軌道交通地下站火災(zāi)時(shí)人員疏散模擬分析

文/李寶玉、羅振興

1 前言

地下空間由于建筑環(huán)境較為密閉，一旦發(fā)生火災(zāi)事故人員逃生相對(duì)困難；特別是地下軌道交通空間，由于人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，更是會(huì)造成大量的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)給國(guó)家的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定帶來(lái)負(fù)面影響，因此研究火災(zāi)擾動(dòng)下地下空間的人員疏散規(guī)律對(duì)于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件、提高應(yīng)急管理水平具有重要意義。近幾年，范維澄、袁亮、張和平、李家春等知名學(xué)者就地下空間火災(zāi)的相關(guān)議題進(jìn)行了深入研究和討論，對(duì)我國(guó)地下空間火災(zāi)研究的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用，同時(shí)也為我國(guó)未來(lái)地下空間安全狀況的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。

本文以地鐵車站為例，地鐵車站屬于地下建筑，因其建筑特點(diǎn)以及火災(zāi)特性，一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，在火災(zāi)事故發(fā)生后，首先要將乘客人員快速安全地疏散到安全區(qū)域，保證人員的人身安全；同時(shí)，車廂內(nèi)的乘客應(yīng)立即有序下車到站臺(tái)，站臺(tái)上的工作人員組織站臺(tái)與車廂乘客通過(guò)扶梯、樓梯等疏散通道前往售票大廳，疏散人群，通過(guò)檢票機(jī)和走廊通道通向地鐵入口來(lái)到地面，方可暫時(shí)安全。另外，由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)逃生演練的難操作性和局限性，計(jì)算機(jī)軟件模擬一直都是備受青睞的疏散研究手段。

2 Pathfinder 軟件

Pathfinder 疏散模擬軟件的人員運(yùn)動(dòng)模式包括SFPE 模式和Steering 模式。SFPE 模式是一個(gè)流動(dòng)模型，它將人員行走距離作為路徑選擇的主要依據(jù)，通過(guò)每個(gè)房間的人員密度確定人員行為和運(yùn)動(dòng)速度[2]。在該模式中，人員的行為不會(huì)相互影響。而在Steering 模式中，在人員之間的距離和最近點(diǎn)的路徑超過(guò)某一閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的路徑以適應(yīng)新的形勢(shì)[3]。

3 模擬環(huán)境構(gòu)建

3.1 建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境

本次疏散模擬為換乘雙島式地鐵站，地下一層為站廳層，有5 個(gè)主要出口，南北兩側(cè)分別有通向地面的樓梯出口A 和B，站廳層西側(cè)有三個(gè)出口a、b、c。地下二層是站臺(tái)層，有4 列車道，2 個(gè)島式站臺(tái)。2 個(gè)站臺(tái)的中間分別設(shè)置3 座通向站廳層的樓梯，南北兩側(cè)的4 座樓梯旁、中間兩座樓梯的兩側(cè)分別設(shè)有1 座自動(dòng)扶梯。

地鐵站臺(tái)長(zhǎng)度為140m，寬度為12m，站廳層與站臺(tái)層之間的高度為6m。每個(gè)站臺(tái)中間三座樓梯的長(zhǎng)度為12m，寬度為5m，樓梯中間有兩個(gè)過(guò)渡平臺(tái)，高度分別為2m 和4m，長(zhǎng)為1.5m，寬為3.5m，同時(shí)將自動(dòng)扶梯看作是有效寬度為1m 的樓梯。連接站臺(tái)層與站廳層的六座樓梯從左到右分別為stair A、stair B、stair C、stair D、stair E、stair F。為簡(jiǎn)化模擬，將站廳層兩側(cè)通向地面的樓梯和自動(dòng)扶梯設(shè)置為安全出口。地鐵站局部剖面圖，如圖1 所示。

圖1 地鐵站局部剖面圖

3.2 疏散人員環(huán)境

設(shè)高峰期人流量為3.39 萬(wàn)人次/小時(shí)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范地鐵人員在緊急情況下完成疏散的時(shí)間為6min，故設(shè)在模擬過(guò)程中人員的數(shù)量為高峰期的6min 內(nèi)客流量，總?cè)藬?shù)約為3390 人。在模擬過(guò)程中，人員的平均肩寬根據(jù)前文亞洲人的平均肩寬可設(shè)置為0.45m，人員之間的緩沖區(qū)域設(shè)置為0.6m，行人空間為0.87m2/人，因此結(jié)合站廳層與站臺(tái)層的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及地鐵站內(nèi)人員的實(shí)際分布狀況可設(shè)站廳層人數(shù)為1090 人，站臺(tái)層人數(shù)為500 人，列車車廂、地鐵車廂內(nèi)人數(shù)為1800 人（設(shè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)站臺(tái)?？?jī)闪械罔F）。另外，疏散人員的年齡比例如表1 所示。

表1 不同性別、年齡疏散人員所占百分比（%）

不同年齡、性別的人員，其反應(yīng)時(shí)間、身材尺寸、行走速度等也不同，不同年齡和性別的人員移動(dòng)速度如表2 所示。

表2 乘客的行走速度（m/s）

綜上，將不同性別和不同年齡、不同性別和不同行走速度的人員各設(shè)為10 個(gè)類別，隨機(jī)分布于站廳層和站臺(tái)層。

4 疏散模擬結(jié)果分析

假設(shè)地鐵站中一側(cè)站臺(tái)內(nèi)起火，則該站臺(tái)與站臺(tái)?？寇噹麅?nèi)的人員立即疏散，其疏散延遲時(shí)間為0s；而另一側(cè)地鐵站臺(tái)及列車上乘客經(jīng)2s 反應(yīng)后開(kāi)始進(jìn)行疏散，其疏散延遲時(shí)間為2s；站廳層的乘客則經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)一段時(shí)間來(lái)反應(yīng)疏散，故站廳層乘客的疏散延遲時(shí)間設(shè)為4s[4]。

模擬疏散結(jié)果顯示：疏散總時(shí)間為201.5s，疏散總?cè)藬?shù)為3390 人，滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于6min 內(nèi)疏散所有人員的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)疏散結(jié)果進(jìn)行分析可知：

4.1 大部分疏散人員的行走路徑不具有自主性，基本呈現(xiàn)“隨波逐流”的狀態(tài)，站內(nèi)疏散人員疏散出口的選擇基本遵循就近原則。

4.2 0s～27s，隨著列車內(nèi)人員的不斷疏散，站臺(tái)上的人員數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)上升的態(tài)勢(shì)，再加上站臺(tái)內(nèi)原有的大量疏散人員，使得列車出口處擁擠度大大增加，從而導(dǎo)致列車出口處的疏散能力明顯降低；與此同時(shí)，站廳層人員數(shù)量由原本的不斷下降變?yōu)樾》厣?，且在之后的一分多鐘?nèi)人員數(shù)量始終穩(wěn)定在一定數(shù)值，此時(shí)進(jìn)出站廳層的人流量達(dá)到了一個(gè)平衡，如圖2 所示。

圖2 站臺(tái)層與站廳層的疏散人員數(shù)量變化情況圖

4.3 站層內(nèi)的各樓梯人員疏散能力有很大差異，四座寬度較寬的樓梯stair A、stair B、stair E 和stair F 疏散時(shí)每秒最大通行量為70～80 人，出入口通過(guò)人流量約為4～5pers/s；而對(duì)于寬度較窄的stair C 和stair D 疏散時(shí)每秒最大通行量為30～40 人，出入口通過(guò)流量約為2per/s，可見(jiàn)樓梯的寬度直接影響人員的疏散速度與時(shí)間[5]。各個(gè)樓梯的疏散人員數(shù)量變化情況，如圖3 所示。

圖3 各個(gè)樓梯的疏散人員數(shù)量變化情況圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了某地鐵站的建筑結(jié)構(gòu)模型和人員特性模型，利用疏散模擬軟件Pathfinder 模擬地鐵站著火點(diǎn)時(shí)地鐵火災(zāi)人員的疏散情況，得出了車站整體及部分建筑疏散結(jié)構(gòu)的疏散結(jié)果相關(guān)數(shù)據(jù)展示圖，并通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的總結(jié)與分析得到了以下幾個(gè)與人員疏散有密切關(guān)系的因素。

5.1 站內(nèi)人員數(shù)量

站內(nèi)的人員總數(shù)會(huì)直接關(guān)系到人員疏散的情況，當(dāng)?shù)罔F站內(nèi)的總?cè)藬?shù)達(dá)到一定的臨界值時(shí)，密集的人員環(huán)境就會(huì)嚴(yán)重影響人員的行為與流動(dòng)。在這種狀態(tài)下發(fā)生突發(fā)事件需要緊急疏散時(shí)，人員疏散的情況要比往常環(huán)境中更為困難和復(fù)雜。許多群死群傷的事故都是因?yàn)槭鹿拾l(fā)生在人員密集的區(qū)域，但無(wú)法按預(yù)期正常進(jìn)行疏散。

5.2 疏散人員的反應(yīng)時(shí)間

在實(shí)際疏散過(guò)程中，不同區(qū)域的人群會(huì)有不同的反應(yīng)時(shí)間。在地鐵火災(zāi)這種緊急情況下，人員疏散反應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，人員的人身安全就多一分危險(xiǎn)。雖然在模擬過(guò)程中人員整體的疏散時(shí)間滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中6min 的要求時(shí)間，但是在實(shí)際疏散中存在許多不定影響因素，會(huì)拖慢人員的疏散速度，并且在地鐵站這種地下封閉環(huán)境中煙氣的流動(dòng)也是相當(dāng)迅速。當(dāng)火勢(shì)無(wú)法撲滅時(shí)，產(chǎn)生的煙氣會(huì)在短短幾分鐘內(nèi)便充斥整個(gè)地鐵站，對(duì)人員的疏散造成極其不利的影響，因此我們應(yīng)節(jié)省疏散過(guò)程中每一分、每一秒，盡可能最大限度地保證人員的人身安全。

5.3 各疏散通道、出口的寬度

疏散樓梯、疏散通道和出口的寬度同樣對(duì)人員的疏散有極大地影響，對(duì)于站臺(tái)層人員而言，樓層間樓梯的疏散能力直接決定了人員疏散的速度與時(shí)間。相對(duì)來(lái)說(shuō)，樓梯寬度較寬的階梯疏散能力更強(qiáng)，然而疏散樓梯的寬度不可無(wú)限延長(zhǎng)，不考慮建筑結(jié)構(gòu)方面的因素，當(dāng)樓梯寬度延伸到一定距離時(shí)，樓梯中不可能設(shè)置多個(gè)扶手欄，而當(dāng)某些位置附近無(wú)扶手、扶欄時(shí)，疏散過(guò)程中由于人群的擁擠很容易使人員在上樓梯的過(guò)程中失去平衡摔倒，進(jìn)而導(dǎo)致踩踏事件發(fā)生，使人員處于更加危險(xiǎn)的環(huán)境中。因此，樓梯寬度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，使其疏散能力處于最佳狀態(tài)。同理，站廳層的疏散出口也不可無(wú)故擴(kuò)寬，應(yīng)保持在最佳疏散能力范圍的尺寸內(nèi)。

5.4 疏散出口、樓梯口的位置

從模擬的結(jié)果中可以看出，一般人員在疏散過(guò)程中都采用就近原則進(jìn)行疏散；尤其對(duì)于站臺(tái)層人員，在緊急從站臺(tái)疏散到站廳中時(shí)，由于人員的心理原因，其一般都會(huì)選擇視野內(nèi)可見(jiàn)的最近疏散出口進(jìn)行疏散，從而忽略身后或其他更為有利疏散的疏散通道。因此，站廳層的疏散口位置應(yīng)設(shè)立的較為明顯，且均勻分布在站廳層的結(jié)構(gòu)建筑中，同時(shí)站臺(tái)至站廳樓梯出口的位置應(yīng)盡量接近站廳層的疏散出口處，以便人員安全疏散。

此外，在本次的疏散模擬過(guò)程中還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步討論：如在使用pathfinder 軟件進(jìn)行模擬時(shí)，只是將人作為一個(gè)個(gè)質(zhì)點(diǎn)看待，不考慮在疏散過(guò)程中人員的心理情緒等對(duì)疏散的影響，因此模擬過(guò)程與現(xiàn)實(shí)有所差異。