基于河北工程大学建筑馆的楼梯疏散能力仿真分析

王振报，温苏皖

(河北工程大学 建筑与艺术学院，河北 邯郸 056038)

综合教学楼作为一个较为封闭且瞬时流量大的建筑，日常使用中拥挤的现象普遍存在，其安全问题日益突出[1-2].楼梯作为建筑内部行人疏散的关键部位，其设计对整个建筑的疏散效率有着重要影响.目前，对于楼梯的设计大多采用定性分析和经验判断，对其疏散能力少有具体判断.笔者通过运用仿真技术，结合楼梯自身特性以及行人特性进行仿真模拟，计算出楼梯的疏散能力，可辅助建筑设计，提高人群疏散效率，避免在紧急事件下出现安全问题.

本文以河北工程大学建筑馆为例，进行突发事件下的楼梯疏散能力仿真分析.

1 河北工程大学建筑馆概述

河北工程大学建筑馆位于河北工程大学东南区域，毗邻校园主干道与东入口.根据建筑学科和建筑馆本身的特点，提出工匠营国的设计理念，围绕交流空间进行内部功能布局设计.通过创建一个活跃的交流空间，旨在为建筑系学生提供理性思考的场所.将交流空间的理论知识应用于实际项目，并根据空间的特点将交流空间分为不同的属性和使用方式，使每个交流空间都能更好地发挥自己的作用[3].其室内效果和功能区域分布分别见图1 和图2.

图1 河北工程大学建筑馆室内效果

图2 河北工程大学建筑馆功能区域分布

2 仿真模拟构建及计算

2.1 行人仿真技术概述

行人仿真是一项通过计算机、网络等技术和数学理论等，采用虚拟现实方法，对行人交通系统进行实际模仿的应用技术.它主要用于模拟各种模型场景，探索行人、人群和基础设施之间的交互方式，对场所的设计和运营进行虚拟实验，并评估不同级别的行人需求的影响；还用于火车站[4-5]和地铁站[6]等人流大或较大的场所的步行模拟，以期寻找设计方案中存在的短板，并帮助设计师加以改进.

2.2 模型构建

假定紧急事件发生，通过Legion 软件对建筑内疏散楼梯进行仿真模拟，通过仿真模拟输出疏散时间和疏散人数，并计算得出楼梯的最大疏散能力[7].本文同时设置3 种场景研究影响楼梯疏散能力的关键因素，对比得出最佳楼梯设计方案，有助于设计师结合需求合理科学地确定最佳楼梯宽度，有效提高突发事件下的建筑物疏散效率[8].

此次主要研究行人下行时楼梯的疏散能力，仿真技术路线见图3.

图3 建筑馆楼梯疏散能力仿真技术路线

以日常疏散最为拥挤的建筑馆东南角楼梯间作为主要研究对象即1#楼梯，编号见图4，楼梯尺寸见表1.基于楼梯的特性，同时研究楼梯宽度以及疏散开口方向对楼梯疏散能力所造成的影响，并以此构建仿真模型.

图4 疏散楼梯分布

表1 疏散楼梯尺寸

2.3 行人特性

2.3.1 行人个体差异

由于性别、年龄等的差异，疏散时的行人将产生不同的心理，从而产生不同的运动特性，进而影响楼梯的疏散能力[9].

1)年龄：教学楼内98%为中青年，身体条件好，反应迅速，行走速度较快；2%为老年，行走速度缓慢.

2)性别：教学楼内男女比例接近1∶1，男性更为积极，步幅较大，易做出跳跃等行为，快于理论男性基础行走速度[10].

3)心理：疏散时行人行走空间较为狭小，行为受到空间的约束，不易造成超越等行为，排队行走行为明显.

2.3.2 行人特征

建筑学院在校本科和硕士生共1 540 名，教师91 名.参考Fruin[11]的研究结果，根据我国行人步行特征，并经过实地调研，仿真模型中采用的实体速度见表2.

表2 行人速度参数值 m·s

2.4 楼梯疏散能力计算

楼梯疏散能力的研究大多基于文献[12].当行人行走缓慢，存在停滞的现象，即可认为达到了楼梯的疏散能力.计算楼梯疏散能力公式为

式中，C代表楼梯实际疏散人数，单位为人/h；J为疏散能力，即单位时间内楼梯宽度通过的行人数，单位为人/(m·h)，考虑到行人疏散的紧急性，将单位转化为人/(m·min)；w为楼梯的宽度，单位是m；k为折减系数，考虑到疏散事件紧急属单向人流，无需折减；Δc则为时间间隔tΔ (单位是h)内楼梯上通过的乘客数量.因此，最终疏散能力公式J为

3 仿真结果及计算

3.1 楼梯疏散能力

通过Legion 所建立的场景进行仿真，从而得出楼梯的疏散能力.

场景1：紧急事件疏散，建筑馆1#疏散楼梯，楼梯宽度1.8 m，出口方向与楼梯方向垂直.输入1 000～8 000 人/h 的流量，从而得出某一输入值下最大的输出流量，并取10 次仿真结果的平均值，得出仿真结果，见表3.

表3 场景1 疏散仿真结果 人·h-1

由图5 可以看出，伴随着输入人流增加，输出人流也在不断增加.当输入人流达4 000 人/h时，输出人流趋于最大化，此时，即使再增加输入人流，输出人流也不再增加，说明此时到达了该楼梯的疏散能力.根据式(3)，该楼梯疏散能力J为同时仿真并计算出其余楼梯疏散能力J见表4.各楼梯的疏散能力差异较大，分布在32 和49人/(m·min)之间.

图5 场景1 仿真结果

表4 各楼梯疏散能力 人·(m·min)-1

3.2 楼梯宽度对疏散能力的影响

该场景将研究不同的楼梯宽度对于楼梯疏散的影响.

场景2：紧急事件疏散，建筑馆1#疏散楼梯，楼梯宽度从1.8 m逐渐增至1.9，2.0，2.1 和2.2 m，出口方向与楼梯方向垂直.输入1 000～8 000 人/h 的流量，从而得出某一输入值下最大的输出流量，并取10 次仿真结果的平均值.得出的仿真结果见表5.

表5 场景2 疏散仿真结果

由图6 可以看出，随着楼梯宽度的提升，总输出人流与楼梯宽度成正比，即

图6 场景2 仿真结果

由图6 可知，楼梯宽度并未对楼梯疏散能力造成太大影响，但随着楼梯宽度的提升，可以有效地提高疏散人数，单位时间Δt内提高值Δc为

实验得出，楼梯疏散能力J不受楼梯宽度的影响，但楼梯疏散人数与楼梯宽度呈正比，相关系数即为模拟计算得出的疏散能力J.

3.3 疏散出口朝向对疏散能力的影响

该场景将研究疏散出口朝向即与楼梯同向或垂直于楼梯方向，对疏散能力的影响.

场景3：紧急事件疏散，建筑馆1#疏散楼梯，楼梯宽度1.8 m，在不改变疏散门尺寸的前提下，出口方向改为与楼梯方向同向，见图7.输入1 000～8 000 人/h 的流量，从而得出某一输入值下最大的输出流量，并取10 次仿真结果的平均值.得出的仿真结果见表6.

图7 不同的疏散出口布局

表6 场景3 疏散仿真结果 人·h-1

图8 场景3 仿真结果

由图8 可以看出，根据多次输出流量的平均值4044 人/h 计算，当输出人流趋于最大化时，楼梯的疏散能力最大值略大于场景1，即

由此可见，当疏散门方向与楼梯方向同向时，对疏散能力有所提升，但影响不大，相较于场景1 的36 人/m·min，大约提升了5%.

3.4 实验小结

实验建立了3 种不同场景下紧急事件疏散，对建筑馆疏散楼梯进行疏散测试，测得楼梯疏散能力J，楼梯疏散能力不受楼梯宽度影响，楼梯疏散人数与楼梯宽度呈正比，相关系数为疏散能力J；疏散出口方向与楼梯同向相较于垂直于楼梯方向，对楼梯疏散能力提升约为5%，没有造成太大影响.

4 疏散能力应用

4.1 疏散能力公式应用

对于设计阶段的建筑可以通过疏散人数以及时间需求较为准确地计算并设计楼梯宽度，即

式中，w为楼梯宽度，单位是m；c代表楼梯需求疏散人数；J即为疏散能力，单位是人/(m·min)；t为需求疏散时间，单位是min.

对于已建成建筑，亦可通过疏散能力J较为准确地计算出该处楼梯的疏散时间，并提供日常管理建议，即

4.2 河北工程大学建筑馆楼梯疏散研究及管理建议

该场景通过计算每处疏散楼梯的疏散能力J，并研究在建筑馆人员满载情况下紧急疏散所需疏散时间t，同时结合仿真模拟结果，对建筑馆日常维护管理提出相应策略.

图9 建筑馆防火分区及疏散平面

建筑馆共有5 层，2 层及以上各层平面功能分区相同，根据建筑馆防火分区图(见图9)，建筑学院共分2 个防火分区，防火分区Ⅰ内的1#和2#疏散楼梯主要承担建筑南部大型教室人员疏散，计200 人/层，含1～5 层；防火分区Ⅱ内的3#和4#楼梯主要承担建筑北部研究办公室人员疏散，计85 人/层，含1～4 层.

1 层人员不需要通过疏散楼梯即可到达安全出口，1 层各楼梯间需承担1 层以上每层的人员疏散，故此次计算将选取疏散压力最大的1 层各楼梯的疏散时间.根据建筑馆疏散平面图将人员分配给每个疏散楼梯，并根据楼梯疏散能力公式(9)计算，各楼梯的疏散时间见表7.

表7 各疏散楼梯疏散时间

由表7 可以看出，楼梯1#疏散能力一般，疏散人数众多导致疏散时间较长，在日常管理时需要时刻保持楼梯间的畅通，以防紧急时刻造成疏散阻塞，必要时还需引导人流至其他疏散楼梯疏散；楼梯2#疏散能力较好，在疏散人数大的情况下也可以较好地完成疏散任务，紧急疏散时在疏散压力不大的情况下，管理人员可适当地引导楼梯1#的人流至楼梯2#；楼梯3#和4#疏散时间相对较短，较好地满足了当前疏散需求.通过仿真模拟得出的疏散拥挤点分布见图10，其中颜色越深代表该处越拥挤.

图10 建筑馆疏散拥挤点分布

5 结论

1)对于任一楼梯，楼梯疏散能力不受楼梯宽度的影响，楼梯疏散人数与楼梯宽度呈正比.

2)对于平面布局位置不同的多个楼梯，各个楼梯的疏散能力结果差异较大.

3)改变疏散出口朝向，与楼梯同向相较于与楼梯方向垂直能提升约5%的疏散能力.

利用仿真模拟手段对河北工程大学建筑馆在突发事件下各楼梯的疏散能力进行评估，计算比较各楼梯的疏散时间，并针对疏散时间相对较长的楼梯，引导人流从其他楼梯疏散，有利于减少建筑整体疏散时间.