突发情况下高校教学楼学生疏散行为仿真研究

柴文浩，郭 毓，周翀翀，沈 静，2*

(1.北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617； 2.北京市安全生产工程技术研究院，北京 102617)

在高校教学楼中，若无任何突发意外事件，学生按照一定顺序进行同向相对匀速的疏散，此时发生事故的概率较小；而在突发意外事件等干扰因素发生的情况下，若没有有效的安全管理就容易发生灾难性事故。特别是火灾事故，若无有效措施，随着时间的增长，事故呈现不断扩大化的趋势，极易引发严重的学生伤亡事故。如2007年埃及爱资哈尔大学因教室起火而导致慌乱逃离的学生发生踩踏事故，致百余人死伤[1]。因此，笔者通过研究在突发火灾情景下教学楼内的人员流动[2-3]，选取影响人员疏散速度的因素，通过改变主要影响因素使人员紧急疏散的时间尽可能最短、伤亡最小，以达到最好的安全效果，从而实现对高校教学楼的安全管理评估并提出改进意见[4-5]。

1 教学楼概况

该教学楼共4层，其平面示意图如图1所示。

图1 教学楼平面图Fig.1 Floor plan of teaching building

教学楼内左侧1楼为礼堂，右侧近似矩形区域为教学楼主要教学服务区，其中1层教学楼共5间大教室，每个教室能容纳200人；2、3层结构相似，每层有8间教室，每间教室能容纳100人；4层有8间小教室，每间能容纳30人。教学时间内约有1 000～1 500名学生处在教学服务区内。教学区域内部有3处楼梯，楼梯在图1中为白色部分；教学楼出口分布在楼梯附近，在图1中由黑色实线标示。

2 建立Anylogic仿真模型

2.1 应急疏散仿真系统建立

Anylogic仿真模拟软件能够对离散事件、连续事件以及混合系统进行建模和仿真模拟，以实现对交通运输、供应链服务、人员疏散以及物流系统的仿真模拟研究。Anylogic仿真模拟软件由道路交通库、流体库、轨道库、行人库等元素组成，由于研究的是行人应急疏散问题，所以主要使用行人库进行建模分析。在建立空间标记过程中，将学校教学楼的CAD二维图纸导入软件中，并通过行人库中的元素创建服务模块和物理环境。在进行疏散分析的过程中，可以设置逻辑参数和函数对行人行为进行要求，以保证仿真过程尽可能与实际相匹配。

文献[6] 中的研究表明，人员行动变化主要受焦虑因子和随机因子2个变量的影响，在正常疏散过程中对人群疏散的影响不明显，但在行人密度较大、竞争较为激烈的情况下，其对疏散人群的心理和行动有明显影响。在Anylogic模型仿真中，可以通过改变行人速度、变更函数等方式来模拟2个变量对行人疏散效率的影响。

在Anylogic仿真模拟中，学生流分为正常流程和应急疏散流程，在正常流程中，学生从3个入口进入教学楼，随机进入各个楼层、教室进行活动。

在发生突发事件时，行人会在一段反应时间后开始疏散行动，在教学楼进行应急疏散过程中，学生从教学楼楼梯进行有序疏散，在1楼的各个出口进行疏散撤离。

根据上述方法建立逻辑模型，对正常流程和紧急疏散流程进行建模，学生进入教学楼后，在教学楼内的教学服务区域进行活动。仿真系统逻辑图如图2所示。

2.1.1 疏散路径选择

在疏散活动开始时，学生通过预先设置的函数选择最近的路径逃生。函数会通过计算学生坐标与疏散出口距离来寻找最近出口[7-8]。

2.1.2 人体模型

人体模型尺寸由人体投影在地面上所占面积和安全间距两部分组成，人体实际所占面积主要由肩宽决定，安全间距指为了避免与障碍物碰撞所保持的距离，主要取决于速度和生理条件。在安全疏散过程中，人体模型尺寸对安全通道、疏散楼梯有较大的影响。根据《中国成人人体尺寸》规范[9]，女性平均肩宽为387 mm，男性平均肩宽为415 mm。

2.2 不同人流水平下疏散方案设计

根据现场勘查及学校官网公布的数据可知，该教学楼在教学时间内人流量约1 000～1 500人次。因此，以教学楼为研究对象，通过设置不同人流水平进行仿真疏散模拟分析：

疏散方案1：教学楼学生人数达到1 000人时，教学楼2楼某教室发生火灾应急疏散仿真；

疏散方案2：教学楼学生人数达到1 250人时，教学楼2楼某教室发生火灾应急疏散仿真；

疏散方案3：教学楼学生人数达到1 500人时，教学楼2楼某教室发生火灾应急疏散仿真。

本次应急疏散起始时间为应急疏散开始时刻，建筑物内人员数量减少到0为结束时刻。

疏散方案1的模拟结果如图3所示，此时为学生正常流动状态，教学楼内人数为1 000人。

图3 疏散方案1开始前行人流动图Fig.3 Pedestrian flow before the start of evacuation plan 1

(1)开始应急疏散后3个安全出口开放，各楼行人通过楼梯到达1层，和1层学生共同向最近的安全出口移动，行人默认所有橙色线条为墙体所以绕行逃生。

(2)直到教学楼内学生全部离开建筑物，应急疏散结束总疏散时间为255 s，总疏散人数为1 000。

(3)根据上述方法，改变建筑物内总人数进行另外2个疏散方案的仿真实验，结果如表1所示。

表1 3种疏散方案仿真结果Table 1 Simulation results of 3 evacuation schemes

2.3 不同人流水平下疏散效率分析

余高明等[10]研究表明，高校教学楼走廊在火灾发生4～5 min(240～300 s)后产生的烟气即可达到对人体有害的浓度。而此次模拟试验中在学生人数达到1 500人时，疏散时间达到了325 s，显然对学生身体健康会造成一定伤害。为了进一步提高疏散效率、减短疏散时间，需要发现疏散过程中存在的问题并提出疏散方案。疏散开始时人员密度分布如图4所示。在疏散开始时，教室内的学生流向教室出口，导致拥挤。其中红色表示人员密度高。

图4 疏散开始时人员密度分布Fig.4 Personnel density distribution at the beginning of the evacuation

从图4中可以看出，在疏散过程中，学生的分布是不均匀的，主要集中在教室中。在疏散过程中因为学生会寻找最近出口逃生，某些区域会形成疏散瓶颈。在疏散初期学生从教室前后门撤离进入走廊，由于出口数量和出口大小不同造成拥挤；疏散中期，距离出口较近的学生已经成功疏散，而靠里的学生因为距离远且存在障碍物的原因疏散速度较慢，楼梯入口连接处出现拥堵，且由于低层学生疏散路线与下楼学生路线交叉造成上层学生难以融入逃生队伍中。在出口处，由于出口宽度有限，最宽的有效出口仅有3.2 m，其余2个则只有2.4 m和1.5 m，根据《中国成人人体尺寸》中成年男性和成年女性肩宽来看，出口最多能允许17人同时疏散，而其余疏散的学生只能等待前面的学生疏散完成后才可以从出口撤离完成疏散，所以在1楼出口处会造成明显拥挤。疏散后期学生剩余较少则不存在瓶颈现象。

3 优化方案设计及结果分析

3.1 影响因素分析

李若菲等[11]对不同楼梯布局条件下疏散效果进行了仿真研究，结果表明不同楼梯类型对疏散速度影响在0.1 m/s内。何怡婧等[12]研究认为，学生在熟悉的环境中能较为熟练地进行紧急疏散，不至于产生恐慌心理。而建筑物的出口在人员疏散中占据至关重要的地位，对出口宽度的合理设计能避免疏散时发生堵塞。因此，选用出口宽度和增加疏散引导方式作为重要影响因子进行疏散方案的优化。

3.2 优化方案设计

3.2.1 增加出口宽度

出口是决定应急疏散的一个重要因素，在突发事件发生后，学生若能快速撤离将会大大提高疏散效率。

3.2.2 疏散引导

前人研究发现[13]，学生移动速度随人流密度增大到一定峰值后减小，如图5所示。由图5中可以看出，在堵塞区域中低密度人群不断融入高密度人群，因此需要疏散引导降低学生人流密度，从而增加学生移动速度，提升疏散效率。

3.3 优化结果

由于疏散方案3涉及到的人数最多，因此对疏散方案3即1 500人同时疏散的方案进行优化，优化后再次进行仿真模拟，得到疏散时间如表2所示。

表2 优化后疏散时间Table 2 Optimized evacuation time

从表2中可以看出，在优化前疏散时间不能够达到300 s以内，未完成疏散学生易受到烟气伤害，而在增加出口宽度和设置疏散向导后均对疏散起到了正面影响，且能够在300 s内完成疏散，大大提高了疏散效率。

同时，在应急预案的制定中不仅可以使用这2种方法，还可以通过增加疏散通道等方式提高疏散效率。

4 结论

(1)选取Anylogic进行仿真建模，对不同人流水平下高校教学楼学生疏散进行模拟研究，结果表明，当教学楼人数小于1 500人时，可以在有效时间内完成安全疏散；而当学生人数为1 500人(及以上)时，无法在300 s内完成安全疏散。

(2)通过增加出口宽度和设置疏散向导分别对1 500名学生应急疏散方案进行优化，结果表明，2种新方案均可在300 s内完成安全疏散，优化效果明显。

(3)通过Anylogic仿真模拟试验，可以为学校有关部门应急预案的制定提供理论基础。