基于STEPS的地下雙層島式站臺(tái)人員疏散模擬研究

謝天光 倪照鵬

公安部天津消防研究所

地鐵車站是人員密集場(chǎng)所，一般為地下空間。地鐵站臺(tái)的主要形式為島式、側(cè)式和混合式3種。由于內(nèi)部空間相對(duì)封閉、疏散出口較少，具有火災(zāi)煙氣不易排除、熱量集中、散熱緩慢、氣流溫度升高快、能見(jiàn)度差等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散及火災(zāi)撲救十分困難，涉及范圍往往很大。如：2010年3月29日發(fā)生在俄羅斯首都莫斯科地鐵一號(hào)線的盧比揚(yáng)卡和文化公園地鐵站爆炸造成至少41人死亡，60多人受傷。因此，如何安全而有效地將站臺(tái)和列車上的人員疏散出去，是一個(gè)很值得研究的課題[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)規(guī)范在計(jì)算人員疏散時(shí)間時(shí)，重點(diǎn)考慮了站臺(tái)疏散設(shè)施的通行能力，而并沒(méi)有考慮人員類型、疏散行走速度以及疏散路徑等因素對(duì)人員疏散時(shí)間的影響。

本文以某地地下雙層島式站臺(tái)車站為例，針對(duì)設(shè)定疏散場(chǎng)景使用STEPS軟件對(duì)人員疏散時(shí)間進(jìn)行模擬，并結(jié)合我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)疏散時(shí)間的計(jì)算進(jìn)行比較分析。研究地鐵車站站臺(tái)的疏散策略對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，為地鐵管理人員制定疏散策略提供一定的參考。

1 地鐵站臺(tái)人員疏散設(shè)計(jì)要求

1.1 國(guó)內(nèi)規(guī)范中人員疏散時(shí)間的要求

地鐵車站內(nèi)待疏散人員主要為站臺(tái)層和站廳層人員。站臺(tái)層人員需要通過(guò)站臺(tái)層的敞開(kāi)樓扶梯或封閉樓梯間疏散至站廳層，再通過(guò)站廳層疏散通道疏散至安全出口，最后疏散至室外安全區(qū)。站廳層人員可以直接通過(guò)臨近的安全出口或樓梯間疏散至室外安全區(qū)。具體的疏散策略，如圖1。

圖1 人員疏散策略示意圖

依據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157-2013)第19.1.9條“出口樓梯和疏散通道的寬度，應(yīng)保證在遠(yuǎn)期高峰小時(shí)客流量時(shí)發(fā)生火災(zāi)的情況下，6min內(nèi)將一列車乘客和站臺(tái)上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺(tái)。”

1.2 國(guó)內(nèi)規(guī)范中人員疏散時(shí)間的計(jì)算方法

依據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157-2013)第8.3.10條“站臺(tái)層的事故疏散時(shí)間”按下列公式計(jì)算[4]：

式中：

Q1—一列車乘客數(shù)，人；

Q2—站臺(tái)上候車乘客和站臺(tái)上工作人員，人；

A1—自動(dòng)扶梯通過(guò)能力，人/（min·m）；

A2—人行樓梯通過(guò)能力，人/（min·m）；

N—自動(dòng)扶梯臺(tái)數(shù)；

B—人行樓梯總寬度，m。

2 疏散模擬軟件介紹

本文通過(guò)運(yùn)用STEPS軟件模擬人員疏散至安全出口所需疏散時(shí)間。在評(píng)估人員是否滿足規(guī)定的要求的同時(shí)，分析可能影響地鐵站臺(tái)人員疏散時(shí)間的因素。STEPS(Simulation of Transient Evacuation and Pedestrian Movements)是一個(gè)三維疏散軟件，由英國(guó)Mott MacDonald公司開(kāi)發(fā)。在模擬計(jì)算時(shí)建筑物內(nèi)疏散通道和疏散出口是通暢的，而火災(zāi)區(qū)附近的疏散通道或出口則可能被封堵。模型采用0.09～0.25m2的網(wǎng)格系統(tǒng)，人員只能以45°角向8面移動(dòng)，此計(jì)算機(jī)模型只分析人員所需行走時(shí)間，不包含火災(zāi)探測(cè)時(shí)間及人員行動(dòng)前準(zhǔn)備時(shí)間。STEPS的精確性已經(jīng)與NFPA 130中提供的算例“某地鐵人員疏散時(shí)間計(jì)算結(jié)果”進(jìn)行比較并得到了一致性驗(yàn)證，并得到了廣泛認(rèn)可[5]。

3 工程實(shí)例分析

3.1 地鐵車站簡(jiǎn)介

本文以某地雙層島式車站為例。該站為雙層島式車站，車站主體為地下二層，總建筑面積43100m2，其中地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層。站臺(tái)寬度為12.5m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度為117m。站廳層分為付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū)，在付費(fèi)區(qū)南北站臺(tái)各設(shè)置2組扶梯和6組樓梯與站廳聯(lián)系，能夠滿足正?？土骱途o急情況下疏散的需要；在付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū)的交界處設(shè)置了進(jìn)出閘機(jī)，并在進(jìn)出站閘機(jī)的中部設(shè)置了乘客服務(wù)中心，能夠滿足乘客進(jìn)出站的要求。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，乘客分別從中部和兩側(cè)的樓扶梯向上疏散至站廳層，再由站廳層的4個(gè)安全出口疏散至室外。具體的安全出口位置和設(shè)計(jì)寬度，如圖2。

圖2 站廳層安全出口示意圖

由于本站臺(tái)南側(cè)和北側(cè)2條地鐵線路對(duì)稱。因此，以北側(cè)站臺(tái)層為例計(jì)算站臺(tái)層人員疏散時(shí)間。依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)站臺(tái)層疏散樓扶梯的設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行折減。北側(cè)站臺(tái)層安全出口寬度統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表2。

表2 北側(cè)站臺(tái)層安全出口寬度統(tǒng)計(jì)表

3.2 疏散時(shí)間的計(jì)算

地鐵站臺(tái)層疏散人員主要由列車車廂內(nèi)的乘客、站臺(tái)層候車的乘客和工作人員3類。

（1）列車車廂內(nèi)乘客：根據(jù)設(shè)計(jì)資料，一列車定員為1710人。

（2）地鐵車站站臺(tái)層工作人員總數(shù)為100人。

（3）站臺(tái)上候車人員。以高峰時(shí)刻客流量下的預(yù)測(cè)人數(shù)為基礎(chǔ)，確定疏散人數(shù)適合用于計(jì)算地鐵車站等交通類建筑內(nèi)公共區(qū)域的候車人數(shù)：設(shè)定每個(gè)主要客流區(qū)域的人員平均停留時(shí)間，并由此轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量。因此，在計(jì)算地鐵車站站臺(tái)人員候車人數(shù)時(shí)將利用高峰小時(shí)客流量法來(lái)確定。所謂高峰小時(shí)客流量法就是設(shè)定人員在某個(gè)區(qū)域的平均停留時(shí)間，并根據(jù)該區(qū)域的高峰小時(shí)預(yù)測(cè)客流量計(jì)算其瞬時(shí)人數(shù)，即：

人員數(shù)量=高峰小時(shí)預(yù)測(cè)客流量×停留時(shí)間（min）/60 （2）

因此，站臺(tái)上候車人員數(shù)量可根據(jù)高峰時(shí)期的客流量換算確定，并考慮1.4倍的超高峰系數(shù)，其計(jì)算方法為：

公共區(qū)域聚集人數(shù)=1.4×高峰客流量（人/h）×停留時(shí)間（min）/60 （3）

按照上述方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，按每2min一列車計(jì)算，人數(shù)設(shè)計(jì)參照遠(yuǎn)期2040年早高峰時(shí)段的客流量進(jìn)行計(jì)算。南行上客量為6 200人/h，北行上客量為7 310人/h，考慮1.4倍的超高峰系數(shù)，則站臺(tái)候車人員數(shù)量為1.4×（6 200+7 310）×2/60=631人。

將站臺(tái)層的人員數(shù)量匯總于表3。

表3 站臺(tái)層疏散人數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157-2013)的計(jì)算公式和站臺(tái)寬度的設(shè)計(jì)資料計(jì)算出北側(cè)站臺(tái)層人員的疏散時(shí)間為：

按照規(guī)范計(jì)算站臺(tái)的疏散時(shí)間小于360s，設(shè)計(jì)合理。但規(guī)范中只考慮了樓梯和自動(dòng)扶梯疏散能力的影響。實(shí)際疏散時(shí)，人員的疏散時(shí)間會(huì)受到多種因素的影響比如人員類型、行走速度以及人員疏散路徑等等。因此，本文將使用STEPS軟件進(jìn)行模擬仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，使得站臺(tái)的疏散設(shè)計(jì)更加合理。

4 人員疏散模擬及分析

4.1 疏散場(chǎng)景描述

疏散場(chǎng)景1：不考慮人員類型，站臺(tái)和列車人員通過(guò)樓扶梯向上疏散至站廳層，再通過(guò)站廳層疏散至室外安全區(qū)。

疏散場(chǎng)景2：考慮人員類型，站臺(tái)和列車人員通過(guò)樓扶梯向上疏散至站廳層，再通過(guò)站廳層疏散至室外安全區(qū)。對(duì)比模擬時(shí)間和規(guī)范計(jì)算時(shí)間，重點(diǎn)分析在考慮人員類型的情況下，人員類型對(duì)疏散時(shí)間的影響。

疏散場(chǎng)景3：考慮人員類型，站臺(tái)和列車人員同時(shí)考慮兩種疏散路徑，一種是通過(guò)樓扶梯向上疏散至站廳層，另一種是通過(guò)樓梯向下疏散至過(guò)軌疏散節(jié)點(diǎn)，兩種疏散方式最后均疏散至室外安全區(qū)。與疏散場(chǎng)景2所得到的模擬時(shí)間對(duì)比，重點(diǎn)分析在考慮過(guò)軌疏散節(jié)點(diǎn)的情況下，人員疏散路徑對(duì)疏散時(shí)間的影響。

4.2 疏散模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的平面圖，建立車站站臺(tái)和站廳的基本模型。其次確定模型中的疏散人員的人群結(jié)構(gòu)以及不同年齡段人員的行走速度。

根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究，同時(shí)考慮到本次模擬是針對(duì)地鐵車站人員疏散。模型中的人員行走速度采用W.Daamen&Hoogendoom提出的火車站人群移動(dòng)速度和密度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

v—人群移動(dòng)速度，m/s；

D—人群密度，人/m2。

式中當(dāng)D≥5，人群會(huì)出現(xiàn)擁擠或堵塞[6]。

根據(jù)地鐵車站的實(shí)地調(diào)查結(jié)果，從中篩選出有效數(shù)據(jù)，樣本數(shù)為120個(gè)。通過(guò)對(duì)不同觀測(cè)點(diǎn)的人員密度統(tǒng)計(jì)分析得出不同類型人員的平均行走速度，見(jiàn)表4和表5。

表4 地鐵站不同人員類型統(tǒng)計(jì)表

表5 地鐵站不同人員類型行走速度統(tǒng)計(jì)表

參考中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)成年人的人體尺寸數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)外疏散速度的研究統(tǒng)計(jì)資料，將地鐵車站乘客分為7種類型：未成年人、青年男性、青年女性、中年男性、中年女性、老年男性和老年女性。不同人員類型的參數(shù)設(shè)置，見(jiàn)表6。

表6 地鐵站人員類型特征統(tǒng)計(jì)表

4.3 基于STEPS的人員疏散模擬過(guò)程

由于此雙層島式車站的南北站臺(tái)人員疏散相互獨(dú)立。因此模擬分析時(shí)以北側(cè)站臺(tái)為例。各個(gè)設(shè)定疏散場(chǎng)景的人員疏散模擬過(guò)程見(jiàn)圖3-5所示。

圖3 疏散場(chǎng)景1站臺(tái)人員數(shù)量變化

人員不利用向下疏散的樓梯疏散，不考慮人員類型對(duì)人員行走速度的影響，人員的最大行走速度為1.0m/s，80s左右擁堵現(xiàn)象得到一定緩解。256s左右，人員全部撤離站臺(tái)。

圖4 疏散場(chǎng)景2站臺(tái)人員數(shù)量變化

人員不利用向下疏散的樓梯疏散，由于可用的安全出口減少，使得站臺(tái)上安全出口的疏散壓力增大，各個(gè)安全出口的疏散效率有所降低，使得人員在樓扶梯口的排隊(duì)等待時(shí)間加長(zhǎng)由于人員的耐心程度不同，造成一部分人員分流，100s左右擁堵現(xiàn)象得到一定緩解。297s左右，人員全部撤離站臺(tái)。

圖5 疏散場(chǎng)景3站臺(tái)人員數(shù)量變化

人員正常疏散，由于可用安全出口較多，人員的疏散較為通暢，各個(gè)安全出口的疏散效率較高。由于自動(dòng)扶梯的通過(guò)能力較低，使得自動(dòng)扶梯附近的人員密度較高，排隊(duì)等待時(shí)間較長(zhǎng)。236s左右，人員全部撤離站臺(tái)。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)某地地鐵車站的3個(gè)設(shè)定疏散場(chǎng)景的模擬分析可以看出。

（1）人員疏散模擬得到的人員行動(dòng)時(shí)間可知，在人員使用站臺(tái)所有疏散樓扶梯進(jìn)行疏散的情況下，人員疏散行動(dòng)時(shí)間為236s，加上規(guī)定的報(bào)警和人員響應(yīng)時(shí)間60s，則站臺(tái)人員全部疏散時(shí)間為296s，小于規(guī)定的6min，即現(xiàn)有的設(shè)計(jì)寬度滿足規(guī)范的要求。

（2）對(duì)比設(shè)定疏散場(chǎng)景1和疏散場(chǎng)景2的疏散時(shí)間可知，在考慮人員類型后，增加了老人和兒童的比例使得疏散時(shí)間會(huì)相對(duì)增加，但是仍然在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)。

（3）對(duì)比設(shè)定疏散場(chǎng)景2和疏散場(chǎng)景3的疏散時(shí)間可知，在采取一定防火分隔的前提下，使用通向過(guò)規(guī)疏散節(jié)點(diǎn)的向下疏散樓梯進(jìn)行疏散，可以減少疏散時(shí)間20.5%。因此，建議在有條件的情況下利用雙線間的過(guò)軌疏散節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疏散，特別是雙線換乘的地鐵車站。同時(shí)采用智能疏散指示標(biāo)志，提高疏散照明強(qiáng)度，加強(qiáng)疏散誘導(dǎo)，保障人員在火災(zāi)時(shí)能夠安全有序地進(jìn)行疏散。

6 結(jié)論及建議

規(guī)范的傳統(tǒng)公式計(jì)算和采用計(jì)算模擬軟件對(duì)選取的車站進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：人員類型和疏散路徑均制約著人員疏散時(shí)間，其中疏散路徑是主要影響因素，而規(guī)范中僅僅考慮了疏散設(shè)施的理論通行能力對(duì)疏散時(shí)間的影響。雖然向下疏散與常規(guī)的人員疏散習(xí)慣相悖，但是在制訂消防應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)上，選擇合理的疏散路徑能夠顯著提高各個(gè)安全出口的疏散效率。為了有序組織人員的安全疏散，對(duì)消防廣播系統(tǒng)宜采用人工播音方式。定期檢查火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和消防廣播系統(tǒng)，確保火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和消防廣播系統(tǒng)的有效性，保障在火災(zāi)情況下能夠在較短的時(shí)間內(nèi)通知各區(qū)域的人員及時(shí)疏散。

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