豪華郵輪不同樓梯布置的乘員疏散效率分析

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

樓梯作為各類建筑物的主要疏散環(huán)節(jié)，其布置的合理與否對(duì)人員疏散有重要的影響作用。合理的設(shè)計(jì)能提高交通設(shè)施的通行能力, 緩解行人擁擠并節(jié)約資源；不合理的樓梯布置輕則影響行人正常行走，造成擁堵，重則引發(fā)嚴(yán)重踩踏事故，造成人員傷亡[1]。合理的樓梯布置，要充分考慮疏散過程中人員的行為、規(guī)律等，如樓梯運(yùn)動(dòng)中的匯流行為和被疏散者流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2-3]及疏散過程中動(dòng)態(tài)受力作用[4-5]等，研究人員行為、疏散規(guī)律等多借助于行人模型，主要包括社會(huì)力模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型[6]及格子氣模型等。此外，合理的樓梯布置還應(yīng)該考慮特殊環(huán)境的影響，如船舶在海上航行時(shí)受波浪的影響而傾斜、搖晃[7]，或者船舶內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致能見度降低等因素也會(huì)影響乘員的安全疏散。目前少有關(guān)于不同樓梯布置條件下對(duì)人員疏散影響的研究，關(guān)于豪華郵輪的不同樓梯布置條件對(duì)人員疏散影響更少報(bào)道?；诖?，使用Pathfinder軟件建立某豪華郵輪的物理模型進(jìn)行疏散模擬，通過改變?cè)摵廊A郵輪樓梯的尺寸、數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)，觀察乘員在不同樓梯布置狀況下的樓梯處的疏散行為及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探究樓梯在不同布置條件下對(duì)人員疏散效率的影響。

1 數(shù)值建模

1.1 數(shù)值模擬軟件Pathfinder計(jì)算基礎(chǔ)

Pathfinder支持兩種運(yùn)動(dòng)模擬方式:SFPE與Steering模式。由于Steering更能真實(shí)地體現(xiàn)大規(guī)模人員疏散過程中的人員行為，并且能有效避免SFPE模式下大密度人群聚集時(shí)可能出現(xiàn)的踩踏事故，更加科學(xué)。在研究單一變量對(duì)人員疏散的影響時(shí)，均選用Steering模式進(jìn)行疏散模擬。

1.2 模型設(shè)置

構(gòu)建豪華郵輪模型主要參數(shù)見表1。郵輪中3～16層為游客可以到達(dá)樓層，層高5 m，其中客艙分布于第3層、第6層至第13層。該郵輪共有客艙2 094間，每間客艙面積20～40 m2不等，走廊寬度1～2 m。疏散前全船4 905名乘客均分布在客艙內(nèi)，每間客艙2～5人，每層人員數(shù)與客艙數(shù)見表2。

表1 模型原郵輪主要參數(shù)

根據(jù)郵輪實(shí)際設(shè)置，救生艇位于5層甲板，在模型中將5層甲板左右舷處設(shè)置為最終疏散出口，即人員到達(dá)5層左右舷處即認(rèn)為人員已被安全疏散。船頭縱向中部位置有一個(gè)樓梯，船尾有兩個(gè)樓梯，在郵輪縱向兩側(cè)對(duì)稱分布，所有樓梯寬度均為3 m。

表2 各層客艙數(shù)及人數(shù)設(shè)置

1.3 模擬場(chǎng)景設(shè)置

從樓梯寬度、數(shù)量和空間布局三方面考慮樓梯在不同布置條件下對(duì)人員疏散的影響，具體場(chǎng)景設(shè)置如下。

1)場(chǎng)景1。分別將各樓梯寬度減少1.5、1、0.5 m及增加0.5 m。

2)場(chǎng)景2。將船尾處2個(gè)寬度為3 m的樓梯改為3個(gè)寬度為2 m的樓梯，其余不變。

3)場(chǎng)景3。將船頭處寬度為3 m的樓梯改為2個(gè)寬度為1.5 m的樓梯，其余不變。

4)場(chǎng)景4。以船尾處3個(gè)2 m樓梯模型為基礎(chǔ)，將船尾處的中間樓梯移動(dòng)至郵輪中部合適位置，其余不變。

2 結(jié)果與討論

《新造客船及現(xiàn)有客船疏散分析修訂指南》指出，客船人員疏散總時(shí)間的表達(dá)式為

TREST=1.25(A+T)+2/3(E+L)

(1)

式中：A為響應(yīng)時(shí)間，取10 min；E為人員到達(dá)救生艇所在甲板后的登艇時(shí)間；L為救生艇下放時(shí)間。通常規(guī)定(E+L)不大于30 min，取30 min。指南中的人員疏散時(shí)間要求：3層以上的郵輪所允許的總疏散時(shí)間TREST為80 min。

對(duì)4種樓梯不同布置場(chǎng)景進(jìn)行模擬，結(jié)果見表3。

表3 不同場(chǎng)景下人員疏散時(shí)間模擬結(jié)果

計(jì)算疏散總時(shí)長(zhǎng)減少率η。

(2)

式中：T0表示初始場(chǎng)景下的疏散總時(shí)長(zhǎng)，Ti(i=1、2、3、4)表示場(chǎng)景1～4的疏散總時(shí)長(zhǎng)。T1為只考慮改變樓梯寬度的場(chǎng)景1的總疏散時(shí)間，對(duì)應(yīng)4種情況總疏散時(shí)間的減少率分別為-0.45%、3.57%、1.30%、-0.90%。場(chǎng)景2～場(chǎng)景4的疏散總時(shí)長(zhǎng)減少率分別為0.25%、7.50%、18.89%。

對(duì)比原始場(chǎng)景和場(chǎng)景1的人員疏散情況：增加樓梯寬度不僅會(huì)使得單位寬度內(nèi)的疏散效率明顯下降，甚至?xí)黾涌偸枭r(shí)長(zhǎng)。而適當(dāng)減小樓梯寬度，會(huì)使得疏散效率明顯提高。寬度減小1 m時(shí)，疏散效率增率達(dá)到最大值，且此時(shí)疏散時(shí)間最短。繼續(xù)減小疏散寬度至1.5 m，平均疏散效率仍在增長(zhǎng)，但其總疏散時(shí)長(zhǎng)明顯增加，有悖于保障人員疏散安全的基本原則，因此，認(rèn)為在現(xiàn)有條件下，樓梯寬度應(yīng)該減少1 m。

場(chǎng)景2和場(chǎng)景3都是在保證總疏散寬度不變的基礎(chǔ)上，分別改變船尾和船頭樓梯數(shù)量。場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系見圖2、3，結(jié)合表3發(fā)現(xiàn)：將船尾處2個(gè)3 m樓梯改為3個(gè)2 m樓梯，場(chǎng)景2下的疏散總用時(shí)減少率為0.25%，改進(jìn)效果并不明顯；將船頭處1個(gè)3 m樓梯修改為2個(gè)1.5 m樓梯，即場(chǎng)景3的總疏散時(shí)長(zhǎng)為2 582.5 s，比起原始場(chǎng)景下的2 792 s有明顯縮短。

圖1 場(chǎng)景2下的疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

圖2 場(chǎng)景3下的疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

場(chǎng)景4是對(duì)場(chǎng)景2的一種優(yōu)化：即以船尾處3個(gè)2 m樓梯模型為基礎(chǔ)，將船尾處的中間樓梯移動(dòng)至郵輪中部合適位置。模擬結(jié)果顯示，場(chǎng)景4疏散總時(shí)長(zhǎng)僅為2 264.8 s，疏散總用時(shí)減少率為18.89%，相比于原始疏散場(chǎng)景有了明顯的改進(jìn)效果。

結(jié)合模擬的3D視圖對(duì)以上模擬結(jié)果進(jìn)行分析：樓梯寬度過寬會(huì)使得樓梯的外側(cè)人員難以在樓梯平臺(tái)處完成轉(zhuǎn)向，反而更容易造成人員擁堵，不利于疏散；相反，適當(dāng)減小樓梯寬度，疏散效率會(huì)得到明顯提高；適當(dāng)增加樓梯數(shù)量，并對(duì)樓梯合理布局，可以有效地將人員進(jìn)行分流，縮短部分客艙人員的疏散路徑，提高人員疏散效率。

為進(jìn)一步提高郵輪人員疏散效率，綜合上述有明顯優(yōu)化效果的改進(jìn)措施，在不增加總樓梯寬度的基礎(chǔ)上，提出兩種優(yōu)化方案，其中疏散時(shí)間較短者即為最佳優(yōu)化方案。方案一：①將船尾處的樓梯寬度減至2 m，仍保持兩個(gè)樓梯在郵輪縱向左右兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置；②在郵輪中部位置設(shè)置一個(gè)寬度為2 m的樓梯；③船頭處的樓梯分為寬度為1.5 m的2個(gè)樓梯，并在郵輪縱向兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置，這種方案設(shè)施并未改變總樓梯寬度，只是在現(xiàn)有的寬度要求下對(duì)樓梯位置進(jìn)行重新分布。方案二：①②與方案一相同；③將船頭處的樓梯寬度減至2 m，這種方案減少了總樓梯寬度，更加經(jīng)濟(jì)。模擬結(jié)果見表4。

表4 兩種優(yōu)化方案下的模擬時(shí)間結(jié)果

根據(jù)式(1)，計(jì)算得到以上兩種優(yōu)化方案的總疏散時(shí)間均在80 min以內(nèi)，即兩種優(yōu)化方案均可使得全船人員可以成功疏散。由式(2)計(jì)算出優(yōu)化后的兩種方案的疏散總時(shí)長(zhǎng)減少率分別為19.49%和21.51%，兩種改進(jìn)方案對(duì)人員疏散的改進(jìn)效果顯著。

樓梯數(shù)量的增加可以實(shí)現(xiàn)人員分流，從而緩解擁堵現(xiàn)象，提高疏散效率。但是當(dāng)船頭處樓梯寬度從3 m降至1.5 m時(shí)，狹窄的樓梯寬度反而限制了人員的順利疏散。綜合疏散時(shí)間和疏散效率，方案二的優(yōu)化效果優(yōu)于方案一。

3 結(jié)論

1)疏散樓梯的寬度與疏散效率并不是正相關(guān)的關(guān)系，增加樓梯寬度，會(huì)使得樓梯的外側(cè)人員難以在樓梯平臺(tái)處完成轉(zhuǎn)向，給人員疏散造成不便而造成適得其反的效果。

2)樓梯數(shù)量的增加可給因擁堵現(xiàn)象而選擇等待行為的人員提供新的疏散路徑。場(chǎng)景2、3都是增加樓梯的數(shù)量，但疏散效率并無明顯改進(jìn)，是由于人員在5層最終疏散出口處匯集造成擁堵現(xiàn)象，降低了疏散效率；同時(shí)考慮增加樓梯數(shù)量和樓梯空間布局的場(chǎng)景4和兩個(gè)優(yōu)化方案，對(duì)疏散效率的改進(jìn)效果顯著，合理設(shè)置樓梯寬度、數(shù)量和樓梯的空間布局可以有效提高人員疏散效率。

在郵輪人員樓梯疏散研究過程中，沒有充分考慮疏散人員的個(gè)體特征對(duì)疏散過程的影響，未涉及郵輪人員在特殊場(chǎng)景(如郵輪在暴風(fēng)雨天氣下的傾斜狀態(tài)、發(fā)生火災(zāi)狀況下能見度降低等)下的疏散情況，這些在以后的研究工作中需要進(jìn)一步完善。