基于Pathfinder的装配式建筑施工安全应急疏散研究*

2021-08-20肖木峰周西华潘新新

中国安全生产科学技术 2021年7期

肖木峰，周西华，白刚，王珏，潘新新

(1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000;2.辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新 123000;3.辽宁工程技术大学建筑与交通学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

随我国经济快速发展，城镇化水平进一步加快，装配式建筑以其低碳、绿色、技术含量高、管理创新水平等优势迅速发展。2020年我国爆发新冠肺炎疫情，火神山医院、雷神山医院采用装配式建造方式仅10 d时间建成。装配式建筑效率高、成本低、污染少，使建筑市场对装配式建筑在应急建筑建造效率与优势方面有进一步认识。但建筑施工安全事故频发，给人民生命及财产安全带来极大威胁，装配式建筑现场施工人员安全疏散问题逐渐成为国内外学者研究热点：吴军梅[1]利用Pathfinder软件模拟办公用房施工现场人员疏散过程，基于疏散结果和规律，优化施工进度和施工现场布局；吕惠等[2]利用Pathfinder软件模拟人员疏散，分析建筑障碍物大小和堆放位置对疏散效率影响；刘欢[3]利用BIM软件构建虚拟施工现场环境，运用Pathfinder仿真模拟人员安全疏散过程；张小英等[4]通过经验公式计算施工人员疏散时间，利用水力模型模拟人员在楼梯间位置疏散过程；Helbing等[5]利用社会力模型模拟紧急状态下人员疏散过程，通过在建筑内部特殊位置设置交通指示物指导紧急状态下人员疏散；Nishinari等[6]利用CA模型进行人员安全疏散仿真模拟，针对建筑内障碍物不同位置进行分析，利用分析结果优化场地布局。此外，部分学者针对建筑现场施工人员疏散组织仿真及模拟等方面也开展一定研究[7-11]。

本文运用Pathfinder疏散软件模拟装配式建筑施工现场疏散过程。由于装配式建筑特殊性，本文着重研究装配式建筑施工现场物品数量、位置规划及操作人员数量等因素对人员疏散时间影响，并根据模拟结果合理优化疏散通道材料堆放、位置和宽度等，研究结果可为实际施工现场布置提供参考。

1 疏散模型建立

1.1 Pathfinder软件功能简介

Pathfinder为3维网格模型，是1种基于人员疏散和移动模拟仿真器[12]，可模拟正常与紧急状况下人员疏散情况。Pathfinder软件通过对行人各项参数定义，行人行为根据疏散环境变化作出响应，以选择最优疏散路径[13]。

1.2 案例分析

以合肥某研究院人才公寓F02#楼为研究对象，构建安全信息BIM模型，如图1所示。建筑共13层，建筑总高度40.95 m，底层配有值班室、公共洗衣间、储藏间等，2～13层均为2人间学生宿舍，可容纳720名学生，建筑面积30 551.5 m2，标准层平面如图2所示。利用Revit构建安全信息模型，并将简化后模型导入Pathfinder软件，动态模拟装配式建筑施工现场人员安全疏散过程。

图1 合肥某研究院人才公寓BIM模型

图2 合肥某研究院人才公寓标准层平面

装配式建筑主体结构施工阶段与普通建筑施工不同，因装配式建筑施工现场特殊性，待疏散施工人员普遍集中于施工作业面。施工现场减少主体临边防护、外墙整体脚手架、室内模板支撑等工序，增加预制构件吊装、堆放、机械设备摆放等工序。工程中轻质隔墙、外墙挂板、叠层梁、楼梯踏步等均为成品预制构件，预制构件和机械设备摆放是研究难点问题。

因人才公寓F02#楼每层面积均小于1 500 m2，所以设置1个防火分区。每层设置东西2部疏散楼梯，疏散距离<60 m，1楼楼梯口直接连接东西南3个与外室相通的出口。该人才公寓建筑为2类高层建筑，防火等级为1级。根据防火规范，只有满足所需安全疏散时间小于可用安全疏散时间时，才可达到疏散要求。因此，需验证人员疏散安全性。

1.3 方案优化流程

首先，简化安全信息模型并导入Pathfinder疏散软件。其次，设置疏散模拟参数(疏散区域和路径)，对现场施工人员进行定义(人员体征、比例、速度和分布等)，选择人员行为模式(SFPE和Steering模式)，设置完成后进行安全应急疏散模拟。Pathfinder可提供实时输出的可视化程序，3D动画可调整模型角度观察不同疏散时刻不同区域人员密度情况、各疏散楼梯使用频率情况以及对外出入口流率与流量变化情况。通过模拟结果分析施工人员疏散时间是否满足建筑设计防火疏散规范要求，若不满足要求，需优化调整建筑内部障碍物品堆放位置、数量、每层人员数量、对外出入口位置以及数量和宽度等，直至达到防火疏散设计要求。基于Pathfinder的人员安全应急疏散优化流程如图3所示。

图3 基于Pathfinder的人员安全应急疏散优化流程

2 疏散仿真模拟

2.1 建立应急疏散环境

为达到疏散模拟需求，将人才公寓项目中F02#楼施工主体阶段安全信息模型以“DXF”格式转化后导入Pathfinder软件，对模型做简化处理，并对楼板、楼梯、门等构件和疏散线路进行识别。施工场景BIM安全信息模型及Pathfinder疏散模型与人员分布情况如图4～5所示。

图4 BIM安全信息模型

图5 Pathfinder安全应急疏散模型

2.2 设置应急疏散障碍物

装配式建筑施工过程复杂且不断变化，施工流程、施工环境和施工平面变化对人员疏散速度、疏散区域、疏散路径等均产生较大影响。本文依据装配式建筑现场施工状态，进行装配式预制构件、施工器械等障碍物设置，如图6所示。

图6 Pathfinder应急疏散模型障碍物设置

2.3 应急疏散参数设置

安全疏散模拟系统可模拟逃生人员在特定场所与特定环境的行为，疏散人员、疏散场所和疏散环境条件是安全疏散模拟系统基本结构[14]。现场施工人员可分为青年男性、中年男性，青年女性和中年女性4类，不同类型人员逃生速度差别较大，疏散模拟软件根据设置人员属性特征进行疏散模拟。另外，由于装配式建筑主体施工阶段工作面分为楼层平面与楼梯平面2类，疏散模拟前需设置不同类别人员在不同工作面的速度。

应急疏散参数主要包括人体特征参数、人员速度以及行为参数，其中人体特征参数、人员速度分别见表1和表2。

表1 施工人员体征参数与比例

表2 不同类别人员在不同工作面的疏散速度

Pathfinder软件行为模式包括SFPE模式和Steering模式。突发情况下,现场施工人员表现出3种行为模式，分别为最短距离行为模式、进出一致行为模式和完全从众模式。通过数据调研可知，约20%的人选择在同一地点排队等候，约50%的人选择其他疏散路线。Steering模式可通过路径规划、引导机制、碰撞处理相结合的方式控制人员疏散。因此，本文选择Steering模式进行人员应急疏散研究。

2.4 疏散模拟及结果分析

基于应急参数进行紧急情况下装配式建筑现场施工人员安全疏散模拟。由图6可知，装配式建筑施工现场堆放大量预制构件、施工器具等物品，且部分物品堆放在疏散走廊与楼梯周围，一旦发生紧急情况，容易导致疏散路径堵塞，降低疏散速度。以人才公寓项目F02#楼第5层施工平面模型为参照，根据实际装配式建筑施工现场人员投入情况，拟定模拟现场施工人员100人，随机分布在第5层不同工作区域。

1)疏散模拟结果

疏散总时间如图7所示。疏散时间与人数关系曲线如图8所示。由图7可知，100名现场施工人员完成疏散用时102 s。当疏散时间为10.2 s时，疏散人员密度如图9所示。由图9可知，疏散走廊与楼梯口处人员密度最大，容易发生人员拥挤堵塞，在疏散走廊与疏散楼梯口处，需要对预制材料和机械器具等物品进行清理。

图7 疏散总时间

图8 疏散时间与人数关系曲线

图9 10.2 s疏散时刻的人员密度

2)安全性判定

施工现场发生火灾时，人员能否安全疏散主要取决于安全疏散时间(TRSET)与可用安全疏散时间(TASET)。装配式建筑现场施工人员能够安全疏散到室外场地需要满足条件如式(1)所示：

TRESTTASET

(1)

式中：TREST指现场施工人员从发现紧急事故至全部人员安全疏散到安全场所的时间，s；TASET指紧急事故发生后，现场施工人员可以承受外界事故伤害极限时间，s。其中，安全疏散时间由报警时间、响应时间以及疏散时间构成，如式(2)所示：

所需安全疏散时间(TREST)=报警时间(Talarm)+

响应时间(Tpre)+疏散时间(Tmove)

(2)

式中：Tmove指现场施工人员全部完成疏散所用时间，s；Talarm指现场施工人员发现事故到通知所有施工人员所用时间，s，装配式建筑施工主体阶段周边障碍物较少视野较好，一旦发生火灾，现场施工人员可较快发现情况异常，模拟报警时间(Talarm)设置为60 s；Tpre指现场施工人员接到危险指令后响应时间，s，模拟响应时间设置为180 s。

计算安全疏散时间TREST=393.0 s，国内外建筑物平均轰燃时间为5～7 min[15]，因此，模拟轰燃时间TASET设置为6 min。通过对比可知，安全疏散时间(TREST)>可用安全疏散时间(TASET)，安全性判定失败，人员不能完成全部安全疏散。

3)优化施工场地布局与现场施工人员数量

疏散走廊与疏散楼梯口处物品堆放影响人员移动速度，需对预制材料及机械器具堆放位置、数量进行优化，将室内走廊与疏散楼梯口处物品尽量转移至房间内部，并使其堆放在墙角或临边处；装配式建筑施工现场人员数量超标影响整体疏散速度，因此，将应急疏散模拟人数缩减至90人，优化后现场物品堆放及人员设置如图10所示。