突發(fā)情況下高校教學樓學生疏散行為仿真研究

柴文浩，郭 毓，周翀翀，沈 靜，2*

(1.北京石油化工學院安全工程學院，北京 102617； 2.北京市安全生產工程技術研究院，北京 102617)

在高校教學樓中，若無任何突發(fā)意外事件，學生按照一定順序進行同向相對勻速的疏散，此時發(fā)生事故的概率較?。欢谕话l(fā)意外事件等干擾因素發(fā)生的情況下，若沒有有效的安全管理就容易發(fā)生災難性事故。特別是火災事故，若無有效措施，隨著時間的增長，事故呈現(xiàn)不斷擴大化的趨勢，極易引發(fā)嚴重的學生傷亡事故。如2007年埃及愛資哈爾大學因教室起火而導致慌亂逃離的學生發(fā)生踩踏事故，致百余人死傷[1]。因此，筆者通過研究在突發(fā)火災情景下教學樓內的人員流動[2-3]，選取影響人員疏散速度的因素，通過改變主要影響因素使人員緊急疏散的時間盡可能最短、傷亡最小，以達到最好的安全效果，從而實現(xiàn)對高校教學樓的安全管理評估并提出改進意見[4-5]。

1 教學樓概況

該教學樓共4層，其平面示意圖如圖1所示。

圖1 教學樓平面圖Fig.1 Floor plan of teaching building

教學樓內左側1樓為禮堂，右側近似矩形區(qū)域為教學樓主要教學服務區(qū)，其中1層教學樓共5間大教室，每個教室能容納200人；2、3層結構相似，每層有8間教室，每間教室能容納100人；4層有8間小教室，每間能容納30人。教學時間內約有1 000～1 500名學生處在教學服務區(qū)內。教學區(qū)域內部有3處樓梯，樓梯在圖1中為白色部分；教學樓出口分布在樓梯附近，在圖1中由黑色實線標示。

2 建立Anylogic仿真模型

2.1 應急疏散仿真系統(tǒng)建立

Anylogic仿真模擬軟件能夠對離散事件、連續(xù)事件以及混合系統(tǒng)進行建模和仿真模擬，以實現(xiàn)對交通運輸、供應鏈服務、人員疏散以及物流系統(tǒng)的仿真模擬研究。Anylogic仿真模擬軟件由道路交通庫、流體庫、軌道庫、行人庫等元素組成，由于研究的是行人應急疏散問題，所以主要使用行人庫進行建模分析。在建立空間標記過程中，將學校教學樓的CAD二維圖紙導入軟件中，并通過行人庫中的元素創(chuàng)建服務模塊和物理環(huán)境。在進行疏散分析的過程中，可以設置邏輯參數(shù)和函數(shù)對行人行為進行要求，以保證仿真過程盡可能與實際相匹配。

文獻[6] 中的研究表明，人員行動變化主要受焦慮因子和隨機因子2個變量的影響，在正常疏散過程中對人群疏散的影響不明顯，但在行人密度較大、競爭較為激烈的情況下，其對疏散人群的心理和行動有明顯影響。在Anylogic模型仿真中，可以通過改變行人速度、變更函數(shù)等方式來模擬2個變量對行人疏散效率的影響。

在Anylogic仿真模擬中，學生流分為正常流程和應急疏散流程，在正常流程中，學生從3個入口進入教學樓，隨機進入各個樓層、教室進行活動。

在發(fā)生突發(fā)事件時，行人會在一段反應時間后開始疏散行動，在教學樓進行應急疏散過程中，學生從教學樓樓梯進行有序疏散，在1樓的各個出口進行疏散撤離。

根據(jù)上述方法建立邏輯模型，對正常流程和緊急疏散流程進行建模，學生進入教學樓后，在教學樓內的教學服務區(qū)域進行活動。仿真系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

2.1.1 疏散路徑選擇

在疏散活動開始時，學生通過預先設置的函數(shù)選擇最近的路徑逃生。函數(shù)會通過計算學生坐標與疏散出口距離來尋找最近出口[7-8]。

2.1.2 人體模型

人體模型尺寸由人體投影在地面上所占面積和安全間距兩部分組成，人體實際所占面積主要由肩寬決定，安全間距指為了避免與障礙物碰撞所保持的距離，主要取決于速度和生理條件。在安全疏散過程中，人體模型尺寸對安全通道、疏散樓梯有較大的影響。根據(jù)《中國成人人體尺寸》規(guī)范[9]，女性平均肩寬為387 mm，男性平均肩寬為415 mm。

2.2 不同人流水平下疏散方案設計

根據(jù)現(xiàn)場勘查及學校官網公布的數(shù)據(jù)可知，該教學樓在教學時間內人流量約1 000～1 500人次。因此，以教學樓為研究對象，通過設置不同人流水平進行仿真疏散模擬分析：

疏散方案1：教學樓學生人數(shù)達到1 000人時，教學樓2樓某教室發(fā)生火災應急疏散仿真；

疏散方案2：教學樓學生人數(shù)達到1 250人時，教學樓2樓某教室發(fā)生火災應急疏散仿真；

疏散方案3：教學樓學生人數(shù)達到1 500人時，教學樓2樓某教室發(fā)生火災應急疏散仿真。

本次應急疏散起始時間為應急疏散開始時刻，建筑物內人員數(shù)量減少到0為結束時刻。

疏散方案1的模擬結果如圖3所示，此時為學生正常流動狀態(tài)，教學樓內人數(shù)為1 000人。

圖3 疏散方案1開始前行人流動圖Fig.3 Pedestrian flow before the start of evacuation plan 1

(1)開始應急疏散后3個安全出口開放，各樓行人通過樓梯到達1層，和1層學生共同向最近的安全出口移動，行人默認所有橙色線條為墻體所以繞行逃生。

(2)直到教學樓內學生全部離開建筑物，應急疏散結束總疏散時間為255 s，總疏散人數(shù)為1 000。

(3)根據(jù)上述方法，改變建筑物內總人數(shù)進行另外2個疏散方案的仿真實驗，結果如表1所示。

表1 3種疏散方案仿真結果Table 1 Simulation results of 3 evacuation schemes

2.3 不同人流水平下疏散效率分析

余高明等[10]研究表明，高校教學樓走廊在火災發(fā)生4～5 min(240～300 s)后產生的煙氣即可達到對人體有害的濃度。而此次模擬試驗中在學生人數(shù)達到1 500人時，疏散時間達到了325 s，顯然對學生身體健康會造成一定傷害。為了進一步提高疏散效率、減短疏散時間，需要發(fā)現(xiàn)疏散過程中存在的問題并提出疏散方案。疏散開始時人員密度分布如圖4所示。在疏散開始時，教室內的學生流向教室出口，導致?lián)頂D。其中紅色表示人員密度高。

圖4 疏散開始時人員密度分布Fig.4 Personnel density distribution at the beginning of the evacuation

從圖4中可以看出，在疏散過程中，學生的分布是不均勻的，主要集中在教室中。在疏散過程中因為學生會尋找最近出口逃生，某些區(qū)域會形成疏散瓶頸。在疏散初期學生從教室前后門撤離進入走廊，由于出口數(shù)量和出口大小不同造成擁擠；疏散中期，距離出口較近的學生已經成功疏散，而靠里的學生因為距離遠且存在障礙物的原因疏散速度較慢，樓梯入口連接處出現(xiàn)擁堵，且由于低層學生疏散路線與下樓學生路線交叉造成上層學生難以融入逃生隊伍中。在出口處，由于出口寬度有限，最寬的有效出口僅有3.2 m，其余2個則只有2.4 m和1.5 m，根據(jù)《中國成人人體尺寸》中成年男性和成年女性肩寬來看，出口最多能允許17人同時疏散，而其余疏散的學生只能等待前面的學生疏散完成后才可以從出口撤離完成疏散，所以在1樓出口處會造成明顯擁擠。疏散后期學生剩余較少則不存在瓶頸現(xiàn)象。

3 優(yōu)化方案設計及結果分析

3.1 影響因素分析

李若菲等[11]對不同樓梯布局條件下疏散效果進行了仿真研究，結果表明不同樓梯類型對疏散速度影響在0.1 m/s內。何怡婧等[12]研究認為，學生在熟悉的環(huán)境中能較為熟練地進行緊急疏散，不至于產生恐慌心理。而建筑物的出口在人員疏散中占據(jù)至關重要的地位，對出口寬度的合理設計能避免疏散時發(fā)生堵塞。因此，選用出口寬度和增加疏散引導方式作為重要影響因子進行疏散方案的優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案設計

3.2.1 增加出口寬度

出口是決定應急疏散的一個重要因素，在突發(fā)事件發(fā)生后，學生若能快速撤離將會大大提高疏散效率。

3.2.2 疏散引導

前人研究發(fā)現(xiàn)[13]，學生移動速度隨人流密度增大到一定峰值后減小，如圖5所示。由圖5中可以看出，在堵塞區(qū)域中低密度人群不斷融入高密度人群，因此需要疏散引導降低學生人流密度，從而增加學生移動速度，提升疏散效率。

3.3 優(yōu)化結果

由于疏散方案3涉及到的人數(shù)最多，因此對疏散方案3即1 500人同時疏散的方案進行優(yōu)化，優(yōu)化后再次進行仿真模擬，得到疏散時間如表2所示。

表2 優(yōu)化后疏散時間Table 2 Optimized evacuation time

從表2中可以看出，在優(yōu)化前疏散時間不能夠達到300 s以內，未完成疏散學生易受到煙氣傷害，而在增加出口寬度和設置疏散向導后均對疏散起到了正面影響，且能夠在300 s內完成疏散，大大提高了疏散效率。

同時，在應急預案的制定中不僅可以使用這2種方法，還可以通過增加疏散通道等方式提高疏散效率。

4 結論

(1)選取Anylogic進行仿真建模，對不同人流水平下高校教學樓學生疏散進行模擬研究，結果表明，當教學樓人數(shù)小于1 500人時，可以在有效時間內完成安全疏散；而當學生人數(shù)為1 500人(及以上)時，無法在300 s內完成安全疏散。

(2)通過增加出口寬度和設置疏散向導分別對1 500名學生應急疏散方案進行優(yōu)化，結果表明，2種新方案均可在300 s內完成安全疏散，優(yōu)化效果明顯。

(3)通過Anylogic仿真模擬試驗，可以為學校有關部門應急預案的制定提供理論基礎。