基于Pathfinder的某綜合樓疏散模擬研究

張兆金 張永旭

作者簡(jiǎn)介：

張兆金（1994- ），男，漢族，甘肅隴西人，本科，助理工程師，研究方向：安全管理、工程建設(shè)。

摘要：

為了提高辦公樓等人員聚集場(chǎng)所的人員快速疏散能力，防止發(fā)生擁堵踩踏等安全問(wèn)題。利用Pathfinder軟件對(duì)某綜合辦公樓進(jìn)行疏散模擬研究，根據(jù)樓內(nèi)人員分布情況，研究不同樓層不同比例樓梯和電梯混合疏散的疏散時(shí)間，分析疏散過(guò)程中容易產(chǎn)生擁堵、踩踏等事故的情況。研究結(jié)果顯示，采用樓梯和電梯混合疏散模式可以縮短疏散時(shí)間。某綜合樓疏散容易產(chǎn)生擁堵的區(qū)域?yàn)橐粯请娞輳d與樓梯交匯處；主出入口疏散效率不高，在疏散過(guò)程中應(yīng)設(shè)置疏散引導(dǎo)員，為綜合辦公樓日常管理和疏散安全管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：疏散模擬；Pathfinder軟件；安全管理

引言

商場(chǎng)、辦公樓等大型場(chǎng)所人員聚集度高，潛在危險(xiǎn)隱患較多，遇到突發(fā)狀況時(shí)人員疏散難度大，在擁擠環(huán)境下極易引發(fā)踩踏事件。踩踏、擁擠等二次事故在一定程度上提高了突發(fā)事件的影響程度。[1]研究人員疏散的行為規(guī)律，對(duì)避免踩踏傷亡事故有著重要作用[2]。高效組織疏散是減少突發(fā)情況下人員傷亡的重要保障[3，4]，人員疏散過(guò)程中會(huì)受到較多因素的影響，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法耗資巨大、周期長(zhǎng)，難以取得有價(jià)值的成果[5]。使用計(jì)算機(jī)仿真軟件模擬人員疏散過(guò)程，可以得到大量數(shù)據(jù)，具有直觀、可重復(fù)使用等特點(diǎn)[6]，可以實(shí)時(shí)觀察人員疏散情況，設(shè)置不同條件，減少疏散時(shí)間，計(jì)算機(jī)模擬仿真逐漸成為疏散研究的重要手段[7]。通過(guò)對(duì)比常用疏散模擬軟件的特點(diǎn)和適用范圍，本文選擇Pathfinder軟件對(duì)某綜合樓人員疏散進(jìn)行模擬研究。

已有很多學(xué)者針對(duì)人員疏散模擬進(jìn)行研究。湯煜[8]等利用Pathfinder軟件模擬研究了商場(chǎng)建筑防火疏散，提出疏散優(yōu)化方案。肖木峰[9]等利用Pathfinder軟件模擬研究了裝配式建筑施工安全應(yīng)急疏散，優(yōu)化了場(chǎng)地內(nèi)部障礙物布局。鄒馨捷等利用Pathfinder軟件模擬分析了高校宿舍不同火災(zāi)場(chǎng)景下的人員安全疏散，并提出安全管理的相關(guān)措施。陳娟等利用Pathfinder軟件對(duì)醫(yī)療建筑疏散策略進(jìn)行了對(duì)比分析，得出合理設(shè)定人員使用電梯比例、開(kāi)展沖突禮讓行為管控可以有效減少疏散時(shí)間。閻衛(wèi)東[10]等利用Pathfinder軟件模擬研究了高校圖書(shū)館火災(zāi)人員疏散，確定了圖書(shū)館疏散性能符合有關(guān)規(guī)定，并得出了樓梯和出入口的利用率。王莉利用Pathfinder軟件對(duì)公共場(chǎng)所人員疏散行為規(guī)律進(jìn)行仿真分析，得出人群在疏散中具有從眾效應(yīng)，出口處容易產(chǎn)生擁堵。

疏散模擬運(yùn)算需要設(shè)置大量參數(shù)，不同的建筑結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同的疏散效果，本文通過(guò)Pathfinder軟件分析某綜合樓內(nèi)人員疏散過(guò)程，為預(yù)防或減少踩踏、擁擠等二次事故，人員快速安全疏散提供參考。

一、疏散模型的建立

（一）Pathfinder軟件簡(jiǎn)介

本文的疏散模擬使用Pathfinder軟件，該軟件提供了仿真模擬設(shè)計(jì)和運(yùn)行的圖形用戶界面以及可用于運(yùn)行結(jié)果分析的可視化工具，具有簡(jiǎn)單、直觀、易用等特點(diǎn)。該軟件利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，可以對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，可以指定每個(gè)個(gè)體的位置、尺寸、速度等的參數(shù)以及特定的行為。

Pathfinder軟件支持兩種人員運(yùn)動(dòng)模擬模式：Steering運(yùn)用了路徑規(guī)劃和碰撞處理機(jī)制，SFPE模式使用《火災(zāi)中人類(lèi)行為工程指南》中定義的一組假設(shè)和手工計(jì)算，在SFPE模式下，人員不會(huì)試圖相互躲避，允許相互穿透，但門(mén)會(huì)施加流量限制。

（二）某綜合樓概況

某綜合樓由西側(cè)主樓、南北兩側(cè)裙樓組成，共三部分，無(wú)地下室，西側(cè)主樓共7層，主要功能為辦公、會(huì)議和接待場(chǎng)所。南側(cè)裙樓共3層，功能為餐飲服務(wù)場(chǎng)所，北側(cè)裙樓3層，功能為辦公、展覽場(chǎng)所。總建筑面積7354m2，主樓高度31.75m，裙樓高度15m。該工程西主樓設(shè)置4部封閉樓梯間，3部電梯，南裙樓設(shè)3部封閉樓梯間，1部室外疏散樓梯，3部電梯，北裙樓設(shè)3部封閉樓梯間，2部電梯，南側(cè)裙樓2樓餐飲區(qū)的室外疏散樓梯可供2樓、3樓人員直接疏散至室外，避免與1樓人員產(chǎn)生擁擠，除室外疏散樓梯10#樓梯寬度為3.2m外，其余樓梯寬度均為1.6m，樓梯和電梯的分布位置如圖1所示。南側(cè)裙樓與主樓在3樓、北側(cè)裙樓與主樓在1樓有門(mén)可供人員通行。北側(cè)裙樓1樓展覽大廳除9#樓梯可用人員疏散外，在1樓還有東西2個(gè)門(mén)可供人員疏散。

（三）疏散模型與人員配置

將某綜合樓圖紙CAD文件導(dǎo)入Pathfinder軟件，建立綜合樓疏散模型，對(duì)人員疏散過(guò)程中的桌椅等障礙物進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以盡可能與實(shí)際疏散情況相一致。模擬開(kāi)始前，每部電梯都是空的，電梯搭載人員后不再運(yùn)行至其他樓層搭載更多成員，只前往釋放層，電梯的開(kāi)、關(guān)門(mén)延時(shí)時(shí)間均為5s，樓層優(yōu)先級(jí)為從上至下，1-3號(hào)電梯為7層，其余電梯均為3層，除6號(hào)電梯載人26人外，其余均18人，加速度均為12m·s-1，除6號(hào)電梯速度05m·s-1外，其余電梯速度175m·s-1；樓梯參數(shù)設(shè)置為踏面寬度017m，踢面高度028m，除10號(hào)樓梯寬3.2m外，其余樓梯1.6m。

人員數(shù)量依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行估算。辦公區(qū)人數(shù)一般按照每人8～10m2辦公有效面積估算，餐飲服務(wù)場(chǎng)所的人員按照一般娛樂(lè)公共場(chǎng)所推薦的人員比例構(gòu)成來(lái)確定，老年和未成年人各占10%，青年和中年男女各占20%，人員密度為0.6人·m2，結(jié)合各區(qū)域面積，設(shè)置模型中總?cè)藬?shù)為2904人。忽略人員的高度，因?yàn)樵赑athfinder軟件中，高度僅用于避免在建模過(guò)程中距離較近的不同樓層人員可能發(fā)生的碰撞。折減系數(shù)用于指定乘客在緊張情況下擠過(guò)其他乘客的程度，設(shè)為默認(rèn)值0.7。

二、疏散模擬及效果分析

進(jìn)行樓內(nèi)人員的自由疏散模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人為干預(yù)，控制使用電梯疏散的人數(shù)。

（一）自由疏散

自由疏散情況下，人員可以自由選擇使用電梯或樓梯，樓內(nèi)人員數(shù)量為2904人，忽略疏散報(bào)警和人員響應(yīng)時(shí)間，在Steering模式下，整體疏散時(shí)間為408.9s，在SFPE模式下，整體疏散時(shí)間為477.5s。Steering模式的疏散更接近于人員實(shí)際疏散情況。Steering模式通過(guò)路徑規(guī)劃、引導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合等方式控制人員疏散。本文的疏散模擬采用Steering模式。通過(guò)觀察疏散過(guò)程，北側(cè)裙樓116.4s首先疏散完畢，南側(cè)裙樓194.9s疏散完畢。194.9s后，主樓各層剩余人員均等待電梯多次往返進(jìn)行疏散，造成疏散時(shí)間延長(zhǎng)。

（二）受控疏散

從前文分析可以看出造成疏散時(shí)間延長(zhǎng)的主要因素是人員等待乘坐電梯。下面進(jìn)行僅使用樓梯疏散和樓梯、電梯不同人員比例混合疏散效果分析。

1.僅使用樓梯進(jìn)行人員疏散。設(shè)置電梯運(yùn)行狀態(tài)為不可用，僅使用樓梯進(jìn)行疏散，總疏散時(shí)間為220.8s，總的疏散時(shí)間要小于自由疏散時(shí)間。

2.樓梯和電梯混合疏散。采用樓梯和電梯混合疏散，合理設(shè)定人員使用電梯比例可以縮短疏散時(shí)間，現(xiàn)設(shè)定不同樓層、不同比例人員使用電梯和樓梯進(jìn)行混合疏散策略，尋求適合本綜合樓最短疏散時(shí)間的混合疏散方案。通過(guò)電梯和樓梯混合疏散人員的比例參考已有研究成果，分別設(shè)置為總?cè)藬?shù)的5%、10%、15%、20%、25%采用電梯疏散，模擬結(jié)果顯示疏散策略為僅7樓進(jìn)行樓梯和電梯混合疏散，1至6樓均采用樓梯疏散時(shí)，總體疏散時(shí)間最少。現(xiàn)分析僅7樓進(jìn)行混合疏散時(shí)，乘坐電梯人員比例與總疏散時(shí)間有關(guān)。如此可知，僅7樓進(jìn)行混合疏散，7樓總?cè)藬?shù)為112人，3部電梯最大承載總?cè)藬?shù)76人，乘坐電梯人員比例在5%-45%之間時(shí)，人員疏散時(shí)間均為不超過(guò)200s，最快疏散時(shí)間與最慢疏散時(shí)間之差為4.6s。此后隨著乘坐電梯人員比例的增加，疏散時(shí)間整體增加。

3.混合疏散中的出口人員利用率分析。以僅7樓進(jìn)行混合疏散，乘坐電梯人數(shù)為25%為例，結(jié)合3D疏散模擬視頻分析主樓各出口人員疏散利用率，可以看出人員在疏散過(guò)程中具有明顯的從眾現(xiàn)象，距離出口越近的門(mén)疏散利用率越高，且容易發(fā)生擁堵。作為日常出入最常用的正門(mén)（Door56、57、58），總疏散人數(shù)較少，疏散利用率不高。

結(jié)語(yǔ)

Steering模式下疏散模擬研究，在忽略報(bào)警時(shí)間和人員響應(yīng)時(shí)間的情況下，自由疏散過(guò)

程中存在低樓層人員等待電梯疏散，造成電梯多次往返且不滿載情況，造成疏散時(shí)間延長(zhǎng)。

通過(guò)不同樓層不同比例乘坐電梯疏散模擬運(yùn)算，在某綜合樓疏散過(guò)程中，當(dāng)最高層7樓采用樓梯電梯混合疏散且疏散人員不超過(guò)45%時(shí)，疏散時(shí)間相對(duì)較短，在疏散過(guò)程中低樓層應(yīng)盡量通過(guò)樓梯疏散。疏散過(guò)程中存在明顯的從眾效應(yīng)，造成主出入口利用效率不高，在次要疏散出口容易產(chǎn)生擁堵，建議在1樓主出入口設(shè)置明顯的疏散標(biāo)志，避免人群擁堵發(fā)生踩踏等安全問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]邢國(guó)新，趙海龍，任丹彤.地鐵車(chē)站安全疏散模型綜述[J/OL].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2022：1-11.

[2]王莉.基于PATHFINDER的公共場(chǎng)所人員疏散行為規(guī)律及仿真模擬[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（03）：358-364.

[3]陳娟，汪靜，馬劍，林鵬.基于模擬仿真的醫(yī)療建筑疏散策略對(duì)比研究[J/OL].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2022：1-12.

[4]鄒馨捷，薩木哈爾·波拉提，郝明，等.基于Pyrosim和Pathfinder的高校學(xué)生宿舍火災(zāi)人員疏散安全性模擬分析[J].安全與環(huán)境工，2020，27（04）：195-200.

[5]董書(shū)衡，劉詩(shī)飛，岳佳淦，等.基于pathfinder的大型集會(huì)場(chǎng)所疏散模擬[J].消防界（電子版），2016（03）：69-70.

[6]陸峰，朱國(guó)慶，高云驥.常用疏散模擬軟件對(duì)比分析[C].2015中國(guó)消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文集，2015.

[7]林辰.常用人員疏散模擬軟件疏散策略及適用性對(duì)比研究[D].安徽理工大學(xué)，2020.

[8]湯煜，表秀峰，馬福生.基于Pathfinder的商場(chǎng)建筑防火疏散研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，35（05）：858-866.

[9]肖木峰，周西華，白剛，等.基于Pathfinder的裝配式建筑施工安全應(yīng)急疏散研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2021，17（07）：124-129.

[10]閻衛(wèi)東，張瑞，劉家喜，等.基于Pathfinder的高校圖書(shū)館火災(zāi)疏散研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，37（04）：627-633.