基于STEPS的地下双层岛式站台人员疏散模拟研究

谢天光 倪照鹏

公安部天津消防研究所

地铁车站是人员密集场所，一般为地下空间。地铁站台的主要形式为岛式、侧式和混合式3种。由于内部空间相对封闭、疏散出口较少，具有火灾烟气不易排除、热量集中、散热缓慢、气流温度升高快、能见度差等特点，一旦发生火灾，人员疏散及火灾扑救十分困难，涉及范围往往很大。如：2010年3月29日发生在俄罗斯首都莫斯科地铁一号线的卢比扬卡和文化公园地铁站爆炸造成至少41人死亡，60多人受伤。因此，如何安全而有效地将站台和列车上的人员疏散出去，是一个很值得研究的课题[1-3]。

目前国内规范在计算人员疏散时间时，重点考虑了站台疏散设施的通行能力，而并没有考虑人员类型、疏散行走速度以及疏散路径等因素对人员疏散时间的影响。

本文以某地地下双层岛式站台车站为例，针对设定疏散场景使用STEPS软件对人员疏散时间进行模拟，并结合我国《地铁设计规范》中有关疏散时间的计算进行比较分析。研究地铁车站站台的疏散策略对人员疏散时间的影响，为地铁管理人员制定疏散策略提供一定的参考。

1 地铁站台人员疏散设计要求

1.1 国内规范中人员疏散时间的要求

地铁车站内待疏散人员主要为站台层和站厅层人员。站台层人员需要通过站台层的敞开楼扶梯或封闭楼梯间疏散至站厅层，再通过站厅层疏散通道疏散至安全出口，最后疏散至室外安全区。站厅层人员可以直接通过临近的安全出口或楼梯间疏散至室外安全区。具体的疏散策略，如图1。

图1 人员疏散策略示意图

依据《地铁设计规范》(GB 50157-2013)第19.1.9条“出口楼梯和疏散通道的宽度，应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台。”

1.2 国内规范中人员疏散时间的计算方法

依据《地铁设计规范》(GB 50157-2013)第8.3.10条“站台层的事故疏散时间”按下列公式计算[4]：

式中：

Q1—一列车乘客数，人；

Q2—站台上候车乘客和站台上工作人员，人；

A1—自动扶梯通过能力，人/（min·m）；

A2—人行楼梯通过能力，人/（min·m）；

N—自动扶梯台数；

B—人行楼梯总宽度，m。

2 疏散模拟软件介绍

本文通过运用STEPS软件模拟人员疏散至安全出口所需疏散时间。在评估人员是否满足规定的要求的同时，分析可能影响地铁站台人员疏散时间的因素。STEPS(Simulation of Transient Evacuation and Pedestrian Movements)是一个三维疏散软件，由英国Mott MacDonald公司开发。在模拟计算时建筑物内疏散通道和疏散出口是通畅的，而火灾区附近的疏散通道或出口则可能被封堵。模型采用0.09～0.25m2的网格系统，人员只能以45°角向8面移动，此计算机模型只分析人员所需行走时间，不包含火灾探测时间及人员行动前准备时间。STEPS的精确性已经与NFPA 130中提供的算例“某地铁人员疏散时间计算结果”进行比较并得到了一致性验证，并得到了广泛认可[5]。

3 工程实例分析

3.1 地铁车站简介

本文以某地双层岛式车站为例。该站为双层岛式车站，车站主体为地下二层，总建筑面积43100m2，其中地下一层为站厅层，地下二层为站台层。站台宽度为12.5m，有效站台长度为117m。站厅层分为付费区与非付费区，在付费区南北站台各设置2组扶梯和6组楼梯与站厅联系，能够满足正常客流和紧急情况下疏散的需要；在付费区与非付费区的交界处设置了进出闸机，并在进出站闸机的中部设置了乘客服务中心，能够满足乘客进出站的要求。发生火灾时，乘客分别从中部和两侧的楼扶梯向上疏散至站厅层，再由站厅层的4个安全出口疏散至室外。具体的安全出口位置和设计宽度，如图2。

图2 站厅层安全出口示意图

由于本站台南侧和北侧2条地铁线路对称。因此，以北侧站台层为例计算站台层人员疏散时间。依据国内外相关规范对站台层疏散楼扶梯的设计宽度进行折减。北侧站台层安全出口宽度统计表，见表2。

表2 北侧站台层安全出口宽度统计表

3.2 疏散时间的计算

地铁站台层疏散人员主要由列车车厢内的乘客、站台层候车的乘客和工作人员3类。

（1）列车车厢内乘客：根据设计资料，一列车定员为1710人。

（2）地铁车站站台层工作人员总数为100人。

（3）站台上候车人员。以高峰时刻客流量下的预测人数为基础，确定疏散人数适合用于计算地铁车站等交通类建筑内公共区域的候车人数：设定每个主要客流区域的人员平均停留时间，并由此转换成瞬时流量。因此，在计算地铁车站站台人员候车人数时将利用高峰小时客流量法来确定。所谓高峰小时客流量法就是设定人员在某个区域的平均停留时间，并根据该区域的高峰小时预测客流量计算其瞬时人数，即：

人员数量=高峰小时预测客流量×停留时间（min）/60 （2）

因此，站台上候车人员数量可根据高峰时期的客流量换算确定，并考虑1.4倍的超高峰系数，其计算方法为：

公共区域聚集人数=1.4×高峰客流量（人/h）×停留时间（min）/60 （3）

按照上述方法进行计算时，按每2min一列车计算，人数设计参照远期2040年早高峰时段的客流量进行计算。南行上客量为6 200人/h，北行上客量为7 310人/h，考虑1.4倍的超高峰系数，则站台候车人员数量为1.4×（6 200+7 310）×2/60=631人。

将站台层的人员数量汇总于表3。

表3 站台层疏散人数统计

根据《地铁设计规范》(GB 50157-2013)的计算公式和站台宽度的设计资料计算出北侧站台层人员的疏散时间为：

按照规范计算站台的疏散时间小于360s，设计合理。但规范中只考虑了楼梯和自动扶梯疏散能力的影响。实际疏散时，人员的疏散时间会受到多种因素的影响比如人员类型、行走速度以及人员疏散路径等等。因此，本文将使用STEPS软件进行模拟仿真并对结果进行分析，使得站台的疏散设计更加合理。

4 人员疏散模拟及分析

4.1 疏散场景描述

疏散场景1：不考虑人员类型，站台和列车人员通过楼扶梯向上疏散至站厅层，再通过站厅层疏散至室外安全区。

疏散场景2：考虑人员类型，站台和列车人员通过楼扶梯向上疏散至站厅层，再通过站厅层疏散至室外安全区。对比模拟时间和规范计算时间，重点分析在考虑人员类型的情况下，人员类型对疏散时间的影响。

疏散场景3：考虑人员类型，站台和列车人员同时考虑两种疏散路径，一种是通过楼扶梯向上疏散至站厅层，另一种是通过楼梯向下疏散至过轨疏散节点，两种疏散方式最后均疏散至室外安全区。与疏散场景2所得到的模拟时间对比，重点分析在考虑过轨疏散节点的情况下，人员疏散路径对疏散时间的影响。

4.2 疏散模型的建立

根据设计方提供的平面图，建立车站站台和站厅的基本模型。其次确定模型中的疏散人员的人群结构以及不同年龄段人员的行走速度。

根据国外相关研究，同时考虑到本次模拟是针对地铁车站人员疏散。模型中的人员行走速度采用W.Daamen&Hoogendoom提出的火车站人群移动速度和密度关系的经验公式：

式中：

v—人群移动速度，m/s；

D—人群密度，人/m2。

式中当D≥5，人群会出现拥挤或堵塞[6]。

根据地铁车站的实地调查结果，从中筛选出有效数据，样本数为120个。通过对不同观测点的人员密度统计分析得出不同类型人员的平均行走速度，见表4和表5。

表4 地铁站不同人员类型统计表

表5 地铁站不同人员类型行走速度统计表

参考中国标准成年人的人体尺寸数据和国内外疏散速度的研究统计资料，将地铁车站乘客分为7种类型：未成年人、青年男性、青年女性、中年男性、中年女性、老年男性和老年女性。不同人员类型的参数设置，见表6。

表6 地铁站人员类型特征统计表

4.3 基于STEPS的人员疏散模拟过程

由于此双层岛式车站的南北站台人员疏散相互独立。因此模拟分析时以北侧站台为例。各个设定疏散场景的人员疏散模拟过程见图3-5所示。

图3 疏散场景1站台人员数量变化

人员不利用向下疏散的楼梯疏散，不考虑人员类型对人员行走速度的影响，人员的最大行走速度为1.0m/s，80s左右拥堵现象得到一定缓解。256s左右，人员全部撤离站台。

图4 疏散场景2站台人员数量变化

人员不利用向下疏散的楼梯疏散，由于可用的安全出口减少，使得站台上安全出口的疏散压力增大，各个安全出口的疏散效率有所降低，使得人员在楼扶梯口的排队等待时间加长由于人员的耐心程度不同，造成一部分人员分流，100s左右拥堵现象得到一定缓解。297s左右，人员全部撤离站台。

图5 疏散场景3站台人员数量变化

人员正常疏散，由于可用安全出口较多，人员的疏散较为通畅，各个安全出口的疏散效率较高。由于自动扶梯的通过能力较低，使得自动扶梯附近的人员密度较高，排队等待时间较长。236s左右，人员全部撤离站台。

5 小结

通过对某地地铁车站的3个设定疏散场景的模拟分析可以看出。

（1）人员疏散模拟得到的人员行动时间可知，在人员使用站台所有疏散楼扶梯进行疏散的情况下，人员疏散行动时间为236s，加上规定的报警和人员响应时间60s，则站台人员全部疏散时间为296s，小于规定的6min，即现有的设计宽度满足规范的要求。

（2）对比设定疏散场景1和疏散场景2的疏散时间可知，在考虑人员类型后，增加了老人和儿童的比例使得疏散时间会相对增加，但是仍然在规范规定的范围之内。

（3）对比设定疏散场景2和疏散场景3的疏散时间可知，在采取一定防火分隔的前提下，使用通向过规疏散节点的向下疏散楼梯进行疏散，可以减少疏散时间20.5%。因此，建议在有条件的情况下利用双线间的过轨疏散节点进行疏散，特别是双线换乘的地铁车站。同时采用智能疏散指示标志，提高疏散照明强度，加强疏散诱导，保障人员在火灾时能够安全有序地进行疏散。

6 结论及建议

规范的传统公式计算和采用计算模拟软件对选取的车站进行模拟分析，结果表明：人员类型和疏散路径均制约着人员疏散时间，其中疏散路径是主要影响因素，而规范中仅仅考虑了疏散设施的理论通行能力对疏散时间的影响。虽然向下疏散与常规的人员疏散习惯相悖，但是在制订消防应急预案的基础上，选择合理的疏散路径能够显著提高各个安全出口的疏散效率。为了有序组织人员的安全疏散，对消防广播系统宜采用人工播音方式。定期检查火灾自动报警系统和消防广播系统，确保火灾自动报警系统的可靠性和消防广播系统的有效性，保障在火灾情况下能够在较短的时间内通知各区域的人员及时疏散。

[1] 穆娜娜,肖国清,何理,等.地铁人员疏散心理行为调查及相关性研究[J].中国安全生产科学技术,2013,6(6):85-90

[2] DaamenW,Hoogendoom.Controlled experiments to derive walking behavior[J].European Journal of Transport and Infrastructure Research,2003,3(1):39-59

[3] 赵国敏,倪照鹏,张青松.地铁车站人员疏散离散时间模型研究[J].防灾减灾工程学报,2010,4(2):152-157

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157-2013地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014

[5] NFPA130，Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems[S].Quincy,USA:National Fire Protection Association,2003

[6] 窦丽洁.地铁人员疏散基本参数的测算与分析[J].消防科学与技术,2013,1(1):19-22