某高校教学楼人群流动模拟分析与管控策略

许 彬，叶 锐，张 俊，房志明，郑玮俐

(1.上海市徐汇区消防救援支队，上海 200235；2.上海理工大学管理学院，上海 200093；3.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

教学楼是典型的人员密集场所，特别在大学校园内，正常教学日中，一栋教学楼内往往同时容纳上千名人员。人群流动在上下课期间会变得相当密集，经常会出现拥挤、堵塞的现象，存在发生踩踏事故的隐患，因此有必要对教学楼内的人群流动进行分析并给出科学的管控措施。

当前高校教学楼内的人群流动研究主要集中在疏散场景的分析。王锟等[1]通过模拟发现：将人数较多的课程安排在靠近楼梯口附近的教室，并充分利用低楼层教室排课，可有效缩短整体疏散时间。王志涛等[2]研究了教学楼出口条件和楼梯宽度对人群疏散的影响，结果表明合理的出口设置与楼梯宽度可有效加快疏散进程。谢明峰等[3]和李莹莹等[4]分别开展了教学楼内火灾与疏散的耦合模拟研究，通过比较可用疏散时间和所需疏散时间，对火灾下的疏散过程进行评估。目前绝大多数研究只关注了教学楼内人群的单向流动(应急疏散过程)，即人员在流动过程中不会受到相向人群的干扰。事实上，由于同时存在需要进入和离开教学楼的人员，人群对流现象会在上下课期间频繁出现，并造成比单向流动时更为严重的拥堵。

教学楼人群对流现象往往发生在楼梯上，其垂直结构极大增加了发生踩踏事故的概率。近年来已经发生过几起由于人群在楼梯上形成对流而导致的事故：2004年北京密云彩虹桥上因观景行人相向运动导致踩踏事故，造成37人死亡，37人受伤；2014年上海外滩一处室外楼梯上因上下行人对冲引发踩踏事故，造成36人死亡，49人受伤。因此，面向教学楼尤其是楼梯间区域，本研究在关注人群单向流动的同时，开展了人群相向对流的模拟研究，以综合分析不同场景下教学楼内的人群流动情况。

1 模拟设置

1.1 模拟工具

采用Pathfinder软件进行人群流动模拟。该软件包含两种运动模式：在SFPE模式中，个体的运动依赖于速度与密度的关系和门的容量；在Steering模式中，个体的运动是个体与个体、个体与环境之间相互作用的结果。该软件自问世以来，已被许多研究学者用来开展不同空间场景内的疏散模拟分析，如公交车，超高层建筑，地下隧道，商场，体育场馆和地铁站[5-11]等。该软件可同时模拟上千名人员的运动，并且输出轨迹、疏散时间、运动距离和堵塞时间等参数。

1.2 教学楼结构

以上海某高校内的一栋教学楼为研究对象进行案例分析，建立全尺寸模型如图1所示。主要结构参数包括：①该教学楼总共5层，其中1楼层高为3.8 m，其余楼层层高为3.6 m；②该教学楼共有5处楼梯：楼梯1为平行双合楼梯，位于教学楼的中部位置，两侧楼梯宽度为1.7 m，中间楼梯宽度为2 m，东西两侧楼梯2、3宽度为1.2 m，西南、东南楼梯4、5宽度为0.8 m，楼梯1、2、3连接1楼至5楼，楼梯4、5连接1楼至4楼的阶梯教室；③1楼有8个直通室外的出口：出口1、2位于楼梯1附近，并且各由3个防火门组成，每个防火门的宽度为1.6 m，出口3、4位于楼梯2附近，宽度为1.5 m，出口5、6位于楼梯3附近，宽度为1.5 m，出口7位于楼梯4附近，宽度为0.8 m，出口8位于楼梯5附近，宽度为0.8 m；④由于长期施工，出口2并未开放，因此模拟时将其设置为不可用。

图1 基于Pathfinder软件的全尺寸某教学楼模型

该教学楼各层的疏散宽度情况如表1所示，根据《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)[12]中第5.2.21条中的百人疏散宽度标准(每100人所需的最小疏散宽度)，计算了为满足防火规范要求，现有疏散条件下各层的人数限值。

表1 某教学楼疏散设施统计及容纳人数分析

由表1可知，目前该教学楼总的座位数(5 960)超出了防火安全人数限值(5 449)，其中二层至五层的座位数都超出了防火安全人数限值。即如果实际使用率(实际人数/座位数)超过一定程度时(总体91%、1层200%、2层70%、3层60%、4层45%、5层70%)，实际人数会超出防火规范要求限值，将处于不安全的状态。

1.3 模拟场景设置

受限于现实条件，该教学楼日常处于较高使用率状态，可能转化为不安全状态，且该状态还将会持续较长时间。据现场观察，在大课间与集中下课期间，该教学楼各个楼梯非常拥挤，甚至会出现短暂的拥堵锁死现象。针对该教学楼大概率出现的人流冲突与拥堵状况，考虑典型的人群总数状态(包括可能的超出规范限值时的不安全状态)，在建立该教学楼疏散模型的基础上分别设置了人群单向流动和相向对流的情景。

所有模拟场景的描述如表2所示，其中“↓”表示下楼，“↑”表示上楼。①单向流动情景，该情景对应集中下课时的学生清空过程以及应急疏散过程，主要基于教室座位使用率研究学生人数，如当使用率为80%时，每层的学生人数为该层总座位数的80%。下课延迟时间对流动过程的影响，总共包括8个场景；②相向对流情景，该情景对应大课间时上课人群和下课人群在楼梯间的对流运动过程，主要研究上下楼人数差异，分楼梯通行和下课延迟时间对流动过程的影响，总共包括10个场景。根据日常统计，将进入和离开教学楼的学生人数设置为500或300，同时为简化场景，下楼人员都分布在5楼，上楼人员都分布在1楼。

2 模拟与结果分析

针对表2中的18个场景，开展了一系列的模拟，人群单向流动和相向对流的模拟截图如图2所示。不同场景的对比分析主要依据2个输出结果，总体通行时间和个体最大连续堵塞时间：①总体通行时间是所有人均从起点到达终点的所需时间，对于相对流动过程，总体通行时间取上楼时间与下楼时间中最大值。其中，上楼时间指全部上楼人员由1楼初始位置(位于建筑外各个出口旁)到达5楼指定教室的时间；下楼时间指全部下楼人员由5楼初始位置(随机分布在各个教室)到达1楼出口的时间；②个体最大连续堵塞时间是人员在运动过程中单次堵塞的最长持续时间，根据该值大小，将人员分为经历严重拥堵(最大连续堵塞时间大于30 s)、中等拥堵(大于20 s小于等于30 s)、轻度拥堵(大于10 s小于等于20 s)、正常通行(小于等于10 s)4种拥堵状态。根据每个人员的个体最大连续拥堵时间，可进一步计算各拥堵状态的人员比例，将各场景中占比最高的拥堵状态定义为该场景的拥堵状态。

图2 人群单向流动(疏散)与相向对流模拟截图

表2 模拟场景描述

各场景模拟结果如表3所示，灰色阴影标记的是各场景中比例最高的拥堵状态。

表3 各场景模拟结果

2.1 单向流动模拟结果分析

基于场景1至场景6对比分析控制教室座位使用率对疏散过程的影响，基于场景4、7和8，对比分析设置一定的下课延迟时间对单向流动(疏散)的影响。结果分析及改进措施如下：①根据对场景1至场景6的分析，随着设置的教室座位使用率逐渐下降，依次下降的学生总人数与总体通行时间呈现出明显的线性关系，进一步进行线性拟合，得到拟合直线自变量x(学生总人数)和因变量(总体通行时间)的关系为y=0.2x如图3所示。②场景1至场景6中4种拥堵状态占据的人员比例如图4所示，随着教室座位使用率的升高，经历轻度拥堵和中等拥堵的人员比例变化不大，而经历严重拥堵的人员比例升高，由5%升至52%。当座位使用率不低于60%时(场景1、2、3)，经历严重拥堵的人员比例总是最高，分别占到了总人数的52%、49%、41%，可知，根据此模拟场景与相应结果，为保证应急疏散效率，建议该教学楼内的日常学生人数应控制在最大容量的60%以下。③如图5所示，对场景4、7和8进行分析，当座位使用率在40%时，对高楼层课堂设置一定的下课延迟时间，可在一定程度上缓解人群拥堵情况，相比场景4(严重拥堵人员比例为31%)，通过延迟5楼的下课时间，场景7严重拥堵人员比例降为27%，同时延迟4楼与5楼的下课时间，场景8严重拥堵人员比例降为10%。

图3 学生人数与总体通行时间的关系

图4 场景1至场景6中4类人员的比例

图5 延迟下课时间对人群单向流动(疏散)中拥挤程度的影响

2.2 相向对流模拟结果分析

相向对流过程中，相向运动人员会相互影响，甚至会成为对向人员的瓶颈，从而导致总体通行时间的增长，以及严重拥堵比例的增加。通过设置不同的对向人数、分楼梯通行及一定的下课延迟时间(延迟下楼人群的开始运动时间)，模拟分析对向拥堵成因及可能的改进方案，结果分析及改进措施如下：①如表3、图6所示，与场景9相比，不管是增加上楼人数(场景10)还是下楼人数(场景11)，总体通行时间和拥挤程度都会增加。可知，人员上楼速度低于下楼速度，当上下楼人数相同时，上楼时间大于下楼时间，此时楼梯上的相向对流时间取决于下楼时间，如果增加下楼人数会增加下楼时间，使人群相向对流的持续时间更长，因此场景11中经历严重拥堵的人员比例也比场景10中高。②如图7所示，对比场景10、12和13，当上下楼人员分楼梯通行时，总体通行时间和拥挤程度显著降低，并且当上楼人员使用楼梯1时改善效果更为明显。可知，对于会产生明显对流拥堵的课间，应该引导人群在特定楼梯“只上”或“只下”，提升人群流动效率，且避免意外发生。③如图8所示，对比场景10及14-18，随着下课延迟时间的增加，经历严重拥堵的人员比例呈现下降趋势。可知，当设置下课延迟时间，下楼的人群延迟运动，人群整体通行效率升高，因此适当安排下课延迟时间有助于缓解相向对流中的人群拥堵状况。

图6 上下楼人数差异对相向对流中拥挤程度的影响

图7 分楼梯通行对相向对流中拥挤程度的影响

图8 下课延迟时间对相向对流中拥挤程度的影响

3 结论

使用Pathfinder软件开展了某高校教学楼人群流动模拟分析，主要关注两个情景：①单向流动(应急疏散)情景，对应集中下课时(上午、下午或晚上教学结束时)的学生清空过程以及应急疏散过程；②相向对流情景，对应大课间时上课人群和下课人群在楼梯间上的对流运动过程。通过控制变量，建立了18个具体的模拟场景，研究座位使用率，下课延迟时间、分楼梯通行等因素对总体通行时间和拥挤程度的影响。基于模拟对比结果，结论如下：

(1)教室座位使用率越高，单向流动过程中的严重拥堵时间越长，为保证严重拥堵时间不在较高水平，需将该教学楼内的座位使用率控制在60%以下；

(2)在大课间时，通过控制上下楼人群分楼梯通行的方式，可显著提升人群流动效率，降低意外风险；

(3)不论单向流动或相向对流过程，适当的下课延迟时间有助于缓解教学楼内的拥堵情况。