高層教學樓人員疏散仿真分析

楊舒婷 高靖堯

(1.遼東學院城市建設學院，遼寧 丹東 118000; 2.國家電網丹東供電公司，遼寧 丹東 118000)

0 引言

在高等學校建筑中，因高層教學樓的內部結構復雜、人員密度高，且學生在建筑物內留存時間一致，一旦發(fā)生如地震、火災、爆炸等的突發(fā)事件，極易發(fā)生踩踏等安全事故，引起嚴重的人員傷亡和經濟損失。因此，高校高層教學樓的人員疏散仿真分析問題的研究至關重要。Helbing和Molnar[1]通過提出的社會力模型再現(xiàn)了人員疏散中的自組織現(xiàn)象，田玉敏[2]研究了人員在發(fā)生火災時的行為理論和模擬原理等，Guesta等[3]利用人員疏散時的數(shù)據(jù)分析了教學樓的疏散性能，葉俊等[4]建立了火災初期情況下高層建筑的垂直疏散模型，李靜等[5]利用改進的精細網格網絡復合模型優(yōu)化了人員緊急疏散的路徑。

1 模擬場景參數(shù)的確定

1.1 高層教學樓的特征

學校的高層教學樓通常采用通廊式建筑，由共用樓梯、電梯經由走廊到達各個教室，走廊的長度通常在30 m以上，建筑層數(shù)一般在10層左右或者更高。高層教學樓走廊兩邊各個教室緊密連接，在上課期間人員密度達到頂峰，且每個教室所能容納的最大人員數(shù)量是固定的。在發(fā)生緊急事故時，處于高層教學樓內的學生往往會產生恐慌心理，加之缺乏安全意識、疏散路線不明確等因素，會造成大量的人員傷亡。因此，在現(xiàn)有高層教學樓的結構基礎上，如何提高人員疏散效率的問題至關重要。

1.2 疏散高層教學樓概況

選取某高校一棟高層教學樓作為人員疏散仿真分析的研究對象。建筑物內的人員可以通過應急照明系統(tǒng)和緊急疏散路線圖進行疏散。人員緊急疏散路線為：從教室出發(fā)通過走廊到達樓梯或電梯，由樓梯或電梯抵達出口層從而疏散到安全區(qū)域。由于建筑美觀性該教學樓的2樓為出口層，1樓的人員需先抵達2樓后才可疏散到安全區(qū)域。建筑物內共擁有電梯2臺，位于建筑物中心位置，疏散樓梯5處，分別位于電梯旁和建筑物兩側的位置。

2 高層教學樓安全疏散模型

2.1 人員安全疏散理論

人群移動速度vb是基于人群密度、所處地形和運動速度的曲線函數(shù)，它由式(1)～式(3)分步計算得出[6]:

vb=vmax·vf(D)·vft

(1)

vf(D)=1,D≤0.55人/m2

(2)

(3)

其中,vmax為設定的人員移動最高速度；vf(D)為速度的分步函數(shù)；vfmin為設定的最小速度參數(shù)(通常取值0.15)；D為疏散模擬區(qū)域內的人群密度；vft為根據(jù)人員疏散地形所確定的速度參數(shù)；對于坡道、水平地形，k=1.40 m/s。

采用Steering模式進行人員疏散仿真[7]，把疏散中人員的基本碰撞、規(guī)劃疏散路徑、疏散指導機制相結合來模擬人員疏散行為。在疏散人員間的距離和疏散人員到達最近出口的路徑超過設定的閾值，疏散人員會重新規(guī)劃疏散路徑，按照疏散效率更高的路線前進，在此過程中疏散人員不斷循環(huán)進行最優(yōu)路徑的規(guī)劃，直到抵達安全區(qū)域。

2.2 建立高層教學樓疏散模型

選取的高層教學樓共9層，每層層高3.1 m，每層樓包含22間小教室、2間大的階梯教室、4個公共衛(wèi)生間。其中，每間小教室最多可容納學生30人，每個階梯教室最多可容納學生120人。教學樓的中心位置設有兩部電梯和兩個樓梯，在教室走廊兩側盡端各設有一個樓梯，階梯教室旁設有一個樓梯，共有7個安全逃生通道可以抵達出口層，如圖1所示。疏散樓梯寬度為1.6 m，電梯每次運行可容納10人。在發(fā)生緊急事故時，疏散人員利用逃生通道抵達出口層后通過出口走出教學樓視為安全。

2.3 安全疏散參數(shù)設置

在教學樓內隨機分布初始疏散人群。整個疏散過程中，設定人員疏散均按照“就近原則、最優(yōu)路徑”進行安全疏散，所有出口的方向均設置為單向，人員只出不進，避免人員往返同一房間，提高疏散仿真效果。當所有人員通過任意出口疏散到教學樓外即為疏散結束。根據(jù)上述人員疏散理論和教學樓內所能容納最多人員數(shù)量特點，運用Pathfinder模擬教學樓內人員緊急疏散仿真情況，人員疏散行為為基本碰撞、通往任一疏散出口、只通過樓梯疏散，設定表1模擬參數(shù)。

2.4 安全疏散模擬分析

通常高校的標志性教學樓會設計一個2樓平臺，而為了方便教學樓的日常管理，只打開2樓常用的出口1，2，3作為主要進出口，圖2為2層出口層俯視圖。

表1 人員疏散仿真運行參數(shù)設置

按照常態(tài)下教學樓實際情況進行疏散模擬，安全疏散出口未與事故警報設備關聯(lián)，使用教學樓所打開的出口1，2，3進行疏散，不同出口疏散人數(shù)結果見表2。

表2 各可用安全出口人員撤離流量情況

由上述結果可知：疏散時中部的樓梯離出口1，3更近，所以出口1和出口3疏散的人員數(shù)量相對較多。出口3這一側由于有階梯教室，較出口1那一側要疏散更多的人員，其疏散效率最高。在45 s時，離出口較近的兩側樓梯，開始發(fā)生擁堵，人員聚集在各樓梯拐角處等候離開，對人員疏散效率具有影響，如圖3所示。最終在當前建筑布局情況下，人員疏散總耗時為635.0 s。

3 突發(fā)事故情況下疏散場景的優(yōu)化分析

在現(xiàn)有學校應急預案的基礎上，根據(jù)高層教學樓內部基礎設施較易于更改的特點，研究模擬布局優(yōu)化的方式對人員疏散的影響，以及使用電梯進行人員疏散對疏散效率的影響。選取的高層教學樓一樓東西兩側有2處出口，四樓東西兩側有通往其他教學樓的通道，可用作緊急疏散時的安全出口，具體疏散結果見表3。各疏散出口使用情況見圖4。

表3 各優(yōu)化方式下的疏散時間和出口流速情況

由表3的疏散結果和圖4的各出口使用情況可見，在發(fā)生突發(fā)狀況時，聯(lián)動打開教學樓現(xiàn)有的所有安全出口，并利用電梯進行輔助疏散，對提高人員疏散效率是十分有效的。從疏散時間可以看出，在緊急狀況下及時打開教學樓所有出口可以大大提高疏散效率，其中打開4樓出口較打開1樓出口疏散時間更快；當高層教學樓配備相關報警設備，在發(fā)生突發(fā)狀況時，應急報警設備立即觸動，然后立刻開啟鎖閉的所有出口進行疏散，與未聯(lián)動開啟所有門需人工開啟相比，疏散效率普遍提高12%；在同樣的優(yōu)化方式下，使用電梯進行輔助疏散，可以普遍提高疏散效率達到14%。

4 結論

1)在現(xiàn)有建筑結構基礎上，完善各疏散出口警報聯(lián)動機制功能，保證各出口在突發(fā)狀況時能快速打開，在樓內各顯示屏實時播報各出口使用情況，使人員合理規(guī)劃疏散路徑，可以提高人員疏散效率。

2)根據(jù)不同的突發(fā)狀況，在使用電梯疏散可行的情況下，利用電梯進行輔助疏散可提高疏散效率。如地震情況下不可使用電梯進行疏散。

3)通過高層教學樓的疏散仿真分析，可以更加直觀的反映在突發(fā)事故場景下人員真實的疏散情況，為學校相關部門的應急預案的設置提供了更多的理論參考依據(jù)。