基于Pathfinder的高层建筑应急疏散仿真研究

方潇宇，杨祯山

(渤海大学 工学院，辽宁 锦州 121013)



基于Pathfinder的高层建筑应急疏散仿真研究

方潇宇，杨祯山*

(渤海大学 工学院，辽宁 锦州 121013)

摘要：高层建筑应急疏散问题是公共安全的重要组成部分，疏散仿真是研究应急疏散问题的重要手段．根据Marchant的避难理论，结合实际案例，应用Pathfinder软件模拟人群的应急疏散行为，对高层办公建筑的应急疏散进行整体研究．从仿真模型的疏散模式选择、参数设置及疏散的时序分析入手，对案例大楼的房间疏散、楼层疏散以及整栋楼的疏散进行了仿真研究，结果显示建筑内所有人员能在安全时间内成功疏散，最后基于仿真结果对高层建筑的应急疏散设计提出建议．

关键词：高层建筑；应急疏散；Pathfinder；障碍物；疏散仿真

0引言

对人在火灾等突发事件来临时的行为特征的研究始于20世纪70年代〔1〕．美国的科研人员曾经对1970年之后的火灾幸存者做过调查，并运用统计学方法对人员的惊慌、从众等非适应性行为进行探究．随着计算机技术的发展，从1980年之后，人们开始使用构建疏散模型的方法来模拟建筑中的人员疏散行为，其中使用比较广泛的疏散模型有社会力模型〔2，3〕、元胞自动机模型〔4，5〕和格子气模型〔6〕．后来出现了Pathfinder疏散仿真软件〔7〕，与前述模型相比，该软件是一套简单、直观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统，不需要复杂的数学模型描述，而是利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以准确确定每个个体在灾难发生时最佳逃生路径和逃生时间．Pathfinder软件以其直观、灵活、工程应用的简洁性及功能完备性，逐步引起人们的重视，并尝试将其用于各类应急疏散的研究〔7-9〕．

针对高层建筑的功能属性〔10〕，以及应急状态下行人的行为特点，以一栋高层综合多功能办公大楼为背景，应用Pathfinder软件构造仿真模型，模拟大楼在紧急情况下的人员疏散情形．分别对该大楼第9层、第13层的行人的房间疏散、楼层疏散和到达出口的疏散过程进行仿真，并将仿真结果与业界标准进行比较，以确定建筑物疏散的可靠性．该研究对高层建筑应急疏散的设计具有重要意义．

1Pathfinder及其仿真方法

Pathfinder是由美国的Thunderhead Engineening公司研发的基于Agent的智能人员紧急疏散逃生评估系统软件，主要用于建筑防灾系统优化设计、灾难逃生科学研究、人员灾难疏散模拟训练．该软件由图形用户界面和三维可视化结果分析模块等部件组成，利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动进行图形化虚拟演练，能够模拟行人的移动和进出建筑物的全过程，进而准确确定每个个体在灾难发生时最佳逃生路径和逃生时间．Pathfinder以人为基础，仿真过程需要做如下参数设置和行人疏散模式选择．

1.1基本参数设置

1) 每一个人员的各种参数，即人员数量，行走速度等，以此来实现模拟过程中的各自独特的逃生路径和时间模拟．

2) 定义每个需要经过区域的人员密度，人员距离最近出口的距离．

3) 绘制与仿真相关的建筑物3D空间仿真模型．

1.2疏散模式设置

Pathfinder有两种行人疏散模式：SFPE模式和Steering模式．其中，在SFPE模式下，行人之间不存在相互干扰行为，也不会发生拥堵现象，其速度受到房间空间密度的影响，出口处人流量是根据出口宽度来设定的〔11〕．在Steering模式下，行人会沿着规划好的路径向出口前进，但是在这种模式下，行人的移动受到周围环境和其他行人的影响，人流量较大时会产生拥堵现象．因此考虑到人在应急状态下的行为习惯〔12〕，以及“拥堵”是影响疏散时间重要因素，本文采用Steering模式．

2仿真建模

2.1案例背景

选择某高层办公大楼为研究案例〔13〕．该建筑共20层，总高度为59.4m，其中B1～5层为地下室，地面以上为15层，1～2层的层高为5.1m，其他楼层的层高为3.75m．大楼的总人数为518人，其中女性员工326人，占全体总人数的62.78%．大楼的具体功能及人员分布如表1所示：

表1　大楼的具体功能及人员分布

2.2建模基本参数

鉴于B1～5层地下室的功能主要为停车场、设备间、中控室等，因此不考虑地下室各层的疏散，而只构建地上部分1～13层的仿真模型．根据对行人在应急状态下的实际行走速度的实测〔13〕，行人速度设置：第9层行人的平面步行速度为1.03 m/s，下楼梯速度为0.96 m/s；第13层行人平面步行速度为1.1 m/s，下楼梯速度为0.73 m/s；其它楼层行人的平面步行速度按照平均速度设置为1.07 m/s，下楼梯速度设置为0.85 m/s．并依据《中国成年人人体尺寸(GB10000-88)》，设置男性的肩宽为0.4 m，女性的肩宽为0.36 m．图1为一层建筑平面及逃生出口和路线分布．这里假定：员工经过规范的疏散演习训练，对大楼的出口和疏散楼梯的位置非常熟悉．

图1一层建筑平面及逃生出口和路线分布图2一层疏散仿真平面布置

2.3Pathfinder建模步骤

步骤1：根据实际建筑设计的平面构造，在Pathfinder环境下构建参与疏散楼层的2D单线条仿真平面模型．其中包括，建筑平面布置：房间、门、电梯间、卫生间等(见图2)．

步骤2：在步骤1的基础上，将全部的疏散楼层组合，为仿真模型的3D结构构建整体框架．

步骤3：添加疏散楼梯和疏散楼梯平台．本建筑包括两部疏散楼梯，其中楼梯宽度为1.6 m，门宽为1.2 m，高度2.4 m．

步骤4：根据表1添加房间内待疏散人员人数；根据需要设置不同类别的人员标记，区域标记：给定某特定楼层、房间人员以特定的衣服颜色，性别标记：男性、女性；根据实际疏散区域的设备及家具布置、大小尺寸绘制疏散障碍物;最终形成完整的3D疏散仿真模型．

3疏散时间的时序分析及基本过程

3.1疏散时间的时序分析

根据Marchant提出的避难理论〔14〕：当火灾发生时，整个行人疏散过程与火灾扩散的时序关系如图3所示：

其中，

Tp：行人感应火灾发生所需时间，即从火灾发生到火灾报警器发出报警时间，统计数据为60 s〔15〕；

Tr：行人做出反应所需时间；

Ta：人员反应后采取行动所需时间；

Ts：行人从建筑中疏散出去达到安全地点所需时间；

Tf：可用的安全逃生时间(又称“避难允许时间”)．是自火灾发生至烟气的下降、扩散，轰然等致使建筑或疏散通道发生危险状态为止的时间(Available Safety Egress Time，ASET).即，Tf= ASET．ASET是一个时间极限值．即，从火灾发生到火灾发展到致使建筑物某个区域达到人的耐受极限，或火灾发展到对人构成危害所需的时间，ASET计算较为复杂不利于工程应用〔16〕．表2(详见文献〔17〕)从工程角度给出了不同建筑物疏散时间的统计值，对于疏散时间的比较提供了必要的参考.

Tr+Ta：避难前置时间，即火灾识别后人员准备疏散的响应时间，即火灾识别后到人员疏散行动开始之前的响应时间Tc，统计数据为120 s〔15〕．即，

Tc=Tr+Ta

(1)

Tp+Tr+Ta：从火灾发生到人员开始疏散的疏散开始时间Tst．即，

Tst=Tp+Tc

(2)

避难逃生总时间RSET (Required Safe Egress Time )为

RSET=Tst+αTs

(3)

α为安全系数．主要考虑人员从着火点，全部疏散至供人员疏散用的封闭楼梯间、室外楼梯的入口和首层直通室外的楼梯入口或者直通室外的门的过程中的不确定性因素，对人员移动时间的影响．提出设定，α=1.5．建筑内所有行人成功疏散逃生的条件为：Tp+Tr+Ta+Ts≤Tf．即，

RSET≤ASET

(4)

表2　不同建筑物所需的疏散时间

3.2疏散的基本过程

疏散的基本过程是平时消防模拟演练和火警时疏散的重要依据．按照阶段的不同，行人的疏散过程分为：房间疏散、楼层疏散和整栋楼疏散．因此，分别作如下定义．

1)房间疏散时间：从开始疏散到该房间内所有行人离开房门所需时间；

2)楼层疏散时间：从开始疏散到该楼层所有行人到达疏散楼梯所需的时间；

3)整楼疏散时间：从开始疏散到大楼内所有行人离开建筑并到达地面所需时间．

4人员疏散的仿真

4.1仿真约定条件

从建筑物的功能配置可知，第9层楼的空间配置比较复杂，因此假定9层为起火楼层．根据疏散的基本过程及相关消防规范〔18〕，疏散程序如下：1)疏散起火层以及其上两层与下一层，即8层、9层、10层以及11层；2)疏散高于起火层的未疏散楼层，即12、13层；3)疏散剩余楼层，即1～7层．为尽量降低人群的拥挤程度，在使用Pathfinder仿真时设置如下延迟(Δt)：第12、13层行人在开始疏散时的行动延迟时间为59 s，1～7层行人在开始疏散时的行动延迟时间为127 s，8、9、10层行人在开始疏散时的行动延迟时为0 s．图4为疏散时间为70 s时，第13层楼中行人的分布情况．

4.2仿真结果

根据给定条件，对整栋大楼的人员疏散进行仿真．不失一般性，我们仅给出9层和13层人员疏散的仿真结果．

图5第九层人员房间疏散时间图6第九层人员楼层疏散时间

图7第十三层人员楼层疏散时间图8第十三层人员进行整栋楼疏散时间

4.3疏散时间比较分析

表3为房间疏散、楼层疏散及整栋楼疏散的疏散时间结果，这里取α=1.5．经与表2给出的经验数据比较，建筑内所有人员的各阶段避难逃生总时间RSET满足人员成功疏散逃生条件．因此，疏散仿真结果有效．

表3　疏散时间

5结论

运用Pathfinder软件进行高层建筑的疏散仿真，具有简单、方便、易于操作的特点，完整的内置数学模型使使用者避开了繁琐的数学推演，对工程应用提供了极大的便利，对研究建筑物的应急疏散设计具有重要意义．根据Marchant避难理论，并结合本文的仿真结果，对高层建筑应急疏散提出如下建议：1)高层建筑应急疏散的初步设计阶段应做必要的仿真试验；2)运用Pathfinder软件仿真，必须严格依据建筑设计的构造数据建模，人员密度等参数应该按最大可能值配置；3)必须严格按照建筑房间功能配置障碍物，否则仿真结果将严重偏离实际状况；4)采用优质的火灾报警系统尽早感知火情，以缩短火灾确认时间；5)坚持火场逃生的例行演练，以减少人员对火灾发生的恐惧，进而使人群有序逃生，缩短人员对火灾做出反应的时间；6)采用快速的信息传播系统，以缩短开始采取避难行动的时间．

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Pathfinder based simulation of crowd evacuation in high-rise building

FANG Xiao-yu，YANG Zhen-shan

(College of Engineering,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Abstract：The issue of emergency evacuation in high-rise buildings is a major concern of public safety.Evacuation simulation is an important way to research evacuation behaviors.As per Marchant's theory on evacuation and escape and combined the practical case,Pathfinder software is employed to simulate the behavior of pedestrians′ evacuations,to conduct the holistic study of the personnel evacuation in high-rise office buildings.Starting up with the process and steps of modeling,the evacuation mode selection,preferences and the time order analyzing,the simulation of evacuations from rooms,floors and the whole building are conducted respectively,and based on which recommendations to the design of evacuation in high-rise buildings are suggested.

Key words：high-rise building; emergency evacuation; Pathfinder; barrier; evacuation simulation

收稿日期：2015-11-08.

基金项目：国家自然科学基金项目(No:60874026).

作者简介：方潇宇(1990-),男,渤海大学硕士研究生,主要从事楼宇自动化技术及高层建筑疏散及电梯交通配置与控制技术的应用研究.

通讯作者：ydlut@163.com

中图分类号：TP13

文献标志码：A

文章编号：1673-0569(2016)02-0177-07