地鐵四線換乘樞紐高峰客流火災(zāi)疏散模擬研究*

李丹辰，劉 暢，周志杰，田向亮，陳俊灃，鐘茂華

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084； 2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著我國(guó)地鐵建設(shè)規(guī)模的迅速發(fā)展，逐漸形成了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)格局[1]，作為多條線路匯聚的樞紐車站，其內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，乘客進(jìn)出站及換乘線路較長(zhǎng)，站內(nèi)客流密度較高且分布不均，火災(zāi)時(shí)需要疏散的人員數(shù)量遠(yuǎn)高于普通車站。

相關(guān)學(xué)者圍繞扶梯[2]、閘機(jī)[3]、導(dǎo)流欄桿[4]、樓梯[5]及出口[6]等車站設(shè)施或行人心理因素[7]對(duì)于疏散時(shí)間的影響進(jìn)行研究。Tsukahara等[8]基于大型地鐵站火災(zāi)煙氣擴(kuò)散特征的研究，提出了在站臺(tái)下部設(shè)置疏散層的方法，火災(zāi)時(shí)利用通風(fēng)系統(tǒng)控制煙氣沉降，同時(shí)執(zhí)行引導(dǎo)乘客向下部空間疏散的策略；張茜[9]以杭州地鐵武林廣場(chǎng)站為對(duì)象，分析了客流量和恐慌情緒對(duì)群體疏散效率的影響,構(gòu)建了多出口群體疏散綜合模型；彭磊[10]分析了地鐵站火災(zāi)預(yù)警機(jī)制，針對(duì)地鐵站內(nèi)不同起火部位提出了相應(yīng)的人員疏散模式；Lee等[11]利用Pathfinder軟件研究列車延誤及擁堵對(duì)疏散時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)列車延誤可導(dǎo)致人員疏散時(shí)間增加119%～133%；Srikukenthiran等[12]利用傳統(tǒng)二元模型和混合對(duì)數(shù)模型，對(duì)多倫多地鐵換乘車站乘客選擇樓梯或扶梯的傾向性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混合對(duì)數(shù)模型的預(yù)測(cè)精度能夠達(dá)到90%；Yoon等[13]通過(guò)在地鐵站內(nèi)組織292人參與人群疏散實(shí)驗(yàn)和問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)列車火災(zāi)時(shí)不同特征人群的疏散行為進(jìn)行分析；Kadokura等[14]考慮深埋地鐵車站中扶梯的廣泛使用導(dǎo)致疏散出口利用率降低的情況，利用停止運(yùn)行的自動(dòng)扶梯開(kāi)展人群疏散實(shí)驗(yàn)，分析了自動(dòng)扶梯用于疏散的可行性和對(duì)疏散效率的提高效果；Anastasios等[15]采用NFPA設(shè)計(jì)指南和Pathfinder軟件模擬，對(duì)希臘某地鐵車站進(jìn)行安全評(píng)估，并對(duì)2種評(píng)估方法的優(yōu)劣程度進(jìn)行了研究。

本文主要研究四線換乘樞紐CGM站火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散，該車站建筑面積較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在較多的樓扶梯、出入口和閘機(jī)組，火災(zāi)情況下客流組織難度較大，通過(guò)分析樓梯組、電梯、出入口或閘機(jī)組無(wú)法使用的情況對(duì)乘客疏散的影響，提出了火災(zāi)疏散策略，研究結(jié)果能夠?yàn)榇祟惔笮蜆屑~車站的大客流疏散方案制訂、現(xiàn)場(chǎng)客流組織模式選取提供支撐。

1 CGM站簡(jiǎn)介

CGM站是四條地鐵線路交匯的大型換乘樞紐站，地下共3層，如圖1所示。其中，地下1層為站廳；地下2層為1號(hào)線、11號(hào)線的站臺(tái)和7/9號(hào)線的換乘夾層；地下3層為7/9號(hào)線的站臺(tái)。1號(hào)線與11號(hào)線平行布置，通過(guò)站廳換乘；7號(hào)線與9號(hào)線平行布置，2條線路之間可以同站臺(tái)換乘、通過(guò)7/9號(hào)線的換乘夾層換乘或是通過(guò)換乘大廳換乘；1/11號(hào)線與7/9號(hào)線車站呈L形布置，通過(guò)換乘大廳換乘。CGM站的出入口和閘機(jī)組如圖2所示，其中A，B，D1，D2，J，F(xiàn)出入口連接地面；A，B，C，D2出入口連接物業(yè)區(qū)；按照就近原則將車站內(nèi)的閘機(jī)及柵欄門編號(hào)為17個(gè)閘機(jī)組。圖3(a)為計(jì)算模型中1號(hào)線和11號(hào)線的站臺(tái)部位，1號(hào)線采用6A編組列車，站臺(tái)乘客可達(dá)區(qū)域長(zhǎng)140 m，寬10 m；站臺(tái)設(shè)有3組樓扶梯，提升高度為5.1 m，其中1，2號(hào)樓梯組由1個(gè)電梯與1個(gè)樓梯組成，電梯方向均為上行；3號(hào)樓梯組由2個(gè)上行的電梯組成。11號(hào)線采用8A編組，站臺(tái)乘客可達(dá)區(qū)域長(zhǎng)184 m，寬13 m；站臺(tái)設(shè)有4組樓扶梯，提升高度為5.1 m，其中4，7號(hào)樓梯組均包含上下行自動(dòng)扶梯；5，6號(hào)樓梯組均由1部電梯與1條樓梯組成。

圖1 CGM站換乘結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of transfer structure in CGM station

圖2 CGM站出入口及閘機(jī)組分布Fig.2 Distribution of passageways and gate

圖3(b)為計(jì)算模型中7號(hào)線和9號(hào)線的站臺(tái)部位，7，9號(hào)線的列車采用6A編組，7/9號(hào)線站臺(tái)乘客可達(dá)區(qū)域長(zhǎng)140 m，寬11 m；站臺(tái)各設(shè)有4組樓扶梯，其中8，11，12，15號(hào)樓梯組由2個(gè)直接通向地下1層換乘大廳的電梯組成，提升高度為14 m，每個(gè)樓梯組均包含上下行的2部電梯；9，10，13，14號(hào)樓梯組由1部上行電梯與1條樓梯組成，與地下2層7/9號(hào)線換乘夾層相連接，提升高度為7.5 m。圖4為7/9號(hào)線換乘站廳計(jì)算模型，7/9號(hào)線換乘站廳南北兩側(cè)各有1個(gè)樓梯組，每個(gè)樓梯組包括：1條樓梯，1部上行電梯和1部下行電梯，提升高度為6.5 m。

圖3 站臺(tái)計(jì)算模型Fig.3 Simulation model of platform

圖4 7/9號(hào)線換乘站廳計(jì)算模型Fig.4 Simulation model of transit hall between Line 7 and 9

2 模擬仿真設(shè)計(jì)

2.1 人員參數(shù)設(shè)置

通過(guò)調(diào)研實(shí)際客流數(shù)據(jù)獲得車站內(nèi)各區(qū)域的乘客數(shù)量，如表1所示，人群的年齡、性別及比例的分布參考問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，受訪乘客中男性和女性分別占比51%和49%，年齡分布以中青年為主，約87%的乘客年齡小于45歲，乘客受教育程度普遍較高，受訪乘客以通勤客流為主，60%的乘客每周至少經(jīng)過(guò)CGM站5次。各類人群的移動(dòng)速度如表2[16]所示。buildingEXODUS軟件將計(jì)算區(qū)域劃分為大量二維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)默認(rèn)設(shè)置為0.5 m×0.5 m的正方形，代表1名待疏散人員占據(jù)的空間區(qū)域，人員在疏散過(guò)程中沿疏散路徑向相鄰節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。

表1 站內(nèi)人數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of passenger numbers in station

注：/ 表示該區(qū)域無(wú)人員滯留。

表2 乘客的比例和速度Table 2 Proportions and speeds of passengers

2.2 工況設(shè)置

模擬工況如表3所示，2輛列車的乘客同時(shí)參與疏散時(shí)，由于1/11號(hào)線為平行換乘，7/9號(hào)線為同站臺(tái)換乘和夾層換乘，1/11號(hào)線與7/9號(hào)線換乘距離較遠(yuǎn)，乘客疏散時(shí)相互影響較小，因此只研究1/11號(hào)線各1輛列車的乘客同時(shí)參與疏散與7/9號(hào)線站臺(tái)A、站臺(tái)B各1輛列車的乘客同時(shí)參與疏散這2種場(chǎng)景。

當(dāng)疏散所需時(shí)間RSET(Required Safe Egress Time)小于可用疏散時(shí)間ASET(Available Safe Egress Time)時(shí)，人群能夠安全疏散。RSET包括反應(yīng)時(shí)間和疏散行動(dòng)時(shí)間，前者通常為1 min，后者通過(guò)模擬得到。站臺(tái)火災(zāi)時(shí)，站廳或7/9號(hào)線的換乘夾層為臨時(shí)安全區(qū)，車站外為最終安全區(qū)；7/9號(hào)線的換乘夾層火災(zāi)時(shí)，站廳為臨時(shí)安全區(qū)，車站外為最終安全區(qū)；站廳火災(zāi)時(shí)，車站外為最終安全區(qū)。Thall代表乘客到達(dá)臨時(shí)安全區(qū)所需要的時(shí)間，Tout代表乘客到達(dá)車站外所需要的時(shí)間。

模擬過(guò)程中，所有閘機(jī)、柵欄門處于開(kāi)啟狀態(tài)，與疏散方向一致的自動(dòng)扶梯保持運(yùn)行狀態(tài)，與疏散方向相反的自動(dòng)扶梯停止運(yùn)行。根據(jù)車站的結(jié)構(gòu)，預(yù)設(shè)1號(hào)線車站人員主要從A1，B出入口疏散；7/9號(hào)線車站人員從F，J出入口疏散；11號(hào)線車站人員從A2，C，D1，D2出入口疏散；出入口發(fā)生擁堵時(shí)，假設(shè)工作人員可以指揮乘客使用其他的出入口。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 樓梯組對(duì)疏散過(guò)程的影響

表4為1輛列車的乘客參與疏散時(shí)，各個(gè)工況下不同的樓梯組不可使用時(shí)乘客所需的疏散時(shí)間。1號(hào)線的1個(gè)樓梯組無(wú)法使用時(shí)，3種工況下乘客都無(wú)法在6 min內(nèi)到達(dá)站廳，其中1號(hào)樓梯組對(duì)于疏散時(shí)間的影響最大，這是由于1號(hào)線站臺(tái)西側(cè)的乘客疏散主要依賴于1號(hào)樓梯組，而東側(cè)的乘客可以通過(guò)2，3號(hào)樓梯組到達(dá)站廳。其他線路的站臺(tái)均有4個(gè)樓梯組，而1號(hào)線僅有3個(gè)，加之1號(hào)線乘客數(shù)量相對(duì)較多，相較于其他線路而言，1號(hào)線1個(gè)樓梯組不可使用時(shí)對(duì)乘客到達(dá)站廳所需時(shí)間的影響更大。

表3 模擬方案Table 3 Simulation scheme

11號(hào)線的1個(gè)樓梯組無(wú)法使用時(shí)，4種工況下乘客無(wú)法在6 min內(nèi)到達(dá)站廳，其中5號(hào)樓梯組對(duì)于疏散時(shí)間的影響最大。在站臺(tái)樓梯組呈對(duì)稱分布的情況下，5號(hào)與6號(hào)樓梯組對(duì)疏散時(shí)間的影響產(chǎn)生差異，這是由于11號(hào)線最西側(cè)樓梯組鄰近商務(wù)車廂，早高峰期間乘客密度遠(yuǎn)小于普通車廂，當(dāng)5號(hào)樓梯組無(wú)法使用時(shí)，乘客通過(guò)4，6或7號(hào)樓梯組離開(kāi)站臺(tái)，按照距離最短原則，使用6號(hào)樓梯組的乘客數(shù)量較多，使用4號(hào)樓梯組的乘客數(shù)量較少，客流分布的不均勻延長(zhǎng)了疏散所需要的時(shí)間。

7/9號(hào)線站臺(tái)A、站臺(tái)B的1個(gè)樓梯組無(wú)法使用時(shí)，多種工況下乘客都可以在6 min內(nèi)到達(dá)安全區(qū)，但無(wú)法在6 min內(nèi)到達(dá)站外，這是由于7/9號(hào)線列車上的乘客數(shù)量較少，站臺(tái)樓梯組數(shù)量相對(duì)充足，但是站臺(tái)位于地下3層，距離站廳出入口較遠(yuǎn)。換乘夾層的16，17號(hào)樓梯組無(wú)法使用時(shí)，RSET有小幅度的增加，這是由于乘客在夾層的滯留，降低了通行效率。由于1號(hào)線、11號(hào)線中間有防火卷簾門，因此2條線路的乘客疏散相互之間沒(méi)有影響。

3.2 電梯檢修對(duì)疏散過(guò)程的影響

表5和表6為1輛列車的乘客參與疏散和2輛列車的乘客參與疏散的場(chǎng)景下，所有樓梯組可用、1個(gè)樓梯組不可用與1部電梯不可用對(duì)于疏散時(shí)間的影響，由表可見(jiàn)，電梯檢修對(duì)于疏散時(shí)間的影響小于樓梯組無(wú)法使用對(duì)于疏散時(shí)間的影響，電梯檢修將疏散時(shí)間最多延長(zhǎng)了約1 min，而1個(gè)樓梯組無(wú)法使用將疏散時(shí)間最多延長(zhǎng)了約4 min。5號(hào)樓梯組的不同狀態(tài)下，2 min時(shí)站臺(tái)乘客的密度分布如圖5所示。

表4 樓梯組受火災(zāi)影響時(shí)RSET統(tǒng)計(jì)(1輛列車乘客參與疏散)Table 4 Summary of RSET with stairs group influenced by fire (passengers in one train participated in evacuation)

注：/表示該設(shè)施未受影響或不存在該取值；ΔRSET和ΔTout表示與樓梯組未受影響時(shí)疏散時(shí)間的差值。

表5 同一樓梯組不同狀態(tài)下乘客疏散時(shí)間(1輛列車的乘客參與疏散)Table 5 Evacuation time of passengers under different conditions of same stairs group (passengers in one train participated in evacuation)

表6 同一樓梯組不同狀態(tài)下乘客疏散時(shí)間(2輛列車的乘客參與疏散)Table 6 Evacuation time of passengers under different conditions of same stairs group (passengers in two trains participated in evacuation)

圖5 5號(hào)樓梯組不同狀態(tài)下2 min時(shí)站臺(tái)乘客的密度分布Fig.5 Distribution of passengers’ density on platform at 2 min under different conditions of No. 5 stairs group

3.3 站廳出入口對(duì)疏散過(guò)程的影響

由于車站內(nèi)、出入口附近和出入口外的商業(yè)區(qū)火災(zāi)都可能導(dǎo)致出入口的防火卷簾門自動(dòng)關(guān)閉，因此考慮站廳乘客的疏散、站臺(tái)上和列車上所有乘客通過(guò)站廳出入口疏散這2種情況，研究出入口無(wú)法使用對(duì)疏散時(shí)間的影響。表7為僅考慮站廳乘客時(shí)，各個(gè)工況下不同的出入口不可使用時(shí)乘客所需的疏散時(shí)間，所有工況下乘客都可以在6 min內(nèi)到達(dá)站外，其中F出入口對(duì)于疏散時(shí)間的影響最大，其次是C，D出入口。

表7 出入口受火災(zāi)影響時(shí)RSET(僅考慮站廳乘客)Table 7 RSET with passageways influenced by fire (only considering passengers in station hall)

注：/表示該設(shè)施未受影響或不存在該取值；ΔRSET表示與出入口未受影響時(shí)疏散時(shí)間的差值。

表8為1輛列車的乘客參與疏散時(shí)，不同出入口不可使用時(shí)所需的疏散時(shí)間，所有工況下乘客都無(wú)法在6 min內(nèi)到達(dá)站外，A1出入口對(duì)于疏散時(shí)間的影響最大，其次是B，F(xiàn)出入口。按照車站既有應(yīng)急疏散指引，疏散乘客時(shí)1號(hào)線車站人員從A口、B口出站；7/9號(hào)線車站人員從F口、J1口出站；11號(hào)線車站人員從A口、C口、D1口、D2口出站。圖6為J出入口無(wú)法使用情況下，3 min時(shí)乘客在站廳的密度分布。模擬過(guò)程中，由于1號(hào)線站廳與站廳其他部分獨(dú)立，當(dāng)A1出入口或B出入口受火災(zāi)影響不能使用時(shí)，在1/11號(hào)線換乘通道口防火卷簾關(guān)閉的情況下，1號(hào)線的乘客僅能通過(guò)另1個(gè)出入口到達(dá)站外，因此較多地延長(zhǎng)了疏散時(shí)間。11號(hào)線的列車乘客進(jìn)行疏散而A2，C，D中的1個(gè)出入口無(wú)法使用時(shí)，乘客通過(guò)其他2個(gè)出入口到達(dá)站外。F，J出入口無(wú)法使用時(shí)，假如7/9號(hào)線乘客僅使用另1個(gè)出入口，那么將在該出入口滯留較多人員，極大地延長(zhǎng)疏散時(shí)間，根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查，乘客在擁堵時(shí)會(huì)尋找其他疏散出口，因此乘客將會(huì)就近使用A2出入口和D1，D2出入口。

表8 出入口受火災(zāi)影響時(shí)RSET(1輛列車的乘客參與疏散)Table 8 RSET with passageways influenced by fire (passengers in one train participated in evacuation)

注：/表示該設(shè)施未受影響或不存在該取值；ΔRSET表示與出入口未受影響時(shí)疏散時(shí)間的差值。

圖6 J出入口無(wú)法使用情況下3 min時(shí)站廳乘客的密度分布Fig.6 Distribution of passengers’ density in station hall at 3 min with passageway J disabled

3.4 站廳閘機(jī)組對(duì)疏散過(guò)程的影響

考慮站廳乘客疏散、站臺(tái)上的所有乘客和1或2輛列車上的乘客通過(guò)站廳出入口疏散時(shí)這2種情況下，閘機(jī)組不可以使用的情況對(duì)乘客疏散時(shí)間的影響。表9為僅考慮站廳乘客時(shí)，不同的閘機(jī)組不可使用時(shí)乘客所需的疏散時(shí)間，所有工況下乘客都可以在6 min內(nèi)到達(dá)站外，閘機(jī)組對(duì)于疏散時(shí)間的影響較小。

表9 閘機(jī)組受火災(zāi)影響時(shí)RSET(僅站廳乘客參數(shù)疏散)Table 9 RSET with gate group influenced by fire (only passengers in station hall participated in evacuation)

注：/表示該設(shè)施未受影響。

結(jié)合出入口對(duì)于疏散時(shí)間的影響和僅考慮站廳乘客疏散時(shí)閘機(jī)組對(duì)于疏散時(shí)間的影響，選取4，6，12號(hào)閘機(jī)組(分別對(duì)應(yīng)于A1，C，J出入口)研究1輛或2輛列車的乘客參與疏散時(shí)，閘機(jī)組的狀態(tài)對(duì)于疏散時(shí)間的影響，及其與出入口對(duì)于疏散時(shí)間影響的對(duì)比，結(jié)果如表10所示。相對(duì)于出入口而言，閘機(jī)組對(duì)于疏散時(shí)間的影響較小。

表10 閘機(jī)組受火災(zāi)影響時(shí)RSET(列車乘客參與疏散)Table 10 RSET with gate group influenced by fire (passengers in trains participated in evacuation)

3.5 疏散方案優(yōu)化

CGM站1/11號(hào)線換乘通道設(shè)有防火卷簾門，火災(zāi)情況下，卷簾門將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。表11為考慮站廳乘客、1輛和2輛列車的乘客參與疏散這3種人員設(shè)置，卷簾門關(guān)閉和開(kāi)啟對(duì)乘客疏散至站外所需的時(shí)間。

表11 防火卷簾門不同狀態(tài)時(shí)的RSETTable 11 RSET under different conditions of fire shutter doors

所有出入口可以使用時(shí)，打開(kāi)防火卷簾門后乘客疏散路徑產(chǎn)生變化，如僅考慮站廳乘客時(shí)，打開(kāi)防火卷簾門后，使用C，D1，D2出入口的乘客數(shù)量減少，使用A1出入口的乘客數(shù)量增加；卷簾門的狀態(tài)對(duì)于疏散時(shí)間的影響較小，2輛列車的乘客參與疏散時(shí)，打開(kāi)防火卷簾門反而延長(zhǎng)了疏散時(shí)間。

1個(gè)出入口無(wú)法使用時(shí)，打開(kāi)防火卷簾門可以有效縮短疏散時(shí)間，3種人員設(shè)置條件下，1輛列車的乘客參與疏散時(shí)打開(kāi)防火卷簾門提高了疏散效率；打開(kāi)防火卷簾門后乘客在單個(gè)出入口的滯留程度下降，在各出入口的分布更加均勻，1號(hào)線1輛列車的乘客參與疏散，A1出入口無(wú)法使用時(shí)，打開(kāi)卷簾門后疏散時(shí)間減少了2 min。

由于本文主要考慮火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)站內(nèi)設(shè)備設(shè)施的不同影響下，人員疏散時(shí)間的計(jì)算和疏散路徑的選擇。因此本文提出的疏散優(yōu)化方案是指火災(zāi)初期或火災(zāi)其他階段有效控制煙氣擴(kuò)散情況下的人員疏散時(shí)間和疏散路徑，即火災(zāi)僅對(duì)站內(nèi)設(shè)備設(shè)施(出入口、電梯和閘機(jī)組)造成影響，但煙氣尚未威脅到人員疏散的火災(zāi)場(chǎng)景，重點(diǎn)針對(duì)站內(nèi)所有人員如何選擇路徑全部快速地疏散至站外，在該情況下，根據(jù)模擬結(jié)果，打開(kāi)站內(nèi)換乘通道的防火卷簾門能夠增加疏散路徑，降低疏散時(shí)間。

4 結(jié)論

1)地鐵四線換乘樞紐CGM站火災(zāi)人員疏散過(guò)程中，樓梯組、電梯、出入口和閘機(jī)組這4類設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)均能影響乘客疏散時(shí)間，其中出入口不可使用的情況對(duì)于疏散時(shí)間的影響較大；樓梯組次之；電梯和閘機(jī)組的影響明顯小于前2者。

2)車站同類設(shè)施中，由于不同設(shè)施的位置及幾何特征存在差異，對(duì)疏散時(shí)間的影響也有所不同，其中A1，C，F(xiàn)和J出入口相對(duì)于其他出入口而言對(duì)疏散時(shí)間的影響更大；1號(hào)樓梯組受站臺(tái)樓梯組不對(duì)稱的影響；5號(hào)樓梯組受商務(wù)車廂客流密度低的影響，相對(duì)于該站臺(tái)的其他樓梯組而言對(duì)疏散時(shí)間的影響更大。

3) 所有出入口均可使用時(shí)，各線路獨(dú)立疏散時(shí)效率較高；出入口附近發(fā)生火災(zāi)時(shí)，引導(dǎo)乘客使用其他線路的出入口可以提升疏散效率；1號(hào)線、11號(hào)線出入口無(wú)法使用時(shí)，打開(kāi)線路間換乘通道的防火卷簾門可以降低所需疏散時(shí)間。