基于Pathfinder的商業(yè)綜合體安全疏散仿真研究

文、圖／北京市應急管理科學技術研究院 楊建博

本文以商業(yè)綜合體為研究對象，運用Pathfinder軟件進行仿真模擬，對比分析了SFPE和steering兩種疏散模式，分析了模擬過程中發(fā)現的問題并進行了加寬樓梯、增加安全出口、加外部樓梯三種優(yōu)化設計。結果表明，steering模式所用時間更短，也更符合實際情況；并通過優(yōu)化設計減少所需安全疏散時間，提高人們的疏散效率。

工程項目概況以及模型建立

本文以某市新時代商業(yè)中心為研究對象，來進行此次研究。新時代商業(yè)中心是一種大型商業(yè)綜合體，其樓層高約為54m，占地面積約為4000m2，樓層數為地下兩層，地上四層。具體分布如表1所示。

表1 新時代商業(yè)中心各層區(qū)域劃分

本文以CAD平面圖為基礎，再結合Pathfinder軟件構建基礎模型。

安全疏散模擬的基本參數確定

在建模之后，便要考慮模型中的疏散人數。疏散人數的確定，有多方面的影響因素，本文便是根據不同的劃分區(qū)域、不同的肩寬和不同的人員類型等多種因素綜合分析得出結果。根據相關標準，各劃分區(qū)域的人員數量取決于該區(qū)域面積、人員密度和身高肩寬等方面。人員密度具體引用的數據有：西安市某大型商業(yè)綜合體進行人員密度現場調研數據，地上四層取0.22人/m2；地上三層取0.31人/m2；地上二層取0.34人/m2；地上一層取0.32人/m2；地下一層取0.28人/m2；地下二層和一層一樣取0.28人/m2。對大型超市賣場的客流密度調研取0.2人/m2。對餐飲店人員密度調研取0.051人/m2。綜合上述的數據和所建立模型各區(qū)域的分布面積得出具體人員分布結果如表2所示。

表2 模型疏散人數

通過查找相關資料，確定得出不同區(qū)域的人員配比。由于人員速度受到多方面影響，所以在本文中參考了國外的一些標準的估值，具體有男人1.35m/s、女人1.15m/s、兒童0.9m/s、老人0.8m/s。

兩種疏散模式對比分析

SFPE疏散模式是使用了消防工程的SFPE手冊中提出的假設組，并能給出與其相似的答案，其控制機制是門隊列，人員會自動轉移至最近的出口。通常情況下來看，SFPE模式的CPU運行時間比steering更快。steering疏散模式中存在防撞和人員的交互作用，其中包含有路徑規(guī)劃指導機制。在這種模式下，人員能夠自由選擇自己所需要的路徑。通過基礎模型和上述安全疏散模擬的基本參數，添加人員，開始模擬，模擬過程中電梯禁用。

通過模擬結果可知，SFPE模型所需安全疏散時間為1396.3s，即23.16min；steering模式所需安全疏散時間為1171.8s，即19.31min。綜合兩種疏散模式的結果，發(fā)現steering模式所用時間更短，也更符合實際情況，所以后面所做的優(yōu)化等工作都是以steering模式進行。

模擬結果分析

通過模擬發(fā)現了以下幾個問題：一是疏散人員數量巨大，樓梯口會出現擁擠行為，導致人員密度過大；二是初始模擬時，由人員的疏散軌跡及軟件圖表分析可以看出各樓梯利用率高低不同；三是位于地上一層的兩個大型出口供不應求，因為通向地下兩層的樓梯較少，地下兩層亦沒有設置出口，所以最后導致整體疏散時間過長的反而是地下兩層人員擁堵，使得整體疏散效率變慢。

優(yōu)化設計

綜合上述情況，結合2018版《建筑設計防火規(guī)范》筆者對本文的模型做了如下優(yōu)化。

規(guī)范規(guī)定公共建筑安全疏散出口（包括門）的凈寬度不應小于0.9m，疏散走道和樓梯的凈寬度不應該小于1.1m。而本文所做的初始模型中，樓梯寬度最小凈寬度為1.2m，疏散門的最小凈寬度為1m。兩者全部符合規(guī)范規(guī)定。但由于商業(yè)綜合體屬于人員密集場所的公共建筑，由初始的模型模擬可知，其在樓梯處滯留時間過長，疏散效率太低。為了使人員疏散效率提升，本文將把樓梯進行加寬。由1.2m加寬至1.35m，亦符合建筑設計防火規(guī)范。

本文所做的初始模型在地上一層設有兩個大型安全出口，符合規(guī)范規(guī)定。但由于模擬時將地下停車場的安全出口禁用，嚴重影響人員的疏散效率，所以在地下一層加一個大型安全出口，以緩解地下停車場由于出口禁用而增大的人流。此層出口為斜坡式安全出口，直通地面，和現實大型地下超市所設計的安全出口類似。其出口設置在正北方，兩個小型辦公室的中間。

加外部樓梯模型圖

由于此模型都設置為封閉樓梯，但一般的商業(yè)綜合體都設有外部樓梯和電梯（本文電梯禁用），故為了提升人員疏散效率，可仿照現實商業(yè)綜合體加設外部樓梯，可在火災發(fā)生緊急疏散時使用。外部樓梯設置在兩邊的樓梯中間，樓梯寬度和改進后樓梯寬度相同均為1.35m，一眼看去感覺像三個“口”字連接，貫穿一到四層，看起來也很美觀，如圖所示。

驗證分析

通過優(yōu)化設計再次模擬，其結果如下：

加寬樓梯后疏散時間為1051.5s，疏散時間減少了120.3s。

地下一層加一個大型安全出口后疏散時間為1007s，疏散時間減少了164.8s。

在地上一層到四層加外部樓梯后疏散時間為1081.8s，疏散時間減少了90s。

現在在原模型的基礎上，先加寬樓梯，接著在地下一層加一大型安全出口，最后加一至四層的外部樓梯，然后進行模擬。結果為：加寬樓梯的模擬時間為1051.5s，疏散時間減少了120.3s；在加寬樓梯的基礎上增加安全出口的模擬時間為896.8s，疏散時間共減少了275s；在前兩者的基礎上加外部電梯的模擬時間為759.5s，疏散時間共減少了412.3s。經過三步優(yōu)化，把此模型所需的疏散時間由初始的1171.8s降到759.5s，共減少疏散時間412.3s，使模型得到了優(yōu)化，明顯提升了人員的疏散效率。

結論

本文通過優(yōu)化設計減少了所需安全疏散時間，提高人們的疏散效率。

不管怎么優(yōu)化，商業(yè)綜合體的人流量巨大是個不爭的事實。這也是Pathfinder軟件本身的缺陷，無論做何種優(yōu)化，樓梯口的人員擁堵是無法解決的問題。

上述文中的三步優(yōu)化沒有誰優(yōu)誰劣，他們都是為了減少模型所需疏散時間而服務。三步優(yōu)化共同作用所減少的疏散時間，肯定和三步單獨對原模型優(yōu)化時間的機械相加不同。也就是說三步優(yōu)化之間有作用力，雖然三步優(yōu)化最終減少了所需安全疏散時間，但是每兩種疏散優(yōu)化有時會抵消一部分對方的積極作用，有時反而會促進對方的優(yōu)化。

優(yōu)化雖然減少了所需安全疏散時間，但是也凸顯了樓梯利用率的問題。在初始模擬時，雖然樓梯利用率不同，但模型中所有樓梯都在使用；在優(yōu)化模型后，側邊角的樓梯使用率大大降低，也可以通過軟件圖表分析發(fā)現有十個樓梯在疏散過程中根本沒有使用，利用率為0。