基于火災情況下連體高層住宅人員疏散問題的分析

鄧超偉 陸文哲

（南京農業大學工學院，江蘇 南京210000）

1 概述

隨著我國人口數量的增長和土地存量的減少，高層住宅的數量越來越多[1]，連體高層住宅便屬于其中的一種[2]。一般情況下，連體高層住宅是指相鄰兩棟結構相同的住宅樓之間共用一面墻，內部分隔，頂層結構連通[3]。

在發生火災時，一般高層住宅人員只能從樓梯間自上而下進行疏散[4]；但連體高層住宅基于“連體”的特點，便可以采用上部人員從頂層屋面撤離至相鄰住宅樓疏散，中下部人員仍然從本樓疏散的方案。筆者采用Pathfinder 仿真模擬軟件，選取某18層連體住宅樓為研究對象，分析在該方案下的火災疏散過程，為疏散策略優化提供依據。

2 連體高層住宅Pathfinder 仿真建模

本文選取南京市某小區連體高層住宅樓九幢（共兩棟樓，分一二單元）為建模對象，一單元模型樓層平面面積335m2，連體模型（一二單元合計）平面面積670m2，層高2.8m，建筑高度50.4m，共計18 層。配有一部上下樓梯，樓梯寬1.2m，臺階高17.5cm，寬24.5cm。建成連體模型樓層平面圖如圖1 所示。

圖1 建成連體模型樓層平面圖

通過項目團隊的實際上門調研，一單元共計72 戶，253 人，入住率84.7%。其中，不具有行動能力的孩童20 人，具有行動能力的孩童34 人，男青年59 人，女青年55 人，老人85 人。在實際疏散時，令不具有行動能力的孩童由家庭成年男性抱著疏散，其自身速度下降三分之一，人員數據設置為233 人。依據中華人民共和國GB-10000-88《成人人體尺寸標準》和美國的《SFPE防火工程手冊》設定各類人員的肩寬和速度如表1 所示。

表1 人員肩寬速度表

3 模擬結果與分析

按照上述模型，分別模擬一單元住宅按一般情況自上而下從本樓進行疏散；以及設定工況A～E 模擬n 層及以上樓層人員從頂層屋面撤離至相鄰住宅樓（二單元）進行疏散的情況。疏散模擬完成總時間圖如圖2 所示。

圖2 疏散模擬完成總時間圖

一單元模型按一般情況疏散完成時間為474.53s，與工況A～E 疏散結果構成開口向上的拋物線圖形。從工況A 第18 層人員撤離至相鄰二單元疏散開始，隨著n 值的減少，從相鄰住宅樓疏散的樓層增多，模擬疏散完成時間也同時減少。工況B達到拋物線時間最低點419.03s，比一般情況縮短55.5s。工況C、D 疏散完成時間雖高于工況B，但仍然低于一般情況，這也就意味著15 層及以上樓層人員向上從頂層疏散是方案可行的分界點，隨后工況E 疏散完成時間498.53s 超過一般情況則表明n＜15 層時方案不如傳統疏散方式效率高。

圖3 樓內滯留人員曲線圖

模擬疏散過程中樓內滯留人員曲線圖如圖3 所示，采用工況A～E 的疏散方式，0～225s 時間段內，六條曲線緊密貼合，疏散成功人數與一般情況相同。n 層及以上人員處于相鄰二單元樓內，n 層以下人員從一單元出口逐漸撤出。在225～250s 時間段內，各工況與一般情況疏散開始顯露出差異，二單元出口有人員成功疏散。在275s 時間點，可以明顯看出，工況A～E 樓內滯留人員數量低于一般情況，平均約相差8 人。在350s 時間點，工況A、E 與B、C、D 樓內滯留人數也開始分化。其后，工況E 疏散效率降低，滯留人數超過一般情況；工況A 斜率不變，扔延原有趨勢下降；工況D 與B、C 則在375s 時間點再次分化；最終工況B、C 結果最優，工況A、D 次之，工況E 與一般情況疏散時間最長。

從圖4 疏散過程出口人員流率圖也應征了上述結論，前225s 時間段內，各流率曲線均在50s 附近形成一個缺口后，維持在0.5pers/s 上下波動。缺口形成是由于在疏散啟動階段，第一層人員直接從出口跑出后，第二層人員向下疏散的時間差導致。其后，三層及以上人員在樓梯間內向下緩慢疏散，從而達到出口流率穩定流出。

圖5 疏散過程出口流率平面圖

在按傳統方式疏散的情況下，出口流率在回補缺口后一直在平均流率上下波動，各類人員在樓梯間內的疏散效率相對穩定。但從圖5 出口流率平面圖中可以更直觀的看出，工況A、E和工況B、C、D 則在225s 后，分別在225～260s、290～325s、325～380s 出現了2 和3 個不同面積波峰。通過疏散過程中的視頻回放查看，波峰的產生是由于二單元住宅樓出口人員集中撤出引起。在表3 人員肩寬速度表中，人員疏散速度可以由高到低分為三個梯度，最快的為男青年1.2m/s，次之為女青年1.02m/s，較慢的為老人、孩童和抱孩童成年男性，其速度在0.7～0.8m/s 區間內。因處于第三梯度的人員數量多于男、女青年的數量，所以325～380s 區間內的波峰面積也最大。工況B、C、D 三個波峰的出現是三個速度梯度的人員在二單元樓內疏散過程中形成了三個人員集中的群體，在出口疏散產生的；而工況A 缺少一個明顯的波峰是因為僅18 層人員從二單元疏散，在290～325s 峰值區間內第二梯度的女青年數量較少；工況E 缺少則是因為14～18 層人員從二單元疏散，其人數較多，在330s 從本樓疏散的人員已全部撤出而二單元內的人員仍未疏散完成，其后時間的流率圖像僅反映二單元出口，因此在第二個波峰之后流率驟減。

圖4 疏散過程出口人員流率圖

通過工況A～E 和一般情況模擬疏散的對比，連體高層住宅采用人員向上從頂層屋面撤離至相鄰住宅樓的疏散方式在一定程度上具有優越性。在實際高層住宅火災逃生的過程中，頂部樓層的人員在疏散時擁堵時間最長，因火災煙囪效應承受的風險等級也越大。采用向上疏散的方案設計，能夠顯著降低頂部人員的擁堵時間，提高疏散效率。如結果最優的工況B 方案，17、18 層人員從本樓疏散的擁堵時間為180.93s，而從二單元疏散的擁堵時間僅為8.41s。

從結果導向分析，連體高層住宅采用這種疏散方式也存在著兩個臨界n 值，第一個是采用向上疏散的結果最優樓層，在本文中為工況B 17 層及以上；第二個是結果可行樓層，在本文中為工況D 15 層及以上。原因是從二單元疏散的頂部樓層人員雖然擁堵時間變短，但疏散距離卻變長。當n=17 時，能夠將前者的優勢程度發揮到最大；而n=14 時，擁堵時間的縮短不足以抵消距離變長的劣勢，疏散完成時間超過本樓自上而下的常規方式。但在極端情況下，一旦本樓的樓梯通道被火災阻塞，連體住宅采用向上從頂層疏散的方式也具有一定參考意義。

4 結論

本文通過使用pathfinder 仿真模擬軟件，根據實際連體高層住宅完成建模，模擬了按照一般情況自上而下從本樓進行疏散和14～18 層人員從頂層屋面撤離至相鄰住宅樓進行疏散的六種情況，基于以上結果，得出如下結論：

（1）對于一般連體高層住宅，采用頂部區域人員從相鄰住宅樓疏散可以一定程度上提高疏散效率，縮短疏散完成時間。

（2）連體高層住宅采用這種疏散方式存在著一個使得最終疏散結果最優的樓層n 值和一個使得最終疏散時間超過傳統疏散方式的樓層n 值。

（3）當樓內樓梯通道被火災截斷不能保證人員安全疏散的情況下，可以考慮截斷樓層之上的全部人員向上從相鄰住宅樓進行疏散，這種方案也具有一定可行性。