邵志國，王昕鴻，于德湖

(1.青島理工大學 a.管理工程學院；b.土木工程學院，青島266525；2.智慧城市建設管理研究中心，青島 266525)

隨著中國城市經濟的飛速發展，大量人口在城市集聚。然而，城市土地資源有限，運輸車輛的增加和人口的大量增長造成城市交通擁堵、交通事故頻發等一系列安全問題頻發。為滿足人們對交通出行的需求，目前我國各一線城市、新一線城市及省會城市紛紛規劃與建設地鐵線路。地鐵的建設既為人們的出行提供便利，也有利于緩解環境問題和土地資源利用問題[1]。但是，作為城市交通運輸的主要載體，地鐵在方便人們出行的同時，也面臨著地震、洪水等大量的自然與社會風險影響，稍有不慎，相關地鐵事故將造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此，如何更好地保證地鐵運營安全，在突發事件發生時能夠進行有效地地鐵安全疏散成為當今社會亟待解決的問題。

目前，國內學者已在地鐵安全疏散方面展開了較多研究，并取得一定成果。金澤人等[2]建立元胞自動機的場強模型進行了在火災情況下的人群疏散仿真研究；王夢思等[3]提出面向人群疏散模擬的異構情緒感染模型；靳寧[4]將蟻群算法與Agent理論結合運用于安全疏散路徑研究；連海濤等[5]提出多目標粒子群的擁擠人群疏散路線規劃方法，建立目標函數以達到提高疏散效率，降低疏散風險和擁擠程度的目的。同時，國外學者對地鐵安全疏散問題的研究也取得不少成果。KADOKURA等[6]利用停步自動扶梯進行人群步行實驗，并對地鐵火災場景進行了煙氣運動仿真，根據模擬結果，檢驗了使用自動扶梯進行疏散的可行性和存在的問題；ROH等[7]利用火災動態模擬程序(FDS V406)預測火災過程中煙氣的擴散和安全疏散時間；KANG[8]提出了一個用于地鐵車站緊急疏散模擬的隨機模型，利用蒙特卡羅方法和宏觀仿真技術建立了MCEVAC模型來預測疏散時間。

以上學者運用了數學模型、模擬實驗、仿真軟件等方式對地鐵站進行了人員疏散模擬，但并未建立直觀的三維模型來保證研究的實際應用性。因此，本文將Revit軟件與Pathfinder軟件相結合，參照工程圖紙及各項指標，建立BIM三維模型，使得仿真結果更加有效，得到的模擬數據更加準確。同時，本文研究了地鐵人員滿負荷狀態下的疏散過程，得到疏散瓶頸和極限人員密度。研究成果可為在建地鐵工程提供一定指導性建議和改進措施。

1 基于Revit與Pathfinder的地鐵人員安全疏散分析

地鐵運營階段是地鐵項目整個生命期中時間最長的階段，運營風險是地鐵建造完成投入使用后的主要風險，受到多種不確定性因素影響。地鐵事故一旦發生，對人員及社會的影響最為直接，通常會造成重大人員傷亡、經濟損失及社會影響等。因此，如何做好風險應對措施，在風險發生時進行合理的安全疏散至關重要。

BIM模型在建筑行業中廣泛應用，它能夠準確利用三維圖形描述建筑物自身構造。同時，Pathfinder疏散軟件作為一款火災疏散軟件，擁有特殊人員運動模式，系統將自動進行路徑規劃，碰撞處理，使得仿真疏散過程更加真實有效。目前已有多位學者通過BIM模型與Pathfinder軟件相結合，較好地研究大型綜合類建筑(如商場)、高層住宅建筑物的火災疏散及其優化問題。因此，本文選取實際地鐵工程作為研究對象，建立BIM三維模型，利用Pathfinder疏散軟件對地鐵安全疏散進行具體分析。

1.1 模型假設

1) 疏散過程中，人員不受心理、生理、外界環境等因素影響；

2) 相同類別的人員具有相同的身體結構及逃生速度；

3) 人員的疏散速度僅跟其所在站層人員密度相關；

4) 不考慮在疏散過程中人員發生意外的情況。

1.2 模型建立

1.2.1 基于Revit的地鐵站BIM模型

本文選取一處地下2層島式地鐵站，站臺寬12 m，主長177.35 m，標準段總寬20.7 m。地下1層是站廳層，地下2層是站臺層，車站總建筑面積為12 036.16 m2，車站主體建筑面積為7 718.96 m2，附屬建筑面積為4 317.2 m2。站廳層共設置4個出入口，站臺層共設置3個樓梯。當危險發生時，站臺層人員可通過任意樓梯向站廳層疏散，人員順利通過安全出口視為逃生成功。

根據工程圖紙，利用Revit軟件建立BIM模型作為模擬疏散的基礎三維模型，如圖1所示。

圖1 地鐵車站BIM模型

1.2.2 基于Pathfinder的地鐵站疏散模型

Pathfinder是由Thunderhead Engineering公司開發的一款直觀的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統。由于Pathfinder系統不支持Revit導出的模型文件格式，所以首先將Revit模型導入CAD軟件中，將模型轉成CAD格式，然后將轉成的CAD模型再導入Pathfinder軟件，如圖2所示。

圖2 導入Pathfinder軟件的PTH模型

為保證模型能夠簡潔直觀地反映人員疏散時的情景，需要對模型進行簡化，僅留下疏散模擬所必需的結構。首先，將模型中妨礙觀察疏散過程的墻體、柱子等構件進行刪除，其次提取房間，不同顏色的模塊代表不同的房間(如洗手間、電纜間、配電室等)，在房間上添加疏散所必需使用的門和樓梯，綠色門代表安全出口。簡化后的疏散模型如圖3所示。

圖3 簡化后的疏散模型

2 仿真模擬

2.1 約束參數的確定

約束參數的確定主要包括對疏散人數和疏散人員指標的確定。

1) 根據Revit模型，站廳層的實際疏散面積為975.68 m2，站臺層的實際疏散面積為1128.6 m2。一般情況下，地鐵站的人員密度在0.30～0.65人/m2[8]，具體參數可根據城市和車站的具體情況決定。根據地鐵人員密度舒適范圍可知，人員密度在0.65人/m2時，符合正常地鐵人員流通標準。假設人員密度P=0.65人/m2，則站廳層參與疏散的人數為0.65×975.68=635人，站臺層參與疏散的人數為0.65×1128.6=734人。由此確定各層逃生人數。此外，高峰期時地鐵人流量極大，在已有研究中，學者們針對其他大型建筑(如商場)進行滿負荷模擬時，將建筑最大容納人數按照《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)進行計算，本文綜合學者研究，同時以實際最壞情況為例，即早晚高峰期地鐵滿員時發生火災，此時以地鐵站臺兩側列車同時到達作為極限狀態下的人數，進行疏散模擬。

2) 疏散過程中人員的分類和移動速度均會對疏散時間造成影響。由于本文所取地鐵站尚未開通，無法采集每天實際到站人數的年齡比例，所以采取類比的方法，以同類地鐵作為調查對象，統計不同年齡段人員乘坐地鐵的人數，通過類比進而得到本文所需參數。根據同類地鐵發布的數據顯示，地鐵客流以中青年為主，19～60歲約占86.6%，18歲以下及60歲以上客流占比較小，分別占6.6%和6.8%。在實際疏散過程中，人員受到心理、環境等因素的影響，速度在不斷地變化，本文根據密度-速度公式[9]算出人員速度，計算公式為

(1)

式中：V為人員速度；V0為人行走時的最大速度，取1.66 m/s[9]；P為人員密度，取0.65人/m2；b為速度折減系數。

將疏散人員根據年齡劃分為青壯年、小孩與老年人3種群體，不同年齡段的人員因身體結構的不同，具有不同的行進速度。青壯年行走速度較快，小孩和老人則較緩慢，其速度折減系數b[9]分別為1，0.8，0.75。將各項參數帶入式(1)，計算得出3種群體的速度分別為1.2100，0.9680，0.9075 m/s。

2.2 模擬疏散

2.2.1 正常人流量下的仿真疏散

按照設計參數進行仿真模擬，總疏散人數為1369人，測得總疏散時間為146.8 s，正常人流量下的疏散場景如圖4所示。

圖4 正常人流量下的疏散場景

2.2.2 高峰期極限狀態疏散模擬

地鐵站在早晚上下班高峰期時的人員流量[10]最大。對于本文而言，此時的疏散情況最為不利，應重點進行分析。目前，我國對地鐵核載有明確規定，6人/m2為滿員。一般情況下，地鐵采取6節編組，列車有6節車廂，車廂總面積約為260 m2。假設危險發生時恰有2趟列車進站，根據這個標準計算，站臺層到站人數為6×260×2=3120人，站廳層人數仍為初始假設的635人，在此條件下進行疏散模擬，2層總疏散人數為3120+635=3755人，總疏散時間為411.8 s，不同時刻的人員流量密度如圖5所示。

圖5所示區域顏色越紅，表示地鐵越擁擠，隨著時間的推移可以看出，擁擠地段主要為站臺層通向站廳層樓梯處和站廳層的閘機處。該疏散模擬出現擁擠的區域稱為疏散“瓶頸”。

2.3 模擬結果分析與深化設計

1) 上述仿真結果表明，在人員流量最大時期，疏散所需時間大大延長，出現突發事件時不能保證人員的安全。本文綜合地鐵面積與人員密度計算疏散人數的方式是一種不考慮外界因素影響的簡化計算方式，但在實際生活中，地鐵站的人員密度會受到周邊環境、交通情況、人員流動情況等外界因素的影響，并具有很強的隨機性，當人員密度到達一定程度時，再增加人員將會出現人員重疊的現象，這將使結果不符合實際，所以此時，Pathfinder疏散系統會發出提示：“此疏散人數下，疏散終止”。本模擬中，站臺層疏散人員臨界值為3274人，疏散過程中將發生踩踏事件，疏散被迫中止，此時人員密度臨界值為2.90 人/m2。

2) 由人員流量密度圖可以看出，在整個疏散過程開始時，站廳層人員較多，疏散人員均需通過閘機到達安全出口，但閘機的設計寬度僅能一次通過一人，所以減緩了通行速度，造成輕度擁擠現象，如圖5(a)所示。站臺人員只能通過樓梯到達上層安全出口，由于站臺到站人數飽和，樓梯寬度不足以滿足人員疏散要求，隨著時間推移，滯留在樓梯口處等待的人員越來越多，如圖6所示，在樓梯口會出現明顯的擁堵狀況，即是本文在模擬過程中遇到的疏散“瓶頸”。這些“瓶頸”問題直接影響了疏散速度，使得疏散時間延長，同時易引發安全事故，造成站內混亂。

圖5 不同時刻人員流量密度

圖6 疏散時樓梯口擁擠的場景

3) 為解決上述人員滯留的危險情況，本文在站臺層地鐵到達其中一側增設一個與站廳層相似的出口作為消防出口，當地鐵站發出火災警報時，消防出口自動開啟，此時進行疏散模擬，總疏散時間為267.0 s，減少了144.8 s。因此，增設消防出口減輕了站臺層人員過于集中的現象，減少了樓梯口處的擁擠，大大加快了整個疏散過程。

3 結論

本文結合地鐵車站工程實例，應用Revit軟件建立地鐵三維BIM模型，利用Pathfinder仿真模擬地鐵安全疏散的動態過程，驗證了建模與仿真技術的實用性和可行性，并得出以下結論：

1) 通過Revit建模與Pathfinder疏散仿真相結合，可形象生動地展示地鐵車站安全疏散的時空變化情況；

2) 地鐵站層人員容量有限，當人員密度達到極限時，疏散將會發生踩踏事件，模擬疏散將被迫中斷；

3) 通過模擬疏散過程發現，地鐵疏散瓶頸主要體現在站臺層與站廳層相接的樓梯口處。隨著疏散的進行，此處人員數量飽和，存在嚴重擁擠現象；

4) 通過改變疏散條件，如在站臺層合理增設消防出口或在站廳層增設安全出口等措施，疏散效果顯著。

本研究是對Revit軟件建模與Pathfinder人員疏散模擬相結合的較好嘗試，其結果對當前地鐵站建設與改造、安全運營管理、疏散方案改進具有一定的理論與實踐參考價值。由于本文中的Pathfinder疏散模型是一個相對簡化的模型，其仿真過程中未考慮人員遇到緊急情況時行為的多樣性及最優路徑選擇問題，未來研究將側重模型的深化，以及考慮復雜條件(如有無疏散引導員、有無地鐵廣播電視通知等)下的地鐵車站安全疏散效率問題和人群對最優路徑的選擇問題。這些方向將是未來研究的重點。