基于Pathfinder紧急情况下地下商场内行人疏散的模拟与实验对比研究

2020-06-15王艳

工程与建设 2020年4期

王艳

(合肥市消防救援支队，安徽合肥 230001)

0 引言

随着我国经济社会的发展，大量的地下建筑出现，同时地下建筑场所内部的人员分布较为密集，一旦发生灾害很容易造成人员伤亡事故。地下建筑内部人员的安全疏散问题已经成为全社会的关心问题，急需研究解决。本文首先对安徽省池州市的某地下商场内人员紧急疏散模拟。其次，采集分析了实际疏散人员的流量、速度、疏散时间等参数。最后，基于pathfinder所构建的部分地下商场的场景模拟与实验的疏散结果，比较实验研究和模拟研究的各项运动参数，为地下商场内人员疏散设计提供应用方面的借鉴。

1 疏散模拟软件

近年来，计算机技术的高速发展为人员疏散的模拟研究提供了快速发展的机会和高效的模拟平台，因此出现了多种用于人员疏散仿真模拟研究的软件：2001年王志刚[1]开发了火灾时期人员疏散计算机模型FEgress，该火灾模拟软件模型可以计算在建筑物内不同位置处发生火灾时，从火灾发生到人员疏散结束所需的时间，可以评价火灾时期人员生命的安全性；王春雪[2]以某幼儿园为背景，分析在幼儿园中发生突发事件时，分别利用SFPE模式和Steering模式两种不同的模式进行模拟，结果显示，Steering模式能避免产生幼儿的拥挤和踩踏事故，缩短疏散所需时间，有利于安全疏散。

目前应用较为广泛的疏散模拟软件有：Pathfinder、FDS+EVAC、MULTIGO、STEPS、FIREGO等。本文采用疏散软件Pathfinder，对紧急情况下地下商场内的行人疏散进行仿真模拟研究。

张志魁[3]为有效了解建筑火灾的蔓延和发展规律以及人员安全疏散状况通过建立模型对某高校实验综合楼进行四个不同火灾场景下的仿真数值模拟。表秀峰等[4]通过Pyrosim火灾模拟软件与Pathfinder人员疏散模拟软件进行模型建立对某商业中合体商场部分进行了仿真数值模拟。得到的两个仿真数值烟气高度、能见度、气体温度、CO浓度达到危害人体生命安全的临界时间与人员疏散必须时间进行比较。仝贵来[5]利用疏散软件Pathfinder对某屋面透空型大型地下商业建筑的特定场景进行人员疏散安全性模拟研究，基于其平面特点，最终给出了该地下商业建筑的人员疏散安全性分析。

也有研究人员在不同省份进行相关研究：何彩虹[6]对西安某大型地下商场的客流量进行了实测，研究了两种流动状态(离散状态和连续状态)时人员疏散的行为特征，分析了该地下商场客流量的影响因素。颜丽等[7]以重庆某大型地下商场为调查对象，分别在工作日和双休日对商场人流量进行实测，为大型地下商场人员紧急疏散提供人流量的基础数据。黄敏[8]以长沙某地下商场为例,进行实地调查研究,收集相关数据。建立火灾场景，进行火源设定，通过计算比较两种时间：ASET和RSET，对其进行火灾情况下人员安全疏散的评价研究。刘丹晨[9]对淮南某地下商业街调查研究，建立商业街的火灾模型和疏散模拟模型；对模拟结果进行合并，统计，整理和分析，对人员疏散提出建议。袁婧[10]借助Pathfinder安全疏散软件，对不同群体的个体动作进行图示化虚拟演练。

1.1 Pathfinder软件介绍

人员疏散仿真模拟软件Pathfinder是美国的Thunderhead Engineering 公司研究开发的。用户能够在Pathfinder界面中建造人员疏散的仿真场景，也可以将真实建筑物场景的CAD图导入至Pathfinder软件中，从而建立仿真场景。

1.2 运动模式设置

Pathfinder软件对于行人运动模式分为SPFE模式和Steering模式。SPFE模式是最为基本的人员运动行为。Steering模式采用了合理正确的路径规划，并利用指导机制，以及考虑人员之间的碰撞处理。假如人员间的距离，人员离最近点的路径超过了设定的阈值，可以再次生成新的疏散路径，从而适应新的情况和形势。

1.3 使用步骤

(1)CAD图导入和内部建模相结合：将平面CAD图导入Pathfinder软件中，根据实际测量的参数进行内部建模，完善楼梯、通道、出口等。

(2)疏散人员的建模：在地下商场仿真场景的5个实验起始位置处，添加与实验相同人数的疏散人员，根据实际情况，设定好人员的属性，包括身体尺寸参数、运动参数等。

(3)运动模式选择：本模拟采用更接近于真实情况的Steering疏散模式。

2 模拟场景设置

2.1 模拟场景构建

首先在pathfinder软件中，选取准备实验的区域，构建出该地下商场的仿真模拟场景，疏散人员初始分布在5个位置如图1所示。5个不同位置的疏散通道宽度分别为2.79 m、2.84 m、2.79 m、2.27 m和2.25 m，交汇处的通道宽度为2.21 m。疏散出口楼梯的宽度为1.0 m，共30个台阶，每个台阶深0.4 m，高0.2 m，楼梯总高度为6.0 m。

图1 疏散人群分布和疏散路径

2.2 模拟参数设置

场景包括5条疏散初始位置所在的街区，疏散主干道以及一条疏散楼梯。依照《中国成年人人体尺寸》(GB 10000-1988)的规定，设置人员运动速度、人员尺寸等模型参数后，开始模拟。

疏散人群的分布和疏散路径也如图1所示。根据实际情况，各小组人群在起始疏散位置处是随机均匀分布的，因此模拟中也采用随机均匀分布。

3 模拟结果分析

3.1 疏散人数和流量

在出口楼梯中的不同阶段人群的上楼速度作为模拟的楼梯速度输入参数，以及采用各个小组人群起始位置处的速度作为人群初始运动速度。

3.2 不同疏散策略

通过设置Pathfinder软件中的人员疏散延迟时间，让不同位置的人先后开始疏散。设计的疏散策略为：位置1和位置2的人员首先开始疏散，位置3延迟15 s疏散，位置4延迟5 s疏散，位置5延迟10 s疏散。模拟延时疏散策略与模拟各小组同时疏散过程的对比如图2所示。

图2 模拟同时疏散和延时疏散策略对比

根据Pathfinder软件模拟结果，采用延时疏散策略进行模拟疏散时，所需疏散时间为149 s，而采用各小组同时疏散进行模拟时，所需疏散时间为151 s，可见采用部分人员延时疏散的策略，能一定程度上加快人员的整体疏散，减少疏散时间。

4 模拟实验与实际疏散实验数据对比

4.1 疏散实验数值

实验人员身体条件及实验场景的限制，该疏散实验只做了一次。根据在商场内多处关键地点录制的实验视频，统计了人群快速疏散的疏散时间、流量以及速度等运动参数。

4.2 实验结果和模拟结果的数据对比

实验结果与模拟结果如图3所示。从图3a中可以看出，模拟的疏散时间与实验的总疏散时间基本相同，疏散过程也大致相似，尤其对于疏散过程的后半段，模拟疏散的前半段斜率较疏散实验该段的斜率略低，但模拟的整体斜率变化略小。根据图3b的结果，流量随时间变化趋势整体相似，但模拟过程的流量变化较小，整体在0.75～1.5人/s浮动，疏散实验的平均流量为1.178人/s，软件进行疏散模拟的平均流量为1.102人/s。