基于經驗公式和Pathfinder模擬的教學樓疏散時間計算

摘要：選取某棟5層教學樓作為研究對象，使用Pathfinder軟件來模擬教學樓師生疏散的過程。在樓梯均處于正常工作狀態下，討論四個場景下人員疏散的情況，對樓梯寬度、安全出口寬度、人員數量這些因素進行分析。結果表明，教學樓疏散樓梯越寬，人員疏散時間越短。僅增加安全出口的寬度或者減少密度較低場所的人員數量，對人員的疏散時間影響較小。同時，將經驗公式計算的結果與Pathfinder模擬的結果進行對比，兩種方法得出的結果都較為精準、可靠。

關鍵詞：Pathfinder；教學樓火災；疏散時間

中圖分類號：TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）06-0017-05

教學樓是學生學習、教師教學的場地，屬于人員高度密集的場所，也是消防安全重點關注的區域之一。一旦在教學樓發生火災，容易造成人員傷亡和財產損失，因此，消防安全對于學校來說至關重要。根據GB50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規范》，一、二級耐火等級的民用建筑，疏散時間應少于6min，一、二級耐火等級的人員密集公共建筑則應少于5min。當發生火災時，教學樓內的樓梯和出口，應滿足在5min內將教學樓內的所有師生疏散至安全區域的要求。因此，需要對教學樓的疏散時間進行計算，以確保在發生火災時，各樓層的師生能夠在最大允許疏散時間內，安全撤離教學樓。

謝明峰等人[1]為了解決疏散過程中擁堵的問題，分別對安全出口的數量、寬度、開放狀態以及疏散路線這四方面進行了研究。湛蓮香等人[2]對宿舍不同樓層發生火災與人員疏散之間的關系進行了研究，并對最不利樓層的疏散措施做了改進，使學生宿舍滿足疏散要求。何怡婧等人[3]對人員數量、出口寬度以及樓梯緩沖區這三者之間的關系進行了研究，指出學生在疏散過程中存在從眾心理，這會影響逃生路線的選擇。王琨等人[4]通過模擬不同場景中的疏散時間、疏散總人數以及平均人流量變化情況，分析了教學樓排課調整的變化對人員疏散的影響。閻衛東等人[5]對沈陽建筑大學的圖書館人員疏散進行研究，分析安全出口的通行率、樓梯的使用情況以及人員在疏散過程中的特性，提出優化圖書館人員疏散設計的建議。

本文通過對教學樓消防疏散進行計算并提出優化建議，提高教學樓在發生火災時的安全性，避免火災導致的人身傷亡、財產損失。一旦發生火災，師生將通過安全疏散通道快速撤離事故現場，以確保師生的生命安全。

1 疏散準則與階段

1.1 安全疏散準則

安全疏散的標準是在規定時間內，將建筑物中的所有人員疏散至建筑物外的安全區域，并確保在此過程中沒有發生任何突發情況。本教學樓屬于一級耐火等級的公共建筑，依據《建筑設計防火規范》相關規定，將5min作為教學樓的可用疏散時間。為了確保人員疏散安全，要求必須安全疏散時間小于可用疏散時間。

1.2 四個疏散階段

消防疏散的主要目的是確保人員在火災發展到威脅人身安全（耐受極限）之前疏散到安全區域，并保證建筑內人員疏散完畢的時間小于火災發展到危險狀態的時間，同時預留一定的安全裕量。

當建筑發生火災時，需要盡快將內部人員疏散到安全區域。疏散路線一般分為4個階段：第一階段為室內任意一點到房間門口；第二階段為從房間門口到進入樓梯間或前室的路程，即走廊內的疏散；第三階段為樓梯間內的疏散；第四階段為出樓梯間進入安全區。教學樓疏散時間計算按照安全疏散四階段進行。

1.3  影響疏散時間的因素

1.3.1 疏散凈寬度和疏散距離

我國規定單、多層公共建筑中的疏散樓梯寬度不得小于1.10m。疏散寬度越寬意味著能夠通過的人流量越大，疏散的時間也越短。人員距離安全出口的垂直距離和水平距離越小，則疏散越快。

1.3.2 火災探測時間和警報時間

火災探測器和火災報警器的靈敏性對于傳遞火災信息和人員疏散存在影響。當火災探測器和報警器年久失修，出現誤報、不報等情況，勢必會影響到整個疏散時間。

1.3.3 疏散人員的速度和秩序

在疏散過程中，學生接收到火災危險的信息可能會感到恐慌、畏懼，從而影響其行動。部分學生由于過分緊張而停滯不前，或者為顧及個人安危而忽略逃生秩序，這兩種行為都將導致整個疏散時間的延長。

2 建筑概況與疏散場景

2.1 建筑概況

該教學樓共有5層，每層高度為3.6m，總高度為18m。默認樓梯寬度為125cm，一層共有3個房間，二至五層各有6個大教室，整棟教學樓共有27間教室。總人數為708人，教學樓共有4部疏散樓梯供師生進行疏散，教學樓共設置5個安全出口，安全出口設置寬度均為4m。疏散通道均無障礙物。

2.2 參數的設定

在疏散中，最重要的要素為個體的運動速度。例如，一般健康成年人的步行速度為1.2m/s，老人和兒童的運動速度為0.7m/s，殘疾人的運動速度為0.4m/s。考慮到教學樓內人員對場地較為熟悉，本次模擬的學生疏散的最低速度為1.0m/s，最大速度為1.5m/s。教師疏散的最低速度為1.19m/s，最大速度也為1.5m/s。采用均勻的疏散方式，所有樓層的人員布置也均勻放置。

2.3 疏散場景設置

本文共設計4個疏散場景，包括1個基礎場景和3個對比場景，以分析疏散條件變化對疏散時間的影響。

2.3.1 疏散基礎場景

模擬708名師生從各自樓層向五個安全出口進行疏散的情況。

2.3.2 增加樓梯寬度對安全疏散的影響

基礎場景中樓梯寬度設置為125cm，現將樓梯寬度增加至200cm，安全出口的數量保持不變。

2.3.3 增加安全出口寬度對安全疏散的影響

將一層安全出口的寬度由原來的4m增加至6m，樓梯寬度不變。

2.3.4 減少五層教學樓人員疏散的數量

教學樓五層作為學校的實驗室與機房，平常有師生會上課。考查減少非主要上課區域的人數對疏散的影響。

3 基于經驗公式的計算

最不利房間位于五層，計算疏散時間應考慮最不利的疏散路線。最不利點為房間距門口最遠處，同時最不利點處到達樓梯間的距離也是最遠的。由于教學樓呈“倒凹字形”，兩邊為對稱結構，因此只需考慮其中一側即可，教學樓五層平面圖見圖1。在計算中，設定人群在水平方向的疏散速度為1m/s，在樓梯間的疏散速度為0.5m/s，通行系數在水平方向為1.6人/m·s，在樓梯間為1.4人/m·s。教學樓總人數為708人，五層最不利房間的人數為50人，在經驗公式計算中選取50人作為疏散人數進行計算。在突發狀況下，由于教學樓屬于人員密集場所，疏散過程中存在人員排隊的情況，因此在計算中采用發生排隊的公式進行計算。

第一階段疏散路線計算，由于從合班教室最不利點到房間門口的距離為9m，從實驗室最不利點到房間門口的距離為5.6m，因此選用合班教室的疏散距離進行計算。

第二階段疏散，從房間門口到樓梯間的疏散，實驗室房間門口到樓梯間的距離為16.9m，走廊寬度為3m。

第三階段疏散，樓梯間內的疏散，樓梯寬度2m，傾斜角為30°，由于樓梯存在傾斜不能以樓層垂直高度18m作為樓梯最大步行距離，計算采用斜邊長度作為樓梯最大步行距離，則斜邊長度為36m，且每個樓梯平臺長度為2.5m，因此樓梯間疏散距離L3=36+2.5×4=46m。

第四階段疏散，從樓梯口到室外安全地帶的疏散。一層門寬4m，樓梯口到門口的距離為10m，疏散口人數為50人。

綜合計算總疏散時間得：

最后需要加上探測器報警時間和人員反應時間，對于本文來說，多數師生對于教學樓結構較為熟悉，障礙物較少，因此本文設定為50s，總疏散用時220.6s，小于規定的5min，故疏散時間符合標準規定。最不利點計算的疏散時間已滿足標準，故教學樓其余區域均滿足疏散規定時間。

4 Pathfinder軟件模擬計算

本次教學樓人員疏散模擬采用了由美國Thunderhead公司開發的Pathfinder軟件。該軟件能夠直觀、方便地觀測各個樓層人員疏散的情況，并且能夠記錄人員疏散的路徑和時間。模擬選用SFPE行為模式進行疏散，即人員自動疏散到最近的出口，且不會相互影響。教學樓人員疏散模型見圖2。

使用Pathfinder軟件模擬教學樓的疏散過程，以對比經驗公式的計算結果。設置4種疏散場景，討論樓梯寬度、安全出口寬度、人員數量這些因素對疏散時間的影響。

模擬疏散時間時，也需要加上火災報警和人員反應的時間，本文取50s作為準備時間。表1為不同場景下模擬得出的疏散時間。

4.1 疏散基礎場景下安全疏散時間

基礎條件下疏散人員數量隨時間變化見圖3。場景1為基礎條件下疏散的情況，模擬得出的時間為185s，總疏散時間為235s（3.91min）。該疏散時間未超出我國的疏散標準。

4.2 增加樓梯寬度情況下安全疏散時間

通過改變樓梯寬度，將原來的125cm寬度增加至200cm，模擬疏散時間為121.5s。疏散總時間由基礎場景的235s縮短至171.5s，減少了63.5s。該數據表明，增加樓梯寬度對于縮短安全疏散時間的效果良好。增加樓梯寬度，很大程度上減少了人員的擁堵和排隊行為，使得并排通過的人流數增加，故提升疏散效果良好。增加樓梯寬度條件下疏散人員數量隨時間的變化見圖4。

4.3 增加安全出口寬度情況下的疏散時間

在場景3中，對一層的5個安全出口寬度進行調整，由原來的4m增加至6m，模擬得出場景3的疏散時間為173.8s。疏散總時間由235s縮短至223.8s。疏散效果提升較不明顯。由于教學樓存在5個安全出口，當人員疏散至一層各個安全出口時，人員密度較低，所以疏散時間沒有明顯減少。增加安全出口寬度條件下疏散人員數量隨時間的變化見圖5。

4.4 減少疏散人員數量

五層作為教學樓的機房和實驗室，平常有部分學生在五層做實驗或上計算機課。現減少五層的70人，實際疏散總數變為638人。最終模擬得到的疏散總時間為231.3s，與基礎場景下得出的235s疏散時間相差不大。造成這一結果的主要原因為教學樓四層人員密集，在疏散過程中，四層存在擁堵、阻塞現象，因此減少五層的人員數量對整個疏散效果影響較小。減少疏散人員數量隨時間的變化見圖6。

5 經驗公式和軟件模擬結果的對比

通過軟件模擬和經驗公式對疏散時間進行計算，軟件模擬的疏散時間為235s，經驗公式計算的時間為220.6s，兩者誤差在10%以內。造成誤差的原因主要為：第一，經驗公式的計算結果較為理想化，水平方向的通行系數采用1.6人/m·s，樓梯間疏散的通行系數采用1.4人/m·s。但在實際疏散過程中，人員的疏散速度各有差異，且遇到人流密集、擁堵阻塞的情況下，人員的通行系數達不到1.4人/m·s，因此實際疏散時間會更接近用軟件模擬得出的數值。第二，利用軟件模擬得出的疏散時間會更接近實際情況。能夠真實模擬人員的速度、行為模式、師生比例，而且能夠更加直觀、清楚地反映人員的疏散過程以及人員在樓梯口是否存在擁堵的現象，因此采用軟件模擬得出的結果會更加精準、可靠。

6 結束語

本文通過建立Pathfinder模型對教學樓人員進行疏散模擬，在模擬人員均為直接尋找出口的行為下，且無殘疾人員參與模擬。得出基礎條件模擬人員疏散的時間為235s，小于建筑防火規范中的最大允許消防疏散時間。通過改變樓梯寬度、安全出口寬度來減少疏散時間的情況下，改變樓梯寬度對人員疏散的效果最為明顯，共縮短63.5s。此外，本文還將模擬的結果與經驗公式計算的疏散時間進行了對比，發現兩者計算的結果較為接近，誤差在10%以內，軟件模擬得出的時間數值更加接近實際情況。本文在模擬過程中對模型進行了簡化，與實際人員疏散過程相比，存在一定的偏差，實際的人員疏散過程會因為各種原因而變得更為復雜，疏散的時間也會更長一些。

參考文獻

[1]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，2021，40（1）：85-90.

[2]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（5）：47-49.

[3]何怡婧，曾堅，王子寒，等.高層學生宿舍火災疏散模擬與逃生行為研究[J].消防科學與技術，2013，32（1）：15-18.

[4]王錕，盛武，段若男.基于Pathfinder的高校教學樓出口人員疏散仿真研究[J].中國安全生產科學技術，2016，12（7）：180-186.

[5]閻衛東，張瑞，劉家喜，等.基于Pathfinder的高校圖書館火災疏散研究[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2021，37（4）：627-633.