基于Pathfinder的裝配式建筑施工安全應急疏散研究*

肖木峰，周西華，白 剛，王 玨，潘新新

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000;3.遼寧工程技術大學 建筑與交通學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

隨我國經濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平進一步加快，裝配式建筑以其低碳、綠色、技術含量高、管理創(chuàng)新水平等優(yōu)勢迅速發(fā)展。2020年我國爆發(fā)新冠肺炎疫情，火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院采用裝配式建造方式僅10 d時間建成。裝配式建筑效率高、成本低、污染少，使建筑市場對裝配式建筑在應急建筑建造效率與優(yōu)勢方面有進一步認識。但建筑施工安全事故頻發(fā)，給人民生命及財產安全帶來極大威脅，裝配式建筑現(xiàn)場施工人員安全疏散問題逐漸成為國內外學者研究熱點：吳軍梅[1]利用Pathfinder軟件模擬辦公用房施工現(xiàn)場人員疏散過程，基于疏散結果和規(guī)律，優(yōu)化施工進度和施工現(xiàn)場布局；呂惠等[2]利用Pathfinder軟件模擬人員疏散，分析建筑障礙物大小和堆放位置對疏散效率影響；劉歡[3]利用BIM軟件構建虛擬施工現(xiàn)場環(huán)境，運用Pathfinder仿真模擬人員安全疏散過程；張小英等[4]通過經驗公式計算施工人員疏散時間，利用水力模型模擬人員在樓梯間位置疏散過程；Helbing等[5]利用社會力模型模擬緊急狀態(tài)下人員疏散過程，通過在建筑內部特殊位置設置交通指示物指導緊急狀態(tài)下人員疏散；Nishinari等[6]利用CA模型進行人員安全疏散仿真模擬，針對建筑內障礙物不同位置進行分析，利用分析結果優(yōu)化場地布局。此外，部分學者針對建筑現(xiàn)場施工人員疏散組織仿真及模擬等方面也開展一定研究[7-11]。

本文運用Pathfinder疏散軟件模擬裝配式建筑施工現(xiàn)場疏散過程。由于裝配式建筑特殊性，本文著重研究裝配式建筑施工現(xiàn)場物品數量、位置規(guī)劃及操作人員數量等因素對人員疏散時間影響，并根據模擬結果合理優(yōu)化疏散通道材料堆放、位置和寬度等，研究結果可為實際施工現(xiàn)場布置提供參考。

1 疏散模型建立

1.1 Pathfinder軟件功能簡介

Pathfinder為3維網格模型，是1種基于人員疏散和移動模擬仿真器[12]，可模擬正常與緊急狀況下人員疏散情況。Pathfinder軟件通過對行人各項參數定義，行人行為根據疏散環(huán)境變化作出響應，以選擇最優(yōu)疏散路徑[13]。

1.2 案例分析

以合肥某研究院人才公寓F02#樓為研究對象，構建安全信息BIM模型，如圖1所示。建筑共13層，建筑總高度40.95 m，底層配有值班室、公共洗衣間、儲藏間等，2～13層均為2人間學生宿舍，可容納720名學生，建筑面積30 551.5 m2，標準層平面如圖2所示。利用Revit構建安全信息模型，并將簡化后模型導入Pathfinder軟件，動態(tài)模擬裝配式建筑施工現(xiàn)場人員安全疏散過程。

圖1 合肥某研究院人才公寓BIM模型

圖2 合肥某研究院人才公寓標準層平面

裝配式建筑主體結構施工階段與普通建筑施工不同，因裝配式建筑施工現(xiàn)場特殊性，待疏散施工人員普遍集中于施工作業(yè)面。施工現(xiàn)場減少主體臨邊防護、外墻整體腳手架、室內模板支撐等工序，增加預制構件吊裝、堆放、機械設備擺放等工序。工程中輕質隔墻、外墻掛板、疊層梁、樓梯踏步等均為成品預制構件，預制構件和機械設備擺放是研究難點問題。

因人才公寓F02#樓每層面積均小于1 500 m2，所以設置1個防火分區(qū)。每層設置東西2部疏散樓梯，疏散距離<60 m，1樓樓梯口直接連接東西南3個與外室相通的出口。該人才公寓建筑為2類高層建筑，防火等級為1級。根據防火規(guī)范，只有滿足所需安全疏散時間小于可用安全疏散時間時，才可達到疏散要求。因此，需驗證人員疏散安全性。

1.3 方案優(yōu)化流程

首先，簡化安全信息模型并導入Pathfinder疏散軟件。其次，設置疏散模擬參數(疏散區(qū)域和路徑)，對現(xiàn)場施工人員進行定義(人員體征、比例、速度和分布等)，選擇人員行為模式(SFPE和Steering模式)，設置完成后進行安全應急疏散模擬。Pathfinder可提供實時輸出的可視化程序，3D動畫可調整模型角度觀察不同疏散時刻不同區(qū)域人員密度情況、各疏散樓梯使用頻率情況以及對外出入口流率與流量變化情況。通過模擬結果分析施工人員疏散時間是否滿足建筑設計防火疏散規(guī)范要求，若不滿足要求，需優(yōu)化調整建筑內部障礙物品堆放位置、數量、每層人員數量、對外出入口位置以及數量和寬度等，直至達到防火疏散設計要求。基于Pathfinder的人員安全應急疏散優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 基于Pathfinder的人員安全應急疏散優(yōu)化流程

2 疏散仿真模擬

2.1 建立應急疏散環(huán)境

為達到疏散模擬需求，將人才公寓項目中F02#樓施工主體階段安全信息模型以“DXF”格式轉化后導入Pathfinder軟件，對模型做簡化處理，并對樓板、樓梯、門等構件和疏散線路進行識別。施工場景BIM安全信息模型及Pathfinder疏散模型與人員分布情況如圖4～5所示。

圖4 BIM安全信息模型

圖5 Pathfinder安全應急疏散模型

2.2 設置應急疏散障礙物

裝配式建筑施工過程復雜且不斷變化，施工流程、施工環(huán)境和施工平面變化對人員疏散速度、疏散區(qū)域、疏散路徑等均產生較大影響。本文依據裝配式建筑現(xiàn)場施工狀態(tài)，進行裝配式預制構件、施工器械等障礙物設置，如圖6所示。

圖6 Pathfinder應急疏散模型障礙物設置

2.3 應急疏散參數設置

安全疏散模擬系統(tǒng)可模擬逃生人員在特定場所與特定環(huán)境的行為，疏散人員、疏散場所和疏散環(huán)境條件是安全疏散模擬系統(tǒng)基本結構[14]。現(xiàn)場施工人員可分為青年男性、中年男性，青年女性和中年女性4類，不同類型人員逃生速度差別較大，疏散模擬軟件根據設置人員屬性特征進行疏散模擬。另外，由于裝配式建筑主體施工階段工作面分為樓層平面與樓梯平面2類，疏散模擬前需設置不同類別人員在不同工作面的速度。

應急疏散參數主要包括人體特征參數、人員速度以及行為參數，其中人體特征參數、人員速度分別見表1和表2。

表1 施工人員體征參數與比例

表2 不同類別人員在不同工作面的疏散速度

Pathfinder軟件行為模式包括SFPE模式和Steering模式。突發(fā)情況下,現(xiàn)場施工人員表現(xiàn)出3種行為模式，分別為最短距離行為模式、進出一致行為模式和完全從眾模式。通過數據調研可知，約20%的人選擇在同一地點排隊等候，約50%的人選擇其他疏散路線。Steering模式可通過路徑規(guī)劃、引導機制、碰撞處理相結合的方式控制人員疏散。因此，本文選擇Steering模式進行人員應急疏散研究。

2.4 疏散模擬及結果分析

基于應急參數進行緊急情況下裝配式建筑現(xiàn)場施工人員安全疏散模擬。由圖6可知，裝配式建筑施工現(xiàn)場堆放大量預制構件、施工器具等物品，且部分物品堆放在疏散走廊與樓梯周圍，一旦發(fā)生緊急情況，容易導致疏散路徑堵塞，降低疏散速度。以人才公寓項目F02#樓第5層施工平面模型為參照，根據實際裝配式建筑施工現(xiàn)場人員投入情況，擬定模擬現(xiàn)場施工人員100人，隨機分布在第5層不同工作區(qū)域。

1)疏散模擬結果

疏散總時間如圖7所示。疏散時間與人數關系曲線如圖8所示。由圖7可知，100名現(xiàn)場施工人員完成疏散用時102 s。當疏散時間為10.2 s時，疏散人員密度如圖9所示。由圖9可知，疏散走廊與樓梯口處人員密度最大，容易發(fā)生人員擁擠堵塞，在疏散走廊與疏散樓梯口處，需要對預制材料和機械器具等物品進行清理。

圖7 疏散總時間

圖8 疏散時間與人數關系曲線

圖9 10.2 s疏散時刻的人員密度

2)安全性判定

施工現(xiàn)場發(fā)生火災時，人員能否安全疏散主要取決于安全疏散時間(TRSET)與可用安全疏散時間(TASET)。裝配式建筑現(xiàn)場施工人員能夠安全疏散到室外場地需要滿足條件如式(1)所示：

TRESTTASET

(1)

式中：TREST指現(xiàn)場施工人員從發(fā)現(xiàn)緊急事故至全部人員安全疏散到安全場所的時間，s；TASET指緊急事故發(fā)生后，現(xiàn)場施工人員可以承受外界事故傷害極限時間，s。其中，安全疏散時間由報警時間、響應時間以及疏散時間構成，如式(2)所示：

所需安全疏散時間(TREST)=報警時間(Talarm)+

響應時間(Tpre)+疏散時間(Tmove)

(2)

式中：Tmove指現(xiàn)場施工人員全部完成疏散所用時間，s；Talarm指現(xiàn)場施工人員發(fā)現(xiàn)事故到通知所有施工人員所用時間，s，裝配式建筑施工主體階段周邊障礙物較少視野較好，一旦發(fā)生火災，現(xiàn)場施工人員可較快發(fā)現(xiàn)情況異常，模擬報警時間(Talarm)設置為60 s；Tpre指現(xiàn)場施工人員接到危險指令后響應時間，s，模擬響應時間設置為180 s。

計算安全疏散時間TREST=393.0 s，國內外建筑物平均轟燃時間為5～7 min[15]，因此，模擬轟燃時間TASET設置為6 min。通過對比可知，安全疏散時間(TREST)>可用安全疏散時間(TASET)，安全性判定失敗，人員不能完成全部安全疏散。

3)優(yōu)化施工場地布局與現(xiàn)場施工人員數量

疏散走廊與疏散樓梯口處物品堆放影響人員移動速度，需對預制材料及機械器具堆放位置、數量進行優(yōu)化，將室內走廊與疏散樓梯口處物品盡量轉移至房間內部，并使其堆放在墻角或臨邊處；裝配式建筑施工現(xiàn)場人員數量超標影響整體疏散速度，因此，將應急疏散模擬人數縮減至90人，優(yōu)化后現(xiàn)場物品堆放及人員設置如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后現(xiàn)場物品堆放及人員設置

優(yōu)化后疏散總用時如圖11所示。由圖11可知，優(yōu)化后疏散總時間為78.0 s。計算可得TREST=357.0 s，滿足TREST

圖11 優(yōu)化后疏散總用時

圖12 各樓梯與出入口處人流量變化

3 結論

1)利用Pathfinder軟件進行裝配式建筑現(xiàn)場施工人員應急疏散模擬，得到裝配式建筑現(xiàn)場施工人員安全疏散時間TREST為393.0 s，所需安全疏散時間TREST>可用安全疏散時間TASET，安全性判定失敗，現(xiàn)場施工人員不能完全安全疏散。

2)通過合理規(guī)劃裝配式建筑預制材料和機械器具堆放位置，縮減施工平面人員人數，確保疏散樓梯暢通無阻，可有效縮短疏散時間，優(yōu)化后模擬安全疏散時間TREST為357.0 s，滿足小于可用安全疏散時間TASET，安全判定成功，人員可全部完成安全疏散。

3)通過Pathfinder軟件對安全應急疏散方案模擬，可在方案階段提前發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場存在問題，通過改進安全應急方案減少潛在安全危險。