基于信息化技術的高校宿舍安全疏散仿真研究

黃楊彬， 王念， 祝朝亮

（1. 云南開放大學；2. 云南經濟管理學院；3. 昆明品茗科技有限公司）

1 引言

基于當前不斷深入的智慧化進程中，立足于建筑對象，以智慧化的運維管控，提前防控并采取有效措施，以降低火災中的人員傷亡。本文以西南地區某高校為研究對象，針對學生宿舍，分析不同的居住密度，及不同數量的逃生出口對逃生時長的影響，并提出建議，以提高學生在應急逃生過程中的成功率。

2 建模分析

2.1 模擬場景分析

本文充分利用建筑信息化手段，完成研究對象建筑物的BIM 模型，實現該棟學生宿舍樓的三維可視化。同時對于其建筑結構構件，包括宿舍區域內的桌椅、衣柜完成了信息化模型，為今后進一步分析提供了依據。逃生過程主要基于Pathfinder 軟件進行模擬和分析，它是一套新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統。利用計算機圖形仿真和游戲角色領域的技術，對多個群體中的個體運動都進行圖形化的虛擬演練，從而可以確定個體在災難發生時逃生路徑和時間等[1]。

本研究項目位于云南省某高校新校區，工程交付于2010年前后，為校區內西北側學生宿舍組團的一部分。建筑層數為六層，建筑結構形式為鋼筋混凝土框架結構。工程設計使用年限3 類（50a），防火等級為二級，抗震設防烈度為八度。宿舍樓由C1、C2兩個單體建筑組成，同時在一樓和二樓有中間的連廊連接。一樓有宿管人員值班室、休息室，每層樓均有設備間、學生洗衣房、公共廁所等。C2 的一樓作為學生社區活動區域，面向本宿舍組團內的所有同學開放。每個樓層的兩端各有一個逃生樓梯。

為便于直觀了解宿舍內的布置情況并為虛擬逃生提供盡量趨近于真實效果的分析數據，事先確定所有家具的詳細尺寸，并完成家具的BIM 模型。在此基礎上利用pathfinder軟件來進行虛擬逃生模擬。因室內家具及堆放物品都將占據逃生路徑空間，為便于統一分析，所有模擬逃生模型均按4 個床位的空間來進行家具占位布置。若分析模型為入住8人的情況，則設置4個上下鋪的床位，宿舍中央布置可移動的兩張書桌、八條座椅，整間寢室再增設2個小方柜。如分析模型為入住4 人的情況，則床位考慮為4個高架床，其余在8人入住情況下布置的桌椅及柜子不再做刪減。根據上述條件，利用BIM 模型完成的布設效果如圖1所示。

圖1 學生宿舍樓內部家具布置圖

整棟宿舍逃生門的設置見圖2，根據設計圖紙及實際竣工完成的情況，整棟建筑物共有5 個對外的逃生出口，本文分別對各門從1到5進行編號。

圖2 學生宿舍樓各逃生出口編號示意圖

pathfinder 軟件定義各宿舍的學生自動識別最近的建筑物逃生出口，逃生對象獨立地從起點延默認識別的路徑走向該出口位置，逃生過程中會避開建筑物內的其他人員和障礙物。軟件在模擬疏散過程中，每位逃生對象都有一個最大速度值，該速度值以房間人員密度0.55人/㎡為一個劃分點，分別有兩個不同的方程來默認計算。這些速度方程均基于1.19m/s 最大速度和人最大速度等因素計算得出。軟件分析中還可以設置各宿舍門和樓梯口的人員流速，本案例均采用默認設置為3.4人/s。因此，本模型中限制人員流動的主要為門口寬度條件，人員流速不阻礙逃生速度。

本文在現有模型的基礎上，利用pathfinder軟件分別對宿舍區域擬定六個場景分別比較。六個場景設置如表1。

表1 計算分析場景設置表

虛擬逃生模擬過程如圖3所示。

圖3 逃生過程模擬圖

2.2 分析結果

2.2.1 逃生時長

通過Pathfinder 軟件對6 個場景建模，進行虛擬逃生模擬后得出：場景1模擬逃生時長為435s，場景2 模擬逃生時長為432.2s，場景3 模擬逃生時長為770.7s，場景4模擬逃生時長為257.5s，場景5模擬逃生時長為232s，場景6模擬逃生時長為416.1s。

《建筑設計防火規范》規定民用建筑的耐火等級可分為一、二、三、四級。經專家綜合分析和火場實測，并考慮安全系數后一般確定：高層民用建筑的允許疏散時間為5min～7min；一、二級耐火等級的民用建筑為6min；三、四級耐火等級的民用建筑為2min～4min，其中三級耐火等級的影劇院、禮堂建筑撤離觀眾廳的控制疏散時間為1.5min。除規范另有規定外，不同耐火等級建筑相應構件的燃燒性能和耐火極限不應低于相應的規定值。本文工程實例項目的耐火等級為二級，規范規定了不同構件耐火極限的不燃性時長：防火墻3h，承重墻2.5h，非沉重墻1h，疏散走道兩側的隔墻1h，房間隔墻0.5h，柱2.5h，梁1.5h，樓板1h，屋頂承重構件1h，疏散樓梯1h。通常，如果人員疏散到安全地點所需的時間小于通過判斷火場人員疏散耐受條件得出的危險來臨時間，并且考慮到安全余量，則可認為人員疏散是安全的，疏散設計合理；反之則不安全，需要改進設計[2]。

在本文所建模分析的各個場景虛擬逃生結果中可以看出：場景4 和場景5 所模擬的情況中不超過6分鐘逃生時長。如果按照入住4 人，床體采用高架床的形式，那么學生的書桌、衣柜等都可以收納到床鋪以下，在平面上不再占據空間位置，還可以解放出來更多的逃生通道。在其他條件不變的情況下，其逃生時長將更低于以上模擬分析的結果。

而其他場景模擬的逃生時長均多于6min，但是這些場景的時長還是低于規范規定的建筑物承重構件的耐火時長。從各場景的逃生時長數據可以看出，在開啟同樣數量的逃生出口情況下，入住的人數從4 人翻倍到8 人，其人員的逃生時長也將近翻倍。通過觀察逃生過程的模擬視頻可以看到，逃生人員在逃離到正門時，面對2號門和3號門同時開啟的情況下，幾乎全部選擇距離樓梯口更近的2號門逃生，從而導致模型分析中開啟4 個逃生出口和開啟5 個逃生出口的逃生時長非常相近。可以從模擬逃生的分析過程中推測出來，因為在出口大廳有完全足夠的消防通道空間，逃生人員選擇其中一個出口逃生的時候也沒有出現人員擁堵，即使真實逃生過程中人員分別選擇面對面的2 號門和3 號門同時分散逃生，對最后的逃生總時長影響不大[3]。

2.2.2 各出口人流量

深入查詢各逃生出口的通行人數，因場景1、2、3與場景4、5、6的總人數不一樣。現僅提取并分析場景1到場景3的各逃生出口的人流量數據（見表2）。

表2 逃生出口人流量統計表

各門流出人數差異的原因分析：如圖3 所示，1號、2號、3號分別與4號、5號門設置在宿舍出口的兩端。從上表中人流量通行數據看出，從建筑兩端分別逃生通行的人數大致相等，其中各逃生出口的人流量有著一定的差異，靠近下方的3號門和4號門人流量在各自兩端的通行人數又較多。這是因為出口1、2、3 及出口4、5 分別在樓棟的兩端，人員逃生時，大致均勻分布在兩端流動。但是，一方面，明顯左側3號門距離逃生樓梯更近，右側4號門離逃生樓梯更近。另一方面，因為C2的一樓作為學生社區活動區域的原因，為避免與宿舍內人員重復計算導致增加整棟建筑的人員數量，在本分析模型中，不在學生社區活動區域布設逃生人員。所以在本例逃生時。C2一樓的逃生人員較少[4]。

3 基于本分析案例的建議

參考《宿舍建筑設計規范》從1987年到2016年的三個版本關于居住面積的條文可以看出，不管是4人入住還是8 人入住，其人均使用面積都在逐年增加，針對本文所討論的方向，規范條文的變化趨勢提高了逃生效率，降低了逃生時間，提升了宿舍的安全性，同時也逐步改善了宿舍的舒適性[5]。此外，一定室內面積的條件下，入住人員的減少除了固定的家具數量減少，降低其占地面積之外，還有個人減少的各種物品，都間接增大了宿舍內的實際使用空間。

4 建議

①在本分析案例固定面積情況下宿舍人數盡量按照不超過4 人來布置，保障逃生安全的同時也能有更好入住舒適度和提供更多活動學習的空間。

②要保證常開防火門處于開啟狀態，對于常閉防火門要定期檢查是否能正常開啟，以保證火災等災害發生時能從此門推門逃生。在當前智慧校園建設逐步深入的情況下，可以在宿舍出入口安裝信息自動采集系統，實時并及時上報學生管理平臺，提高學生管控的效率。

③對于高校而言，可參照學期或者學年為周期，定期組織師生逃生演練，同時實現更高頻率的虛擬逃生模擬。把每個時期宿舍的實際情況建模分析，并與逃生演練的情況相比較，發現問題，疏通堵點，優化預案，達到指導實際緊急處置方案的作用。