基于Pathfinder的商业综合体安全疏散仿真研究

文、图／北京市应急管理科学技术研究院 杨建博

本文以商业综合体为研究对象，运用Pathfinder软件进行仿真模拟，对比分析了SFPE和steering两种疏散模式，分析了模拟过程中发现的问题并进行了加宽楼梯、增加安全出口、加外部楼梯三种优化设计。结果表明，steering模式所用时间更短，也更符合实际情况；并通过优化设计减少所需安全疏散时间，提高人们的疏散效率。

工程项目概况以及模型建立

本文以某市新时代商业中心为研究对象，来进行此次研究。新时代商业中心是一种大型商业综合体，其楼层高约为54m，占地面积约为4000m2，楼层数为地下两层，地上四层。具体分布如表1所示。

表1 新时代商业中心各层区域划分

本文以CAD平面图为基础，再结合Pathfinder软件构建基础模型。

安全疏散模拟的基本参数确定

在建模之后，便要考虑模型中的疏散人数。疏散人数的确定，有多方面的影响因素，本文便是根据不同的划分区域、不同的肩宽和不同的人员类型等多种因素综合分析得出结果。根据相关标准，各划分区域的人员数量取决于该区域面积、人员密度和身高肩宽等方面。人员密度具体引用的数据有：西安市某大型商业综合体进行人员密度现场调研数据，地上四层取0.22人/m2；地上三层取0.31人/m2；地上二层取0.34人/m2；地上一层取0.32人/m2；地下一层取0.28人/m2；地下二层和一层一样取0.28人/m2。对大型超市卖场的客流密度调研取0.2人/m2。对餐饮店人员密度调研取0.051人/m2。综合上述的数据和所建立模型各区域的分布面积得出具体人员分布结果如表2所示。

表2 模型疏散人数

通过查找相关资料，确定得出不同区域的人员配比。由于人员速度受到多方面影响，所以在本文中参考了国外的一些标准的估值，具体有男人1.35m/s、女人1.15m/s、儿童0.9m/s、老人0.8m/s。

两种疏散模式对比分析

SFPE疏散模式是使用了消防工程的SFPE手册中提出的假设组，并能给出与其相似的答案，其控制机制是门队列，人员会自动转移至最近的出口。通常情况下来看，SFPE模式的CPU运行时间比steering更快。steering疏散模式中存在防撞和人员的交互作用，其中包含有路径规划指导机制。在这种模式下，人员能够自由选择自己所需要的路径。通过基础模型和上述安全疏散模拟的基本参数，添加人员，开始模拟，模拟过程中电梯禁用。

通过模拟结果可知，SFPE模型所需安全疏散时间为1396.3s，即23.16min；steering模式所需安全疏散时间为1171.8s，即19.31min。综合两种疏散模式的结果，发现steering模式所用时间更短，也更符合实际情况，所以后面所做的优化等工作都是以steering模式进行。

模拟结果分析

通过模拟发现了以下几个问题：一是疏散人员数量巨大，楼梯口会出现拥挤行为，导致人员密度过大；二是初始模拟时，由人员的疏散轨迹及软件图表分析可以看出各楼梯利用率高低不同；三是位于地上一层的两个大型出口供不应求，因为通向地下两层的楼梯较少，地下两层亦没有设置出口，所以最后导致整体疏散时间过长的反而是地下两层人员拥堵，使得整体疏散效率变慢。

优化设计

综合上述情况，结合2018版《建筑设计防火规范》笔者对本文的模型做了如下优化。

规范规定公共建筑安全疏散出口（包括门）的净宽度不应小于0.9m，疏散走道和楼梯的净宽度不应该小于1.1m。而本文所做的初始模型中，楼梯宽度最小净宽度为1.2m，疏散门的最小净宽度为1m。两者全部符合规范规定。但由于商业综合体属于人员密集场所的公共建筑，由初始的模型模拟可知，其在楼梯处滞留时间过长，疏散效率太低。为了使人员疏散效率提升，本文将把楼梯进行加宽。由1.2m加宽至1.35m，亦符合建筑设计防火规范。

本文所做的初始模型在地上一层设有两个大型安全出口，符合规范规定。但由于模拟时将地下停车场的安全出口禁用，严重影响人员的疏散效率，所以在地下一层加一个大型安全出口，以缓解地下停车场由于出口禁用而增大的人流。此层出口为斜坡式安全出口，直通地面，和现实大型地下超市所设计的安全出口类似。其出口设置在正北方，两个小型办公室的中间。

加外部楼梯模型图

由于此模型都设置为封闭楼梯，但一般的商业综合体都设有外部楼梯和电梯（本文电梯禁用），故为了提升人员疏散效率，可仿照现实商业综合体加设外部楼梯，可在火灾发生紧急疏散时使用。外部楼梯设置在两边的楼梯中间，楼梯宽度和改进后楼梯宽度相同均为1.35m，一眼看去感觉像三个“口”字连接，贯穿一到四层，看起来也很美观，如图所示。

验证分析

通过优化设计再次模拟，其结果如下：

加宽楼梯后疏散时间为1051.5s，疏散时间减少了120.3s。

地下一层加一个大型安全出口后疏散时间为1007s，疏散时间减少了164.8s。

在地上一层到四层加外部楼梯后疏散时间为1081.8s，疏散时间减少了90s。

现在在原模型的基础上，先加宽楼梯，接着在地下一层加一大型安全出口，最后加一至四层的外部楼梯，然后进行模拟。结果为：加宽楼梯的模拟时间为1051.5s，疏散时间减少了120.3s；在加宽楼梯的基础上增加安全出口的模拟时间为896.8s，疏散时间共减少了275s；在前两者的基础上加外部电梯的模拟时间为759.5s，疏散时间共减少了412.3s。经过三步优化，把此模型所需的疏散时间由初始的1171.8s降到759.5s，共减少疏散时间412.3s，使模型得到了优化，明显提升了人员的疏散效率。

结论

本文通过优化设计减少了所需安全疏散时间，提高人们的疏散效率。

不管怎么优化，商业综合体的人流量巨大是个不争的事实。这也是Pathfinder软件本身的缺陷，无论做何种优化，楼梯口的人员拥堵是无法解决的问题。

上述文中的三步优化没有谁优谁劣，他们都是为了减少模型所需疏散时间而服务。三步优化共同作用所减少的疏散时间，肯定和三步单独对原模型优化时间的机械相加不同。也就是说三步优化之间有作用力，虽然三步优化最终减少了所需安全疏散时间，但是每两种疏散优化有时会抵消一部分对方的积极作用，有时反而会促进对方的优化。

优化虽然减少了所需安全疏散时间，但是也凸显了楼梯利用率的问题。在初始模拟时，虽然楼梯利用率不同，但模型中所有楼梯都在使用；在优化模型后，侧边角的楼梯使用率大大降低，也可以通过软件图表分析发现有十个楼梯在疏散过程中根本没有使用，利用率为0。