摘要：選取某棟5層教學(xué)樓作為研究對(duì)象，使用Pathfinder軟件來(lái)模擬教學(xué)樓師生疏散的過(guò)程。在樓梯均處于正常工作狀態(tài)下，討論四個(gè)場(chǎng)景下人員疏散的情況，對(duì)樓梯寬度、安全出口寬度、人員數(shù)量這些因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，教學(xué)樓疏散樓梯越寬，人員疏散時(shí)間越短。僅增加安全出口的寬度或者減少密度較低場(chǎng)所的人員數(shù)量，對(duì)人員的疏散時(shí)間影響較小。同時(shí)，將經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果與Pathfinder模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種方法得出的結(jié)果都較為精準(zhǔn)、可靠。

關(guān)鍵詞：Pathfinder；教學(xué)樓火災(zāi)；疏散時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-1227（2024）06-0017-05

教學(xué)樓是學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)的場(chǎng)地，屬于人員高度密集的場(chǎng)所，也是消防安全重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域之一。一旦在教學(xué)樓發(fā)生火災(zāi)，容易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此，消防安全對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。根據(jù)GB50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，一、二級(jí)耐火等級(jí)的民用建筑，疏散時(shí)間應(yīng)少于6min，一、二級(jí)耐火等級(jí)的人員密集公共建筑則應(yīng)少于5min。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，教學(xué)樓內(nèi)的樓梯和出口，應(yīng)滿(mǎn)足在5min內(nèi)將教學(xué)樓內(nèi)的所有師生疏散至安全區(qū)域的要求。因此，需要對(duì)教學(xué)樓的疏散時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，以確保在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各樓層的師生能夠在最大允許疏散時(shí)間內(nèi)，安全撤離教學(xué)樓。

謝明峰等人[1]為了解決疏散過(guò)程中擁堵的問(wèn)題，分別對(duì)安全出口的數(shù)量、寬度、開(kāi)放狀態(tài)以及疏散路線(xiàn)這四方面進(jìn)行了研究。湛蓮香等人[2]對(duì)宿舍不同樓層發(fā)生火災(zāi)與人員疏散之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并對(duì)最不利樓層的疏散措施做了改進(jìn)，使學(xué)生宿舍滿(mǎn)足疏散要求。何怡婧等人[3]對(duì)人員數(shù)量、出口寬度以及樓梯緩沖區(qū)這三者之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出學(xué)生在疏散過(guò)程中存在從眾心理，這會(huì)影響逃生路線(xiàn)的選擇。王琨等人[4]通過(guò)模擬不同場(chǎng)景中的疏散時(shí)間、疏散總?cè)藬?shù)以及平均人流量變化情況，分析了教學(xué)樓排課調(diào)整的變化對(duì)人員疏散的影響。閻衛(wèi)東等人[5]對(duì)沈陽(yáng)建筑大學(xué)的圖書(shū)館人員疏散進(jìn)行研究，分析安全出口的通行率、樓梯的使用情況以及人員在疏散過(guò)程中的特性，提出優(yōu)化圖書(shū)館人員疏散設(shè)計(jì)的建議。

本文通過(guò)對(duì)教學(xué)樓消防疏散進(jìn)行計(jì)算并提出優(yōu)化建議，提高教學(xué)樓在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全性，避免火災(zāi)導(dǎo)致的人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。一旦發(fā)生火災(zāi)，師生將通過(guò)安全疏散通道快速撤離事故現(xiàn)場(chǎng)，以確保師生的生命安全。

1 疏散準(zhǔn)則與階段

1.1 安全疏散準(zhǔn)則

安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，將建筑物中的所有人員疏散至建筑物外的安全區(qū)域，并確保在此過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何突發(fā)情況。本教學(xué)樓屬于一級(jí)耐火等級(jí)的公共建筑，依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，將5min作為教學(xué)樓的可用疏散時(shí)間。為了確保人員疏散安全，要求必須安全疏散時(shí)間小于可用疏散時(shí)間。

1.2 四個(gè)疏散階段

消防疏散的主要目的是確保人員在火災(zāi)發(fā)展到威脅人身安全（耐受極限）之前疏散到安全區(qū)域，并保證建筑內(nèi)人員疏散完畢的時(shí)間小于火災(zāi)發(fā)展到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)預(yù)留一定的安全裕量。

當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需要盡快將內(nèi)部人員疏散到安全區(qū)域。疏散路線(xiàn)一般分為4個(gè)階段：第一階段為室內(nèi)任意一點(diǎn)到房間門(mén)口；第二階段為從房間門(mén)口到進(jìn)入樓梯間或前室的路程，即走廊內(nèi)的疏散；第三階段為樓梯間內(nèi)的疏散；第四階段為出樓梯間進(jìn)入安全區(qū)。教學(xué)樓疏散時(shí)間計(jì)算按照安全疏散四階段進(jìn)行。

1.3  影響疏散時(shí)間的因素

1.3.1 疏散凈寬度和疏散距離

我國(guó)規(guī)定單、多層公共建筑中的疏散樓梯寬度不得小于1.10m。疏散寬度越寬意味著能夠通過(guò)的人流量越大，疏散的時(shí)間也越短。人員距離安全出口的垂直距離和水平距離越小，則疏散越快。

1.3.2 火災(zāi)探測(cè)時(shí)間和警報(bào)時(shí)間

火災(zāi)探測(cè)器和火災(zāi)報(bào)警器的靈敏性對(duì)于傳遞火災(zāi)信息和人員疏散存在影響。當(dāng)火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警器年久失修，出現(xiàn)誤報(bào)、不報(bào)等情況，勢(shì)必會(huì)影響到整個(gè)疏散時(shí)間。

1.3.3 疏散人員的速度和秩序

在疏散過(guò)程中，學(xué)生接收到火災(zāi)危險(xiǎn)的信息可能會(huì)感到恐慌、畏懼，從而影響其行動(dòng)。部分學(xué)生由于過(guò)分緊張而停滯不前，或者為顧及個(gè)人安危而忽略逃生秩序，這兩種行為都將導(dǎo)致整個(gè)疏散時(shí)間的延長(zhǎng)。

2 建筑概況與疏散場(chǎng)景

2.1 建筑概況

該教學(xué)樓共有5層，每層高度為3.6m，總高度為18m。默認(rèn)樓梯寬度為125cm，一層共有3個(gè)房間，二至五層各有6個(gè)大教室，整棟教學(xué)樓共有27間教室?？?cè)藬?shù)為708人，教學(xué)樓共有4部疏散樓梯供師生進(jìn)行疏散，教學(xué)樓共設(shè)置5個(gè)安全出口，安全出口設(shè)置寬度均為4m。疏散通道均無(wú)障礙物。

2.2 參數(shù)的設(shè)定

在疏散中，最重要的要素為個(gè)體的運(yùn)動(dòng)速度。例如，一般健康成年人的步行速度為1.2m/s，老人和兒童的運(yùn)動(dòng)速度為0.7m/s，殘疾人的運(yùn)動(dòng)速度為0.4m/s?？紤]到教學(xué)樓內(nèi)人員對(duì)場(chǎng)地較為熟悉，本次模擬的學(xué)生疏散的最低速度為1.0m/s，最大速度為1.5m/s。教師疏散的最低速度為1.19m/s，最大速度也為1.5m/s。采用均勻的疏散方式，所有樓層的人員布置也均勻放置。

2.3 疏散場(chǎng)景設(shè)置

本文共設(shè)計(jì)4個(gè)疏散場(chǎng)景，包括1個(gè)基礎(chǔ)場(chǎng)景和3個(gè)對(duì)比場(chǎng)景，以分析疏散條件變化對(duì)疏散時(shí)間的影響。

2.3.1 疏散基礎(chǔ)場(chǎng)景

模擬708名師生從各自樓層向五個(gè)安全出口進(jìn)行疏散的情況。

2.3.2 增加樓梯寬度對(duì)安全疏散的影響

基礎(chǔ)場(chǎng)景中樓梯寬度設(shè)置為125cm，現(xiàn)將樓梯寬度增加至200cm，安全出口的數(shù)量保持不變。

2.3.3 增加安全出口寬度對(duì)安全疏散的影響

將一層安全出口的寬度由原來(lái)的4m增加至6m，樓梯寬度不變。

2.3.4 減少五層教學(xué)樓人員疏散的數(shù)量

教學(xué)樓五層作為學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室與機(jī)房，平常有師生會(huì)上課。考查減少非主要上課區(qū)域的人數(shù)對(duì)疏散的影響。

3 基于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算

最不利房間位于五層，計(jì)算疏散時(shí)間應(yīng)考慮最不利的疏散路線(xiàn)。最不利點(diǎn)為房間距門(mén)口最遠(yuǎn)處，同時(shí)最不利點(diǎn)處到達(dá)樓梯間的距離也是最遠(yuǎn)的。由于教學(xué)樓呈“倒凹字形”，兩邊為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此只需考慮其中一側(cè)即可，教學(xué)樓五層平面圖見(jiàn)圖1。在計(jì)算中，設(shè)定人群在水平方向的疏散速度為1m/s，在樓梯間的疏散速度為0.5m/s，通行系數(shù)在水平方向?yàn)?.6人/m·s，在樓梯間為1.4人/m·s。教學(xué)樓總?cè)藬?shù)為708人，五層最不利房間的人數(shù)為50人，在經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中選取50人作為疏散人數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在突發(fā)狀況下，由于教學(xué)樓屬于人員密集場(chǎng)所，疏散過(guò)程中存在人員排隊(duì)的情況，因此在計(jì)算中采用發(fā)生排隊(duì)的公式進(jìn)行計(jì)算。

第一階段疏散路線(xiàn)計(jì)算，由于從合班教室最不利點(diǎn)到房間門(mén)口的距離為9m，從實(shí)驗(yàn)室最不利點(diǎn)到房間門(mén)口的距離為5.6m，因此選用合班教室的疏散距離進(jìn)行計(jì)算。

第二階段疏散，從房間門(mén)口到樓梯間的疏散，實(shí)驗(yàn)室房間門(mén)口到樓梯間的距離為16.9m，走廊寬度為3m。

第三階段疏散，樓梯間內(nèi)的疏散，樓梯寬度2m，傾斜角為30°，由于樓梯存在傾斜不能以樓層垂直高度18m作為樓梯最大步行距離，計(jì)算采用斜邊長(zhǎng)度作為樓梯最大步行距離，則斜邊長(zhǎng)度為36m，且每個(gè)樓梯平臺(tái)長(zhǎng)度為2.5m，因此樓梯間疏散距離L3=36+2.5×4=46m。

第四階段疏散，從樓梯口到室外安全地帶的疏散。一層門(mén)寬4m，樓梯口到門(mén)口的距離為10m，疏散口人數(shù)為50人。

綜合計(jì)算總疏散時(shí)間得：

最后需要加上探測(cè)器報(bào)警時(shí)間和人員反應(yīng)時(shí)間，對(duì)于本文來(lái)說(shuō)，多數(shù)師生對(duì)于教學(xué)樓結(jié)構(gòu)較為熟悉，障礙物較少，因此本文設(shè)定為50s，總疏散用時(shí)220.6s，小于規(guī)定的5min，故疏散時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。最不利點(diǎn)計(jì)算的疏散時(shí)間已滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，故教學(xué)樓其余區(qū)域均滿(mǎn)足疏散規(guī)定時(shí)間。

4 Pathfinder軟件模擬計(jì)算

本次教學(xué)樓人員疏散模擬采用了由美國(guó)Thunderhead公司開(kāi)發(fā)的Pathfinder軟件。該軟件能夠直觀(guān)、方便地觀(guān)測(cè)各個(gè)樓層人員疏散的情況，并且能夠記錄人員疏散的路徑和時(shí)間。模擬選用SFPE行為模式進(jìn)行疏散，即人員自動(dòng)疏散到最近的出口，且不會(huì)相互影響。教學(xué)樓人員疏散模型見(jiàn)圖2。

使用Pathfinder軟件模擬教學(xué)樓的疏散過(guò)程，以對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果。設(shè)置4種疏散場(chǎng)景，討論樓梯寬度、安全出口寬度、人員數(shù)量這些因素對(duì)疏散時(shí)間的影響。

模擬疏散時(shí)間時(shí)，也需要加上火災(zāi)報(bào)警和人員反應(yīng)的時(shí)間，本文取50s作為準(zhǔn)備時(shí)間。表1為不同場(chǎng)景下模擬得出的疏散時(shí)間。

4.1 疏散基礎(chǔ)場(chǎng)景下安全疏散時(shí)間

基礎(chǔ)條件下疏散人員數(shù)量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖3。場(chǎng)景1為基礎(chǔ)條件下疏散的情況，模擬得出的時(shí)間為185s，總疏散時(shí)間為235s（3.91min）。該疏散時(shí)間未超出我國(guó)的疏散標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 增加樓梯寬度情況下安全疏散時(shí)間

通過(guò)改變樓梯寬度，將原來(lái)的125cm寬度增加至200cm，模擬疏散時(shí)間為121.5s。疏散總時(shí)間由基礎(chǔ)場(chǎng)景的235s縮短至171.5s，減少了63.5s。該數(shù)據(jù)表明，增加樓梯寬度對(duì)于縮短安全疏散時(shí)間的效果良好。增加樓梯寬度，很大程度上減少了人員的擁堵和排隊(duì)行為，使得并排通過(guò)的人流數(shù)增加，故提升疏散效果良好。增加樓梯寬度條件下疏散人員數(shù)量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。

4.3 增加安全出口寬度情況下的疏散時(shí)間

在場(chǎng)景3中，對(duì)一層的5個(gè)安全出口寬度進(jìn)行調(diào)整，由原來(lái)的4m增加至6m，模擬得出場(chǎng)景3的疏散時(shí)間為173.8s。疏散總時(shí)間由235s縮短至223.8s。疏散效果提升較不明顯。由于教學(xué)樓存在5個(gè)安全出口，當(dāng)人員疏散至一層各個(gè)安全出口時(shí)，人員密度較低，所以疏散時(shí)間沒(méi)有明顯減少。增加安全出口寬度條件下疏散人員數(shù)量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖5。

4.4 減少疏散人員數(shù)量

五層作為教學(xué)樓的機(jī)房和實(shí)驗(yàn)室，平常有部分學(xué)生在五層做實(shí)驗(yàn)或上計(jì)算機(jī)課?，F(xiàn)減少五層的70人，實(shí)際疏散總數(shù)變?yōu)?38人。最終模擬得到的疏散總時(shí)間為231.3s，與基礎(chǔ)場(chǎng)景下得出的235s疏散時(shí)間相差不大。造成這一結(jié)果的主要原因?yàn)榻虒W(xué)樓四層人員密集，在疏散過(guò)程中，四層存在擁堵、阻塞現(xiàn)象，因此減少五層的人員數(shù)量對(duì)整個(gè)疏散效果影響較小。減少疏散人員數(shù)量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。

5 經(jīng)驗(yàn)公式和軟件模擬結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)軟件模擬和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)疏散時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，軟件模擬的疏散時(shí)間為235s，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的時(shí)間為220.6s，兩者誤差在10%以?xún)?nèi)。造成誤差的原因主要為：第一，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果較為理想化，水平方向的通行系數(shù)采用1.6人/m·s，樓梯間疏散的通行系數(shù)采用1.4人/m·s。但在實(shí)際疏散過(guò)程中，人員的疏散速度各有差異，且遇到人流密集、擁堵阻塞的情況下，人員的通行系數(shù)達(dá)不到1.4人/m·s，因此實(shí)際疏散時(shí)間會(huì)更接近用軟件模擬得出的數(shù)值。第二，利用軟件模擬得出的疏散時(shí)間會(huì)更接近實(shí)際情況。能夠真實(shí)模擬人員的速度、行為模式、師生比例，而且能夠更加直觀(guān)、清楚地反映人員的疏散過(guò)程以及人員在樓梯口是否存在擁堵的現(xiàn)象，因此采用軟件模擬得出的結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)、可靠。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立Pathfinder模型對(duì)教學(xué)樓人員進(jìn)行疏散模擬，在模擬人員均為直接尋找出口的行為下，且無(wú)殘疾人員參與模擬。得出基礎(chǔ)條件模擬人員疏散的時(shí)間為235s，小于建筑防火規(guī)范中的最大允許消防疏散時(shí)間。通過(guò)改變樓梯寬度、安全出口寬度來(lái)減少疏散時(shí)間的情況下，改變樓梯寬度對(duì)人員疏散的效果最為明顯，共縮短63.5s。此外，本文還將模擬的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的疏散時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者計(jì)算的結(jié)果較為接近，誤差在10%以?xún)?nèi)，軟件模擬得出的時(shí)間數(shù)值更加接近實(shí)際情況。本文在模擬過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，與實(shí)際人員疏散過(guò)程相比，存在一定的偏差，實(shí)際的人員疏散過(guò)程會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而變得更為復(fù)雜，疏散的時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)一些。

參考文獻(xiàn)

[1]謝明峰，魯義.高校教學(xué)樓火災(zāi)與人員疏散模擬研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2021，40（1）：85-90.

[2]湛蓮香，陳咪.基于Pathfinder高校宿舍人員疏散模擬研究[J].數(shù)字通信世界，2021（5）：47-49.

[3]何怡婧，曾堅(jiān)，王子寒，等.高層學(xué)生宿舍火災(zāi)疏散模擬與逃生行為研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2013，32（1）：15-18.

[4]王錕，盛武，段若男.基于Pathfinder的高校教學(xué)樓出口人員疏散仿真研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（7）：180-186.

[5]閻衛(wèi)東，張瑞，劉家喜，等.基于Pathfinder的高校圖書(shū)館火災(zāi)疏散研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，37（4）：627-633.