某高校教學(xué)樓人群流動(dòng)模擬分析與管控策略

許 彬，葉 銳，張 俊，房志明，鄭瑋俐

(1.上海市徐匯區(qū)消防救援支隊(duì)，上海 200235；2.上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

教學(xué)樓是典型的人員密集場(chǎng)所，特別在大學(xué)校園內(nèi)，正常教學(xué)日中，一棟教學(xué)樓內(nèi)往往同時(shí)容納上千名人員。人群流動(dòng)在上下課期間會(huì)變得相當(dāng)密集，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擁擠、堵塞的現(xiàn)象，存在發(fā)生踩踏事故的隱患，因此有必要對(duì)教學(xué)樓內(nèi)的人群流動(dòng)進(jìn)行分析并給出科學(xué)的管控措施。

當(dāng)前高校教學(xué)樓內(nèi)的人群流動(dòng)研究主要集中在疏散場(chǎng)景的分析。王錕等[1]通過模擬發(fā)現(xiàn)：將人數(shù)較多的課程安排在靠近樓梯口附近的教室，并充分利用低樓層教室排課，可有效縮短整體疏散時(shí)間。王志濤等[2]研究了教學(xué)樓出口條件和樓梯寬度對(duì)人群疏散的影響，結(jié)果表明合理的出口設(shè)置與樓梯寬度可有效加快疏散進(jìn)程。謝明峰等[3]和李瑩瑩等[4]分別開展了教學(xué)樓內(nèi)火災(zāi)與疏散的耦合模擬研究，通過比較可用疏散時(shí)間和所需疏散時(shí)間，對(duì)火災(zāi)下的疏散過程進(jìn)行評(píng)估。目前絕大多數(shù)研究只關(guān)注了教學(xué)樓內(nèi)人群的單向流動(dòng)(應(yīng)急疏散過程)，即人員在流動(dòng)過程中不會(huì)受到相向人群的干擾。事實(shí)上，由于同時(shí)存在需要進(jìn)入和離開教學(xué)樓的人員，人群對(duì)流現(xiàn)象會(huì)在上下課期間頻繁出現(xiàn)，并造成比單向流動(dòng)時(shí)更為嚴(yán)重的擁堵。

教學(xué)樓人群對(duì)流現(xiàn)象往往發(fā)生在樓梯上，其垂直結(jié)構(gòu)極大增加了發(fā)生踩踏事故的概率。近年來已經(jīng)發(fā)生過幾起由于人群在樓梯上形成對(duì)流而導(dǎo)致的事故：2004年北京密云彩虹橋上因觀景行人相向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致踩踏事故，造成37人死亡，37人受傷；2014年上海外灘一處室外樓梯上因上下行人對(duì)沖引發(fā)踩踏事故，造成36人死亡，49人受傷。因此，面向教學(xué)樓尤其是樓梯間區(qū)域，本研究在關(guān)注人群?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)的同時(shí)，開展了人群相向?qū)α鞯哪M研究，以綜合分析不同場(chǎng)景下教學(xué)樓內(nèi)的人群流動(dòng)情況。

1 模擬設(shè)置

1.1 模擬工具

采用Pathfinder軟件進(jìn)行人群流動(dòng)模擬。該軟件包含兩種運(yùn)動(dòng)模式：在SFPE模式中，個(gè)體的運(yùn)動(dòng)依賴于速度與密度的關(guān)系和門的容量；在Steering模式中，個(gè)體的運(yùn)動(dòng)是個(gè)體與個(gè)體、個(gè)體與環(huán)境之間相互作用的結(jié)果。該軟件自問世以來，已被許多研究學(xué)者用來開展不同空間場(chǎng)景內(nèi)的疏散模擬分析，如公交車，超高層建筑，地下隧道，商場(chǎng)，體育場(chǎng)館和地鐵站[5-11]等。該軟件可同時(shí)模擬上千名人員的運(yùn)動(dòng)，并且輸出軌跡、疏散時(shí)間、運(yùn)動(dòng)距離和堵塞時(shí)間等參數(shù)。

1.2 教學(xué)樓結(jié)構(gòu)

以上海某高校內(nèi)的一棟教學(xué)樓為研究對(duì)象進(jìn)行案例分析，建立全尺寸模型如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：①該教學(xué)樓總共5層，其中1樓層高為3.8 m，其余樓層層高為3.6 m；②該教學(xué)樓共有5處樓梯：樓梯1為平行雙合樓梯，位于教學(xué)樓的中部位置，兩側(cè)樓梯寬度為1.7 m，中間樓梯寬度為2 m，東西兩側(cè)樓梯2、3寬度為1.2 m，西南、東南樓梯4、5寬度為0.8 m，樓梯1、2、3連接1樓至5樓，樓梯4、5連接1樓至4樓的階梯教室；③1樓有8個(gè)直通室外的出口：出口1、2位于樓梯1附近，并且各由3個(gè)防火門組成，每個(gè)防火門的寬度為1.6 m，出口3、4位于樓梯2附近，寬度為1.5 m，出口5、6位于樓梯3附近，寬度為1.5 m，出口7位于樓梯4附近，寬度為0.8 m，出口8位于樓梯5附近，寬度為0.8 m；④由于長(zhǎng)期施工，出口2并未開放，因此模擬時(shí)將其設(shè)置為不可用。

圖1 基于Pathfinder軟件的全尺寸某教學(xué)樓模型

該教學(xué)樓各層的疏散寬度情況如表1所示，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016-2014)[12]中第5.2.21條中的百人疏散寬度標(biāo)準(zhǔn)(每100人所需的最小疏散寬度)，計(jì)算了為滿足防火規(guī)范要求，現(xiàn)有疏散條件下各層的人數(shù)限值。

表1 某教學(xué)樓疏散設(shè)施統(tǒng)計(jì)及容納人數(shù)分析

由表1可知，目前該教學(xué)樓總的座位數(shù)(5 960)超出了防火安全人數(shù)限值(5 449)，其中二層至五層的座位數(shù)都超出了防火安全人數(shù)限值。即如果實(shí)際使用率(實(shí)際人數(shù)/座位數(shù))超過一定程度時(shí)(總體91%、1層200%、2層70%、3層60%、4層45%、5層70%)，實(shí)際人數(shù)會(huì)超出防火規(guī)范要求限值，將處于不安全的狀態(tài)。

1.3 模擬場(chǎng)景設(shè)置

受限于現(xiàn)實(shí)條件，該教學(xué)樓日常處于較高使用率狀態(tài)，可能轉(zhuǎn)化為不安全狀態(tài)，且該狀態(tài)還將會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，在大課間與集中下課期間，該教學(xué)樓各個(gè)樓梯非常擁擠，甚至?xí)霈F(xiàn)短暫的擁堵鎖死現(xiàn)象。針對(duì)該教學(xué)樓大概率出現(xiàn)的人流沖突與擁堵狀況，考慮典型的人群總數(shù)狀態(tài)(包括可能的超出規(guī)范限值時(shí)的不安全狀態(tài))，在建立該教學(xué)樓疏散模型的基礎(chǔ)上分別設(shè)置了人群?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)和相向?qū)α鞯那榫啊?/p>

所有模擬場(chǎng)景的描述如表2所示，其中“↓”表示下樓，“↑”表示上樓。①單向流動(dòng)情景，該情景對(duì)應(yīng)集中下課時(shí)的學(xué)生清空過程以及應(yīng)急疏散過程，主要基于教室座位使用率研究學(xué)生人數(shù)，如當(dāng)使用率為80%時(shí)，每層的學(xué)生人數(shù)為該層總座位數(shù)的80%。下課延遲時(shí)間對(duì)流動(dòng)過程的影響，總共包括8個(gè)場(chǎng)景；②相向?qū)α髑榫?，該情景?duì)應(yīng)大課間時(shí)上課人群和下課人群在樓梯間的對(duì)流運(yùn)動(dòng)過程，主要研究上下樓人數(shù)差異，分樓梯通行和下課延遲時(shí)間對(duì)流動(dòng)過程的影響，總共包括10個(gè)場(chǎng)景。根據(jù)日常統(tǒng)計(jì)，將進(jìn)入和離開教學(xué)樓的學(xué)生人數(shù)設(shè)置為500或300，同時(shí)為簡(jiǎn)化場(chǎng)景，下樓人員都分布在5樓，上樓人員都分布在1樓。

2 模擬與結(jié)果分析

針對(duì)表2中的18個(gè)場(chǎng)景，開展了一系列的模擬，人群?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)和相向?qū)α鞯哪M截圖如圖2所示。不同場(chǎng)景的對(duì)比分析主要依據(jù)2個(gè)輸出結(jié)果，總體通行時(shí)間和個(gè)體最大連續(xù)堵塞時(shí)間：①總體通行時(shí)間是所有人均從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的所需時(shí)間，對(duì)于相對(duì)流動(dòng)過程，總體通行時(shí)間取上樓時(shí)間與下樓時(shí)間中最大值。其中，上樓時(shí)間指全部上樓人員由1樓初始位置(位于建筑外各個(gè)出口旁)到達(dá)5樓指定教室的時(shí)間；下樓時(shí)間指全部下樓人員由5樓初始位置(隨機(jī)分布在各個(gè)教室)到達(dá)1樓出口的時(shí)間；②個(gè)體最大連續(xù)堵塞時(shí)間是人員在運(yùn)動(dòng)過程中單次堵塞的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，根據(jù)該值大小，將人員分為經(jīng)歷嚴(yán)重?fù)矶?最大連續(xù)堵塞時(shí)間大于30 s)、中等擁堵(大于20 s小于等于30 s)、輕度擁堵(大于10 s小于等于20 s)、正常通行(小于等于10 s)4種擁堵狀態(tài)。根據(jù)每個(gè)人員的個(gè)體最大連續(xù)擁堵時(shí)間，可進(jìn)一步計(jì)算各擁堵狀態(tài)的人員比例，將各場(chǎng)景中占比最高的擁堵狀態(tài)定義為該場(chǎng)景的擁堵狀態(tài)。

圖2 人群?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)(疏散)與相向?qū)α髂M截圖

表2 模擬場(chǎng)景描述

各場(chǎng)景模擬結(jié)果如表3所示，灰色陰影標(biāo)記的是各場(chǎng)景中比例最高的擁堵狀態(tài)。

表3 各場(chǎng)景模擬結(jié)果

2.1 單向流動(dòng)模擬結(jié)果分析

基于場(chǎng)景1至場(chǎng)景6對(duì)比分析控制教室座位使用率對(duì)疏散過程的影響，基于場(chǎng)景4、7和8，對(duì)比分析設(shè)置一定的下課延遲時(shí)間對(duì)單向流動(dòng)(疏散)的影響。結(jié)果分析及改進(jìn)措施如下：①根據(jù)對(duì)場(chǎng)景1至場(chǎng)景6的分析，隨著設(shè)置的教室座位使用率逐漸下降，依次下降的學(xué)生總?cè)藬?shù)與總體通行時(shí)間呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，進(jìn)一步進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線自變量x(學(xué)生總?cè)藬?shù))和因變量(總體通行時(shí)間)的關(guān)系為y=0.2x如圖3所示。②場(chǎng)景1至場(chǎng)景6中4種擁堵狀態(tài)占據(jù)的人員比例如圖4所示，隨著教室座位使用率的升高，經(jīng)歷輕度擁堵和中等擁堵的人員比例變化不大，而經(jīng)歷嚴(yán)重?fù)矶碌娜藛T比例升高，由5%升至52%。當(dāng)座位使用率不低于60%時(shí)(場(chǎng)景1、2、3)，經(jīng)歷嚴(yán)重?fù)矶碌娜藛T比例總是最高，分別占到了總?cè)藬?shù)的52%、49%、41%，可知，根據(jù)此模擬場(chǎng)景與相應(yīng)結(jié)果，為保證應(yīng)急疏散效率，建議該教學(xué)樓內(nèi)的日常學(xué)生人數(shù)應(yīng)控制在最大容量的60%以下。③如圖5所示，對(duì)場(chǎng)景4、7和8進(jìn)行分析，當(dāng)座位使用率在40%時(shí)，對(duì)高樓層課堂設(shè)置一定的下課延遲時(shí)間，可在一定程度上緩解人群擁堵情況，相比場(chǎng)景4(嚴(yán)重?fù)矶氯藛T比例為31%)，通過延遲5樓的下課時(shí)間，場(chǎng)景7嚴(yán)重?fù)矶氯藛T比例降為27%，同時(shí)延遲4樓與5樓的下課時(shí)間，場(chǎng)景8嚴(yán)重?fù)矶氯藛T比例降為10%。

圖3 學(xué)生人數(shù)與總體通行時(shí)間的關(guān)系

圖4 場(chǎng)景1至場(chǎng)景6中4類人員的比例

圖5 延遲下課時(shí)間對(duì)人群?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)(疏散)中擁擠程度的影響

2.2 相向?qū)α髂M結(jié)果分析

相向?qū)α鬟^程中，相向運(yùn)動(dòng)人員會(huì)相互影響，甚至?xí)蔀閷?duì)向人員的瓶頸，從而導(dǎo)致總體通行時(shí)間的增長(zhǎng)，以及嚴(yán)重?fù)矶卤壤脑黾?。通過設(shè)置不同的對(duì)向人數(shù)、分樓梯通行及一定的下課延遲時(shí)間(延遲下樓人群的開始運(yùn)動(dòng)時(shí)間)，模擬分析對(duì)向擁堵成因及可能的改進(jìn)方案，結(jié)果分析及改進(jìn)措施如下：①如表3、圖6所示，與場(chǎng)景9相比，不管是增加上樓人數(shù)(場(chǎng)景10)還是下樓人數(shù)(場(chǎng)景11)，總體通行時(shí)間和擁擠程度都會(huì)增加?？芍?，人員上樓速度低于下樓速度，當(dāng)上下樓人數(shù)相同時(shí)，上樓時(shí)間大于下樓時(shí)間，此時(shí)樓梯上的相向?qū)α鲿r(shí)間取決于下樓時(shí)間，如果增加下樓人數(shù)會(huì)增加下樓時(shí)間，使人群相向?qū)α鞯某掷m(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此場(chǎng)景11中經(jīng)歷嚴(yán)重?fù)矶碌娜藛T比例也比場(chǎng)景10中高。②如圖7所示，對(duì)比場(chǎng)景10、12和13，當(dāng)上下樓人員分樓梯通行時(shí)，總體通行時(shí)間和擁擠程度顯著降低，并且當(dāng)上樓人員使用樓梯1時(shí)改善效果更為明顯。可知，對(duì)于會(huì)產(chǎn)生明顯對(duì)流擁堵的課間，應(yīng)該引導(dǎo)人群在特定樓梯“只上”或“只下”，提升人群流動(dòng)效率，且避免意外發(fā)生。③如圖8所示，對(duì)比場(chǎng)景10及14-18，隨著下課延遲時(shí)間的增加，經(jīng)歷嚴(yán)重?fù)矶碌娜藛T比例呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？芍?dāng)設(shè)置下課延遲時(shí)間，下樓的人群延遲運(yùn)動(dòng)，人群整體通行效率升高，因此適當(dāng)安排下課延遲時(shí)間有助于緩解相向?qū)α髦械娜巳簱矶聽顩r。

圖6 上下樓人數(shù)差異對(duì)相向?qū)α髦袚頂D程度的影響

圖7 分樓梯通行對(duì)相向?qū)α髦袚頂D程度的影響

圖8 下課延遲時(shí)間對(duì)相向?qū)α髦袚頂D程度的影響

3 結(jié)論

使用Pathfinder軟件開展了某高校教學(xué)樓人群流動(dòng)模擬分析，主要關(guān)注兩個(gè)情景：①單向流動(dòng)(應(yīng)急疏散)情景，對(duì)應(yīng)集中下課時(shí)(上午、下午或晚上教學(xué)結(jié)束時(shí))的學(xué)生清空過程以及應(yīng)急疏散過程；②相向?qū)α髑榫?，?duì)應(yīng)大課間時(shí)上課人群和下課人群在樓梯間上的對(duì)流運(yùn)動(dòng)過程。通過控制變量，建立了18個(gè)具體的模擬場(chǎng)景，研究座位使用率，下課延遲時(shí)間、分樓梯通行等因素對(duì)總體通行時(shí)間和擁擠程度的影響?；谀M對(duì)比結(jié)果，結(jié)論如下：

(1)教室座位使用率越高，單向流動(dòng)過程中的嚴(yán)重?fù)矶聲r(shí)間越長(zhǎng)，為保證嚴(yán)重?fù)矶聲r(shí)間不在較高水平，需將該教學(xué)樓內(nèi)的座位使用率控制在60%以下；

(2)在大課間時(shí)，通過控制上下樓人群分樓梯通行的方式，可顯著提升人群流動(dòng)效率，降低意外風(fēng)險(xiǎn)；

(3)不論單向流動(dòng)或相向?qū)α鬟^程，適當(dāng)?shù)南抡n延遲時(shí)間有助于緩解教學(xué)樓內(nèi)的擁堵情況。