魏伏佳，張興杰，向淵明，唐 逾，譚 潛

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

0 引言

在超高層建筑施工過(guò)程中，存在諸多安全隱患，如場(chǎng)地空間限制、長(zhǎng)期暴露作業(yè)、工種復(fù)雜及施工具有動(dòng)態(tài)性等，尤其是在地震多發(fā)區(qū)的超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)，安全事故發(fā)生頻率居高不下。因此，為防止和減少生產(chǎn)安全事故的發(fā)生，需綜合考慮多項(xiàng)危險(xiǎn)因素，并指導(dǎo)施工人員安全疏散。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于安全疏散問(wèn)題的研究主要包括疏散風(fēng)險(xiǎn)研究、疏散數(shù)學(xué)模型研究和疏散仿真模擬研究。在疏散風(fēng)險(xiǎn)研究方面，汪金輝[1]、李修柏[2]和王燕青等[3]采用數(shù)學(xué)分析和實(shí)地測(cè)試的方法分別對(duì)大型建筑、高鐵隧道和民機(jī)客艙疏散安全隱患進(jìn)行了分析。在疏散數(shù)學(xué)模型研究方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[4-9]主要通過(guò)觀測(cè)和演習(xí)的方式提出疏散時(shí)間預(yù)測(cè)公式。在疏散仿真模擬研究方面，F(xiàn)DS+Evac，Building EXODUS，Pathfinder等軟件相繼研發(fā)，使計(jì)算機(jī)模擬成為疏散研究的重要手段[10]。但目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在建筑物使用階段發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全疏散問(wèn)題，地震災(zāi)害及施工現(xiàn)場(chǎng)特性等因素對(duì)安全疏散過(guò)程的影響有待研究。在特殊的環(huán)境下，施工單位根據(jù)疏散特性優(yōu)化安全管理水平成為亟待解決的問(wèn)題。

基于此，本文以昆明市西山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目塔樓工程為例，在基于Pathfinder軟件建模過(guò)程中，采用實(shí)地測(cè)試、數(shù)學(xué)分析等方法提出建筑類型、施工環(huán)境與地震動(dòng)等因素對(duì)安全疏散模式和速度等參數(shù)的影響，據(jù)此修正疏散模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以尋找地震多發(fā)區(qū)超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)安全疏散管理優(yōu)化方向。

1 工程概況

昆明市西山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目位于云南省，項(xiàng)目所在地屬于我國(guó)地震多發(fā)區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，抗震設(shè)防烈度為8度，需考慮地震影響。研究對(duì)象選為B區(qū)南塔樓(見圖1左側(cè)塔樓)，該塔樓高300m，共69層，其中地下3層，地上66層，屬于超限高層建筑。塔樓總工期為875d，勞動(dòng)人員峰值達(dá)2 325人，現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理及地震安全防范工作存在諸多挑戰(zhàn)。

圖1 西山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)塔樓工程

2 疏散模型建立

2.1 塔樓模型建立

根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，塔樓核心筒施工進(jìn)度較外框架快5層。因此，以建筑平面圖作為參照標(biāo)準(zhǔn)層，以外框架施工層作為0.000m標(biāo)高參照，向上建立5層標(biāo)準(zhǔn)層，向下建立20層標(biāo)準(zhǔn)層。對(duì)于核心筒施工作業(yè)面，應(yīng)增加施工人員出現(xiàn)概率較大的爬架平臺(tái)。由于疏散速度可能因疏散平面的不同受到影響，因此需進(jìn)行區(qū)分[11]，即對(duì)核心筒混凝土平面、外框架模板平面、爬架平面、核心筒樓梯進(jìn)行區(qū)分，如圖2所示。

圖2 塔樓模型

2.2 障礙物設(shè)置

塔樓模型中應(yīng)設(shè)置的障礙物主要包括布料機(jī)、施工機(jī)具與設(shè)備、核心筒中的電梯井、成品與半成品堆場(chǎng)、框架施工作業(yè)面上存在的框架柱等，如圖3所示。

圖3 施工作業(yè)面障礙物設(shè)置

2.3 疏散人員布置

模型中疏散人員數(shù)量設(shè)置參考施工組織計(jì)劃中勞動(dòng)人員需求數(shù)量，采用隨機(jī)布置的方式在施工作業(yè)面上進(jìn)行人員排布。模型中布置的施工管理人員和勞務(wù)人員共150人，主要分布在外框架施工作業(yè)面和核心筒施工作業(yè)面上，少量人員分布在其余樓層，如圖4所示。此時(shí)，疏散人員主要屬性參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值(Default)。

圖4 疏散人員布置

3 疏散參數(shù)修正

常用疏散軟件普遍基于常規(guī)建筑環(huán)境與火災(zāi)災(zāi)害進(jìn)行模擬，并據(jù)此向用戶提供一系列默認(rèn)參數(shù)，用戶也可根據(jù)實(shí)際情況編輯參數(shù)。以Pathfinder軟件為例，用戶需考慮的疏散參數(shù)包括疏散速度、疏散間距、疏散路徑、行為特征等，這些參數(shù)會(huì)對(duì)疏散結(jié)果產(chǎn)生影響[12]。因此，根據(jù)地震多發(fā)區(qū)超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)疏散特性，對(duì)疏散間距、疏散速度和障礙物尺寸進(jìn)行修正。

3.1 疏散間距修正

國(guó)內(nèi)外已有疏散數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果表明，疏散間距會(huì)影響疏散人群密度，改變?nèi)巳阂苿?dòng)速度，進(jìn)而影響疏散時(shí)間[13]。最優(yōu)間距是使疏散總時(shí)間最短的間距。因嚴(yán)格約束疏散行為，避免由人員自主意識(shí)導(dǎo)致的誤差，需研究疏散時(shí)間隨疏散間距變化規(guī)律。Pathfinder軟件提供的SFPE模式遵循工程指南和SFPE消防手冊(cè)要求，當(dāng)采用該模式進(jìn)行模擬時(shí)，人員會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到最近的出口，不考慮疏散沖突碰撞對(duì)疏散路徑的影響[14]?；赟FPE模式進(jìn)行疏散模擬，得到的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著疏散間距的增大，疏散時(shí)間呈先縮短后增加的變化趨勢(shì)。當(dāng)疏散間距為0.7m時(shí)，疏散時(shí)間最短。為驗(yàn)證該結(jié)論在同類工程中的適用性，根據(jù)建筑平面布置變化改變?nèi)巳核绞枭⒕嚯xL，根據(jù)勞動(dòng)力計(jì)劃改變疏散人員數(shù)量N，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃改變核心筒與外框架進(jìn)度差K，模擬結(jié)果如圖6～8所示。由圖6～8可知，同類工程中的最優(yōu)疏散間距為0.6～1.0m，用戶可在此范圍內(nèi)選擇疏散間距參考值，進(jìn)行參數(shù)編輯。

圖6 人群水平疏散距離L變化時(shí)的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線

圖7 疏散人員數(shù)量N變化時(shí)的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線

圖8 核心筒與外框架進(jìn)度差K變化時(shí)的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線

3.2 疏散速度修正

常用疏散軟件考慮了人群效應(yīng)對(duì)移動(dòng)速度的影響，但缺乏對(duì)環(huán)境因素的考慮。在特殊環(huán)境下，施工環(huán)境和地震動(dòng)均可能對(duì)疏散速度產(chǎn)生影響。

3.2.1施工環(huán)境下的疏散速度修正

由于施工作業(yè)面上通常存在模板支護(hù)和鋼筋綁扎區(qū)域，會(huì)影響疏散人員在此類平面上的疏散速度[15]。為獲取上述環(huán)境下的疏散速度，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬疏散測(cè)試，測(cè)試人數(shù)為20人，測(cè)試區(qū)域?yàn)榛炷疗矫?、鋼筋綁扎區(qū)域、模板支護(hù)區(qū)域，測(cè)試方式為小跑，測(cè)試距離為30m，測(cè)試變量為人群密度(0.5～5人/m2)，測(cè)試指標(biāo)為時(shí)間，每組測(cè)試5次(按人群密度分組)。

疏散測(cè)試數(shù)據(jù)采用Matlab最小二乘法進(jìn)行處理，擬合得到人群在混凝土平面、鋼筋綁扎區(qū)域和模板支護(hù)區(qū)域的疏散速度公式分別為：

vc=-0.016 2D4+0.193 3D3-0.708 1D2+

0.474 4D+1.641 7

(1)

vp=-0.013 8D4+0.165 2D3-0.605 5D2+

0.405 6D2+1.403 6

(2)

vb=-0.012 5D4+0.149 4D3-0.547 4D2+

0.366 7D2+1.269

(3)

式中：D表示人群密度。

3.2.2地震作用下的疏散速度修正

人員在疏散過(guò)程中受自驅(qū)動(dòng)力和地震作用的影響[16]，其中，自驅(qū)動(dòng)力fi計(jì)算公式為：

(4)

式中：mi表示人員質(zhì)量；vi與v0i分別表示人員行進(jìn)方向上的期望速度與實(shí)際速度；τi表示松弛時(shí)間，即到達(dá)期望速度的時(shí)間步長(zhǎng)，通常取0.5s。

疏散人群受到的地震作用feq參考GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中的公式計(jì)算：

feq=αmaxmig,i=1,2,…，n

(5)

式中：αmax為地震影響系數(shù)最大值。

由于人在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有額定功率，當(dāng)人體功率達(dá)到額定功率后，將不再具有加速度，運(yùn)動(dòng)速度也將達(dá)最大值vmaxi，此時(shí)人體所受的自驅(qū)動(dòng)力和地震作用相等，即：

(6)

根據(jù)上述公式可推得地震作用對(duì)于疏散速度的折減系數(shù)βeq：

(7)

由此，基于施工環(huán)境下的移動(dòng)速度，應(yīng)采用折減系數(shù)法確定地震動(dòng)影響下的疏散速度。

3.2.3Pathfinder軟件中的疏散速度修正

Pathfinder軟件提供了針對(duì)某組疏散人員的速度設(shè)定和某塊區(qū)域的速度設(shè)定，前者需用戶輸入速度數(shù)值，而后者是按修正系數(shù)的形式考慮。計(jì)算得到外框架施工作業(yè)面鋼筋綁扎區(qū)域速度修正系數(shù)后，選定外框架層，并輸入修正系數(shù)。

3.3 障礙物尺寸修正

施工作業(yè)面上通常存在成品與半成品臨時(shí)堆場(chǎng)及隨機(jī)堆放的設(shè)備、機(jī)具和材料等疏散障礙物，這會(huì)在一定程度上阻礙安全疏散進(jìn)程，在臨時(shí)堆場(chǎng)和障礙物存放范圍內(nèi)不存在疏散路徑。由于施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平有限，部分障礙物存在一定危險(xiǎn)性，設(shè)置障礙物模型時(shí)需按擴(kuò)大尺寸的形式考慮。

是否考慮障礙物尺寸擴(kuò)大由其危險(xiǎn)性決定。施工作業(yè)中常用的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法為作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法。為降低評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀性，張勛奎等[18]將“管理抵消因子”引入作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法中，使施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平能夠直接影響評(píng)價(jià)對(duì)象的危險(xiǎn)性等級(jí)。通過(guò)計(jì)算，如果危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅰ～Ⅲ級(jí)，需進(jìn)行整改，即設(shè)置安全距離以擴(kuò)大其尺寸。不同類別的障礙物安全距離計(jì)算方法如下。

1)靜態(tài)危險(xiǎn)源 對(duì)于平臺(tái)孔洞和未成形構(gòu)件等，疏散人員在疏散過(guò)程中的緊急應(yīng)變僅須依據(jù)危險(xiǎn)所在位置進(jìn)行判斷，進(jìn)而通過(guò)減速或變向進(jìn)行規(guī)避，這與城市工況安全車距控制與避撞算法中的前車靜止工況下汽車緊急制動(dòng)過(guò)程原理相同[19]。因此，將減速距離和疏散人員應(yīng)變作為參數(shù)，形成權(quán)衡距離因素的模型：

ds=vbjtd+L0

(8)

式中：td表示疏散個(gè)體的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間，常用值為0.5s；j表示修正系數(shù)，默認(rèn)值為1；vb表示疏散速度，與地震烈度相關(guān)；L0表示減速距離，與地震烈度相關(guān)。

2)動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)源 對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施設(shè)備、材料堆場(chǎng)等，在遭遇地震的情況下可能發(fā)生整體傾覆、坍塌等現(xiàn)象，在這種情況下，應(yīng)按其高度值設(shè)置安全距離。本工程外框架上存在高2m的鋼筋成品架，由于材料管理工作水平有限，采用改進(jìn)的作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)得到設(shè)施坍塌的危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，因此應(yīng)在模型上將該障礙物的尺寸向外擴(kuò)大2m。

4 疏散模擬研究

4.1 疏散模擬與安全性判定

由于外框架區(qū)域存在大量臨時(shí)設(shè)施設(shè)備、零散材料和未成形構(gòu)件，因此人員以進(jìn)入核心筒區(qū)域?yàn)榈卣鸨茈y目的地，以進(jìn)入最近的避難層為次生災(zāi)害(火災(zāi))避難目的地。參數(shù)設(shè)置和路徑設(shè)置完成后，即可進(jìn)行疏散模擬，如圖9所示。

圖9 疏散模擬

疏散模擬時(shí)間tmove為216s。根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中對(duì)消防安全疏散時(shí)間的要求，以300s作為高層建筑避難可利用的時(shí)間長(zhǎng)度，避難所需時(shí)間trset計(jì)算如下：

trset=talarm+tpre+1.5tmove=332s>300s

(9)

式中：talarm表示報(bào)警時(shí)間；tpre表示響應(yīng)時(shí)間。

因此，本工程在該施工進(jìn)度下遭遇地震時(shí)，施工人員無(wú)法完全疏散。而參數(shù)修正前，避難所需時(shí)間計(jì)算結(jié)果為281s(可完全疏散)，可見根據(jù)環(huán)境特性對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正的重要性。

4.2 疏散效率影響因素

4.2.1疏散人數(shù)(勞動(dòng)人員數(shù)量)

疏散總時(shí)間最直接影響因素是施工現(xiàn)場(chǎng)需要疏散的人數(shù)。需要疏散的人數(shù)越多，疏散前期可達(dá)到較好的避難效果，后期疏散人員的避難效果將顯著降低?？?cè)藬?shù)增多會(huì)增加單位面積人員數(shù)量，對(duì)人群移動(dòng)速度有直接影響，進(jìn)一步影響疏散效率。在狹窄的出口通道及安全出口等位置處，由于需要疏散的人群聚集，擁擠與堵塞將影響疏散進(jìn)程。因此，不斷修正疏散總?cè)藬?shù)，利用Pathfinder軟件進(jìn)行多次仿真分析，獲得不同的疏散時(shí)間，如圖10所示。

圖10 疏散時(shí)間-疏散總?cè)藬?shù)關(guān)系曲線

1)疏散總?cè)藬?shù)的增加會(huì)導(dǎo)致地震疏散時(shí)間增加。

2)由于人員在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)分布，地震避難時(shí)間與疏散人數(shù)呈非線性關(guān)系，但總體有線性相關(guān)趨勢(shì)，因此擬合疏散時(shí)間與疏散總?cè)藬?shù)的關(guān)系時(shí)可簡(jiǎn)化為線性關(guān)系。

3)當(dāng)疏散總?cè)藬?shù)超過(guò)120人時(shí)，疏散時(shí)間-疏散總?cè)藬?shù)關(guān)系曲線開始陡峭，即曲線斜率增大。由疏散模擬動(dòng)畫得出，外框架人員呈明顯增加的趨勢(shì)，造成本層疏散人員與上層疏散人員流動(dòng)交叉，在相應(yīng)的出入口處造成人員留滯及堵塞，破壞疏散秩序。因此，控制現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)者與管理者人員數(shù)量在120人以下。

4)在核心筒集中施工期、與避難層較近的樓層施工期增加勞動(dòng)人員數(shù)量，可保證實(shí)現(xiàn)計(jì)劃工期。

4.2.2施工平面布置

由于在施工現(xiàn)場(chǎng)疏散動(dòng)線上存在疏散障礙，如施工設(shè)備、機(jī)器及其他工具等，會(huì)對(duì)疏散人員選擇最短疏散路徑造成一定影響。進(jìn)行模擬分析時(shí)，未明顯考慮外框架施工作業(yè)面上的障礙物，處于外框架邊緣的施工人員須繞過(guò)靠近核心筒的障礙物才能到達(dá)核心筒入口，導(dǎo)致疏散效率降低。因此，施工現(xiàn)場(chǎng)障礙物應(yīng)靠近作業(yè)面邊緣集中、規(guī)范布置。

1)疏散效率在優(yōu)化后的地震和火災(zāi)中均有明顯提高，優(yōu)化前、后的地震疏散時(shí)間分別為86.0，76.3s，優(yōu)化后疏散時(shí)間減少11.3%左右。優(yōu)化前、后的火災(zāi)疏散時(shí)間分別為251.3，228.5s，優(yōu)化后疏散時(shí)間減少9.1%左右。

2)施工單位應(yīng)嚴(yán)格制定臨時(shí)設(shè)施、設(shè)備管理規(guī)范，并制定施工作業(yè)面布置方案，保證施工作業(yè)面上疏散路徑暢通，提高疏散效率。

4.2.3安全管理水平

1)加強(qiáng)地震知識(shí)與應(yīng)急演練培訓(xùn)

施工人員地震知識(shí)與應(yīng)急演練培訓(xùn)的缺失，嚴(yán)重影響了重大災(zāi)難來(lái)臨時(shí)人員的快速反應(yīng)和科學(xué)決策，從而導(dǎo)致重大突發(fā)事件發(fā)生次數(shù)增加。Pathfinder軟件提供了steering，SFPE疏散模式，其中steering模式通過(guò)統(tǒng)一路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理控制人員運(yùn)動(dòng)，更接近實(shí)際情況。SFPE為規(guī)范化的疏散模式，疏散過(guò)程中的人員之間不會(huì)相互影響，會(huì)以較整齊的隊(duì)列模式進(jìn)行疏散，當(dāng)遇出口流量限制和堵塞時(shí)，會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)等候現(xiàn)象，保證疏散秩序。

SFPE模式得到的完全疏散時(shí)間為160.3s，較同條件下的steering模式得到的完全疏散時(shí)間減少了15.8%左右。由疏散模擬動(dòng)畫可知，在核心筒入口尺寸受限處及上下樓層疏散人員相遇處，由于疏散人員發(fā)生擁擠，將形成嚴(yán)格的排隊(duì)等候模式。SFPE模式考慮了疏散人員之間的獨(dú)立性，排隊(duì)模式有效解決了過(guò)度擁擠引起的堵塞與卡頓，在向最終目的地行進(jìn)過(guò)程中，疏散人員可保持合理的間距、速度與秩序。疏散過(guò)程的高效性、較短的疏散時(shí)間及有效避免踩踏等是該模式的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到SFPE模式偏于理想化，實(shí)際疏散時(shí)較難做到。

施工單位應(yīng)定期開展地震知識(shí)培訓(xùn)工作，加強(qiáng)施工人員對(duì)地震災(zāi)害的認(rèn)知。同時(shí)組織應(yīng)急演練，提高施工人員應(yīng)急心理素質(zhì)和決策水平，保證高效疏散。

2)加強(qiáng)安全文明檢查與抗震防災(zāi)工作力度

施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平的提高，不僅能在一定程度上提高疏散效率、縮短疏散需要的時(shí)間，還能降低危險(xiǎn)源危險(xiǎn)程度，疏散效率與疏散安全性可得到較好的保證。

施工單位應(yīng)重視施工現(xiàn)場(chǎng)的安全文明檢查與設(shè)施設(shè)備抗震防災(zāi)工作，包括完善相關(guān)制度、規(guī)范，推動(dòng)檢查工作的落地，并開展深入的科研工作等。

5 結(jié)語(yǔ)

充分考慮疏散環(huán)境特性，基于實(shí)地測(cè)試、數(shù)學(xué)分析提出疏散模擬參數(shù)修正方法，并采用Pathfinder軟件進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論。

1)建筑結(jié)構(gòu)類型對(duì)疏散過(guò)程的影響體現(xiàn)在疏散模式變化引起的最優(yōu)間距改變上。對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，最優(yōu)疏散間距為0.6～1.0m。

2)地震災(zāi)害和施工環(huán)境對(duì)疏散過(guò)程的影響體現(xiàn)在疏散速度折減上。應(yīng)采用折減系數(shù)法計(jì)算地震動(dòng)的影響，采用最小二乘法擬合速度公式，考慮混凝土平面、鋼筋綁扎區(qū)域與模板支護(hù)區(qū)域?qū)λ俣鹊挠绊憽?/p>

3)障礙物對(duì)疏散過(guò)程的影響體現(xiàn)在疏散路徑阻礙上。采用改進(jìn)的作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)后的高危障礙物(Ⅰ～Ⅲ級(jí))應(yīng)擴(kuò)大其模型尺寸，以考慮安全距離。

4)基于Pathfinder軟件進(jìn)行仿真分析時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)人員數(shù)量、施工平面布置與安全管理水平等均對(duì)疏散結(jié)果產(chǎn)生影響。施工單位應(yīng)據(jù)此優(yōu)化管理工作，從源頭上控制風(fēng)險(xiǎn)，保證疏散的高效性與安全性。

5)本文在研究疏散問(wèn)題時(shí)，考慮的施工工況僅為塔樓標(biāo)準(zhǔn)層施工階段，對(duì)于其他施工工況及施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)和辦公區(qū)的水平疏散問(wèn)題，需開展進(jìn)一步的研究。