某高校食堂应急安全疏散模拟研究

2022-12-01杨甜甜万杰蒙晓妍

工业安全与环保 2022年8期

杨甜甜万杰蒙晓妍

（1.西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055；2.中国电信南宁西乡塘区分公司新阳支局，南宁 530000）

0 引言

高校食堂内部结构特殊且易燃易爆品复杂，一旦发生火灾，往往会造成巨大的人员伤亡和财产损失。紧急情况下的人员疏散问题受多方面因素影响，主要有建筑物内部自身结构、疏散人员的个体特征等［1-2］。针对建筑物自身结构对安全疏散的影响问题，国内外学者已经做了较多研究，谢灼利等［3］发现，利用仿真软件模拟应急疏散过程，楼梯是整个疏散过程的瓶颈，而楼梯的疏散能力主要受人员流量和楼梯的有效宽度制约；益朋等［4］发现，在相同的占地面积情况下，两侧布局障碍物比中心布局障碍物对疏散时间、疏散通道利用率和出口效率更优；郑霞忠等［5］发现，多出口情况下疏散人员重复选择相同出口会产生拥堵现象，因此，提升出口利用率能够有效提高疏散网络整体疏散效率；汪洋等［6］发现，疏散过程中安全出口的利用率差异较大，疏散楼梯及出口处容易出现拥堵现象。

综上可知，目前学者们运用FDS、Pyrosim和Pathfinder对各类建筑物进行了较多的仿真模拟研究，但学者们的火灾疏散研究大都集中在高层宿舍楼、大型体育场、商业街等建筑，对于高校食堂的研究较少，鉴于此，本文拟采用疏散模拟软件Pathfinder进行安全疏散仿真模拟，旨在为提高类似高校食堂建筑物的火灾应急安全疏散效率提供参考。

1 食堂概况及人员分布

1.1 食堂概况

选取西安某高校学生食堂作为研究对象进行模拟分析，该食堂总疏散面积2 677.5 m2，建筑高度14 m，共3层，建筑共有4个楼梯和一层与二层相连接的2个扶梯，共设5个安全出口。建筑结构相对规则和对称，一层疏散面积最大，北侧与西侧各设有一排集中买餐窗口，东北侧设有一较小独立餐厅；食堂的二层西侧和北侧各设有集中买餐窗口，东北侧有一较小独立餐厅；食堂三层布局与二层类似，二层与三层中间空有长17.5 m、宽7 m的面积，为顶层透明玻璃采光设计使用。食堂内各个出口及楼梯参数见表1，食堂3D全景模拟图见图1，一层模拟图见图2。

1.2 人员分布情况

通过对学生食堂—周内人员流动情况的调查，根据最不利原则，选择人员负荷最大的中午12：00进行模拟，为实际制定安全疏散措施提供参考。在模拟中，一楼500人，二楼和三楼各320人，餐厅可容纳最多人数时的人口参数设置为1 140人，对几何模型中用餐区域人员密度设为1.39 m2/人，其他区域设为5.57 m2/人。

2 建立模型

2.1 Pathfinder简介

Pathfinder［7］是由美国Thunderhead Engineering公司开发的一款基于Agent的智能人员紧急疏散逃生评估系统仿真软件，主要用于建筑防灾系统优化设计、灾难逃生科学研究、人员灾难疏散模拟训练。在软件中建立的3D几何模型的几何结构中包括了房间、门、楼梯、出口等。

软件中有SFPE模式和Steering模式，SFPE模式使用了火灾防护设计手册中的概念，模式中行人的行走速率由每个房间的人群密度决定，通过出口的人流量则由出口宽度决定。而Steering模式使用路径规划、指导机制和碰撞处理相结合的手段来控制行人运动，人员之间的距离和最近点的路径超过某一阈值的时候，算法就会产生新的路径，从而改变了行人的行走轨迹。总的来说，Pathfinder软件是一个采用三维网格模型来模拟正常和紧急情况下的人员疏散，网格分解使计算速度更快，同时能见度高，能清晰地看到疏散动态过程记录疏散数据模拟疏散过程，适用于大型复杂建筑物的评价和分析。

2.2 模型建立

不同性别和年龄的人之间存在明显的个体差异，依据《中国成年人人体尺寸》（GB/T 10000—1988）［8］，同时考虑到人体在运动过程中肩宽和速度的变化且不考虑外来人员，仅以食堂员工与在校学生为主体，得到各疏散人员类别相关参数见表2。

表2 人员参数设置汇总

2.3 初始模拟

以食堂现有的建筑结构条件和人员条件，确定在发生突发情况进行应急疏散时的疏散路线。疏散开始，一层的疏散人员将就近选择疏散路线，可选择南侧安全门和东侧的3处安全门进行疏散；二层的疏散人员可以选择南侧楼梯、东侧两处楼梯和中间两处扶梯疏散到一层再选择就近安全门疏散，其中，中间扶梯在发生突发情况时直接向一层进行疏散；最后三层疏散人员通过南侧两侧楼梯通向二层，再选择路线通向一层后疏散。人员疏散行径路线示意图见图3。

在确定人员疏散路线后，根据调查发现，一层的北侧安全出口在实际中为后厨食材输送的一条通道，在一般情况下非工作人员不得进入厨房的工作区间。因此，结合实际情况对初始模拟情况作出两种情景设定。情景一是将北侧安全门设为常闭状态，情景二是在工作人员反应8 s后将北侧安全门开启。

情景一的总疏散时间为422.5 s。下面将情景一疏散过程中的一些关键时刻作为分析的依据，模拟结果如图4和图5。

分析可知，在0 s时疏散人员还比较分散，当24 s时，疏散人员基本集中在楼梯口和安全出口，此时楼梯间人员密度约为2.75～3人/m2。由图5可知，最大拥挤时间段在0～150 s，同时也是人员疏散率最快的时间段，其中南侧门最大的疏散率在2～2.5人/s，其余门的使用率在1～2人/s之间；从150 s至疏散结束就呈现出第二种状态，在接近150 s时东侧安全门以最快结束了使用，同时其他门的使用率也开始呈现下滑的现象，其中东北侧安全门250 s结束使用，而东侧安全二门与南侧安全门开始呈现平稳的使用状态，保持此疏散状态直至疏散完毕。

接下来进行情景二的模拟，在人员开始疏散后，买餐窗口的工作人员反应8 s后打开了北侧后厨的安全出口，总疏散时间为420.5 s，情景二各门的使用率如图6。

通过模拟结果可知打开北侧后厨安全疏散门后总疏散时间比情景一疏散时间只减少了2 s。从图6中可以看出，相比其他门，北侧安全门的使用率极低，虽然多了一个安全门可以通向外界，但是只有极少一部分人选择，对整个疏散过程的影响甚微，这是因为人员习惯性从自己熟知的出口逃生［9］。因此食堂整个安全疏散过程需要进行改进与优化设计，找到导致拥堵产生原因并制定相应对策。

3 优化仿真模拟

3.1 改变桌椅布局

为分析桌椅布局对安全疏散时间的影响，将一层原竖向桌椅改变成横向，总安全疏散时间为419.3 s，相比较初始模拟情况只减少了1.23 s的时间。更改前后各门疏散见图7，各门人群密度见图8。从图7可以得出，北侧安全门并无明显变化，但在100 s至150 s的时间段内，对比初始和更改，更改后的其他门的使用率有些许变化。同时还发现在东北侧安全出口，因为桌椅改成横向，导致在原位置上的通道反而变小了。原本成扇型的局部拥挤状态变成了像“S”型的拥挤状态，这样使得疏散人员拥挤在东北安全出口的同时距离桌椅非常近，反而阻碍了此处人员的疏散，同时还可能碰撞到桌椅。因此可以得出，改变食堂一层桌椅摆向对总体疏散时间影响不大，对安全出口门的使用率有些许变化。

3.2 增加扶梯

为近一步了解安全疏散路径与总疏散时间的关系，此模拟在三层与一层之间直接增加一个扶梯，更改方案如图9。

由模拟结果知，在三层增加一个直达一层的扶梯大幅度减少了总疏散时间，总疏散时间为293.0 s。在0 s至150 s的时间段内，疏散人员更加均匀地使用了各安全门，快速完成了疏散。说明增加逃生疏散路径与增加安全出口数量能有效达到疏散效果，因此，要直接增加该疏散楼层通向外界的疏散路径与出口才有效果。

从图10可以看出三层的扶梯比一层的两个扶梯的使用率都要高，因为增加了一条三层与一层的路径，很大程度减少了三层人员的等待时间，降低了南侧与东侧楼梯的人员密度，因此大幅度减少了疏散的时间。

3.3 优化楼梯、安全出口的宽度

在各个模拟情况中，有些减少了总疏散时间，有些反而增加了总疏散时间。总体来看，各模拟情况楼梯和安全出口都多次出现人群密集的情况，这也是阻碍安全疏散的原因之一，北侧安全门的使用率一直很低，而南侧和东侧的安全门很容易出现拥堵。为缓解拥堵情况，接下来对楼梯和门的尺寸优化之后进行模拟，楼梯和门尺寸优化情况见表3。更改后安全门使用率见图11，更改后24 s时人群密度见图12。

表3 楼梯和门更改情况

从图11可知，除北侧安全门还是处于极低使用情况之外，其余的安全出口在人员疏散的效率上都得到极大提高。而南侧安全门更是从初始的2人/s提升至4人/s，东侧安全门达到了3人/s的水平，从而减少了总疏散时间。

从图12中看出与初始情况相同时间内的人群密度明显得到缓解，同时在此时刻的疏散人数也大幅度增加，初始情况在一层的东侧和南侧都较为拥挤，而在更改尺寸后南侧安全出口人员密集程度也有所减少，一层东侧的安全出口一和二的人员密度只有1.04～2.27人/m2，而东北侧安全出口更是低于2.27人/m2。因此楼梯、安全门的宽度对于应急疏散的缓解能力是至关重要的，并且在各个方法中都是有效的体现。

优化了楼梯安全出口的宽度前后楼梯使用情况见图13。

如图13的楼梯使用率对比可知人群密度有所减少、人员的疏散速度有所增加，同时楼梯的使用率也大幅度增加，在更改了尺寸后的情况来看，东侧和南侧这两个主要疏散楼梯提高了2倍的使用率。因此更改楼梯、安全门的宽度可以使疏散楼梯较短时间内能够保证大量人群的安全通过，对于应急疏散的缓解能力是十分有效的。

由以上可知，针对食堂当前存在的问题，在优化方案中模拟了以下3种情况：将食堂一层的桌椅改为横向；在三层增加一个直达一层的扶梯；改变楼梯、安全门结构尺寸。经过仿真模拟，在初始状态下进行优化的总疏散时间分别为419.3 s、293.0 s、305.5 s。