基于Pathfinder的高校學生宿舍人員疏散研究

孫文瀟 劉敦宇

摘要：高校學生宿舍由于人多物雜，存在較多的火災安全隱患，一直以來，針對高校學生宿舍開展人員安全疏散研究是高校安全工作的重中之重。文章選取了某高校一棟6層學生宿舍樓作為研究對象，對影響緊急疏散時間的主要因素進行了分析，利用Pathfinder建立數值模型，設置了五個場景，討論了疏散路徑、疏散人員的分布和數量、安全出口的寬度和疏散樓梯的寬度對安全疏散時間的影響。結果表明，科學合理地規劃疏散路徑，有利于減少疏散時間;適當增加樓梯的寬度對疏散時間的減少效果比增加出口寬度的作用效果更為顯著。

關鍵詞：Pathfinder;人員疏散;宿舍火災

隨著我國當代教育事業的快速發展，高校的消防安全越來越受到人們的關注和重視。校園人員密集，尤其是學生宿舍，因房間布局緊湊、人群密度大、存放物品種類多、空間相對狹小，使得樓內人員安全疏散較為困難。為了減少火災事故對校內人員的傷害，除了需要進行日常的消防監督檢查，還需要提高緊急疏散效率，因此，開展高校學生宿舍人員安全疏散的研究是很有必要的，這對新形勢下如何做好高校學生宿舍消防安全工作具有重要意義。

針對高校學生公寓人員安全疏散研究，國內外的學者們進行了大量的工作。對于安全疏散模型的建立，Nuria Pelechanon等人[1]論證了將人類心理和生理因素納入模型的重要性。陳寶智等人[2]提出了一種基于有毒氣體泄漏事故后果預測人員疏散最佳路徑選擇算法及遺傳算法。對于數值模擬應用于人員疏散研究，謝明峰等人[3]分析了人員疏散過程中存在的擁堵問題，改進了安全出口的開放狀態、數量、寬度以及疏散路線四個方面。鄒馨捷等人[4]分析說明了高校學生公寓在火災發生時，著火房間窗戶是否敞開以及自動噴淋滅火系統裝置是否有效這兩種情況對現場人員安全疏散時間的影響。湛蓮香等人[5]研究了學生宿舍不同樓層著火對學生疏散的影響，并對最不利的樓層場景進行了優化處理，使其滿足安全疏散要求。張培紅等人[6]通過考慮受限空間內疏散性狀存在的多態現象以及排隊現象，對疏散出口群集疏散的流動規律進行了分析預測和綜合評價。

文章利用Pathfinder，選取某高校一棟6層學生宿舍樓為研究對象，通過構建疏散仿真場景來進行應急疏散模擬。在文章中，依據宿舍樓內所居住學生的客觀條件設置了相對應的疏散人數、性別比例、身高范圍、肩寬、行走速度等參數，通過對比幾種場景下的疏散時間，分析疏散路徑、疏散人員分布、出口寬度和樓梯寬度等各相關因素對人員安全疏散時間的影響，以期為高校學生宿舍建筑設計結構的確定以及應急疏散方案的擬定提供參考。

一、宿舍建筑模型的建立

（一）建筑物概況

該高校的學生宿舍樓共有六層，一樓有55個房間，二至六樓均有61個房間，整棟宿舍樓共有360個房間。每個房間尺寸相同，均為8m×4m，房間門寬1m，每層樓高3m。共建有東、西、中3部疏散樓梯供人員疏散撤離，樓梯寬度為1.66m。半層建有休息平臺，其尺寸為4m×1.5m。建有東、西、中3個安全出口，出口寬度為4m。疏散走道無障礙物。

（二）疏散模擬參數的設定

1.疏散人數

該宿舍樓的一至五樓每間房間可住6人，均住男生。六樓每間房間可住3人，均住女生。按最大居住人數1977人設定。

2.性別比例

最大居住人數中，1794人為男生，183人為女生，男女比例為9.8：1。宿舍樓內均為青年人，無需考慮老人和小孩的影響。男生采用Bman0103 Model，肩寬設置為45cm。女生采用Cwom0103 Model，肩寬設置為40cm。根據該宿舍樓的實際人員情況，將男生身高設置在170～185cm之間，女生身高設置在163～175cm之間。

3.行走速度

該宿舍樓內人員對宿舍樓的結構熟悉，且均具備正常的行動能力。考慮到男生女生之間存在的客觀差異，將男生、女生的行走速度分布設定為1.3m/s、1.1m/s。

（三）建立Pathfinder疏散模型

根據該宿舍樓的實際情況，利用Pathfinder建立仿真模型，如圖1所示。

二、疏散模擬場景設置

針對該宿舍樓的實際情況，分別設置了5種疏散場景，討論了疏散路徑、疏散人員分布、安全出口寬度和樓梯寬度這四個因素對安全疏散時間的影響。具體場景設置如下：

場景一：基礎工況

模擬正常情況下該高校學生宿舍樓內所有人員（1977人）從三個安全出口疏散的過程。

場景二：規劃疏散路徑

由于該宿舍樓的樓道較長，共設有3部疏散樓梯。通過設置人員就近選擇疏散樓梯且合理分配每部樓梯通過的人數，對疏散路徑進行合理規劃：將一樓西側的19間宿舍和二至六樓西側的21間宿舍從西出口進行疏散;一樓東側的17間宿舍和二至六樓東側的20間宿舍從東出口進行疏散;一樓中間的18間宿舍和二至六樓中間的20間宿舍從中間的安全出口進行疏散。

場景三：疏散人員分布的影響

根據現實情況，該學生宿舍樓所住人員涉及各個年級。經調查，畢業生所住樓層在四樓和五樓。當畢業季到來時學生離校后，將該學生宿舍樓的四樓、五樓空出。因此，對一至四樓的1062位男生和六樓的183位女生共1245人進行安全疏散數值模擬。

場景四：出口寬度的影響

將三個安全出口的寬度均由4m增加至6m。

場景五：樓梯寬度的影響

各安全出口寬度保持不變，將樓梯寬度由1.66m加寬至1.8m，休息平臺尺寸不做調整。

三、分析

（一）學生宿舍疏散時間和安全疏散評價標準

當建筑物發生火災險情時，人員是否能夠安全疏散由兩個時間參數所決定，即人員必須安全疏散時間（Required Safety Egress Time，RSET）和人員可用

安全疏散時間（Available Safety Egress Time，ASET）。

將ASET>RSET作為人員安全疏散的判別標準，當滿足這個標準時，意味著建筑物內的所有人員能夠完成安全疏散;反之，則不能完全疏散到安全地帶，也就說明了建筑物的疏散設計未達到安全設計的要求[7]。

根據《建筑設計防火規范》GB50016-2014（2018版）相關規定[8]，學生宿舍人員可用安全疏散時間為5～7min。

（二）各場景安全疏散時間

通過Pathfinder進行模擬計算后，五種場景下學生的安全疏散時間及安全性判定如表1所示，疏散過程中人員數量變化如圖2所示。

通過分析表1可知，場景一的安全疏散所用時間最長，在此場景中，人員從兩側安全出口疏散完畢的時間要遠遠小于完全疏散時間。因此，需要我們對疏散路徑進行科學合理的設定，使得3個安全出口之間存在的疏散時間差減少，以提高疏散效率，從而減少總疏散時間，從而有了場景二的設置。場景二與場景一相比，安全疏散時間減少了34.5s，且安全性評價由不安全轉為安全。可見，合理地規劃疏散路徑可以減少安全疏散時間，進而提高疏散安全性。

場景三針對實際情況進行了疏散模擬，由于人員數量的減少，疏散時間大大減少。通過表1可知，當人數減少732人，人員疏散時間減少了187.5s。據此，當高校對學生宿舍樓安排入住時，不能只考慮如何實現宿舍內空間利用率的最大化，還應考慮發生緊急情況時，能否對宿舍樓內人員進行安全疏散，保證學生的人身財產安全。

將場景四和場景五進行對比，當安全出口寬度由4m增加到6m時，疏散時間減少了21s。當疏散樓梯寬度由1.66m增加到1.80m時，疏散時間減少了51s。即在三個安全出口寬度均增加50%的情況下與3部疏散樓梯寬度均增加8.43%的情況相比，疏散時間的減少效果相對較差。換言之，增加樓梯寬度相比于增加出口寬度，對疏散時間的減少量更大。分析其原因，同時增加疏散樓梯的寬度可以將人員平均分布于東、西、中3部疏散樓梯進行疏散撤離。因此，增加樓梯寬度與增加出口寬度相比對人員疏散時間的減少效果更為顯著。

（三）人員密度

為了分析疏散過程中的擁堵點，文章給出了密度云圖，如圖3、圖4、圖5所示。通過對比五層至六層之間3部疏散樓梯的人員密度，發現在沒有規劃疏散路線時，3部疏散樓梯在五至六層之間發生堵塞的時間大致相同，約為38s，但中間的疏散樓梯在五至六層之間堵塞的時間最長，直到300s才暢通，而五至六層兩側的疏散樓梯在229s左右就結束堵塞了。

在規劃疏散路線后（場景二），堵塞情況得到了明顯的改善。如圖6所示，在246s時，東、西、中三部疏散樓梯幾乎都結束了堵塞。

由此可見，通過規劃疏散路線不僅縮短了樓層與樓層之間的人員堵塞時間，還使得三條路徑的疏散近乎同時進行，三部樓梯達到了相同的疏散能力，從而縮短了疏散時間。

四、結語

綜上所述，減少宿舍人數、合理規劃疏散路徑、增大安全出口寬度、增大疏散樓梯寬度都可以縮短疏散時間。當建筑物內所有的疏散樓梯達到相同的疏散能力時，總疏散時間最短。針對高校學生宿舍樓的人員疏散問題，為縮短疏散時間，可從以下3個方面進行考慮：（1）高校應建立健全應急預案，定期開展應急疏散演練，提高宿舍樓內學生的疏散效率;（2）在安排學生入住時，應盡量控制學生宿舍樓內的人員密度，除了要保證消防安全設施的有效性，還需要考慮一旦發生緊急情況，學生宿舍樓內人員的安全疏散問題;（3）當對高校學生宿舍建筑結構進行設計時，在滿足相關法律法規的基礎上，可以考慮適當增加樓梯寬度，以減少疏散時間。

參考文獻：

[1]Stefan Svensson.Experimental Study of Fire Ventilation During Fire Fighting Operations[J].Fire Technology，2001，37（01）：69-85.

[2]溫麗敏，陳寶智.重大事故人員應急疏散模型研究[J].中國安全科學學報，1999（06）：69-73.

[3]謝明峰，魯義.高校教學樓火災與人員疏散模擬研究[J].消防科學與技術，2021（01）：85-90.

[4]鄒馨捷，薩木哈爾·波拉提，郝明，等.基于Pyrosim

和Pathfinder的高校學生宿舍火災人員疏散安全性模擬分析[J].安全與環境工程，2020，27（04）：195-200.

[5]湛蓮香，陳咪.基于Pathfinder高校宿舍人員疏散模擬研究[J].數字通信世界，2021（05）：47-49.

[6]張培紅，陳寶智.火災時人員疏散的行為規律[J].東北大學學報，2001（01）：54-56.

[7]李昱潔.高校公寓應急疏散規律及消防對策研究[D].北京：中國地質大學（北京），2019.

[8]GB 50016-2014（2018年版） 建筑設計防火規范[S].中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2018.