商業(yè)綜合體中樓梯、自動扶梯和電梯多通道耦合疏散策略研究*

馬 輝，張函冰，朱紅杰

(1.華北科技學院 安全工程學院，河北 廊坊 065201； 2.中國神華國際工程有限公司，北京 100007)

0 引言

商業(yè)綜合體等人員密集場所安全疏散難度大、疏散效率低，通常采用自動扶梯與疏散電梯作為輔助疏散設(shè)施。其中，自動扶梯一般位于場所中心位置，易于尋找，在應(yīng)急疏散過程中發(fā)揮至關(guān)重要作用。

國內(nèi)外學者針對自動扶梯在應(yīng)急疏散中作用展開研究：文獻[1-2]研究自動扶梯在人員疏散中輔助作用及可行性；姚斌等[3]研究自動扶梯上行、下行及停運工況條件下對地鐵站臺人員疏散影響;侯正波等[4]研究扶梯上行、下行及反向運行等運行方式對地鐵人員疏散影響；徐建方等[5]利用AnyLgoic仿真軟件，分析高峰疏散時地鐵站自動扶梯最佳運行方式組合；梁驍?shù)萚6]通過實驗方法分析大客流緊急疏散，自動扶梯與固定樓梯共同運行時安全疏散效果；Naoko等[7]對不同高度與長度自動扶梯，分別進行靜止和向上移動2種模式下疏散實驗發(fā)現(xiàn)，利用自動扶梯可將疏散時間縮短46%；Hiroyuki等[8]對已停用自動扶梯進行安全疏散實驗，并通過模擬方法進行驗證；許曉元等[9]認為利用電梯進行安全疏散可行，且技術(shù)上可以滿足相關(guān)防排煙、排水、供電要求；楊海明等[10]研究高層建筑電梯與樓梯協(xié)同疏散策略；同濟大學建筑設(shè)計研究院通過將電梯、樓梯協(xié)同疏散技術(shù)應(yīng)用于上海中心大廈，驗證電梯作為輔助疏散工具可行性及有效性[11]。

目前研究雖取得一定成果，但仍存在以下問題：1)有關(guān)地鐵等軌道交通出入口處自動扶梯應(yīng)急疏散研究以及高層或超高層建筑電梯應(yīng)急疏散研究較多，針對自動扶梯數(shù)量較多、人員密度較大商業(yè)綜合體研究較少。2)針對自動扶梯作為輔助疏散工具時的安全疏散判定準則相關(guān)研究較少。3)樓梯、自動扶梯和電梯進行多通道耦合疏散策略方面研究較少。

因此，本文應(yīng)用Pathfinder2018模擬仿真軟件，研究停運、上行、下行及應(yīng)急反轉(zhuǎn)4種運行狀態(tài)下，自動扶梯與樓梯雙通道耦合疏散模式疏散效果，確定自動扶梯與樓梯最佳疏散模式，并進一步探討樓梯、自動扶梯和電梯多通道耦合疏散模式實效性，為人員密集場所應(yīng)急疏散預案制定提供理論依據(jù)。

1 自動扶梯疏散判定準則

使用自動扶梯輔助安全疏散，當需要應(yīng)急反轉(zhuǎn)時，所需安全時間等于突發(fā)事件(包括火災，但不局限于火災)探測時間、報警時間、預動作時間、自動扶梯反轉(zhuǎn)時間和疏散過程運動時間之和，如式(1)～(3)所示：

TRSET-ES=T探測+T報警+T預動作+T扶梯反轉(zhuǎn)+T運動-ES

(1)

TRSET-EL=T探測+T報警+T預動作+T運動-EL

(2)

TRSET-ST=T探測+T報警+T預動作+T運動-ST

(3)

運用自動扶梯、疏散電梯和疏散樓梯3種輔助疏散工具同時進行疏散，3個時間存在交叉，取決于疏散人員對疏散路徑選取。

當TRSET-ES>TRSET-EL或TRSET-ES>TRSET-ST時，TRSET-ES等于總疏散時間TRSET，如式(4)所示：

T扶梯反轉(zhuǎn)=TRSET-(T探測+T報警+T預動作+T運動)

(4)

式中：TRSET-ES為自動扶梯作為疏散工具時安全疏散時間，s；TRSET-EL為疏散電梯作為疏散工具時安全疏散時間，s；TRSET-ST為疏散樓梯作為疏散工具時安全疏散時間，s；T探測表示由事件發(fā)生至探測到危險所需時間，s；T報警表示從探測到危險到向建筑特定區(qū)域發(fā)出警報信號時間，s；T扶梯反轉(zhuǎn)表示警報信號發(fā)出后，操作人員操作自動扶梯反轉(zhuǎn)時間(包括操作人員到達扶梯反轉(zhuǎn)操作按鈕處時間、反轉(zhuǎn)操作時間2部分)，s；T預動作表示從警報發(fā)出至人員開始向出口移動時間，包括確認時間(確認突發(fā)公共事件發(fā)生)和反應(yīng)時間(人員對發(fā)生事件做出第一反應(yīng)到開始向安全區(qū)域移動時間)，s；T運動-ES，T運動-EL，T運動-ST分別表示建筑內(nèi)某一區(qū)域人員，分別采用自動扶梯、疏散電梯和疏散樓梯作為輔助疏散工具時，由向出口移動至抵達安全地點所需要時間，s。

因此，當T扶梯反轉(zhuǎn)≤TRSET-(T探測+T報警+T預動作+T運動)，疏散成功；T扶梯反轉(zhuǎn)>TRSET-(T探測+T報警+T預動作+T運動)，疏散失敗。

自動扶梯判定準則可為人員密集場所使用自動扶梯作為輔助疏散工具，編制應(yīng)急預案和應(yīng)急演練中操作人員應(yīng)急處置程序及關(guān)鍵時間點確定提供參考。

2 Pathfinder模型建立

Pathfinder2018是1種基于人員運動及進出的緊急出口模擬器，能較好模擬人員密集場所安全疏散。

2.1 疏散人員分布及屬性

1)人員分布

某商業(yè)綜合體建筑總面積46 995 m2，各層平面圖如圖1所示。地下建筑面積8 309 m2，包括B1、B2 2層，B2為超市，通過室外樓梯可直接進入，B1為停車場，共有262個停車位，在建筑物南面和北面分別設(shè)1個出口；地上建筑面積38 712 m2，包括F1、F2、F3、F4 4層。該商業(yè)綜合體共有24部自動扶梯，3組電梯，共5部，其中，電梯3、4由B2直通F4，電梯0、1、2由F1通向F4。

圖1 商業(yè)綜合體平面圖Fig.1 Plan of commercial complex

考慮極限條件，人員密度和面積折算系數(shù)均取最大值[12]。該商業(yè)綜合體不同功能區(qū)面積與疏散人數(shù)見表1。

表1 某商業(yè)綜合體內(nèi)不同功能區(qū)面積及疏散人數(shù)Table 1 Areas and evacuation numbers of different functional zones in a commercial complex

2)人員屬性

不同人群所占比例及生理參數(shù)見表2。

表2 疏散人群生理參數(shù)Table 2 Physiological parameters of evacuees

3)自動扶梯及電梯參數(shù)

自動扶梯傾角26.3°，長12.15 m，寬0.80 m，速度1 m/s,最大容量50人。電梯參數(shù)詳見表3。

表3 電梯參數(shù)Table 3 Parameters of elevators

2.2 模型構(gòu)造及尺寸

商業(yè)綜合體建筑立體圖及側(cè)視圖如圖2～3所示。

圖2 商業(yè)綜合體建筑立體圖Fig.2 Stereogram of commercial complex

2.3 疏散模式

突發(fā)緊急事件影響因素較多，如疏散人員心理、行為、不同功能區(qū)人員構(gòu)成比例等。其中，自動扶梯運行方式對商業(yè)綜合體人員疏散效果影響較大，本文綜合考慮正常運行條件與事故條件下，自動扶梯4種運行方式，并分析不同運行方式對疏散效率影響。其中模式1為單一樓梯疏散，模式2為自動扶梯停運與樓梯耦合疏散，模式3為自動扶梯單下行與樓梯耦合疏散，模式4為自動扶梯雙下行與樓梯耦合疏散，各疏散模式具體見表4。

圖3 商業(yè)綜合體側(cè)視圖Fig.3 Side view of commercial complex

表4 人員疏散仿真疏散模式Table 4 Simulation mode of evacuation

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 雙通道耦合疏散模式下自動扶梯運行方式對疏散效果影響

運用Pathfinder2018軟件，在Steering模式下進行仿真模擬。各疏散模式疏散時間、平均疏散距離、平均擁堵時間及平均1次最長擁堵時間見表5。

表5 不同疏散模式人員疏散運動時間匯總Table 5 Summary on evacuation movement time of people in different evacuation modes

由表5可知，對比模式1，使用自動扶梯進行安全疏散，平均疏散距離增加約4.9%；平均擁堵時間和平均1次性最長擁堵時間分別降低3.14%，23.74%；其中模式4較模式1疏散時間減少90.33 s，縮短16.24%，平均擁堵時間減少5.2 s，縮短8.35%，平均1次性最長擁堵時間減少8.01 s，縮短23.71%。說明采用自動扶梯進行安全疏散可有效提高商業(yè)綜合體疏散效率。綜上可知，模式4疏散時間最短，平均擁堵時間和平均1次性最長擁堵時間最短，有效避免擁堵導致的二次踩踏事故。

4種模式下，最后完成疏散10人均為F4層人員，最先疏散完畢的10人全部為F1層人員，原因是F4疏散人數(shù)2 658人，占總疏散人數(shù)40.05%，人員密度過大，突發(fā)事件初期，人員不能在短時間疏散至F3；當F4人數(shù)較少時，因人員疊加作用，短時間可通過初期疏散設(shè)施疏散至F3；當F3人員密度較大時，導致疏散路線“房間各位置——房間疏散門——疏散走道——疏散樓梯”擁堵降低疏散速度，此時F4人員會較快通過疏散樓梯疏散至F2，疏散最慢的反而是F3人員。因此，原始疏散位置并不是疏散成功與否唯一影響因素，也受疏散層人員密度影響。

3.2 樓梯、自動扶梯和電梯多通道耦合疏散模式

電梯疏散效果受電梯荷載、運行速度、運行加速度、啟閉時間、分離層等多因素制約。上行自動扶梯反轉(zhuǎn)、下行自動扶梯正常運行與樓梯、疏散電梯多通道耦合模式(以下簡稱“模式5”)，總疏散時間455.5 s,比模式1縮短18.1%，比模式4疏散時間減少10.45 s，減少2.24%，5部疏散電梯位置如圖1(c)所示，疏散電梯搭載人員數(shù)量如圖4所示。

圖4 疏散電梯搭載人員數(shù)量Fig.4 Number of people carried by evacuation elevators

由圖4可知，電梯4搭載人數(shù)最多，電梯3和0次之；其中，電梯1和2位于東南側(cè)樓梯附近，人員密度較大，疏散過程中，電梯1和2搭載人數(shù)之和仍小于其他電梯搭載人數(shù)，原因是此處距離疏散扶梯較近，疏散中人群更樂于選擇扶梯疏散，因此仍未完全緩解東南側(cè)樓梯人員密度過大問題，可考慮通過更換荷載較大電梯、增加聲光或人工疏散指引標志等方法進行優(yōu)化。

5種疏散模式下通過樓梯、自動扶梯和電梯疏散人數(shù)見表6。

表6 樓梯、自動扶梯和電梯疏散人數(shù)Table 6 Evacuation numbers of stairs,escalators and elevators

由表6可知，5種疏散模式中疏散人數(shù)依次為樓梯>自動扶梯>電梯，當疏散人群通過樓梯、自動扶梯和疏散電梯同時疏散時，總疏散人數(shù)6 637人，利用樓梯5 438人，占總疏散人數(shù)82.61%；利用自動扶梯1 153人，占17.37%，利用電梯疏散86人，占1.30%，由此可見，樓梯仍是商業(yè)綜合體主要疏散設(shè)施。電梯疏散人數(shù)僅為自動扶梯7.46%，因此，在人員密集場所應(yīng)急疏散過程中，自動扶梯疏散效率高于電梯，且由于電梯荷載有限性、等待時間不確定性、經(jīng)濟合理性等因素，在超高層建筑中更能體現(xiàn)其利用價值。

4 結(jié)論

1)采用自動扶梯作為輔助疏散工具的安全疏散判定準則，可為確定自動扶梯應(yīng)急反轉(zhuǎn)時間提供依據(jù)。

2)自動扶梯與樓梯雙通道耦合疏散模式中，自動扶梯雙下行與樓梯耦合疏散模式疏散效果較好，疏散時間較短，總疏散時間465.95 s，比僅樓梯疏散模式疏散時間縮短16.24%。

3)自動扶梯、樓梯與電梯3重耦合疏散模式,比模式4疏散時間減少10.45 s，縮短2.24%，利用電梯疏散86人，占1.30%，使用疏散電梯輔助疏散效果提升不明顯。

4)5種疏散模式疏散人數(shù)均呈現(xiàn)“樓梯>自動扶梯>疏散電梯”，證明人員密集場所疏散過程中，自動扶梯疏散效果優(yōu)于電梯。