基于Pathfinder的高校教学楼安全疏散仿真研究

2020-09-16马映妍

华北科技学院学报 2020年3期

马辉，马映妍

(华北科技学院，北京东燕郊，065201)

0 引言

高校教学楼人员密度大，疏散难度大，了解和掌握高校教学楼安全疏散特点及影响因素，是解决其疏散瓶颈的基础。

对于人密集场所安全疏散的研究，国内外学者的研究领域多集中于疏散策略优化、疏散流线设计、辅助疏散设施、疏散人员生理心理状况度疏散影响等方面。如袁理明、范维澄等建筑火灾中人员安全疏散时间的预测研究[1]，张培红、陈宝智等对大型公共建筑火灾时人员疏散行为规律研究[2]，王厚华、郭丹等建筑物人员疏散行动时间的预测研究[3]，阎卫东通过大量调查问卷和观察应急疏散演练，得出性别、消防培训和消防演练对疏散时间影响[4]，郭晓明选取某学校真实地震时的教室监控视频，通过视频追踪研究多障碍物教室紧急情况下人员的应急反应能力、出口选择比例、出口流量以及疏散运动时间等疏散规律并分析出口门扇开启角度、楼梯梯段转角以及楼梯梯形对人员疏散效率的影响[5]，杨雨亭针对商业综合体中的火灾和安全疏散进行模拟仿真研究[6]，沈阳航空航天大学的王二元研究了在火灾过程中老年人的行为以及养老设施的疏散[7]，陈晓飞针对高层办公楼火灾人员疏散策略进行研究并进行优化方案设计[8]，杨海明等提出高层建筑楼梯和电梯耦合疏散策略[9]，阎卫东、陈宝智、朱伟等都研究火灾时疏散人员路径的选择和疏散过程的心理因素与疏散的影响[10-11]。国外方面，Groner N.E 等研究火灾疏散顺序及疏散策略[12]，Alexandra Byström采用对建筑实体进行多种火灾场景的实验，利用软件火灾模拟软并进行可靠性的分析，最终得出火灾数据与软件模拟结果的差异性分析[13]。

教学楼安全疏散方面的研究很多，如李勃衡等运用Pathfinder软件对高校教学楼5中疏散场景进行模拟，对大小教室所在高低楼层对疏散的影响[14]，吴奕洁等以江西理工大学主教学楼为例对防火与安全疏散设施进行调查，并与法律法规进行比对，判断其合法合规性[15]，薛鹏通过人员疏散实验分析人员疏散视频获得了人员运动特征参数，构建Pathfinder模型后验证软件的适用性，研究教室过道宽度、桌椅布局对疏散的影响[16]，廖慧敏等运用Anylogic软件，研究疏散指示标志对安全疏散的影响[17]，王志涛等运用Pathfinder软件，以某高中教学楼为研究对象研究出入口位置，楼梯梯段宽度等因素对人员疏散影响[18]。

但仍存在以下问题：(1)人数设置方面，大多是采用Pathfinder软件随机分布，未考虑房间使用性质不同导致的疏散人员密度差异对疏散效果的影响；(2)未考虑高校教学楼中夜间自习情况下人员疏散问题；(3)缺乏对建筑最不利疏散楼层方面的研究。

综上，本文将以某高校综合教学楼为例，运用Pathfinder软件，分析高校教学楼日间和夜间场景下各楼层人数、累计疏散人数与疏散时间的关系，疏散人员性别对疏散效率影响等，为高校应急疏散演练、应急预案编制等提供依据。

1 Pathfinder模型建立

Pathfinder是现阶段简单、直观、易用的模拟人员紧急疏散逃生的评估系统，它能为使用者提供图形用户界面的相关数据，包括模拟设计和执行，还有三维可视化工具最终的分析结果，可以计算出模拟状态下每个人员自己的独立运动，并且会给予该模拟人一套独特的参数，例如逃生出口的选择、在运行中所需要经过的航点、逃生过程中所达到的最大速度，目前已广泛应用于地铁、商场、船舶等人员密集场所人员疏散仿真研究，因此本文也运用Pathfinder软件对高校综合教学楼人员疏散进行仿真研究。

1.1 模型构造及尺寸

该教学楼总面积为15708 m2，共十一层，建筑高44.8 m，一、二层楼层高度为5米，三、四、五、六、七层楼层高度为4.2 m，其余都是3.6 m，平时用来提供该校本科生上课使用，是集教室、计算机实验室和办公室为一体的综合教学楼，建模如下图所示。

图2 建筑平面图

1.2 疏散场景设定

根据综合教学楼各部分使用功能，分别对日间上课和夜间晚自习两种场景对突发状况时人员疏散进行仿真研究。

(1) 日间场景：正常上课期间发生突发事件，考虑人数集中的最不利条件设置人数，各楼层人员分布情况如表1所示，日间模型全景及人员分布详见图3。

表1 日间场景人员分布

图3 日间模型全景及人员分布图

(2)夜间场景：晚自习时，发生突发事件。设定晚自习时仅供五层的三间教室及以下楼层使用(计算机房除外)，考虑最不利情况，总人数为2378人，人员分布情况如表2所示，夜间模型全景及人员分布详见图4。

表2 夜间(晚自习)场景人员分布

续表

图4 夜间模型全景及人员分布图

注：该教学楼非所在学校唯一教学楼，晚自习仅提供5层及以下教室使用。

1.3 模拟参数确定

根据《消防安全工程第9部分：人员疏散评估指南》(GB/T31593.9-2015)，结合杨雨亭[6]等人研究确定疏散人员特性参数如表3所示。

表3 疏散人员特性参数

2 日间疏散模拟结果及分析

在日间场景中，整个博学楼内人员疏散耗时893 s，日间场景疏散过程图、楼梯人员密度图如图5 和图6所示。

图6 疏散楼梯人员密度图

图5 186 s博学楼人员疏散图

在日间场景中，在博学楼教室和办公室上课的全体师生进行安全疏散，总疏散人数为4337人，疏散人数与时间呈负相关关系，随着疏散时间增加，人员大量拥挤在楼梯及楼梯间，流量最大的出口是一层前门，疏散出口流量最小的是一楼左出口，各层疏散人数与疏散时间如表4所示，日间场景疏散层人数、累计人数与疏散时间关系如图7 所示。

表4与图7表明，日间场景疏散过程中，疏散时间与疏散层累计人数呈正相关，与该层原始疏散人数关系不明显。

图7 日间场景疏散层人数、累计人数与疏散时间关系

表4 日间场景疏散情况汇总

表5 日间场景最后离开教学楼人员情况

从性别上看，最后疏散的5人中女性占80%，男性占20%；疏散过程中滞留原因均为楼梯拥堵所致，是影响疏散的瓶颈因素；从疏散起始位置表明，最后疏散人员并不是都是最高层十一层的人员，而是九层1人、十层3人和十一层1人，我国相关法律法规、规范标准等对安全疏散距离仅是对房间内最远点到房门的疏散距离和从房门到疏散楼梯间或外部出口的距离，但实际上安全疏散是否成功还取决于人员聚集程度，如多层商场，其中某层人员过度集中会严重影响疏散效率，为此对于人员聚集场所中营业功能宜考虑功能集中的同时，也要兼顾人员过度集中造成安全疏散效率下降的影响。

3 夜间疏散模拟结果及分析

傍晚的晚自习时间段，人员分布在五层及以下，教学楼内人员疏散完毕耗时440 s。夜间场景疏散过程图、楼梯人员密度图如图8和图9所示。

图8 35 s疏散过程图

此次模拟的是晚自习时间段人员的安全疏散情景。疏散总人数2377人，流量最大的出口是一层正前门，流量最小的是左出口，显示出口利用率不均衡。夜间场景各层疏散人数与疏散时间见表6，各疏散层人数、累计人数与疏散时间关系如图10所示。

图1 建筑立体图

表6 夜间场景疏散情况汇总

图10 夜间场景疏散人数与疏散时间的关系

表6与图10表明，夜间场景疏散过程中，疏散时间与疏散层累计人数呈正相关，与该层原始疏散人数关系不明显，结果与日间场景疏散人数与疏散时间关系一致。

表7 夜间场景最后离开教学楼人员情况

从性别上看，最后疏散的5人中男性占60%,女性占40%；疏散过程中滞留原因均为楼梯拥堵所致，是影响疏散的瓶颈因素，与日间场景一致；从疏散起始位置表明，最后疏散人员并不是位于本场景的最高疏散楼层十层，也不是疏散人群集中区域的最高层五层，而是所处起始疏散位置人员密度大且相对较高的楼层的四层，由此安全疏散中除要考虑垂直疏散距离和水平疏散距离外，还要综合考量各疏散层人员密度对安全疏散的影响，特别是教学楼、商场等人员密集场所在进行建筑功能分区时要避免人群过于集中，合理进行功能分区。