軌道交通地下站火災時人員疏散模擬分析

文/李寶玉、羅振興

1 前言

地下空間由于建筑環境較為密閉，一旦發生火災事故人員逃生相對困難；特別是地下軌道交通空間，由于人員密集，一旦發生火災事故，更是會造成大量的人員傷亡以及經濟損失，同時還會給國家的發展和社會的穩定帶來負面影響，因此研究火災擾動下地下空間的人員疏散規律對于應對突發事件、提高應急管理水平具有重要意義。近幾年，范維澄、袁亮、張和平、李家春等知名學者就地下空間火災的相關議題進行了深入研究和討論，對我國地下空間火災研究的發展起到了極大的促進作用，同時也為我國未來地下空間安全狀況的持續穩定發展打下了堅實基礎[1]。

本文以地鐵車站為例，地鐵車站屬于地下建筑，因其建筑特點以及火災特性，一旦發生火災就會產生嚴重后果。因此，在火災事故發生后，首先要將乘客人員快速安全地疏散到安全區域，保證人員的人身安全；同時，車廂內的乘客應立即有序下車到站臺，站臺上的工作人員組織站臺與車廂乘客通過扶梯、樓梯等疏散通道前往售票大廳，疏散人群，通過檢票機和走廊通道通向地鐵入口來到地面，方可暫時安全。另外，由于火災現場逃生演練的難操作性和局限性，計算機軟件模擬一直都是備受青睞的疏散研究手段。

2 Pathfinder 軟件

Pathfinder 疏散模擬軟件的人員運動模式包括SFPE 模式和Steering 模式。SFPE 模式是一個流動模型，它將人員行走距離作為路徑選擇的主要依據，通過每個房間的人員密度確定人員行為和運動速度[2]。在該模式中，人員的行為不會相互影響。而在Steering 模式中，在人員之間的距離和最近點的路徑超過某一閾值時，會產生一個新的路徑以適應新的形勢[3]。

3 模擬環境構建

3.1 建筑結構環境

本次疏散模擬為換乘雙島式地鐵站，地下一層為站廳層，有5 個主要出口，南北兩側分別有通向地面的樓梯出口A 和B，站廳層西側有三個出口a、b、c。地下二層是站臺層，有4 列車道，2 個島式站臺。2 個站臺的中間分別設置3 座通向站廳層的樓梯，南北兩側的4 座樓梯旁、中間兩座樓梯的兩側分別設有1 座自動扶梯。

地鐵站臺長度為140m，寬度為12m，站廳層與站臺層之間的高度為6m。每個站臺中間三座樓梯的長度為12m，寬度為5m，樓梯中間有兩個過渡平臺，高度分別為2m 和4m，長為1.5m，寬為3.5m，同時將自動扶梯看作是有效寬度為1m 的樓梯。連接站臺層與站廳層的六座樓梯從左到右分別為stair A、stair B、stair C、stair D、stair E、stair F。為簡化模擬，將站廳層兩側通向地面的樓梯和自動扶梯設置為安全出口。地鐵站局部剖面圖，如圖1 所示。

圖1 地鐵站局部剖面圖

3.2 疏散人員環境

設高峰期人流量為3.39 萬人次/小時，根據相關規范地鐵人員在緊急情況下完成疏散的時間為6min，故設在模擬過程中人員的數量為高峰期的6min 內客流量，總人數約為3390 人。在模擬過程中，人員的平均肩寬根據前文亞洲人的平均肩寬可設置為0.45m，人員之間的緩沖區域設置為0.6m，行人空間為0.87m2/人，因此結合站廳層與站臺層的實際結構以及地鐵站內人員的實際分布狀況可設站廳層人數為1090 人，站臺層人數為500 人，列車車廂、地鐵車廂內人數為1800 人（設火災發生時站臺停靠兩列地鐵）。另外，疏散人員的年齡比例如表1 所示。

表1 不同性別、年齡疏散人員所占百分比（%）

不同年齡、性別的人員，其反應時間、身材尺寸、行走速度等也不同，不同年齡和性別的人員移動速度如表2 所示。

表2 乘客的行走速度（m/s）

綜上，將不同性別和不同年齡、不同性別和不同行走速度的人員各設為10 個類別，隨機分布于站廳層和站臺層。

4 疏散模擬結果分析

假設地鐵站中一側站臺內起火，則該站臺與站臺停靠車廂內的人員立即疏散，其疏散延遲時間為0s；而另一側地鐵站臺及列車上乘客經2s 反應后開始進行疏散，其疏散延遲時間為2s；站廳層的乘客則經過更長一段時間來反應疏散，故站廳層乘客的疏散延遲時間設為4s[4]。

模擬疏散結果顯示：疏散總時間為201.5s，疏散總人數為3390 人，滿足《地鐵設計規范》中對于6min 內疏散所有人員的設計要求。通過對疏散結果進行分析可知：

4.1 大部分疏散人員的行走路徑不具有自主性，基本呈現“隨波逐流”的狀態，站內疏散人員疏散出口的選擇基本遵循就近原則。

4.2 0s～27s，隨著列車內人員的不斷疏散，站臺上的人員數量呈現持續上升的態勢，再加上站臺內原有的大量疏散人員，使得列車出口處擁擠度大大增加，從而導致列車出口處的疏散能力明顯降低；與此同時，站廳層人員數量由原本的不斷下降變為小幅回升，且在之后的一分多鐘內人員數量始終穩定在一定數值，此時進出站廳層的人流量達到了一個平衡，如圖2 所示。

圖2 站臺層與站廳層的疏散人員數量變化情況圖

4.3 站層內的各樓梯人員疏散能力有很大差異，四座寬度較寬的樓梯stair A、stair B、stair E 和stair F 疏散時每秒最大通行量為70～80 人，出入口通過人流量約為4～5pers/s；而對于寬度較窄的stair C 和stair D 疏散時每秒最大通行量為30～40 人，出入口通過流量約為2per/s，可見樓梯的寬度直接影響人員的疏散速度與時間[5]。各個樓梯的疏散人員數量變化情況，如圖3 所示。

圖3 各個樓梯的疏散人員數量變化情況圖

5 結語

本文建立了某地鐵站的建筑結構模型和人員特性模型，利用疏散模擬軟件Pathfinder 模擬地鐵站著火點時地鐵火災人員的疏散情況，得出了車站整體及部分建筑疏散結構的疏散結果相關數據展示圖，并通過對模擬結果的總結與分析得到了以下幾個與人員疏散有密切關系的因素。

5.1 站內人員數量

站內的人員總數會直接關系到人員疏散的情況，當地鐵站內的總人數達到一定的臨界值時，密集的人員環境就會嚴重影響人員的行為與流動。在這種狀態下發生突發事件需要緊急疏散時，人員疏散的情況要比往常環境中更為困難和復雜。許多群死群傷的事故都是因為事故發生在人員密集的區域，但無法按預期正常進行疏散。

5.2 疏散人員的反應時間

在實際疏散過程中，不同區域的人群會有不同的反應時間。在地鐵火災這種緊急情況下，人員疏散反應的時間越長，人員的人身安全就多一分危險。雖然在模擬過程中人員整體的疏散時間滿足《地鐵設計規范》中6min 的要求時間，但是在實際疏散中存在許多不定影響因素，會拖慢人員的疏散速度，并且在地鐵站這種地下封閉環境中煙氣的流動也是相當迅速。當火勢無法撲滅時，產生的煙氣會在短短幾分鐘內便充斥整個地鐵站，對人員的疏散造成極其不利的影響，因此我們應節省疏散過程中每一分、每一秒，盡可能最大限度地保證人員的人身安全。

5.3 各疏散通道、出口的寬度

疏散樓梯、疏散通道和出口的寬度同樣對人員的疏散有極大地影響，對于站臺層人員而言，樓層間樓梯的疏散能力直接決定了人員疏散的速度與時間。相對來說，樓梯寬度較寬的階梯疏散能力更強，然而疏散樓梯的寬度不可無限延長，不考慮建筑結構方面的因素，當樓梯寬度延伸到一定距離時，樓梯中不可能設置多個扶手欄，而當某些位置附近無扶手、扶欄時，疏散過程中由于人群的擁擠很容易使人員在上樓梯的過程中失去平衡摔倒，進而導致踩踏事件發生，使人員處于更加危險的環境中。因此，樓梯寬度應保持在一定范圍內，使其疏散能力處于最佳狀態。同理，站廳層的疏散出口也不可無故擴寬，應保持在最佳疏散能力范圍的尺寸內。

5.4 疏散出口、樓梯口的位置

從模擬的結果中可以看出，一般人員在疏散過程中都采用就近原則進行疏散；尤其對于站臺層人員，在緊急從站臺疏散到站廳中時，由于人員的心理原因，其一般都會選擇視野內可見的最近疏散出口進行疏散，從而忽略身后或其他更為有利疏散的疏散通道。因此，站廳層的疏散口位置應設立的較為明顯，且均勻分布在站廳層的結構建筑中，同時站臺至站廳樓梯出口的位置應盡量接近站廳層的疏散出口處，以便人員安全疏散。

此外，在本次的疏散模擬過程中還有一些問題需要進一步討論：如在使用pathfinder 軟件進行模擬時，只是將人作為一個個質點看待，不考慮在疏散過程中人員的心理情緒等對疏散的影響，因此模擬過程與現實有所差異。