散時間超過了6min，疏散不安全，并且有閘機的情況下學生的運動時間和必需疏散時間比無閘機情況下分別增加了21.9%和17.8%。對于疏散時間增加的原因，選取2種場景左側大廳的出口流量進行分析，如圖4。通過分析可以知道，由于閘機對出口的寬度限制，導致一層學生無法快速疏散，隨后其他樓層的學生相繼到達一層，造成擁擠情況，而出口寬度固定，所以出口流量基本保持穩(wěn)定，如圖5。無閘機的情況下，一層的學生能夠在40s內及時疏散，幾乎不會與其他樓層的學生相遇造成擁擠，這也是造成無閘機情況下前40s的出口流量大于有閘機情況的原因。并且場景二中由于出口處擁擠較為嚴重，在一定程度上造成學生運動時間延長，從而導致必須疏散時間超過可用疏散時間，緊急情況下有可能引發(fā)疏散事故，對學生的生命安全造成威脅?？梢姡l機對宿舍樓的人員疏散有很大影響。

圖4 宿舍樓左側出口流量圖

圖5 有閘機宿舍樓一層大廳擁擠情況

2.2.2 閘機寬度對人員疏散的影響

通過場景二、三和四的疏散結果可知，相鄰閘機之間的距離每增加0.25m，學生疏散所需的運動時間能夠減少8.3%左右；必需疏散時間能夠減少7.5%左右。對于疏散時間減少的原因，選取3種場景左側大廳出口的疏散場景進行分析。經過計算，疏散前30s，場景二左側出口處流量約為2人/s，學生無法快速疏散，在出口處造成擁擠，導致閘機處人員密度較大，如圖6(a)。

隨著相鄰閘機之間的寬度增加，閘機的通行效率隨之增加，疏散前30s場景三左側出口處流量能達到約3人/s，當左側出口學生疏散之后，右側的學生能夠前往左側閘機逃生，在一定程度上減輕右側出口的擁擠程度，人員密度有小幅降低，如圖6(b)。

圖6 3種場景同一時刻密度圖

當相鄰閘機之間距離變?yōu)?m時，左側出口處前30s流量能達到約3.5人/s。因此左側出口的學生能夠快速通過閘機，從而讓右側出口原本擁擠的人群能夠從左側出口疏散，大大減輕出口處的擁擠程度，人員密度也因此大幅降低，如圖6(c)。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)相鄰閘機之間的距離變化會對學生疏散造成影響，較小距離會造成出口處人員聚集，人群密度增大，從而可能引發(fā)安全事故。而距離如果設置適宜(例如場景四)，疏散時間與不設置閘機的情況相差無幾，這樣不僅能夠達到校方方便管理宿舍的目的，也能滿足緊急情況下學生的安全疏散。

3 結論

(1)本文通過Pathfinder軟件分別模擬高校宿舍在不同閘機設置場景下的疏散過程與差異，并通過流量圖和密度圖分析造成差異的原因。分析之后發(fā)現(xiàn)由于閘機對出口寬度的限制，會造成出口處的擁擠，增大人群密度，在一定程度上會對人員疏散造成影響，但通過改變相鄰閘機之間的寬度能夠減少這種影響。

(2)高校在出口處設置閘機時，可以考慮在設置之前進行疏散評估，驗證在有閘機的情況下學生能否及時逃生，以此確定相鄰閘機之間的距離是否合適；同時應定期展開消防演習，提升學生的消防安全意識與面對突發(fā)事件的應急處置能力。

(3)由于研究時間有限，本文的模擬方法還存在諸多不足，例如還未考慮不同閘機類型和閘機識別時間等因素對疏散是否會造成影響。因此在后續(xù)研究中，還需要針對這些問題進行進一步的探究。