地震多发区超高层建筑施工现场疏散研究*

2022-06-21魏伏佳张兴杰向渊明

施工技术(中英文) 2022年9期

魏伏佳，张兴杰，向渊明，唐逾，谭潜

(中机中联工程有限公司，重庆 400039)

0 引言

在超高层建筑施工过程中，存在诸多安全隐患，如场地空间限制、长期暴露作业、工种复杂及施工具有动态性等，尤其是在地震多发区的超高层建筑施工现场，安全事故发生频率居高不下。因此，为防止和减少生产安全事故的发生，需综合考虑多项危险因素，并指导施工人员安全疏散。

国内外关于安全疏散问题的研究主要包括疏散风险研究、疏散数学模型研究和疏散仿真模拟研究。在疏散风险研究方面，汪金辉[1]、李修柏[2]和王燕青等[3]采用数学分析和实地测试的方法分别对大型建筑、高铁隧道和民机客舱疏散安全隐患进行了分析。在疏散数学模型研究方面，国内外相关学者[4-9]主要通过观测和演习的方式提出疏散时间预测公式。在疏散仿真模拟研究方面，FDS+Evac，Building EXODUS，Pathfinder等软件相继研发，使计算机模拟成为疏散研究的重要手段[10]。但目前，国内外研究主要集中在建筑物使用阶段发生火灾时的安全疏散问题，地震灾害及施工现场特性等因素对安全疏散过程的影响有待研究。在特殊的环境下，施工单位根据疏散特性优化安全管理水平成为亟待解决的问题。

基于此，本文以昆明市西山万达广场项目塔楼工程为例，在基于Pathfinder软件建模过程中，采用实地测试、数学分析等方法提出建筑类型、施工环境与地震动等因素对安全疏散模式和速度等参数的影响，据此修正疏散模型并进行动态模拟，以寻找地震多发区超高层建筑施工现场安全疏散管理优化方向。

1 工程概况

昆明市西山万达广场项目位于云南省，项目所在地属于我国地震多发区，设计基本地震加速度为0.2g，抗震设防烈度为8度，需考虑地震影响。研究对象选为B区南塔楼(见图1左侧塔楼)，该塔楼高300m，共69层，其中地下3层，地上66层，属于超限高层建筑。塔楼总工期为875d，劳动人员峰值达2 325人，现场施工组织管理及地震安全防范工作存在诸多挑战。

图1 西山万达广场塔楼工程

2 疏散模型建立

2.1 塔楼模型建立

根据施工进度计划，塔楼核心筒施工进度较外框架快5层。因此，以建筑平面图作为参照标准层，以外框架施工层作为0.000m标高参照，向上建立5层标准层，向下建立20层标准层。对于核心筒施工作业面，应增加施工人员出现概率较大的爬架平台。由于疏散速度可能因疏散平面的不同受到影响，因此需进行区分[11]，即对核心筒混凝土平面、外框架模板平面、爬架平面、核心筒楼梯进行区分，如图2所示。

图2 塔楼模型

2.2 障碍物设置

塔楼模型中应设置的障碍物主要包括布料机、施工机具与设备、核心筒中的电梯井、成品与半成品堆场、框架施工作业面上存在的框架柱等，如图3所示。

图3 施工作业面障碍物设置

2.3 疏散人员布置

模型中疏散人员数量设置参考施工组织计划中劳动人员需求数量，采用随机布置的方式在施工作业面上进行人员排布。模型中布置的施工管理人员和劳务人员共150人，主要分布在外框架施工作业面和核心筒施工作业面上，少量人员分布在其余楼层，如图4所示。此时，疏散人员主要属性参数为系统默认值(Default)。

图4 疏散人员布置

3 疏散参数修正

常用疏散软件普遍基于常规建筑环境与火灾灾害进行模拟，并据此向用户提供一系列默认参数，用户也可根据实际情况编辑参数。以Pathfinder软件为例，用户需考虑的疏散参数包括疏散速度、疏散间距、疏散路径、行为特征等，这些参数会对疏散结果产生影响[12]。因此，根据地震多发区超高层建筑施工现场疏散特性，对疏散间距、疏散速度和障碍物尺寸进行修正。

3.1 疏散间距修正

国内外已有疏散数学模型研究结果表明，疏散间距会影响疏散人群密度，改变人群移动速度，进而影响疏散时间[13]。最优间距是使疏散总时间最短的间距。因严格约束疏散行为，避免由人员自主意识导致的误差，需研究疏散时间随疏散间距变化规律。Pathfinder软件提供的SFPE模式遵循工程指南和SFPE消防手册要求，当采用该模式进行模拟时，人员会自动转移到最近的出口，不考虑疏散冲突碰撞对疏散路径的影响[14]。基于SFPE模式进行疏散模拟，得到的疏散时间-疏散间距关系曲线如图5所示。

图5 疏散时间-疏散间距关系曲线

由图5可知，随着疏散间距的增大，疏散时间呈先缩短后增加的变化趋势。当疏散间距为0.7m时，疏散时间最短。为验证该结论在同类工程中的适用性，根据建筑平面布置变化改变人群水平疏散距离L，根据劳动力计划改变疏散人员数量N，根据施工进度计划改变核心筒与外框架进度差K，模拟结果如图6～8所示。由图6～8可知，同类工程中的最优疏散间距为0.6～1.0m，用户可在此范围内选择疏散间距参考值，进行参数编辑。

图6 人群水平疏散距离L变化时的疏散时间-疏散间距关系曲线

图7 疏散人员数量N变化时的疏散时间-疏散间距关系曲线

图8 核心筒与外框架进度差K变化时的疏散时间-疏散间距关系曲线

3.2 疏散速度修正

常用疏散软件考虑了人群效应对移动速度的影响，但缺乏对环境因素的考虑。在特殊环境下，施工环境和地震动均可能对疏散速度产生影响。

3.2.1施工环境下的疏散速度修正

由于施工作业面上通常存在模板支护和钢筋绑扎区域，会影响疏散人员在此类平面上的疏散速度[15]。为获取上述环境下的疏散速度，在施工现场进行模拟疏散测试，测试人数为20人，测试区域为混凝土平面、钢筋绑扎区域、模板支护区域，测试方式为小跑，测试距离为30m，测试变量为人群密度(0.5～5人/m2)，测试指标为时间，每组测试5次(按人群密度分组)。

疏散测试数据采用Matlab最小二乘法进行处理，拟合得到人群在混凝土平面、钢筋绑扎区域和模板支护区域的疏散速度公式分别为：

vc=-0.016 2D4+0.193 3D3-0.708 1D2+

0.474 4D+1.641 7

(1)

vp=-0.013 8D4+0.165 2D3-0.605 5D2+

0.405 6D2+1.403 6

(2)

vb=-0.012 5D4+0.149 4D3-0.547 4D2+

0.366 7D2+1.269

(3)

式中：D表示人群密度。

3.2.2地震作用下的疏散速度修正

人员在疏散过程中受自驱动力和地震作用的影响[16]，其中，自驱动力fi计算公式为：

(4)

式中：mi表示人员质量；vi与v0i分别表示人员行进方向上的期望速度与实际速度；τi表示松弛时间，即到达期望速度的时间步长，通常取0.5s。

疏散人群受到的地震作用feq参考GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[17]中的公式计算：

feq=αmaxmig,i=1,2,…，n

(5)

式中：αmax为地震影响系数最大值。

由于人在运动时具有额定功率，当人体功率达到额定功率后，将不再具有加速度，运动速度也将达最大值vmaxi，此时人体所受的自驱动力和地震作用相等，即：

(6)

根据上述公式可推得地震作用对于疏散速度的折减系数βeq：

(7)

由此，基于施工环境下的移动速度，应采用折减系数法确定地震动影响下的疏散速度。

3.2.3Pathfinder软件中的疏散速度修正

Pathfinder软件提供了针对某组疏散人员的速度设定和某块区域的速度设定，前者需用户输入速度数值，而后者是按修正系数的形式考虑。计算得到外框架施工作业面钢筋绑扎区域速度修正系数后，选定外框架层，并输入修正系数。

3.3 障碍物尺寸修正

施工作业面上通常存在成品与半成品临时堆场及随机堆放的设备、机具和材料等疏散障碍物，这会在一定程度上阻碍安全疏散进程，在临时堆场和障碍物存放范围内不存在疏散路径。由于施工现场管理水平有限，部分障碍物存在一定危险性，设置障碍物模型时需按扩大尺寸的形式考虑。

是否考虑障碍物尺寸扩大由其危险性决定。施工作业中常用的危险性评价方法为作业条件危险性评价法。为降低评价结果的主观性，张勋奎等[18]将“管理抵消因子”引入作业条件危险性评价法中，使施工现场管理水平能够直接影响评价对象的危险性等级。通过计算，如果危险性等级为Ⅰ～Ⅲ级，需进行整改，即设置安全距离以扩大其尺寸。不同类别的障碍物安全距离计算方法如下。

1)静态危险源对于平台孔洞和未成形构件等，疏散人员在疏散过程中的紧急应变仅须依据危险所在位置进行判断，进而通过减速或变向进行规避，这与城市工况安全车距控制与避撞算法中的前车静止工况下汽车紧急制动过程原理相同[19]。因此，将减速距离和疏散人员应变作为参数，形成权衡距离因素的模型：

ds=vbjtd+L0

(8)

式中：td表示疏散个体的应变响应时间，常用值为0.5s；j表示修正系数，默认值为1；vb表示疏散速度，与地震烈度相关；L0表示减速距离，与地震烈度相关。

2)动态危险源对于施工现场临时设施设备、材料堆场等，在遭遇地震的情况下可能发生整体倾覆、坍塌等现象，在这种情况下，应按其高度值设置安全距离。本工程外框架上存在高2m的钢筋成品架，由于材料管理工作水平有限，采用改进的作业条件危险性评价法评价得到设施坍塌的危险性等级为Ⅱ级，因此应在模型上将该障碍物的尺寸向外扩大2m。

4 疏散模拟研究

4.1 疏散模拟与安全性判定

由于外框架区域存在大量临时设施设备、零散材料和未成形构件，因此人员以进入核心筒区域为地震避难目的地，以进入最近的避难层为次生灾害(火灾)避难目的地。参数设置和路径设置完成后，即可进行疏散模拟，如图9所示。

图9 疏散模拟

疏散模拟时间tmove为216s。根据GB 50016—2014(2018年版)《建筑设计防火规范》中对消防安全疏散时间的要求，以300s作为高层建筑避难可利用的时间长度，避难所需时间trset计算如下：

trset=talarm+tpre+1.5tmove=332s>300s

(9)

式中：talarm表示报警时间；tpre表示响应时间。

因此，本工程在该施工进度下遭遇地震时，施工人员无法完全疏散。而参数修正前，避难所需时间计算结果为281s(可完全疏散)，可见根据环境特性对参数进行修正的重要性。

4.2 疏散效率影响因素

4.2.1疏散人数(劳动人员数量)

疏散总时间最直接影响因素是施工现场需要疏散的人数。需要疏散的人数越多，疏散前期可达到较好的避难效果，后期疏散人员的避难效果将显著降低。总人数增多会增加单位面积人员数量，对人群移动速度有直接影响，进一步影响疏散效率。在狭窄的出口通道及安全出口等位置处，由于需要疏散的人群聚集，拥挤与堵塞将影响疏散进程。因此，不断修正疏散总人数，利用Pathfinder软件进行多次仿真分析，获得不同的疏散时间，如图10所示。

图10 疏散时间-疏散总人数关系曲线

1)疏散总人数的增加会导致地震疏散时间增加。

2)由于人员在现场随机分布，地震避难时间与疏散人数呈非线性关系，但总体有线性相关趋势，因此拟合疏散时间与疏散总人数的关系时可简化为线性关系。

3)当疏散总人数超过120人时，疏散时间-疏散总人数关系曲线开始陡峭，即曲线斜率增大。由疏散模拟动画得出，外框架人员呈明显增加的趋势，造成本层疏散人员与上层疏散人员流动交叉，在相应的出入口处造成人员留滞及堵塞，破坏疏散秩序。因此，控制现场劳动者与管理者人员数量在120人以下。

4)在核心筒集中施工期、与避难层较近的楼层施工期增加劳动人员数量，可保证实现计划工期。

4.2.2施工平面布置

由于在施工现场疏散动线上存在疏散障碍，如施工设备、机器及其他工具等，会对疏散人员选择最短疏散路径造成一定影响。进行模拟分析时，未明显考虑外框架施工作业面上的障碍物，处于外框架边缘的施工人员须绕过靠近核心筒的障碍物才能到达核心筒入口，导致疏散效率降低。因此，施工现场障碍物应靠近作业面边缘集中、规范布置。

1)疏散效率在优化后的地震和火灾中均有明显提高，优化前、后的地震疏散时间分别为86.0，76.3s，优化后疏散时间减少11.3%左右。优化前、后的火灾疏散时间分别为251.3，228.5s，优化后疏散时间减少9.1%左右。

2)施工单位应严格制定临时设施、设备管理规范，并制定施工作业面布置方案，保证施工作业面上疏散路径畅通，提高疏散效率。

4.2.3安全管理水平

1)加强地震知识与应急演练培训

施工人员地震知识与应急演练培训的缺失，严重影响了重大灾难来临时人员的快速反应和科学决策，从而导致重大突发事件发生次数增加。Pathfinder软件提供了steering，SFPE疏散模式，其中steering模式通过统一路径规划、指导机制、碰撞处理控制人员运动，更接近实际情况。SFPE为规范化的疏散模式，疏散过程中的人员之间不会相互影响，会以较整齐的队列模式进行疏散，当遇出口流量限制和堵塞时，会出现排队等候现象，保证疏散秩序。

SFPE模式得到的完全疏散时间为160.3s，较同条件下的steering模式得到的完全疏散时间减少了15.8%左右。由疏散模拟动画可知，在核心筒入口尺寸受限处及上下楼层疏散人员相遇处，由于疏散人员发生拥挤，将形成严格的排队等候模式。SFPE模式考虑了疏散人员之间的独立性，排队模式有效解决了过度拥挤引起的堵塞与卡顿，在向最终目的地行进过程中，疏散人员可保持合理的间距、速度与秩序。疏散过程的高效性、较短的疏散时间及有效避免踩踏等是该模式的优点，但应认识到SFPE模式偏于理想化，实际疏散时较难做到。

施工单位应定期开展地震知识培训工作，加强施工人员对地震灾害的认知。同时组织应急演练，提高施工人员应急心理素质和决策水平，保证高效疏散。

2)加强安全文明检查与抗震防灾工作力度

施工现场安全管理水平的提高，不仅能在一定程度上提高疏散效率、缩短疏散需要的时间，还能降低危险源危险程度，疏散效率与疏散安全性可得到较好的保证。

施工单位应重视施工现场的安全文明检查与设施设备抗震防灾工作，包括完善相关制度、规范，推动检查工作的落地，并开展深入的科研工作等。