基于信息化技术的高校宿舍安全疏散仿真研究

2024-01-18黄杨彬王念祝朝亮

智能建筑与智慧城市 2024年1期

黄杨彬，王念，祝朝亮

（1. 云南开放大学；2. 云南经济管理学院；3. 昆明品茗科技有限公司）

1 引言

基于当前不断深入的智慧化进程中，立足于建筑对象，以智慧化的运维管控，提前防控并采取有效措施，以降低火灾中的人员伤亡。本文以西南地区某高校为研究对象，针对学生宿舍，分析不同的居住密度，及不同数量的逃生出口对逃生时长的影响，并提出建议，以提高学生在应急逃生过程中的成功率。

2 建模分析

2.1 模拟场景分析

本文充分利用建筑信息化手段，完成研究对象建筑物的BIM 模型，实现该栋学生宿舍楼的三维可视化。同时对于其建筑结构构件，包括宿舍区域内的桌椅、衣柜完成了信息化模型，为今后进一步分析提供了依据。逃生过程主要基于Pathfinder 软件进行模拟和分析，它是一套新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统。利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以确定个体在灾难发生时逃生路径和时间等[1]。

本研究项目位于云南省某高校新校区，工程交付于2010年前后，为校区内西北侧学生宿舍组团的一部分。建筑层数为六层，建筑结构形式为钢筋混凝土框架结构。工程设计使用年限3 类（50a），防火等级为二级，抗震设防烈度为八度。宿舍楼由C1、C2两个单体建筑组成，同时在一楼和二楼有中间的连廊连接。一楼有宿管人员值班室、休息室，每层楼均有设备间、学生洗衣房、公共厕所等。C2 的一楼作为学生社区活动区域，面向本宿舍组团内的所有同学开放。每个楼层的两端各有一个逃生楼梯。

为便于直观了解宿舍内的布置情况并为虚拟逃生提供尽量趋近于真实效果的分析数据，事先确定所有家具的详细尺寸，并完成家具的BIM 模型。在此基础上利用pathfinder软件来进行虚拟逃生模拟。因室内家具及堆放物品都将占据逃生路径空间，为便于统一分析，所有模拟逃生模型均按4 个床位的空间来进行家具占位布置。若分析模型为入住8人的情况，则设置4个上下铺的床位，宿舍中央布置可移动的两张书桌、八条座椅，整间寝室再增设2个小方柜。如分析模型为入住4 人的情况，则床位考虑为4个高架床，其余在8人入住情况下布置的桌椅及柜子不再做删减。根据上述条件，利用BIM 模型完成的布设效果如图1所示。

图1 学生宿舍楼内部家具布置图

整栋宿舍逃生门的设置见图2，根据设计图纸及实际竣工完成的情况，整栋建筑物共有5 个对外的逃生出口，本文分别对各门从1到5进行编号。

图2 学生宿舍楼各逃生出口编号示意图

pathfinder 软件定义各宿舍的学生自动识别最近的建筑物逃生出口，逃生对象独立地从起点延默认识别的路径走向该出口位置，逃生过程中会避开建筑物内的其他人员和障碍物。软件在模拟疏散过程中，每位逃生对象都有一个最大速度值，该速度值以房间人员密度0.55人/㎡为一个划分点，分别有两个不同的方程来默认计算。这些速度方程均基于1.19m/s 最大速度和人最大速度等因素计算得出。软件分析中还可以设置各宿舍门和楼梯口的人员流速，本案例均采用默认设置为3.4人/s。因此，本模型中限制人员流动的主要为门口宽度条件，人员流速不阻碍逃生速度。

本文在现有模型的基础上，利用pathfinder软件分别对宿舍区域拟定六个场景分别比较。六个场景设置如表1。

表1 计算分析场景设置表

虚拟逃生模拟过程如图3所示。

图3 逃生过程模拟图

2.2 分析结果

2.2.1 逃生时长

通过Pathfinder 软件对6 个场景建模，进行虚拟逃生模拟后得出：场景1模拟逃生时长为435s，场景2 模拟逃生时长为432.2s，场景3 模拟逃生时长为770.7s，场景4模拟逃生时长为257.5s，场景5模拟逃生时长为232s，场景6模拟逃生时长为416.1s。

《建筑设计防火规范》规定民用建筑的耐火等级可分为一、二、三、四级。经专家综合分析和火场实测，并考虑安全系数后一般确定：高层民用建筑的允许疏散时间为5min～7min；一、二级耐火等级的民用建筑为6min；三、四级耐火等级的民用建筑为2min～4min，其中三级耐火等级的影剧院、礼堂建筑撤离观众厅的控制疏散时间为1.5min。除规范另有规定外，不同耐火等级建筑相应构件的燃烧性能和耐火极限不应低于相应的规定值。本文工程实例项目的耐火等级为二级，规范规定了不同构件耐火极限的不燃性时长：防火墙3h，承重墙2.5h，非沉重墙1h，疏散走道两侧的隔墙1h，房间隔墙0.5h，柱2.5h，梁1.5h，楼板1h，屋顶承重构件1h，疏散楼梯1h。通常，如果人员疏散到安全地点所需的时间小于通过判断火场人员疏散耐受条件得出的危险来临时间，并且考虑到安全余量，则可认为人员疏散是安全的，疏散设计合理；反之则不安全，需要改进设计[2]。

在本文所建模分析的各个场景虚拟逃生结果中可以看出：场景4 和场景5 所模拟的情况中不超过6分钟逃生时长。如果按照入住4 人，床体采用高架床的形式，那么学生的书桌、衣柜等都可以收纳到床铺以下，在平面上不再占据空间位置，还可以解放出来更多的逃生通道。在其他条件不变的情况下，其逃生时长将更低于以上模拟分析的结果。

而其他场景模拟的逃生时长均多于6min，但是这些场景的时长还是低于规范规定的建筑物承重构件的耐火时长。从各场景的逃生时长数据可以看出，在开启同样数量的逃生出口情况下，入住的人数从4 人翻倍到8 人，其人员的逃生时长也将近翻倍。通过观察逃生过程的模拟视频可以看到，逃生人员在逃离到正门时，面对2号门和3号门同时开启的情况下，几乎全部选择距离楼梯口更近的2号门逃生，从而导致模型分析中开启4 个逃生出口和开启5 个逃生出口的逃生时长非常相近。可以从模拟逃生的分析过程中推测出来，因为在出口大厅有完全足够的消防通道空间，逃生人员选择其中一个出口逃生的时候也没有出现人员拥堵，即使真实逃生过程中人员分别选择面对面的2 号门和3 号门同时分散逃生，对最后的逃生总时长影响不大[3]。

2.2.2 各出口人流量

深入查询各逃生出口的通行人数，因场景1、2、3与场景4、5、6的总人数不一样。现仅提取并分析场景1到场景3的各逃生出口的人流量数据（见表2）。

表2 逃生出口人流量统计表

各门流出人数差异的原因分析：如图3 所示，1号、2号、3号分别与4号、5号门设置在宿舍出口的两端。从上表中人流量通行数据看出，从建筑两端分别逃生通行的人数大致相等，其中各逃生出口的人流量有着一定的差异，靠近下方的3号门和4号门人流量在各自两端的通行人数又较多。这是因为出口1、2、3 及出口4、5 分别在楼栋的两端，人员逃生时，大致均匀分布在两端流动。但是，一方面，明显左侧3号门距离逃生楼梯更近，右侧4号门离逃生楼梯更近。另一方面，因为C2的一楼作为学生社区活动区域的原因，为避免与宿舍内人员重复计算导致增加整栋建筑的人员数量，在本分析模型中，不在学生社区活动区域布设逃生人员。所以在本例逃生时。C2一楼的逃生人员较少[4]。

3 基于本分析案例的建议

参考《宿舍建筑设计规范》从1987年到2016年的三个版本关于居住面积的条文可以看出，不管是4人入住还是8 人入住，其人均使用面积都在逐年增加，针对本文所讨论的方向，规范条文的变化趋势提高了逃生效率，降低了逃生时间，提升了宿舍的安全性，同时也逐步改善了宿舍的舒适性[5]。此外，一定室内面积的条件下，入住人员的减少除了固定的家具数量减少，降低其占地面积之外，还有个人减少的各种物品，都间接增大了宿舍内的实际使用空间。