基于Pathfinder的高校学生宿舍人员疏散研究

■ 孙文潇 刘敦宇 中国人民警察大学

随着我国当代教育事业的快速发展，高校的消防安全越来越受到人们的关注和重视。校园人员密集，尤其是学生宿舍，因房间布局紧凑、人群密度大、存放物品种类多、空间相对狭小，使得楼内人员安全疏散较为困难。为了减少火灾事故对校内人员的伤害，除了需要进行日常的消防监督检查，还需要提高紧急疏散效率，因此，开展高校学生宿舍人员安全疏散的研究是很有必要的，这对新形势下如何做好高校学生宿舍消防安全工作具有重要意义。

针对高校学生公寓人员安全疏散研究，国内外的学者们进行了大量的工作。对于安全疏散模型的建立，Nuria Pelechanon 等人[1]论证了将人类心理和生理因素纳入模型的重要性。陈宝智等人[2]提出了一种基于有毒气体泄漏事故后果预测人员疏散最佳路径选择算法及遗传算法。对于数值模拟应用于人员疏散研究，谢明峰等人[3]分析了人员疏散过程中存在的拥堵问题，改进了安全出口的开放状态、数量、宽度以及疏散路线四个方面。邹馨捷等人[4]分析说明了高校学生公寓在火灾发生时，着火房间窗户是否敞开以及自动喷淋灭火系统装置是否有效这两种情况对现场人员安全疏散时间的影响。湛莲香等人[5]研究了学生宿舍不同楼层着火对学生疏散的影响，并对最不利的楼层场景进行了优化处理，使其满足安全疏散要求。张培红等人[6]通过考虑受限空间内疏散性状存在的多态现象以及排队现象，对疏散出口群集疏散的流动规律进行了分析预测和综合评价。

文章利用Pathfinder，选取某高校一栋6 层学生宿舍楼为研究对象，通过构建疏散仿真场景来进行应急疏散模拟。在文章中，依据宿舍楼内所居住学生的客观条件设置了相对应的疏散人数、性别比例、身高范围、肩宽、行走速度等参数，通过对比几种场景下的疏散时间，分析疏散路径、疏散人员分布、出口宽度和楼梯宽度等各相关因素对人员安全疏散时间的影响，以期为高校学生宿舍建筑设计结构的确定以及应急疏散方案的拟定提供参考。

一、宿舍建筑模型的建立

（一）建筑物概况

该高校的学生宿舍楼共有六层，一楼有55 个房间，二至六楼均有61 个房间，整栋宿舍楼共有360 个房间。每个房间尺寸相同，均为8m×4m，房间门宽1m，每层楼高3m。共建有东、西、中3 部疏散楼梯供人员疏散撤离，楼梯宽度为1.66m。半层建有休息平台，其尺寸为4m×1.5m。建有东、西、中3 个安全出口，出口宽度为4m。疏散走道无障碍物。

（二）疏散模拟参数的设定

1.疏散人数

该宿舍楼的一至五楼每间房间可住6 人，均住男生。六楼每间房间可住3 人，均住女生。按最大居住人数1977 人设定。

2.性别比例

最大居住人数中，1794 人为男生，183 人为女生，男女比例为9.8∶1。宿舍楼内均为青年人，无需考虑老人和小孩的影响。男生采用Bman0103 Model，肩宽设置为45cm。女生采用Cwom0103 Model，肩宽设置为40cm。根据该宿舍楼的实际人员情况，将男生身高设置在170 ～185cm 之间，女生身高设置在163 ～175cm之间。

3.行走速度

该宿舍楼内人员对宿舍楼的结构熟悉，且均具备正常的行动能力。考虑到男生女生之间存在的客观差异，将男生、女生的行走速度分布设定为1.3m/s、1.1m/s。

（三）建立Pathfinder 疏散模型

根据该宿舍楼的实际情况，利用Pathfinder 建立仿真模型，如图1所示。

二、疏散模拟场景设置

针对该宿舍楼的实际情况，分别设置了5 种疏散场景，讨论了疏散路径、疏散人员分布、安全出口宽度和楼梯宽度这四个因素对安全疏散时间的影响。具体场景设置如下：

场景一：基础工况

模拟正常情况下该高校学生宿舍楼内所有人员（1977 人）从三个安全出口疏散的过程。

场景二：规划疏散路径

由于该宿舍楼的楼道较长，共设有3 部疏散楼梯。通过设置人员就近选择疏散楼梯且合理分配每部楼梯通过的人数，对疏散路径进行合理规划：将一楼西侧的19 间宿舍和二至六楼西侧的21 间宿舍从西出口进行疏散；一楼东侧的17 间宿舍和二至六楼东侧的20 间宿舍从东出口进行疏散；一楼中间的18 间宿舍和二至六楼中间的20 间宿舍从中间的安全出口进行疏散。

场景三：疏散人员分布的影响

根据现实情况，该学生宿舍楼所住人员涉及各个年级。经调查，毕业生所住楼层在四楼和五楼。当毕业季到来时学生离校后，将该学生宿舍楼的四楼、五楼空出。因此，对一至四楼的1062 位男生和六楼的183 位女生共1245 人进行安全疏散数值模拟。

场景四：出口宽度的影响

将三个安全出口的宽度均由4m 增加至6m。

场景五：楼梯宽度的影响

各安全出口宽度保持不变，将楼梯宽度由1.66m 加宽至1.8m，休息平台尺寸不做调整。

三、分析

（一）学生宿舍疏散时间和安全疏散评价标准

当建筑物发生火灾险情时，人员是否能够安全疏散由两个时间参数所决定，即人员必须安全疏散时间（Required Safety Egress Time,RSET）和人员可用安全疏散时间（Available Safety Egress Time,ASET）。将ASET ＞RSET 作为人员安全疏散的判别标准，当满足这个标准时，意味着建筑物内的所有人员能够完成安全疏散；反之，则不能完全疏散到安全地带，也就说明了建筑物的疏散设计未达到安全设计的要求[7]。

根据《建筑设计防火规范》GB 50016-2014（2018版）相关规定[8]，学生宿舍人员可用安全疏散时间为5 ～7min。

（二）各场景安全疏散时间

通过Pathfinder 进行模拟计算后，五种场景下学生的安全疏散时间及安全性判定如表1所示，疏散过程中人员数量变化如图2所示。

通过分析表1可知，场景一的安全疏散所用时间最长，在此场景中，人员从两侧安全出口疏散完毕的时间要远远小于完全疏散时间。因此，需要我们对疏散路径进行科学合理的设定，使得3 个安全出口之间存在的疏散时间差减少，以提高疏散效率，从而减少总疏散时间，从而有了场景二的设置。场景二与场景一相比，安全疏散时间减少了34.5s，且安全性评价由不安全转为安全。可见，合理地规划疏散路径可以减少安全疏散时间，进而提高疏散安全性。

场景三针对实际情况进行了疏散模拟，由于人员数量的减少，疏散时间大大减少。通过表1可知，当人数减少732 人，人员疏散时间减少了187.5s。据此，当高校对学生宿舍楼安排入住时，不能只考虑如何实现宿舍内空间利用率的最大化，还应考虑发生紧急情况时，能否对宿舍楼内人员进行安全疏散，保证学生的人身财产安全。

将场景四和场景五进行对比，当安全出口宽度由4m 增加到6m 时，疏散时间减少了21s。当疏散楼梯宽度由1.66m 增加到1.80m 时，疏散时间减少了51s。即在三个安全出口宽度均增加50% 的情况下与3 部疏散楼梯宽度均增加8.43% 的情况相比，疏散时间的减少效果相对较差。换言之，增加楼梯宽度相比于增加出口宽度，对疏散时间的减少量更大。分析其原因，同时增加疏散楼梯的宽度可以将人员平均分布于东、西、中3 部疏散楼梯进行疏散撤离。因此，增加楼梯宽度与增加出口宽度相比对人员疏散时间的减少效果更为显著。

（三）人员密度

为了分析疏散过程中的拥堵点，文章给出了密度云图，如图3、图4、图5所示。通过对比五层至六层之间3 部疏散楼梯的人员密度，发现在没有规划疏散路线时，3 部疏散楼梯在五至六层之间发生堵塞的时间大致相同，约为38s，但中间的疏散楼梯在五至六层之间堵塞的时间最长，直到300s 才畅通，而五至六层两侧的疏散楼梯在229s 左右就结束堵塞了。

在规划疏散路线后（场景二），堵塞情况得到了明显的改善。如图6所示，在246s 时，东、西、中三部疏散楼梯几乎都结束了堵塞。

由此可见，通过规划疏散路线不仅缩短了楼层与楼层之间的人员堵塞时间，还使得三条路径的疏散近乎同时进行，三部楼梯达到了相同的疏散能力，从而缩短了疏散时间。

四、结语

综上所述，减少宿舍人数、合理规划疏散路径、增大安全出口宽度、增大疏散楼梯宽度都可以缩短疏散时间。当建筑物内所有的疏散楼梯达到相同的疏散能力时，总疏散时间最短。针对高校学生宿舍楼的人员疏散问题，为缩短疏散时间，可从以下3 个方面进行考虑：（1）高校应建立健全应急预案，定期开展应急疏散演练，提高宿舍楼内学生的疏散效率；（2）在安排学生入住时，应尽量控制学生宿舍楼内的人员密度，除了要保证消防安全设施的有效性，还需要考虑一旦发生紧急情况，学生宿舍楼内人员的安全疏散问题；（3）当对高校学生宿舍建筑结构进行设计时，在满足相关法律法规的基础上，可以考虑适当增加楼梯宽度，以减少疏散时间。