基于疏散模拟评估超高层建筑疏散系统安全可靠性的研究

崔 锷，骆常淞，刘 忠，朱 岳

(1.Jensen Hughes Corp.,美国；2.SOM建筑师事务所，美国)

0 引言

随着高层建筑建设在中国的蓬勃发展，中国已成为超高层建筑设计、建设最多的国家。超高层建筑由于外部救援技术手段有限，消防扑救必须依靠建筑内部的消防设施。防烟楼梯是超高层建筑应急状况下安全疏散的主要通道，国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》[1]对安全疏散楼梯提出了系统性的安全要求，依据国标设计的疏散楼梯的安全可靠性，一直是消防管理部门、建规编制单位、科研部门、建筑设计单位十分关注的课题。本文利用计算机疏散模型的技术手段，对国标要求的疏散系统进行了量化的评估分析。本文尝试利用分析研究的结果为超高层建筑(建筑高度>250 m，详见原公安部消防局2017年317文[2])防火规范的制订、超高层建筑的设计和评审，提供工程分析的技术支持。

整体而言，国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》对疏散系统、特别是疏散楼梯的要求，相比于国际上通行的一些建筑防火规范，如美国的IBC[3]、日本的规范[4]等，都较为严格。国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》已经包括了对疏散楼梯的一系列系统性的强化要求，本文从以下几个方面对国标中疏散楼梯的要求进行系统的说明。

0.1 疏散楼梯前室和正压送风系统

相较于美国IBC要求高层建筑内的疏散楼梯，或者提供楼梯前室、或者提供正压送风；而国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》则要求提供楼梯前室及正压送风。国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》的要求显然更加严格，能够更有效地降低火灾烟气由于烟气热压差及楼梯间烟囱效应(Stack Effect)进入疏散楼梯间的可能性。

0.2 避难层和疏散楼梯隔断

美国IBC没有要求高层建筑内提供避难层；而国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》5.5.23要求高层建筑每50米高度内提供一个避难层，并且要求疏散楼梯在避难层隔断，这样既可以避免楼梯间因连接楼层过多而产生较大的烟囱效应，而且能够避免一旦火灾烟气进入楼梯间沿疏散楼梯直接蔓延至顶层的情形。

0.3 消防竖管和室内消火拴

美国IBC 905.4 要求消防竖管和室内消火拴设置在疏散楼梯间的转换平台处，从而为消防人员提供一定的保护；而国标GB 50974-2014《消防给水及消火拴系统技术规范》[5]7.4.7要求高层建筑室内消火拴设置“在楼梯间及其休息平台和前室、走道等明显易于取用，以及便于火灾扑救的位置。”高层建筑室内消火栓接口设置于楼梯间前室内，既可以避免楼梯间因消防人员使用室内消火拴而被占用，又可以为消防人员提供适当的保护。

0.4 消防电梯

国标《建筑设计防火规范》7.3规定了超高层建筑必须设置消防电梯及前室，消防人员通常可以使用消防电梯接近着火楼层进行应急扑救工作，而不需要占用疏散楼梯。

图1 美国911事件中消防人员通过疏散楼梯间接近火灾现场Fig.1 Fire fighters used exit stairs to access the fire floor in 911 terrorist attacks

0.5 疏散电梯

美国IBC允许超高层建筑内使用疏散电梯替代要求增加的一部疏散楼梯。2009年之前，美国NIST防火研究机构对高层建筑的安全疏散、特别是利用疏散电梯的疏散进行了大量的研究。由Richard领衔的研究[6-8]着力于在超高层建筑内推广使用疏散电梯。2009版IBC要求增加一部疏散楼梯背后真正目的正是为了在超高层建筑内推广使用疏散电梯。

由于美国IBC的上述特点，在纽约世贸大厦911事件[9]、芝加哥库克郡办公大楼火灾[10]事故中，发生了疏散楼梯拥堵、失效等问题。因此2009年修订的IBC提出了超高层建筑增加一部疏散楼梯的要求，并据此在超高层建筑内推广使用疏散电梯。近些年来，国内消防界不断有建议，借鉴美国IBC中对超高层建筑疏散楼梯的强化措施，即在满足疏散人数要求的疏散楼梯的基础上，增加一部疏散楼梯。鉴于国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》在疏散系统、特别是疏散楼梯的要求相较于美国IBC显然是更加严格，GB 50016-2014《建筑设计防火规范》中构建的安全疏散体系，能够比较有效地保证高层建筑中的应急安全疏散可靠性的要求。简单照搬美国IBC对超高层建筑中增加一部疏散楼梯的强化措施，尤其是忽视了2009 IBC推广使用疏散电梯的目的，安全效益会十分有限。

1 超高层建筑计算机疏散模拟

本文利用计算机疏散模拟，对设计中的超高层建筑，疏散楼梯可能因火灾受到的影响进行了模拟分析。计算机模拟中，根据国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》对疏散系统、特别是疏散楼梯的要求，设计了合理的疏散场景，对整栋建筑全体疏散、着火层一部疏散楼梯的前室因消防扑救受到影响、一部疏散楼梯在两个避难层之间的一段因烟气进入失效等几个可能发生的疏散场景进行了技术分析。该计算机疏散模拟研究的目的在于找到符合国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》体系下，疏散楼梯设计的技术依据。

1.1 疏散模拟方法

本文采用了Pathfinder 2018进行疏散模拟，该疏散软件由Thunderhead Engineering，Inc开发。Pathfinder使用转向行为(Steering)模拟疏散人员的运动，疏散软件包括三个模块：图形用户界面，模拟器本身和疏散结果界面。

默认情况下，Pathfinder会在每个时间步长Δt评估每个人员的疏散，从他/她的当前位置到任一出口。每个人员使用路径规划，路径生成和路径跟踪来到达目的地。Pathfinder提供了SFPE模式和转向(Steering)模式的计算运动的选项。SFPE模式实现了SFPE消防工程手册[11]和SFPE工程指南[12]中提出的，火灾中的人类行为基于流的疏散模拟技术。对于SFPE模式，门和走廊施加严格的流量限制，并且人员可以拥挤在相同的区域。随着人员密度增加，人员行进速度降低。在转向模式中，人员行进路线遵循其疏散路径，可以偏离路径以从正确方向接近其目标出口。以下是Pathfinder模拟人员疏散的数学模型，更详细的内容请参见Thunderhead Engineering，Inc编写的Pathfinder技术资料。

1.2 SFPE模式

Pathfinder中有主要三种类型的组件：门，房间和楼梯。房间是可供人员行走的开放空间。楼梯可以被认为是特殊类型的房间，而楼梯的倾斜限制了人员通过的速度。门是连接房间和楼梯的限流器。SFPE指南中没有专门的走廊类型，而是被建模为两端都有门的房间。走廊与房间采用相同的方式处理，其中流动由门控制。在SFPE模式下，多个疏散人员可以占用相同的空间。

在SFPE模式下，疏散人群相互之间不发生碰撞，但他们可以与墙壁碰撞。碰撞处理分两步进行。第一步发生在尝试移动之前，第二步发生在移动期间。在移动之前，行进速度被调节从而使人员沿任何附近的墙壁移动。在调整行进速度之后，疏散人员尝试使用该新速度移动。在运动阶段，墙壁碰撞仍然是可能的，一旦碰撞发生人员将停止移动。

1.3 转向(Steering)模式

在转向(Steering)模式中，Pathfinder使用转向机制和碰撞处理的组合来控制人员在疏散过程中遵循的路径。Pathfinder的转向系统可以移动人员，使他们大致遵循当前的搜索曲线，并能够响应不断变化的环境。

Pathfinder使用的逆向转向是通过评估疏散人员的离散运动方向并选择最小化成本函数方向的过程。通过组合几种类型的转向行为来评估成本函数以评估成本。使用的转向行为的类型由人员的当前状态确定，并且样本方向的数量也是根据人员的状态和当前速度控制。Pathfinder定义了几种转向行为：seek，idle separate，seek separate，seek wall separate，avoid walls，avoid occupants，pass，lanes，and concerning。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中Dpath表示与第ith个疏散人员寻找疏散路径曲线切点的距离。虽然在转向模式下，墙壁和人群避让行为会让人员尽量绕过障碍物，但碰撞仍有可能发生。这通常发生在拥挤的情况下，人员无法避免地被紧紧地压在墙壁和其他人员身上。在这些情况下，需要额外的碰撞处理以防止模拟进入无效状态。Pathfinder提供两种碰撞处理场景：一种是两个或更多人员碰撞，而另一个是人员与建筑边界(比如墙壁)碰撞。

当碰撞处理功能被开启时，疏散人员将根据给定的时间步长提前预判与墙壁或其他人碰撞的情况并停止移动。如果碰撞处理功能关闭，疏散人员只会在与墙壁碰撞时停止移动。避免墙壁碰撞的模式下，疏散人员避免碰撞墙壁的角度和距离的计算为：

(5)

根据Pathfinder的用户手册和技术手册，SFPE模式下，疏散人员不会试图避开彼此并且允许互穿，流量由门宽度计算且速度由人员密度控制。在转向模式下，门不会限制乘客的流动，疏散人员根据转向系统计算来保持一定的间隔距离。因此，一般情况下转向模式可以获得更真实的结果。有关Pathfinder疏散模型的更多技术信息，请参阅Pathfinder的技术参考手册[13]和使用手册[14]。本文中的模拟采用了转向(Steering)模式。

2 模拟的超高层建筑

如图2所示，本文所模拟的建筑[15]高度为407 m，共有87层，包括商业裙楼(1层～8层)、办公区(11层～20层，22层～31层，33层～41层，43层～51层)，服务公寓区(53层～62层)、酒店区(64层～73层)和会所区(75层及以上)。在各区之间均设有避难层(9层～10层，21层，32层，42层，52层，63层，74层等)，避难层之间距离不超过50 m。

图2 建筑剖面图及第30层和60层平面图Fig.2 Section of the tower and the plans of 30th floor and 60th floor

2.1 疏散场景

本文假设该高层建筑在上班时间内发生紧急状况，需要进行全体疏散，且只能使用疏散楼梯。人员密度设定为，办公区域约10 m2/人，机电层约30 m2/人，酒店层为平均每间房2人。根据上述人员密度，计算出建筑中一共有16 151人。由于办公层面积近3 000 m2，人员较多，根据《建规》5.5.21-1的规定，每100人最小疏散宽度1.00 m计算、设计疏散楼梯。本项目中设置了三部1.10 m的疏散楼梯。

由于GB 50016-2014《建筑设计防火规范》相比于美国IBC对高层建筑的疏散系统采取了包括防烟楼梯间的前室及避难层的楼梯隔断、特别是GB 50974-2014《消防给水及消火拴系统技术规范》要求室内消火拴设置在楼梯前室等更为严格的规范要求，可以有效地避免IBC疏散系统中因火灾烟气及应急扑救可能造成的整部疏散楼梯失效的危险状况。根据《建规》中对超高层建筑疏散系统的系统性强化措施，火灾烟气直接进入疏散楼梯的可能性不大，特别是火灾烟气影响整部疏散楼梯的情况基本上是不可能发生的。本文根据国标的疏散体系设计了三种可能发生的疏散场景进行了技术分析：

S1.整栋建筑全体疏散，所有三部疏散楼梯均畅通;

S2.着火层(本文选择位于建筑中下段的第25层)一部位于西南角的疏散楼梯的前室因消防扑救受到影响;

S3.一部疏散楼梯在两个避难层(22层～31层)之间的一段因烟气进入失效。

2.2 疏散模拟结果

该高层建筑的疏散模型如图3所示。在正常疏散场景(S1)下，所有疏散楼梯均畅通，每个楼层均有三个出口。人员可以选择三部楼梯中的一部进行疏散。在第25层着火的场景(S2)中，西南方向的疏散楼梯的前室(如图2、图3中所示)因受到消防扑救的影响，该层只有北侧两部楼梯可以用于疏散。疏散场景(S3)则更为严苛，西南方向的疏散楼梯在两个避难层(22层、31层)之间的一段因烟气进入而不能使用，如图4所示。

图3 疏散模型：整体及第30层和60层平面图Fig.3 The egress model and plans of 30th and 60th floors

图4 疏散场景S3Fig.4 Evacuation scenario S3

模拟结果显示，正常情况(疏散场景S1)下全楼疏散(即楼内所有人员疏散出建筑)总计耗时169.8 min。场景(S2)中，由于25层西南侧的疏散楼梯的前室门关闭，该层人员只能通过另外两部楼梯疏散。全楼疏散时间并没有因此而显著增加，相对场景S1，全楼疏散时间仅增加了0.1 min(仅增加0.06%)。场景(S3)中，西南侧22层～31层间的一部疏散楼梯因假设烟气进入而不能使用时，该楼层区间内的人员只能使用另外两部疏散楼梯，因此全楼疏散时间增加了16.7 min(增加了9.5%)。

表1 三种场景的疏散时间比较Table 1 Comparison of the evacuation time between three scenarios

为了比较三个疏散场景，特别是场景S2和S3由于部分门或楼梯通道受阻对疏散带来的影响，图5对楼内待疏散人员总数随时间变化进行了比较。场景S2中的楼内待疏散人数变化和场景S1基本一致，说明起火楼层的一部楼梯前室受火灾影响而对整栋高层建筑疏散的影响基本可以忽略不计；而场景S3的疏散速度在100 min后所下降并导致了疏散时间的些许增加，说明即使一部楼梯在火灾发生的区间段受到影响，也仅仅在全体疏散过程的后期对疏散产生一些迟滞的效应。

图5 三种场景的疏散时间比较Fig.5 Comparison of the evacuation times between three evacuation scenarios

图6进一步展示了场景S2和S3在同一时间相对于场景S1对待疏散人员的影响(即等候时间延长)。场景S2中，由于单层(25层)一侧楼梯前室门关闭，受到影响的待疏散人员总数比场景S1多约50人以内。而场景S3中西南侧22层～31层间的疏散楼梯整段均不能使用时，在100 min后(高层建筑内人员在各自楼层等待)受影响的待疏散人员(即等待时间长于S1中的时间)总数在最多时约900人，小于整个高层建筑总人数的6%。

图6 疏散楼梯前室(S2)失效和整段楼梯(S3)失效对疏散的影响Fig.6 Impacts to evacuation by invalid vestibule (S2) and by invalid stair section (S3)

3 结论

根据以上的对比分析，由于GB 50016-2014《建筑设计防火规范》相比于美国IBC对高层建筑的疏散系统采取了包括防烟楼梯间的前室及避难层的楼梯隔断，特别是GB 50974-2014《消防给水及消火拴系统技术规范》要求室内消火拴设置在楼梯前室，等等更为严格的、有体系的规范要求，可以有效地避免IBC疏散系统中的相对弱点，即可能因火灾烟气或应急扑救可能造成的整部疏散楼梯失效的危险状况。以一栋400 m以上的超高层建筑为例进行的计算机疏散模拟的结果，更进一步说明了按照GB 50016-2014《建筑设计防火规范》设计的疏散体系是比较可靠的。一般的应急响应状况(占用疏散楼梯前室)，对超高层整栋建筑全体疏散的影响微乎其微(小于0.1%)；即使在可能的最不利的疏散场景下，即火灾烟气影响了两个避难层之间整段的一部疏散楼梯，对超高层整栋建筑全体疏散时间的影响也小于10%，受到影响的疏散人员小于6%。

综上所述，国标GB 50016-2014《建筑设计防火规范》，针对疏散系统、特别是疏散楼梯的要求相较于美国IBC显然是更加严格，简单照搬IBC中对超高层建筑增加一部疏散楼梯的强化要求，可能会忽视GB 50016-2014《建筑设计防火规范》中原本具备的对疏散楼梯的系统性的强化要求，破坏了国标规范体系的完整性，给建筑设计、建筑资金的投入都会增加困难和不必要的浪费。