高層教學(xué)樓人員疏散仿真分析

楊舒婷 高靖堯

(1.遼東學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 丹東 118000; 2.國(guó)家電網(wǎng)丹東供電公司，遼寧 丹東 118000)

0 引言

在高等學(xué)校建筑中，因高層教學(xué)樓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密度高，且學(xué)生在建筑物內(nèi)留存時(shí)間一致，一旦發(fā)生如地震、火災(zāi)、爆炸等的突發(fā)事件，極易發(fā)生踩踏等安全事故，引起嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，高校高層教學(xué)樓的人員疏散仿真分析問題的研究至關(guān)重要。Helbing和Molnar[1]通過提出的社會(huì)力模型再現(xiàn)了人員疏散中的自組織現(xiàn)象，田玉敏[2]研究了人員在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的行為理論和模擬原理等，Guesta等[3]利用人員疏散時(shí)的數(shù)據(jù)分析了教學(xué)樓的疏散性能，葉俊等[4]建立了火災(zāi)初期情況下高層建筑的垂直疏散模型，李靜等[5]利用改進(jìn)的精細(xì)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)復(fù)合模型優(yōu)化了人員緊急疏散的路徑。

1 模擬場(chǎng)景參數(shù)的確定

1.1 高層教學(xué)樓的特征

學(xué)校的高層教學(xué)樓通常采用通廊式建筑，由共用樓梯、電梯經(jīng)由走廊到達(dá)各個(gè)教室，走廊的長(zhǎng)度通常在30 m以上，建筑層數(shù)一般在10層左右或者更高。高層教學(xué)樓走廊兩邊各個(gè)教室緊密連接，在上課期間人員密度達(dá)到頂峰，且每個(gè)教室所能容納的最大人員數(shù)量是固定的。在發(fā)生緊急事故時(shí)，處于高層教學(xué)樓內(nèi)的學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生恐慌心理，加之缺乏安全意識(shí)、疏散路線不明確等因素，會(huì)造成大量的人員傷亡。因此，在現(xiàn)有高層教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，如何提高人員疏散效率的問題至關(guān)重要。

1.2 疏散高層教學(xué)樓概況

選取某高校一棟高層教學(xué)樓作為人員疏散仿真分析的研究對(duì)象。建筑物內(nèi)的人員可以通過應(yīng)急照明系統(tǒng)和緊急疏散路線圖進(jìn)行疏散。人員緊急疏散路線為：從教室出發(fā)通過走廊到達(dá)樓梯或電梯，由樓梯或電梯抵達(dá)出口層從而疏散到安全區(qū)域。由于建筑美觀性該教學(xué)樓的2樓為出口層，1樓的人員需先抵達(dá)2樓后才可疏散到安全區(qū)域。建筑物內(nèi)共擁有電梯2臺(tái)，位于建筑物中心位置，疏散樓梯5處，分別位于電梯旁和建筑物兩側(cè)的位置。

2 高層教學(xué)樓安全疏散模型

2.1 人員安全疏散理論

人群移動(dòng)速度vb是基于人群密度、所處地形和運(yùn)動(dòng)速度的曲線函數(shù)，它由式(1)～式(3)分步計(jì)算得出[6]:

vb=vmax·vf(D)·vft

(1)

vf(D)=1,D≤0.55人/m2

(2)

(3)

其中,vmax為設(shè)定的人員移動(dòng)最高速度；vf(D)為速度的分步函數(shù)；vfmin為設(shè)定的最小速度參數(shù)(通常取值0.15)；D為疏散模擬區(qū)域內(nèi)的人群密度；vft為根據(jù)人員疏散地形所確定的速度參數(shù)；對(duì)于坡道、水平地形，k=1.40 m/s。

采用Steering模式進(jìn)行人員疏散仿真[7]，把疏散中人員的基本碰撞、規(guī)劃疏散路徑、疏散指導(dǎo)機(jī)制相結(jié)合來模擬人員疏散行為。在疏散人員間的距離和疏散人員到達(dá)最近出口的路徑超過設(shè)定的閾值，疏散人員會(huì)重新規(guī)劃疏散路徑，按照疏散效率更高的路線前進(jìn)，在此過程中疏散人員不斷循環(huán)進(jìn)行最優(yōu)路徑的規(guī)劃，直到抵達(dá)安全區(qū)域。

2.2 建立高層教學(xué)樓疏散模型

選取的高層教學(xué)樓共9層，每層層高3.1 m，每層樓包含22間小教室、2間大的階梯教室、4個(gè)公共衛(wèi)生間。其中，每間小教室最多可容納學(xué)生30人，每個(gè)階梯教室最多可容納學(xué)生120人。教學(xué)樓的中心位置設(shè)有兩部電梯和兩個(gè)樓梯，在教室走廊兩側(cè)盡端各設(shè)有一個(gè)樓梯，階梯教室旁設(shè)有一個(gè)樓梯，共有7個(gè)安全逃生通道可以抵達(dá)出口層，如圖1所示。疏散樓梯寬度為1.6 m，電梯每次運(yùn)行可容納10人。在發(fā)生緊急事故時(shí)，疏散人員利用逃生通道抵達(dá)出口層后通過出口走出教學(xué)樓視為安全。

2.3 安全疏散參數(shù)設(shè)置

在教學(xué)樓內(nèi)隨機(jī)分布初始疏散人群。整個(gè)疏散過程中，設(shè)定人員疏散均按照“就近原則、最優(yōu)路徑”進(jìn)行安全疏散，所有出口的方向均設(shè)置為單向，人員只出不進(jìn)，避免人員往返同一房間，提高疏散仿真效果。當(dāng)所有人員通過任意出口疏散到教學(xué)樓外即為疏散結(jié)束。根據(jù)上述人員疏散理論和教學(xué)樓內(nèi)所能容納最多人員數(shù)量特點(diǎn)，運(yùn)用Pathfinder模擬教學(xué)樓內(nèi)人員緊急疏散仿真情況，人員疏散行為為基本碰撞、通往任一疏散出口、只通過樓梯疏散，設(shè)定表1模擬參數(shù)。

2.4 安全疏散模擬分析

通常高校的標(biāo)志性教學(xué)樓會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)2樓平臺(tái)，而為了方便教學(xué)樓的日常管理，只打開2樓常用的出口1，2，3作為主要進(jìn)出口，圖2為2層出口層俯視圖。

表1 人員疏散仿真運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

按照常態(tài)下教學(xué)樓實(shí)際情況進(jìn)行疏散模擬，安全疏散出口未與事故警報(bào)設(shè)備關(guān)聯(lián)，使用教學(xué)樓所打開的出口1，2，3進(jìn)行疏散，不同出口疏散人數(shù)結(jié)果見表2。

表2 各可用安全出口人員撤離流量情況

由上述結(jié)果可知：疏散時(shí)中部的樓梯離出口1，3更近，所以出口1和出口3疏散的人員數(shù)量相對(duì)較多。出口3這一側(cè)由于有階梯教室，較出口1那一側(cè)要疏散更多的人員，其疏散效率最高。在45 s時(shí)，離出口較近的兩側(cè)樓梯，開始發(fā)生擁堵，人員聚集在各樓梯拐角處等候離開，對(duì)人員疏散效率具有影響，如圖3所示。最終在當(dāng)前建筑布局情況下，人員疏散總耗時(shí)為635.0 s。

3 突發(fā)事故情況下疏散場(chǎng)景的優(yōu)化分析

在現(xiàn)有學(xué)校應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)上，根據(jù)高層教學(xué)樓內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施較易于更改的特點(diǎn)，研究模擬布局優(yōu)化的方式對(duì)人員疏散的影響，以及使用電梯進(jìn)行人員疏散對(duì)疏散效率的影響。選取的高層教學(xué)樓一樓東西兩側(cè)有2處出口，四樓東西兩側(cè)有通往其他教學(xué)樓的通道，可用作緊急疏散時(shí)的安全出口，具體疏散結(jié)果見表3。各疏散出口使用情況見圖4。

表3 各優(yōu)化方式下的疏散時(shí)間和出口流速情況

由表3的疏散結(jié)果和圖4的各出口使用情況可見，在發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，聯(lián)動(dòng)打開教學(xué)樓現(xiàn)有的所有安全出口，并利用電梯進(jìn)行輔助疏散，對(duì)提高人員疏散效率是十分有效的。從疏散時(shí)間可以看出，在緊急狀況下及時(shí)打開教學(xué)樓所有出口可以大大提高疏散效率，其中打開4樓出口較打開1樓出口疏散時(shí)間更快；當(dāng)高層教學(xué)樓配備相關(guān)報(bào)警設(shè)備，在發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，應(yīng)急報(bào)警設(shè)備立即觸動(dòng)，然后立刻開啟鎖閉的所有出口進(jìn)行疏散，與未聯(lián)動(dòng)開啟所有門需人工開啟相比，疏散效率普遍提高12%；在同樣的優(yōu)化方式下，使用電梯進(jìn)行輔助疏散，可以普遍提高疏散效率達(dá)到14%。

4 結(jié)論

1)在現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，完善各疏散出口警報(bào)聯(lián)動(dòng)機(jī)制功能，保證各出口在突發(fā)狀況時(shí)能快速打開，在樓內(nèi)各顯示屏實(shí)時(shí)播報(bào)各出口使用情況，使人員合理規(guī)劃疏散路徑，可以提高人員疏散效率。

2)根據(jù)不同的突發(fā)狀況，在使用電梯疏散可行的情況下，利用電梯進(jìn)行輔助疏散可提高疏散效率。如地震情況下不可使用電梯進(jìn)行疏散。

3)通過高層教學(xué)樓的疏散仿真分析，可以更加直觀的反映在突發(fā)事故場(chǎng)景下人員真實(shí)的疏散情況，為學(xué)校相關(guān)部門的應(yīng)急預(yù)案的設(shè)置提供了更多的理論參考依據(jù)。