基于Pathfinder的某教学楼出口疏散模拟

(华北科技学院 北京 065201)

一、引言

高校教学楼人员密集度高，加之国家越来越重视教育的发展，高校逐年扩招，导致在校学生逐年增加，但设施设备的更新却跟不上日益增长的学生的需求。部分高校建校已久，教学楼陈旧，楼内设施不完善，对于突发事件的管理具有一定难度。国外对公共场所的人员疏散进行了研究，通过建立人员疏散模型分析人员疏散过程[1-2]。霍然、陈志明等通过研究建筑物内人员疏散的特点，结合某教学楼的实际疏散情况，得出了在人流密度较大的建筑物内涉及火灾时人员疏散时间的计算方法，并且预测了教学楼发生火灾时人员安全疏散时间[3]；吕雷等人对教学楼疏散人数与疏散速度关系进行研究[4]；张培红通过观测人员流动状态，对离散状态时的人员疏散行为进行了模糊推理研究[5]；朱江、余雪永等人建立了针对教学楼的人员安全疏散的数学模型[6]；黎锦贤对不同的教学楼疏散模型进行了比较[7]。笔者在已有的研究基础上，选取某教学楼为研究对象，在实际排课的基础上假设其他3种排课场景，运用Pathfinder2011建立教学楼模型，对不同排课场景进行疏散模拟仿真，通过对比各场景的疏散结果，为教学楼提供较优的排课方案。

二、疏散模型建立

Pathfinder是Thunderhead engineering公司研发的一种新型的智能人员疏散逃生评估系统，它具有简单、容易使用、直观的特点，可以模拟正常情况和紧急情况人员疏散情况。运用Pathfinder进行模拟仿真，不仅能得到可靠的数据结果，而且可以形象直观地看到整个疏散过程，分析疏散过程中的疏散人员的行为。

(一)模型概况

本文选取某教学楼(图1)为研究对象，建筑层数为六层，建筑高度为18.3m，长65m，宽17.5m，共有53个教室，6个休息室，6个卫生间。该楼有两个楼梯间，4个出口，建筑结构比较对称。

图1 教学楼示意图

(二)疏散参数设定

1.疏散场景设置

以周一上午实际情况为基础，假设另外3种场景，确保四种场景安排上课的教室数目相同，楼内人数相同，通过假设模拟分析不同场景对人员疏散时间的影响。四种场景如下：

①场景1。周一上午实际情况；

②场景2。一、二、三楼安排课程；

③场景3。四、五、六楼安排课程；

④场景4。一、三、五楼西侧教室和二、四、六楼东侧教室安排课程。

2.疏散人数的确定

假设上课教室平均50人/室，未安排课程的教室平均10人/室，休息室1人/室，卫生间3人/室，共1154人。模拟时忽略学生的个体特征和素质差别。

3.疏散速度的确定

教学楼的总疏散时间与师生的疏散速度有关。目前，我国还没有完整的有关疏散中人员步行速度的确定方法和标准，所以在进行相关的疏散对策研究时，多数参考国内外较权威机构出版的标准和规范查找有关数据[8]。成年男子疏散速度为1.19m/s，成年女子疏散速度为0.9m/s。通过查找相关资料，模拟中将男子肩宽定为0.415m，女子肩宽定为0.378m。

三、不同场景下的模拟结果分析

(一)各场景人员安全疏散过程

各场景下每层楼的人员疏散过程基本相同，以场景2三楼为例研究人员疏散过程。疏散刚开始，师生选择离自己近的教室前门或后门进入楼道，分别走向两边楼梯出口，如图2(b)。由图2(c)可看出，在39.6s时，三层多数人员已到达楼梯口，只有靠近楼梯口的教室里还有少数人没有离开教室，这是由于楼梯口发生严重的拥堵现象。在469.4s时(图2(d))，三楼所有人都离开教室，此时楼梯口人数逐渐减少，拥堵较之前有所缓解。

图2 场景2中三楼疏散过程

(二)各场景疏散时间

通过各场景的仿真模拟，根据模拟疏散时间结果，绘制各场景教学楼人员疏散时间关系图(图3)。场景1～场景4的疏散总时间分别为864s、786.5s、945.5s、876s。由图3可看出，各场景教学楼人员疏散时间关系图曲线走势大致一样，刚开始一小段都是水平的，这是因为这一小段时间疏散人员开始走出房间，选择出口，还没有离开教学楼。10s左右时，各个场景都开始有人员疏散到安全区域，这些最先疏散到安全区域的人员是一层距离出口较近的人员，之后曲线斜率变大，这表明一层学生正逐渐撤离到安全区域，其他楼层学生向各楼层楼梯口处疏散，接着曲线斜率较前一段时间变小，说明人员疏散能力有所减弱，这是因为其他楼层在楼梯间出现了拥堵，由图中曲线斜率几乎保持不变可知这段时间人员疏散速率几乎恒定，最后，人员全部撤离至安全区域，完成疏散。

场景2在场景1的基础上对四、五、六楼的排课教室进行调整，将上课教室安排在低层，疏散时间较场景1缩短了77.5s，这是因为低层教室到安全区域的路程缩短，即使在楼梯口处仍然存在拥堵现象，但还是可以缩短疏散时间；场景3、4在场景1的基础上调整后，疏散时间分别延长了81.5s、12s，这时因为场景3将上课教室安排在高层教室，离安全区域较远，导致疏散时间延长。但场景4较场景3疏散时间却缩短了69.5s，以东侧楼梯口为例分析，虽然场景3和场景4在高层教室都安排了课程，但场景3四、五、六层都有课，而场景4只有二、四、六楼有课，因此场景3在五楼楼梯口会发生拥堵，而场景4在五楼楼梯口拥堵没有场景3严重，甚至不会发生拥堵，从而缩短了疏散时间。

图3 各场景教学楼人员疏散时间关系图

(三)各出口累计疏散人数

图4为各场景各出口疏散时间关系图，由图可以看出，刚开始一小段时间曲线落在横轴上，表示还没有学生疏散出来，之后斜率较大的一小段表示一楼的学生正逐渐撤离到安全区域，接着曲线斜率变小，并且有些出口的曲线图会在某段呈台阶状(图5)，这是由于一楼外的其他楼层发生堵塞，导致疏散时间延长，且发生较短时间内没有人通过该出口疏散的情况。

由图4可以看出，各场景下图中各曲线的纵向间距不等，这表明每种场景下各出口疏散的人数不同，场景1(图4(a))各曲线的纵向间距都较大，即疏散人数相差较多，疏散时间差距也较大；场景2、3、4门1和门2疏散人数相当，门3和门4疏散人数相当，提高了对出口的利用率，在一定程度上可缩短疏散时间，但场景3和场景4门疏散时间差较大，场景3最大疏散时间差110.5s，场景4最大疏散时间差103s，这会延长疏散时间。

图4 各出口疏散时间关系图

图5 场景4门4疏散时间关系图

(四)楼梯口流速

通过模拟仿真得出各楼层楼梯口的流速，绘制出各楼层楼梯口的流速时间关系图，由此得出各楼梯口的疏散情况，从而判断是否堵塞。由于各场景下各楼层楼梯口的流速时间关系图曲线趋势大致相同，选择场景1六楼西侧楼梯口为研究对象，对楼梯出口流速进行分析，见图6。由图6可知，前3s疏散人员正选择门离开教室，没有人走进楼梯间，流速为0，第4s时流速达到2per/s，这时教室的师生逐渐走出教室，走进楼梯间，楼梯口还未发生堵塞，保持了4s，第8s时流速达到4per/s，此时是最大流速，接着流速减小，开始发生拥堵，但可缓慢移动，31s时流速为0，人员无法行进，六层楼梯口人员不能疏散，直至513s六层人员疏散完毕。

图6 场景1六层西侧楼梯口流速时间关系图

四、结论

通过运用Pathfinder软件进行模拟仿真，设计4种不同排课场景，对比分析各场景疏散情况，得出如下结论：

(1)将上课教室安排在较低楼层，可减少人员总疏散时间，甚至可以有效利用各个出口。因此，学校在排课时，不仅要考虑教室的冲突及容纳人数，而且要利用低层教室的优势合理排课，减少上、下课楼梯口拥堵现象，从而缩短疏散时间。

(2)充分利用各出口，使各出口的利用率达到最大，尽量减小各出口最后疏散的人员用时差距。在排课时，有关人员可以分析学生的心理因素，合理安排教室，提高各出口的利用率。

(3)各楼梯出口流速不断发生变化，最大达到4per/s，这与各楼梯出口发生拥堵有关，因此要合理调整排课系统，控制各楼层可疏散人数，尽量增大一楼楼梯口的流速，且其他楼层楼梯口的流速不大于一楼楼梯口的流速，这样可减缓拥堵，从而缩短疏散时间。