地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散問題的研究

王 剛

地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散問題的研究

王 剛

本文從單多層建筑的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，研究人員安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)和疏散的空間過程，建立單多層建筑的簡化模型，運用軟件仿真模擬人員緊急疏散，得到時間與人員行為數(shù)據(jù)，并對地震環(huán)境下單多層建筑人員的疏散進(jìn)行分析與優(yōu)化。

地震 人員疏散 數(shù)值模擬

引言

近幾年來，我國各地區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā)，破壞建筑物，造成人員傷亡與財產(chǎn)損失，對國家公共安全造成極大危害[1]。據(jù)大量有效案例與資料顯示，造成地震中人員傷亡的主要原因在于地震發(fā)生時人員來不及疏散，因此，對地震時人員的應(yīng)急疏散研究顯得尤為必要。及時而有效地進(jìn)行人員疏散不僅對減少人員傷亡、減輕生命財產(chǎn)損失、安定民心等方面有巨大幫助，還有利于震后的救援工作及保障工作的展開[2]。目前，對于火災(zāi)環(huán)境下的疏散模擬研究較多，對于大型開放空間的人員安全疏散也有研究，但專門針對地震環(huán)境下的人員疏散問題的研究還不多[3]。

本文從單多層建筑的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)并根據(jù)建筑物的用途，研究其在地震中的疏散危險性。研究人員安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)和疏散的空間過程，建立單多層建筑的簡化模型，運用軟件仿真模擬人員緊急疏散，設(shè)置不同工況及人員條件，得到時間與人員行為數(shù)據(jù)，制定地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散的初步方案與優(yōu)化分析。

1 地震時單多層建筑人員疏散的研究背景與意義

目前，雖然我國高層與超高層建筑如雨后春筍般展現(xiàn)，但由于中國地域遼闊，地形復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重不平衡，單多層建筑還是占據(jù)我國建筑的大多數(shù)。而在地震災(zāi)害發(fā)生時，人員的安全疏散與其生命更是密切相關(guān)，如何有效地提高地震時人員的疏散效率、減少傷亡，已經(jīng)成為我國地震搶險救援領(lǐng)域中的重點。

單多層建筑的用途極為廣泛，被普遍應(yīng)用于多層住宅、公寓樓、學(xué)校、辦公、醫(yī)院、中小型賓館招待所等歌舞娛樂放映場所、甚至體育場館等民用和公共建筑中[4]，且建筑樣式靈活多變、建筑材料種類眾多，因此，對于地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散問題的研究具有一定社會價值和研究意義。

自唐山大地震、汶川地震、玉樹地震和最近的九寨溝地震后，國內(nèi)對建筑抗震設(shè)計與規(guī)范投入大量精力，進(jìn)行反復(fù)修改，但相對地人員對地震的反應(yīng)研究卻極為稀少，只能以國外的研究資料作為參考，其合理性大大降低。國外的研究資料顯然不能有效地解決我國人員安全疏散的具體問題，故對于地震的人員疏散的深入研究已經(jīng)刻不容緩[3]。

地震災(zāi)害時的歷史經(jīng)驗與大量資料表明，即使人員在面對災(zāi)害發(fā)生時的情況千差萬別，但其心理狀況、疏散行為等卻有跡可循，存在一定規(guī)律。由此，通過研究具有代表性的單多層建筑人員疏散的行為規(guī)律并建立地震疏散模型體系是有一定理論價值的。

2 研究對象的概況與人員疏散理論基礎(chǔ)

2.1 研究對象的概況

地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散問題的研究，由于建筑構(gòu)造較復(fù)雜，受其用途及內(nèi)部裝修、設(shè)施及人員行為等因素的影響，挑戰(zhàn)性和難度較大，經(jīng)參考資料并總結(jié)單多層建筑構(gòu)造及特點后[1,3,5]并結(jié)合軟件功能，選擇典型建筑某教學(xué)樓作為研究對象。學(xué)生是國家的未來，是社會的希望，而且教學(xué)樓是學(xué)生一天中停留時間最長的場所之一，且屬于典型的人員密集場所，對教學(xué)樓進(jìn)行地震疏散模擬研究可有效保障學(xué)生與教師的日常學(xué)習(xí)生活和工作，為其營造安全、放松的學(xué)習(xí)環(huán)境，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，能迅速安全地疏散至室外安全區(qū)域。

教學(xué)樓建筑的地震危險性相對較高，首先，教學(xué)樓屬于典型的人員密集場所之一，人員數(shù)量多、密度大，且學(xué)生大多數(shù)屬于未成年人，心理和生理狀況都較為不穩(wěn)定，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時，極容易在教室門口、樓梯出入口處發(fā)生擁擠，這會大大增加疏散時間，降低人員疏散的效率，還會引起人員的踩踏和傷亡事故。

經(jīng)大量資料顯示，地震從開始時至建筑破壞時間僅有12s，對于多層建筑，這段時間顯然是不夠的，如果再加上人員的擁堵和滯留時間，人員安全性將大大降低，后果十分嚴(yán)重。教學(xué)樓建筑的各個教室內(nèi)放置有大量桌椅，這對疏散又是另一影響因素。

圖1 建筑物中人員疏散過程圖

2.2 疏散基礎(chǔ)理論

地震災(zāi)害發(fā)生時，人員想要成功疏散到安全區(qū)域，需要滿足一定的條件即：所需安全疏散時間需小于可利用的安全疏散時間（required safety time ＜available safety time）。所需安全疏散時間（RSET）為地震時建筑物內(nèi)人員疏散至安全區(qū)域所需花費的時間，可利用的安全疏散時間（ASET）為地震發(fā)生時至地震對人員的生命安全產(chǎn)生危險時即疏散失效時所經(jīng)歷的時間。

按照地震發(fā)生時人員在疏散過程中所處的位置不同，大體來說，人員的安全疏散過程大致包括三個階段：第一階段為人員處于建筑物的某個房間內(nèi)，需通過該房間的疏散門到達(dá)疏散通道；第二階段為人員位于疏散通道內(nèi)，需通過走道和樓梯出入口到達(dá)疏散樓梯；第三階段為人員位于疏散樓梯中，需通過疏散樓梯到達(dá)建筑物的首層，經(jīng)過首層直通室外的安全出口到達(dá)室外，并疏散至安全區(qū)域。建筑物中人員疏散的過程如圖1。

3 人員疏散仿真模型的建立與運行

目前，有一些程序可實現(xiàn)災(zāi)難情況下人員疏散的模擬，如Building EXODUS、FDS+EVAC等20多種軟件。本文中選擇運用了Building EXODUS人員疏散仿真軟件。

3.1 地震疏散軟件介紹

Building EXODUS軟件模擬人與人、人與災(zāi)難、人與構(gòu)造物的相互作用，追尋受到熱、煙、有毒煤氣影響后，從室內(nèi)逃出的每個人的避難路徑的人員疏散避難模型模擬不同危險情況下，人員疏散的逃生時間、逃生路徑等情況，經(jīng)由模擬得出的疏散數(shù)據(jù)作為人員應(yīng)急疏散的依據(jù)。Building EXODUS軟件的應(yīng)用對象及其廣泛，該軟件可充分利用建筑內(nèi)逃生空間，定義不同人群情況、出口屬性、邊界、隔間、障礙物屬性、設(shè)置警報設(shè)備等情況進(jìn)行人員安全疏散模擬。

Building EXODUS軟件的開發(fā)并不只針對物理現(xiàn)象，還對人員的身體素質(zhì)、反應(yīng)心理、文化差異、個人行為特點、群體行為影響等屬性和參數(shù)進(jìn)行實時分析，從而得出每一位疏散人員疏散模擬開始時的位置、疏散避難路徑、人群擁擠情況、疏散時間、應(yīng)對危險情況的反應(yīng)時間、到達(dá)安全出口的時間、出口使用人數(shù)、出口流量等信息數(shù)據(jù)，而其他未考慮的因素，Building EXODUS軟件將自動以最壞情況開展模擬。

3.2 地震仿真模型的建立

本文選取的教學(xué)樓為多層公用建筑，建筑面積2516.96m2，建筑耐火等級二級，建筑總高21.5m，地震設(shè)防烈度7度，五層，鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)。

按照圖紙，該教學(xué)樓建筑中的每個教室、辦公室、設(shè)備間、廁所都是相互獨立的，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時，其中人員需先通過房間出口，經(jīng)疏散通道至樓梯疏散至建筑的首層，再利用首層的安全出口疏散至室外安全區(qū)域。

因此，在Building EXODUS軟件中可將圖紙適當(dāng)簡化，建立該教學(xué)樓的人員疏散仿真模型。

3.3 人員疏散的模擬

本文利用Building EXODUS疏散模擬軟件建立模型后，設(shè)置人群及心理參數(shù)，對教學(xué)樓內(nèi)人員疏散行動過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而測量人員疏散的行動時間。根據(jù)模擬結(jié)果得到的疏散行動時間（TMOVE）,即可計算得到人員所需要的安全疏散時間（RSET）。模擬疏散結(jié)果如表1、表2所示。

4 地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散的模擬分析與優(yōu)化

經(jīng)對教學(xué)樓簡化模型的人員疏散進(jìn)行多次模擬，全部疏散到室外的時間大約在520s左右，即8.7分鐘左右，所耗時間較長，無法保障地震災(zāi)害發(fā)生時，人員能夠全部疏散至安全區(qū)域。

4.1 地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散的模擬分析

對于上述情況，本文分析如下：

首先，由仿真疏散模擬的動畫來看，人員擁堵主要集中于疏散樓梯出入口、教學(xué)樓首層的出口等處，人員在這幾處徘徊擁擠行為較多，尤其擁擠隊伍后部人員反復(fù)躊躇行為加強，影響了正常疏散的秩序，人員不能依次順序通過出口，導(dǎo)致出口的人員疏散不規(guī)律。教室門有效寬度較小，約0.9m，僅能允許一人通過，故教室門口也存在滯留，但人員基本上能依次通過，擁堵情況較輕。

其次，人員疏散具有自覺就近性，學(xué)生與教師都默認(rèn)選擇離自己最近的出口疏散，即使距離稍遠(yuǎn)的出口通暢，也只有很少一部分人員選擇多行一段距離至較遠(yuǎn)出口，對樓梯的使用不太合理。結(jié)合以上兩點，地震災(zāi)害發(fā)生，人員自行疏散時，人員疏散極不均勻，一旦產(chǎn)生擁擠和滯留情況，人員心理波動較大，且在后方等待時間一長，數(shù)據(jù)顯示等待人員會產(chǎn)生左右躊躇、反復(fù)徘徊的行為，嚴(yán)重影響疏散時間。

4.2 地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散的優(yōu)化

為改善人員疏散時的擁堵滯留狀況，減少疏散時間，保證教師和學(xué)生的生命安全，本文提出改善建議如下：

4.2.1 適當(dāng)擴(kuò)大建筑構(gòu)件的寬度

因教學(xué)建筑內(nèi)常駐人員數(shù)量大，時間長，行動的時間和位置都相對集中，為加速人員疏散速度，減少擁堵，應(yīng)適當(dāng)增加教室的門、樓梯間入口與首層的安全出口等的數(shù)量或是有效寬度。

4.2.2 指定專人組織引導(dǎo)疏散

提前規(guī)劃疏散路徑甚至指派專人組織疏散對地震的人員疏散是非常有必要的，發(fā)生地震災(zāi)害時，人員通常存在“從眾”與“就近”心理，在關(guān)鍵通道處可有效疏通和分流滯留、擁堵的人群，盡量將所有的安全出口和疏散樓梯都應(yīng)用起來，可提高安全出口的利用率，穩(wěn)定教師和學(xué)生的心理狀態(tài)，減少擁堵時間，提高疏散效率。

4.2.3 適當(dāng)增加疏散樓梯數(shù)量或設(shè)置室外樓梯

表1 模擬結(jié)果統(tǒng)計表

表2 具體結(jié)果統(tǒng)計表

在常駐人員最多的樓層、部位適當(dāng)設(shè)置室外樓梯，可有效減少室內(nèi)疏散樓梯的疏散壓力，緩解人員擁堵和徘徊的狀況，并且為受困人員可提供更多應(yīng)急疏散方案甚至救援途徑。

5 結(jié)論與展望

本文以近年頻發(fā)的地震災(zāi)害為研究背景，從單多層建筑的地震危險性與建筑構(gòu)造特點入手，以減少疏散時間、增高疏散效率為出發(fā)點，建立了人員疏散仿真模型，進(jìn)行運行模擬，探討分析了模擬疏散結(jié)果的原因以及其人員疏散規(guī)律等問題。

經(jīng)對教學(xué)樓簡化模型的人員疏散進(jìn)行多次模擬，全部疏散到室外的時間大約在520s左右，即8.7分鐘左右，所耗時間較長，無法保障地震災(zāi)害發(fā)生時，人員能夠全部疏散至安全區(qū)域。人員擁堵情況不僅對疏散時間有影響，對人群的心理情況也有影響。易使人群產(chǎn)生恐慌情緒和不當(dāng)人員行為，疏散狀況更加混亂，導(dǎo)致疏散時間延長，降低疏散效果。

適當(dāng)擴(kuò)大建筑構(gòu)件的寬度；指定專人組織引導(dǎo)疏散；適當(dāng)增加疏散樓梯數(shù)量或設(shè)置室外樓梯，可有效提高安全出口的利用率，穩(wěn)定教師和學(xué)生的心理狀態(tài)，減少擁堵時間，提高疏散效率，且為受困人員提供了更多應(yīng)急疏散方案甚至救援途徑。

人員疏散時間實際上是一個隨機變量，會因各種情況的變化而變化。在進(jìn)行模擬的過程中，存在許多隨機性很大的因素影響著疏散時間，如人員行為不可能每次完全一致，恐慌混亂程度每次皆有不同，反應(yīng)時間、疏散路徑都會有變化，導(dǎo)致同一工況設(shè)置條件下疏散時間也有不同。

[1] 呂志明, 王婷婷, 張付有. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地震逃生游戲的設(shè)計—以地震緊急疏散為例[J]. 計算機工程應(yīng)用技術(shù), 2015, 11(11): 208-209.

[2] 嚴(yán)銘姣, 楊旸, 陳楊. 地震時建筑中人員行為的研究[J]. 重慶建筑, 2015, 14(143): 20-22.

[3] 姜云昭, 朱萬紅, 邱國慶等. 地震次生災(zāi)害影響條件下人員疏散問題的研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2008, 4(1): 38-41.

[4] 住宅和城鄉(xiāng)建設(shè)部抗震救災(zāi)應(yīng)急評估專家第一組：姚秋來, 薛彥濤, 曾德民等. 5.12汶川特大地震都江堰災(zāi)區(qū)震害調(diào)查[D]. 工程抗震與加固改造,2008.30(4): 12-23.

作者單位：北京市昌平區(qū)公安消防支隊