柴文浩，郭 毓，周翀翀，沈 靜，2*

(1.北京石油化工學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 102617； 2.北京市安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京 102617)

在高校教學(xué)樓中，若無任何突發(fā)意外事件，學(xué)生按照一定順序進(jìn)行同向相對勻速的疏散，此時發(fā)生事故的概率較??；而在突發(fā)意外事件等干擾因素發(fā)生的情況下，若沒有有效的安全管理就容易發(fā)生災(zāi)難性事故。特別是火災(zāi)事故，若無有效措施，隨著時間的增長，事故呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大化的趨勢，極易引發(fā)嚴(yán)重的學(xué)生傷亡事故。如2007年埃及愛資哈爾大學(xué)因教室起火而導(dǎo)致慌亂逃離的學(xué)生發(fā)生踩踏事故，致百余人死傷[1]。因此，筆者通過研究在突發(fā)火災(zāi)情景下教學(xué)樓內(nèi)的人員流動[2-3]，選取影響人員疏散速度的因素，通過改變主要影響因素使人員緊急疏散的時間盡可能最短、傷亡最小，以達(dá)到最好的安全效果，從而實(shí)現(xiàn)對高校教學(xué)樓的安全管理評估并提出改進(jìn)意見[4-5]。

1 教學(xué)樓概況

該教學(xué)樓共4層，其平面示意圖如圖1所示。

圖1 教學(xué)樓平面圖Fig.1 Floor plan of teaching building

教學(xué)樓內(nèi)左側(cè)1樓為禮堂，右側(cè)近似矩形區(qū)域為教學(xué)樓主要教學(xué)服務(wù)區(qū)，其中1層教學(xué)樓共5間大教室，每個教室能容納200人；2、3層結(jié)構(gòu)相似，每層有8間教室，每間教室能容納100人；4層有8間小教室，每間能容納30人。教學(xué)時間內(nèi)約有1 000～1 500名學(xué)生處在教學(xué)服務(wù)區(qū)內(nèi)。教學(xué)區(qū)域內(nèi)部有3處樓梯，樓梯在圖1中為白色部分；教學(xué)樓出口分布在樓梯附近，在圖1中由黑色實(shí)線標(biāo)示。

2 建立Anylogic仿真模型

2.1 應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)建立

Anylogic仿真模擬軟件能夠?qū)﹄x散事件、連續(xù)事件以及混合系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真模擬，以實(shí)現(xiàn)對交通運(yùn)輸、供應(yīng)鏈服務(wù)、人員疏散以及物流系統(tǒng)的仿真模擬研究。Anylogic仿真模擬軟件由道路交通庫、流體庫、軌道庫、行人庫等元素組成，由于研究的是行人應(yīng)急疏散問題，所以主要使用行人庫進(jìn)行建模分析。在建立空間標(biāo)記過程中，將學(xué)校教學(xué)樓的CAD二維圖紙導(dǎo)入軟件中，并通過行人庫中的元素創(chuàng)建服務(wù)模塊和物理環(huán)境。在進(jìn)行疏散分析的過程中，可以設(shè)置邏輯參數(shù)和函數(shù)對行人行為進(jìn)行要求，以保證仿真過程盡可能與實(shí)際相匹配。

文獻(xiàn)[6] 中的研究表明，人員行動變化主要受焦慮因子和隨機(jī)因子2個變量的影響，在正常疏散過程中對人群疏散的影響不明顯，但在行人密度較大、競爭較為激烈的情況下，其對疏散人群的心理和行動有明顯影響。在Anylogic模型仿真中，可以通過改變行人速度、變更函數(shù)等方式來模擬2個變量對行人疏散效率的影響。

在Anylogic仿真模擬中，學(xué)生流分為正常流程和應(yīng)急疏散流程，在正常流程中，學(xué)生從3個入口進(jìn)入教學(xué)樓，隨機(jī)進(jìn)入各個樓層、教室進(jìn)行活動。

在發(fā)生突發(fā)事件時，行人會在一段反應(yīng)時間后開始疏散行動，在教學(xué)樓進(jìn)行應(yīng)急疏散過程中，學(xué)生從教學(xué)樓樓梯進(jìn)行有序疏散，在1樓的各個出口進(jìn)行疏散撤離。

根據(jù)上述方法建立邏輯模型，對正常流程和緊急疏散流程進(jìn)行建模，學(xué)生進(jìn)入教學(xué)樓后，在教學(xué)樓內(nèi)的教學(xué)服務(wù)區(qū)域進(jìn)行活動。仿真系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

2.1.1 疏散路徑選擇

在疏散活動開始時，學(xué)生通過預(yù)先設(shè)置的函數(shù)選擇最近的路徑逃生。函數(shù)會通過計算學(xué)生坐標(biāo)與疏散出口距離來尋找最近出口[7-8]。

2.1.2 人體模型

人體模型尺寸由人體投影在地面上所占面積和安全間距兩部分組成，人體實(shí)際所占面積主要由肩寬決定，安全間距指為了避免與障礙物碰撞所保持的距離，主要取決于速度和生理條件。在安全疏散過程中，人體模型尺寸對安全通道、疏散樓梯有較大的影響。根據(jù)《中國成人人體尺寸》規(guī)范[9]，女性平均肩寬為387 mm，男性平均肩寬為415 mm。

2.2 不同人流水平下疏散方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場勘查及學(xué)校官網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)可知，該教學(xué)樓在教學(xué)時間內(nèi)人流量約1 000～1 500人次。因此，以教學(xué)樓為研究對象，通過設(shè)置不同人流水平進(jìn)行仿真疏散模擬分析：

疏散方案1：教學(xué)樓學(xué)生人數(shù)達(dá)到1 000人時，教學(xué)樓2樓某教室發(fā)生火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真；

疏散方案2：教學(xué)樓學(xué)生人數(shù)達(dá)到1 250人時，教學(xué)樓2樓某教室發(fā)生火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真；

疏散方案3：教學(xué)樓學(xué)生人數(shù)達(dá)到1 500人時，教學(xué)樓2樓某教室發(fā)生火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真。

本次應(yīng)急疏散起始時間為應(yīng)急疏散開始時刻，建筑物內(nèi)人員數(shù)量減少到0為結(jié)束時刻。

疏散方案1的模擬結(jié)果如圖3所示，此時為學(xué)生正常流動狀態(tài)，教學(xué)樓內(nèi)人數(shù)為1 000人。

圖3 疏散方案1開始前行人流動圖Fig.3 Pedestrian flow before the start of evacuation plan 1

(1)開始應(yīng)急疏散后3個安全出口開放，各樓行人通過樓梯到達(dá)1層，和1層學(xué)生共同向最近的安全出口移動，行人默認(rèn)所有橙色線條為墻體所以繞行逃生。

(2)直到教學(xué)樓內(nèi)學(xué)生全部離開建筑物，應(yīng)急疏散結(jié)束總疏散時間為255 s，總疏散人數(shù)為1 000。

(3)根據(jù)上述方法，改變建筑物內(nèi)總?cè)藬?shù)進(jìn)行另外2個疏散方案的仿真實(shí)驗，結(jié)果如表1所示。

表1 3種疏散方案仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of 3 evacuation schemes

2.3 不同人流水平下疏散效率分析

余高明等[10]研究表明，高校教學(xué)樓走廊在火災(zāi)發(fā)生4～5 min(240～300 s)后產(chǎn)生的煙氣即可達(dá)到對人體有害的濃度。而此次模擬試驗中在學(xué)生人數(shù)達(dá)到1 500人時，疏散時間達(dá)到了325 s，顯然對學(xué)生身體健康會造成一定傷害。為了進(jìn)一步提高疏散效率、減短疏散時間，需要發(fā)現(xiàn)疏散過程中存在的問題并提出疏散方案。疏散開始時人員密度分布如圖4所示。在疏散開始時，教室內(nèi)的學(xué)生流向教室出口，導(dǎo)致?lián)頂D。其中紅色表示人員密度高。

圖4 疏散開始時人員密度分布Fig.4 Personnel density distribution at the beginning of the evacuation

從圖4中可以看出，在疏散過程中，學(xué)生的分布是不均勻的，主要集中在教室中。在疏散過程中因為學(xué)生會尋找最近出口逃生，某些區(qū)域會形成疏散瓶頸。在疏散初期學(xué)生從教室前后門撤離進(jìn)入走廊，由于出口數(shù)量和出口大小不同造成擁擠；疏散中期，距離出口較近的學(xué)生已經(jīng)成功疏散，而靠里的學(xué)生因為距離遠(yuǎn)且存在障礙物的原因疏散速度較慢，樓梯入口連接處出現(xiàn)擁堵，且由于低層學(xué)生疏散路線與下樓學(xué)生路線交叉造成上層學(xué)生難以融入逃生隊伍中。在出口處，由于出口寬度有限，最寬的有效出口僅有3.2 m，其余2個則只有2.4 m和1.5 m，根據(jù)《中國成人人體尺寸》中成年男性和成年女性肩寬來看，出口最多能允許17人同時疏散，而其余疏散的學(xué)生只能等待前面的學(xué)生疏散完成后才可以從出口撤離完成疏散，所以在1樓出口處會造成明顯擁擠。疏散后期學(xué)生剩余較少則不存在瓶頸現(xiàn)象。

3 優(yōu)化方案設(shè)計及結(jié)果分析

3.1 影響因素分析

李若菲等[11]對不同樓梯布局條件下疏散效果進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明不同樓梯類型對疏散速度影響在0.1 m/s內(nèi)。何怡婧等[12]研究認(rèn)為，學(xué)生在熟悉的環(huán)境中能較為熟練地進(jìn)行緊急疏散，不至于產(chǎn)生恐慌心理。而建筑物的出口在人員疏散中占據(jù)至關(guān)重要的地位，對出口寬度的合理設(shè)計能避免疏散時發(fā)生堵塞。因此，選用出口寬度和增加疏散引導(dǎo)方式作為重要影響因子進(jìn)行疏散方案的優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案設(shè)計

3.2.1 增加出口寬度

出口是決定應(yīng)急疏散的一個重要因素，在突發(fā)事件發(fā)生后，學(xué)生若能快速撤離將會大大提高疏散效率。

3.2.2 疏散引導(dǎo)

前人研究發(fā)現(xiàn)[13]，學(xué)生移動速度隨人流密度增大到一定峰值后減小，如圖5所示。由圖5中可以看出，在堵塞區(qū)域中低密度人群不斷融入高密度人群，因此需要疏散引導(dǎo)降低學(xué)生人流密度，從而增加學(xué)生移動速度，提升疏散效率。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

由于疏散方案3涉及到的人數(shù)最多，因此對疏散方案3即1 500人同時疏散的方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后再次進(jìn)行仿真模擬，得到疏散時間如表2所示。

表2 優(yōu)化后疏散時間Table 2 Optimized evacuation time

從表2中可以看出，在優(yōu)化前疏散時間不能夠達(dá)到300 s以內(nèi)，未完成疏散學(xué)生易受到煙氣傷害，而在增加出口寬度和設(shè)置疏散向?qū)Ш缶鶎κ枭⑵鸬搅苏嬗绊?，且能夠?00 s內(nèi)完成疏散，大大提高了疏散效率。

同時，在應(yīng)急預(yù)案的制定中不僅可以使用這2種方法，還可以通過增加疏散通道等方式提高疏散效率。

4 結(jié)論

(1)選取Anylogic進(jìn)行仿真建模，對不同人流水平下高校教學(xué)樓學(xué)生疏散進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明，當(dāng)教學(xué)樓人數(shù)小于1 500人時，可以在有效時間內(nèi)完成安全疏散；而當(dāng)學(xué)生人數(shù)為1 500人(及以上)時，無法在300 s內(nèi)完成安全疏散。

(2)通過增加出口寬度和設(shè)置疏散向?qū)Х謩e對1 500名學(xué)生應(yīng)急疏散方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，2種新方案均可在300 s內(nèi)完成安全疏散，優(yōu)化效果明顯。

(3)通過Anylogic仿真模擬試驗，可以為學(xué)校有關(guān)部門應(yīng)急預(yù)案的制定提供理論基礎(chǔ)。