建筑出口對人員疏散影響的計算機仿真模擬及分析

丁元春， 李文健， 翁發(fā)祿， 支學(xué)藝， 林大建

（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，安全問題尤其是人身安全，受到越來越廣泛的關(guān)注.在災(zāi)難來臨之時，人類無法阻擋其發(fā)生，但卻可以通過一定的手段減小災(zāi)害造成的損失[1-3].特別是一些公共建筑，災(zāi)害發(fā)生時人員較為密集，例如美國世貿(mào)大廈在發(fā)生恐怖襲擊的時候，據(jù)不完全統(tǒng)計大致也有17560人活動在大廈里面[4].上海金茂大廈每天有4000多人在里面上班，同時每天前來的訪客也可以達到數(shù)千名[5]；其他常見人員密集場所如圖1所示.在意外發(fā)生過程中，如果能夠?qū)θ藛T進行及時疏散，那么生命財產(chǎn)的損失將大大降低.由于疏散過程受到場所及人員行為特性限制，因此，實現(xiàn)高效安全的人員疏散具有一定的難度.在最近幾十年來，各類場景下人員的疏散方法與疏散策略的研究一直是安全領(lǐng)域的熱點之一.同時，在大量學(xué)者的共同努力下，已提出了大量相關(guān)的技術(shù)與方法.例如，社會動力學(xué)模型[6]、元胞自動機模型[7-8]、格子氣模型[9]、地面場模型[10]、精細離散模型[11]等，均已被廣泛研究并應(yīng)用于緊急情況下人員疏散時間及速度的計算.

值得指出的是，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，各類疏散軟件也得到了較好的發(fā)展，如Pathfinder、FDS+Evac、 FPETool、EVACNET4、 TIMTEX、 WAYOUT、STEPS、 PedGo、 EDROUTE/PAXPORT、 Simulex、GridStream、ASERI、buildingEXODUS、EXITT、Legion等數(shù)十種仿真軟件均已用于人員疏散的研究中.在眾多疏散軟件之中，Pathfinder具有容易實現(xiàn)，仿真效果好，疏散過程較真實等特點[12-14].其運用圖形構(gòu)建建筑物模型，并基于計算機相關(guān)技術(shù)完成疏散過程的建模.多種類的仿真模型及個體屬性的可定制特點使得我們很容易實現(xiàn)不同情境下的疏散過程仿真，并計算疏散時間的邊界值.在過去的十多年中，大量學(xué)者通過不斷努力已取得許多基于Pathfinder軟件的相關(guān)研究成果.例如，文獻[15]基于Pathfinder研究了樓梯和電梯的耦合疏散，并實現(xiàn)了其優(yōu)化設(shè)計；文獻[16]基于Pathfinder研究了購物廣場內(nèi)部布局對人員疏散的影響，并提出了疏散時間較短的布局方案；文獻[17]基于Pathfinder研究了人員疏散對于有效減少踩踏事故發(fā)生的重要意義，揭示大型公共場所人員密集區(qū)域人員疏散行為規(guī)律特征.更多相關(guān)研究成果可參考文獻[18-20]等相關(guān)文獻.

此外，楊立中等通過對人員疏散過程的觀測發(fā)現(xiàn)，出口的擁堵情況對疏散的效率影響非常嚴重[21].在最近幾年中，部分學(xué)者對出口對疏散的影響進行了進一步研究，并獲得了一些成果，如，張立紅等[22]基于元胞自動機對疏散出口距離和出口人群聚集密度對人員疏散的影響進行了數(shù)值模擬，得到了出口選擇模型,實現(xiàn)了模型的定量化表示.文獻[23]基于元胞自動機對多出口室內(nèi)行人出口選擇行為進行了研究，通過引入出口代價,使得模型能合理地描述多出口的室內(nèi)行人疏散.文獻[24]探討了影院不同出口及走道位置對人員疏散效率的影響，得到當(dāng)出口對稱設(shè)置在觀眾前方左右兩側(cè)，走道設(shè)置在觀眾兩側(cè)時，此時房間布局為最佳疏散場景，疏散效率最高.更多相關(guān)研究成果，讀者可參考文獻[25-27]等相關(guān)文獻.

本文主要基于Pathfinder研究出口位置、數(shù)量及導(dǎo)流墻對人員疏散的影響.主要有以下三個方面：①在出口總寬度一定的情況下，通過改變出口的數(shù)量研究其對疏散時間的影響；②在出口寬度一定的情況下，通過改變出口的放置地點研究出口位置對疏散時間的影響；③在出口數(shù)量及位置不變的情況下，通過改變在出口的兩邊有無導(dǎo)流墻研究導(dǎo)流墻對疏散速度的影響.以上研究成果將對建筑出口的設(shè)計、管理及緊急情況下人員疏散策略的制定與實施提供指導(dǎo).

1 人員疏散模型

本文主要研究建筑出口對疏散的影響，為了減少其他不必要的干擾，在此不考慮室內(nèi)布局.基于Pathfinder軟件建立模型如圖2所示，該建筑長13.3 m，寬6.5 m，總面積為86.45 m2.門位于建筑的一側(cè)，為了便于討論數(shù)量及位置等參數(shù)對疏散結(jié)果的影響，在此將門的數(shù)量、寬度和位置設(shè)定為可調(diào)整.為了消除人員屬性差異對仿真結(jié)果的影響，所有人員采用統(tǒng)一屬性：肩寬45.58 cm；高度182.88 cm；正常移動速度1.19m/s；加速時間1.1 s；碰撞響應(yīng)時間1.5 s；舒適距離0.08m.

圖2 平面建筑模型

2 仿真模擬及結(jié)果分析

2.1 出口數(shù)量對疏散時間的影響

出口是疏散過程中時常出現(xiàn)的瓶頸，其大小和數(shù)量都對疏散速度有重要的影響.為了分析出口數(shù)量對疏散時間的影響規(guī)律，在此考慮4種情景（出口總寬度均為4m，但數(shù)量不同）.情景1：出口數(shù)量為8，每個出口的寬度為0.5m，見圖3（a）；情景 2：出口數(shù)量為4，每個出口的寬度為1m，見圖3（b）；情景3：出口數(shù)量為2，每個出口的寬度為2 m，見圖3（c）；情景4：出口數(shù)量為1，出口的寬度為4 m，見圖3（d）.眾所周知，被疏散人員數(shù)量的多少影響到疏散過程中是否出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象.為了分析不同被疏散人員數(shù)量情況下，出口數(shù)量對疏散過程的影響程度.在此選擇總疏散人數(shù)分別為10、50、100、150、200五種被疏散人員數(shù)量情況，為了減小人員分布對疏散過程的影響，4種情景中均采用相同的人員分布情況（圖3為被疏散人數(shù)為150人時的人員分布情況）.

圖3 不同出口情景示意

通過仿真實驗可得，人數(shù)為200人時，情景1至情景4完成疏散所消耗的總時間分別為51.3 s、40.3 s、35.5 s及35 s，其他實驗數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表1.由表1可得不同被疏散人員數(shù)量情況下完成疏散所消耗總時間的變化曲線，詳見圖4.從表1和圖4可知，當(dāng)被疏散人員數(shù)量較少時，出口數(shù)量對疏散總時間影響較?。ㄌ貏e是被疏散人員只有10人時，四種情景的疏散時間相同）；但是隨著被疏散人數(shù)的增加，情景4表現(xiàn)出的疏散優(yōu)勢越來越明顯，例如，當(dāng)被疏散人員為200人數(shù)，情景1需要51.3 s，而情景4只需35 s.也就是說，被疏散人員數(shù)量較少的情況下，出口數(shù)量對疏散時間沒有多大的影響；而被疏散人員數(shù)量較多的情況下，越少的出口數(shù)量疏散時間越短.通過觀察疏散過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被疏散人員數(shù)量較多的情況下，在出口處會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象.同時，出口的寬度越窄，堵塞越厲害，進而造成出口數(shù)量越多，疏散速度越慢.

表1 不同出口數(shù)量情況下完成疏散所消耗的總時間/s

圖4 不同出口情景下完成疏散所消耗的總時間曲線

2.2 出口位置對疏散的影響

目前，建筑出口位置主要有3種情況，見圖5所示：位置1位于左邊，位置2位于中間，位置3位于右邊.其中位置1與位置3對稱，屬于同一種情況，因此，本文只考慮位置1和位置2兩種情況.設(shè)定建筑物有2m寬的出口1個，出口位置選擇圖5所示的位置1和2兩種情況，位置1處門離左邊墻的距離為0.15 s；位置2處門位于墻的中間位置.為了分析被疏散人員不同數(shù)量情況下，出口位置對疏散過程的影響程度.在此選擇總疏散人數(shù)分別為 10、20、50、100、150、200 六種被疏散人員數(shù)量情況.為了減小人員分布對疏散過程的影響，不同出口位置情況下均采用相同的人員分布情況.

圖5 建筑樓面出口位置

通過實驗可得，人數(shù)為200人時，位置1及位置2完成疏散所消耗的總時間分別為64.5 s及72.8 s，其他實驗數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表2.由表2可得不同出口位置情況下完成疏散所消耗總時間的變化曲線，詳見圖6.從表2和圖6可知，當(dāng)被疏散人員數(shù)量較少時，位置2具有明顯的疏散優(yōu)勢（例如被疏散人員只有10人時，位置1需要11.3 s，而位置2只需要8.0 s）；但是隨著被疏散人員的增加，位置1開始由疏散劣勢轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢，并且隨人數(shù)的增加，疏散優(yōu)勢越來越明顯，例如，當(dāng)被疏散人員為200人數(shù)，位置1只需64.5 s，而位置2需要72.8 s.也就是說，被疏散人員數(shù)量較少的情況下，與位置1相比，位置2能夠獲得更短的疏散時間；而被疏散人員數(shù)量較多的情況下，位置1反而有利于提高疏散速度，進而獲得更短的疏散時間.通過觀察疏散過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被疏散人員較少的情況下，人員疏散通道暢通，總疏散時間由被疏散人員到出口的最遠距離決定.圖5中右上角圈中人員離位置1出口的距離明顯大于位置2出口的距離，當(dāng)疏散通道暢通，且移動速度相同時，該人通過位置2出口明顯可以獲得更短的疏散時間.隨著被疏散人員數(shù)量增加，在疏散出口慢慢出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，且被疏散人員數(shù)量越多，擁堵越嚴重，疏散時間也慢慢地從由距離決定轉(zhuǎn)換到由擁堵程度決定.從疏散過程可以看出，在出口寬度相同的情況下，位置1的抗擁堵性能明顯優(yōu)于位置2，這主要是位置1靠近左邊的墻取得了一定的導(dǎo)流作用.在此，可以猜想如果出口的右邊也有一堵墻，疏散速度可以得到更多提高.下文將繼續(xù)通過實驗分析導(dǎo)流墻的作用.

表2 不同位置出口完成疏散所消耗的總時間/s

圖6 不同出口位置情況下所需的疏散時間

2.3 導(dǎo)流墻對疏散的影響

為了進一步研究出口對人員疏散的影響.文中在圖5位置1的右邊及位置2的左右兩邊分別加上不可跨越的導(dǎo)流墻（見圖7中的白色線所示）.在此選擇總疏散人數(shù)分別為 10、20、50、100、150、200六種被疏散人員數(shù)量情況.

圖7 導(dǎo)流墻位置示意

通過實驗可得，人數(shù)為200人時，有導(dǎo)流墻情況下位置1及位置2完成疏散所消耗的總時間分別為61.8 s及61.3 s，其他實驗數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表3.由表3可得有導(dǎo)流墻情況下位置1及位置2完成疏散所消耗總時間的變化曲線，詳見圖8.從表2和圖8可知，當(dāng)被疏散人員數(shù)量較少時，導(dǎo)流墻對疏散有一定阻礙作用 （例如被疏散人員只有10人時，無導(dǎo)流墻位置1疏散時間為11.3 s；有導(dǎo)流墻位置1疏散時間為12.8 s）；但是隨著被疏散人數(shù)的增加，導(dǎo)流墻對疏散速度的提升表現(xiàn)得越來越明顯，當(dāng)被疏散人員為200人數(shù)，有導(dǎo)流墻情況下位置1的疏散時間從64.5 s縮短到61.8 s，位置2的疏散時間從72.8 s縮短到61.3 s.也就是說，當(dāng)被疏散人員在出口處出現(xiàn)擁堵的情況下，導(dǎo)流墻可以有效提高出口的通暢程度，縮短疏散時間.同時，在有導(dǎo)流墻情況下，疏散人數(shù)較少時位置2比位置1優(yōu)勢較大 （當(dāng)被疏散人數(shù)為20人，疏散時間差距13.5-10.5=3（s），但是隨著被疏散人員的增加，位置2與位置1的疏散時間越來越接近（當(dāng)被疏散人數(shù)為200人，疏散時間差距61.8-61.3=0.5（s）.也就是說，在有導(dǎo)流墻情況下，疏散人員較少時，總疏散時間由疏散距離決定；而疏散人員較多時，總疏散時間由疏散出口的通暢程度決定.

表3 有導(dǎo)流墻時不同位置出口完成疏散所消耗的總時間/s

圖8 有無導(dǎo)流墻情況下疏散時間曲線

3 結(jié) 論

文中基于Pathfinder軟件研究了出口數(shù)量、位置及導(dǎo)流墻對人員疏散的影響.主要研究結(jié)果包括三個方面：①在出口總寬度一定的情況下，被疏散人員數(shù)量較少時，出口數(shù)量對疏散時間沒有多大影響；被疏散人員數(shù)量較多并在出口處出現(xiàn)擁堵時，出口數(shù)量越少越有利于提高疏散速度，進而獲得更短的疏散時間.②當(dāng)被疏散人員較少且出口處疏散通暢時，總疏散時間由被疏散人員到出口的最遠距離決定.當(dāng)被疏散人員較多且在出口處出現(xiàn)擁堵（被疏散人員數(shù)量越多，擁堵越嚴重）時，兩邊的出口（見圖5中的位置1和3）比中間的出口（見圖5中的位置2）疏散速度更快，能夠有效縮短疏散時間.③當(dāng)被疏散人員數(shù)量較少時，導(dǎo)流墻對疏散有一定阻礙作用；當(dāng)被疏散人數(shù)較多且在出口處出現(xiàn)擁堵時，導(dǎo)流墻可以有效提高出口的通暢程度，縮短疏散時間.特別是當(dāng)出口位于中間（見圖5中的位置2）時，導(dǎo)流墻的對疏散速度的提升效果最明顯.以上研究方法與元胞自動機相比，明顯具有操作簡單，可視化強及結(jié)果更真實等特點.研究成果對建筑出口的設(shè)計、管理及緊急情況下人員疏散具有一定的指導(dǎo)作用.