某地下商场紧急情况下人员疏散实验研究

2013-11-15姜子港霍非舟刘晓栋宋卫国

火灾科学 2013年3期

姜子港，霍非舟，刘晓栋，宋卫国＊

（1.山东省东营市公安消防支队，东营，257091；2.中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3.香港城市大学土木与建筑工程系，香港，999077）

0 引言

随着社会经济的发展，商场成为大多数人消费的首选之地，却也因此成为火灾频发的场所之一。商场建筑由于其火灾因素复杂、可燃物质多、火灾时疏散困难，其火灾严重性和危害性尤其突出［1，2］，极易造成严重的人员伤亡及财产损失，如2004年2月15日，吉林市中百商厦发生特大火灾，造成54人死亡，70人受伤，直接经济损失426万元；2010年11月5日，吉林商业大厦火灾，造成19人死亡，24人受伤，过火面积15830m2；2012年6月30日，天津蓟县莱德商厦火灾，造成10人死亡，16人受伤。因此，商场建筑的人员安全疏散设计显得尤为重要。

对于商场内人员疏散问题，国内研究者们开展了较为广泛的研究［3－5］。姚长春、李元洲等人［6］利用性能化分析的方法分析了某地下商场防火分区的划分方法及其对人员安全疏散的影响；程彩霞、方正等人［7］分析了一个大型商场建筑性能化防火设计案例，并与传统的设计方法进行了对比；张鸿鹤、杨利剑［8］探讨了大型地下商场的防火分区设置的相关问题以及对人员安全疏散的影响；宋卫国、于彦飞等人［9］采用社会力模型对紧急情况下的人员疏散现象进行了模拟，分析了出口宽度、出口厚度等建筑结构特征与疏散时间之间的关系。然而，目前针对地下商场紧急情况下人员疏散的研究仍然存在一些问题，主要有两个方面：一方面，地下商场结构复杂，营业时物品种类繁多、人员密度大、人员构成广，紧急情况下的疏散演习实验难以实现；另一方面，对于相邻防火分区之间借用防火门进行疏散的实验研究相对较少。

基于上述两个方面的问题考虑，我们设计并开展了地下商场紧急情况下的人员疏散演习实验，实验中考虑了相邻防火分区借用防火门的问题以及不同人员分布的实验条件，此外对实验参与人员进行了问卷调查，分析了人员疏散特性。

1 地下商场人员疏散实验

1.1 商场简介

某商场地上三层、地下一层，集购物、餐饮、娱乐于一体，总建筑面积60000m2，共有员工1100余人。该商场地下一层被划分为四个防火分区，各防火分区建筑面积如图1所示，其中有14个消防安全出口，包括通向避难走道（2、3、4、5、13）、通向楼梯（1、6、14）和通向相邻防火分区（7、8、9、10、11）的安全出口。

图1 商场地下一层建筑平面示意图Fig.1 Sketch of the underground floor of the market

1.2 实验设计及实施

本实验选择商场地下一层的第四防火分区作为人员初始分布位置，实验参与人员主要为不在该层工作的商场工作人员，实验时间选择商场正常营业之前，即早7点至早8点之间。其中第四防火分区通过安全出口3，4与避难走道相连，通过防火门7，8与第二和第三防火分区相连。该演习实验共设置四种不同的实验场景，如表1所示，其中人员均匀分布是指实验人员被均匀地安排在第四防火分区内，人员非均匀分布是指实验人员被安排在防火分区远离避难走道的一侧区域内。此外，我们分别在出口1，2，3，4，5，6，7，8等8个出口设置摄像机来拍摄人员通过出口的疏散过程。

表1 实验场景Table 1 Experimental scenarios

实验开始前，工作人员告知实验人员最终疏散目的地，即出口1，2，3，4，5，6，实验过程中实验人员可以选择其中任意出口作为她们的最终疏散目的地。每次实验开始前，工作人员按各场景要求将人员分布在第四防火分区内，以商场内的消防警报声作为疏散演习实验开始的信号，听到警报声后实验人员开始疏散，所有人离开安全出口后本次实验结束。每次实验结束后，实验人员原路返回，同时现场工作人员改变实验场景并安排人员的位置分布，一切准备就绪后开始实验，直至四次场景全部做完，演习实验结束。

1.3 问卷调查

为了更深入的分析人员疏散过程中的行为特性，我们设计了一份消防安全疏散问卷，该问卷由实验人员在演习实验结束后填写。

2 数据处理及分析

根据开展的疏散演习实验及问卷调查，我们主要从疏散过程中的人员出口选择、疏散时间及出口流率和疏散行为分析三个方面对地下商场紧急情况下人员疏散进行分析。

2.1 出口选择

演习实验过程中，实验人员未被指定具体的疏散出口及疏散路径，因而她们有可能选择任何一个出口到达最终疏散终点。为了分析疏散演习过程中人员对不同疏散出口的选择比例，我们统计了四种实验场景下通过疏散出口3、4、7、8的人数。其中实验过程中疏散出口3、4、7、8的宽度分别为：1.7m，3.0m，1.4m，1.6m。图2为不同疏散场景的出口选择比例。在实验场景一、二中，实验人员在第四防火分区内可通过出口3、4、7、8进行疏散；而在实验场景三、四中，出口7，8关闭，实验人员不能通过这两个出口。从图2可以看到，在场景一、二情况下出口4的疏散人数最多，依次为41.99%和36.79%。这是因为出口4宽度较宽，且更接近防火分区边界位置的中心，该防火分区内人员很容易看到该出口，导致大量人员通过该出口进行疏散。另外我们发现在可借用防火分区防火门的情况下，有34.42%（场景一）和54.52%（场景二）的人员选择通过相邻防火分区防火门进行疏散，这说明借用防火分区防火门可有效疏散某一防火分区内的被困人员，提高疏散出口利用率及疏散效率。观察场景三、四的结果，我们发现，选择出口4的疏散人数是出口3的两倍多，这说明在实验过程中会出现出口利用不均的现象，这对紧急情况下人员疏散是不利的，因而需要在现场设置合理的疏导设施来指导人员合理利用出口，提高疏散效率。

图2 不同疏散场景出口选择比例Fig.2 The ratio of exit choice in different evacuation scenarios

2.2 疏散时间及出口流率

疏散时间是指行人从意识到危险情况的发生到疏散至安全区域所用的时间，是评估建筑消防安全的一个重要参数。影响行人疏散时间的因素包括人的因素，如性别、年龄、对危险状态的感知能力、疲劳程度等，环境因素，如建筑结构复杂度、出口位置、出口宽度等。本文主要从是否可以借用相邻防火分区防火门的角度对行人疏散时间进行了分析。图3是四种不同实验场景下各出口的累积疏散人数随时间的变化曲线。其中在不同实验场景下各出口疏散的人数如表2所示。

从图3（a）中我们发现，在可借用防火分区防火门时出口3、7、8对应的人员安全疏散时间分别为：18.68s，18.72s，17.48s；而出口4对应的人员安全疏散时间为29.44s，因而安全疏散该场景下的312人的总疏散时间为：29.44s。在不可借用防火分区防火门时，如图3（b），出口3、4对应的人员安全疏散时间分别为：26.64s，32.8s，因而安全疏散该场景下的299人的总疏散时间为：32.8s。比较这两个结果，我们发现借用防火分区防火门在疏散人数较多的情况下其总疏散时间仍低于不借用防火分区防火门的情况，说明借用防火分区防火门作为安全出口提高了人员安全疏散效率，但值得注意的是在借用防火分区防火门，即增加出口7、8的情况下，其总疏散时间与不借用的情况相比并未得到显著降低。这可以从两个方面来解释：一方面，从图3（a）以及图2的结果可知，在实验场景一中选择出口4的人数较多，导致该出口疏散完毕所用的时间较长，这极大地增加了总疏散时间；另一方面，该实验中人员数量较少，在出口3、4处并未形成比较严重

的拥堵现象，因而增加出口7、8并不能显著的提高安全疏散效率，降低总疏散时间，然而在该防火分区内人员数量较多时，采用借用相邻防火分区防火门作为安全出口进行疏散将会显著提高疏散效率，降低总疏散时间。基于以上考虑，我们认为在人员疏散过程中应对人员疏散路径进行合理的规划，指导人员合理选择疏散出口，同时在防火分区内人数较多的情况下选择借用相邻防火分区防火门作为安全出口进行疏散，这将有效避免在某一出口处聚集人数过多而形成拥堵现象，有效提高疏散效率及降低总疏散时间。

表2 出口流率Table 2 Exit flow rate

图3 各出口疏散人数随时间的变化（a：实验场景一；b：实验场景二；c：实验场景三；d：实验场景四）Fig.3 The relationships between cumulative evacuated persons and evacuation time（a：experiment one；b：experiment two；c：experiment three；d：experiment four）

另外我们分析了人员分布对人员安全疏散的影响。由图3总疏散时间及表1疏散总人数可知，实验场景一、二的出口平均流量分别为：10.6ped／s，11.6ped／s；实验场景三、四的出口平均流量分别为：8.5ped／s，8.0ped／s。由此可见人员不同分布对出口平均流量并未产生比较明显的影响。这是因为实验人员听到警报后立即向出口处运动，且运动速度比较快。因人员不同分布而产生的人员行走距离的变化对疏散时间的影响比较小，因而人员疏散过程没有因人员分布不同而产生大的变化。

为了分析安全出口的疏散效率，我们统计分析了不同实验场景下不同出口的出口流率，如表2所示。其中我们每隔0.4s统计一次通过各出口的人数，根据统计的结果及出口宽度得到各出口的流率，包括最大流率、最小流率以及平均流率。我们发现出口7、8的平均流率相对比较高，这是因为这两个出口为相邻防火分区防火门，实验人员通过后会继续向最终出口疏散，因而在这两个出口处形成比较快速且连续的行人流，相应的流率比较高。

2.3 疏散行为分析

实验结束后，我们开展了问卷调查来分析人员疏散行为特性，一共向实验人员发放了300份问卷，因为时间有限，商场工作人员急于上班，因而最后收取有效问卷190份。根据问卷结果，我们发现参与实验的人员中97%为商场工作人员，其平均年龄为30岁；其中95%的人员参与过消防疏散演练，94%的人员熟悉商场。图4为问卷调查中的结果（图4（a）中A：寻找同伴；B：立即报警；C：打电话或大声呼喊通知其他人；D：收拾自己的贵重物品；E：立即朝出口运动；图4（b）中A：选择最近出口；B：选择最熟悉出口；C：跟随别人行走；D：按照疏散指示标志或听消防广播的指导；图4（c）中A：立即跟随奔跑；B：询问原因；C：不理不睬；D：其他；图4（d）中 A：耐心等待；B：向前挤；C：跟在强壮的人后面；D：绕道走）。

从图4可以看到，当听到消防警报声音时，有40.53%的人选择立即朝出口运动，另外有25.95%的人选择立即报警，25.41%的人选择打电话或大声呼喊通知其他人；这说明参与过消防疏散演练和安全培训的商场工作人员在发生紧急情况下时能够及时进行疏散，且同时能够提醒商场内顾客及其他人员开始疏散，这将有利于商场在发生危急情况时有效降低人员伤亡。在紧急情况下，有63.24%的人选择最近出口，22.71%的人选择按照疏散指示标志或消防广播的指导；当看到周围有人因恐慌而奔跑时，70.05%的人会选择询问原因，26.20%的人会选择立即跟随奔跑；但行走过程中感觉到拥挤时，47.57%的人会选择耐心等待，31.35%的人会选择绕道走。此外，我们发现，在实验行走过程中，93.01%的人认为她们的速度比平时要快；当人们在行走过程遇到障碍时，56.08%的人会选择减速，30.16%的人会选择向右绕行。