疏散門特性對人員疏散的影響

杜學勝，李鳳琴

(河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191)

目前，一些建筑結(jié)構復雜、人員眾多，疏散門和安全出口等疏散設施由于各種原因鎖閉、損壞或堆放物品，緊急疏散時容易出現(xiàn)擁堵狀況。疏散門是房間直接通向疏散走道的門[1]，火災發(fā)生時房間內(nèi)的人員需要經(jīng)過疏散門逃生至走道，然后進入樓梯間、避難間、室外等安全區(qū)域，故疏散門的數(shù)量、寬度、間距、夾角等特性對人員安全疏散會產(chǎn)生一定影響。楊立中[2]采用數(shù)值模擬方法對出口密度、出口間距、出口結(jié)構對人員水平疏散的影響進行了較為細致的研究，田水承等[3]分析了民機客艙中部應急出口對人員疏散的影響，萬展志等[4]對會展建筑展廳布置對人員疏散效率的影響進行了研究。本研究采用疏散實驗和數(shù)值模擬方法對疏散門各項特性對人員疏散的影響進行分析。

1 教室疏散實驗

1.1 教室基本情況

選擇河南工程學院6號樓402教室作為實驗房間，該教室位于一棟高20 m、耐火等級一級的5層教學樓的4層。該教室長15 m，寬9 m，使用面積125 m2，座位153個，教室南側(cè)兩端各有一樘雙扇平開門作為疏散門，兩樘門最近邊緣距離為11.1 m，單扇門寬0.65 m，總的疏散凈寬度為0.65 m×4=2.60 m，疏散門向教室內(nèi)開啟。根據(jù)現(xiàn)行國家標準GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[1]的規(guī)定，該教室總的疏散凈寬度不應小于1.68 m，疏散門不應少于2個，疏散門應向疏散方向開啟。因此，該教室疏散門數(shù)量和寬度符合要求，但疏散門開啟方向與現(xiàn)行規(guī)范要求不一致。

1.2 實驗安排

參加實驗的人員為在校大一學生，共130人，其中男生93人、女生37人。根據(jù)前、后疏散門開閉狀態(tài)的不同進行了3次實驗，每次實驗全體人員均坐在固定座位，實驗引導人員發(fā)出疏散指令后，全體人員開始疏散，記錄開始時間，當實驗人員全部離開教室時，記錄結(jié)束時間，并分別在教室前、教室后和教室外拍攝疏散過程。

1.3 結(jié)果與分析

3次實驗的過程和結(jié)果分別見圖1和表1。隨著疏散門開閉狀態(tài)的改變，教室的疏散總寬度發(fā)生變化，疏散時間也隨之變化?？傮w而言，疏散時間隨著疏散門總寬度的增大而減少，但疏散時間還受到疏散距離的影響，不會無限制減少。當疏散門總寬度過小時，門口會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。圖1(c)是實驗3在前門出現(xiàn)擁堵的情形，此時疏散門總寬度僅有0.65 m。我國現(xiàn)行《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定疏散門的凈寬度不應小于0.90 m，美國消防標準《生命安全準則》[5]規(guī)定疏散門的最小凈寬度為0.915 m。實驗1中前后兩個疏散門均開啟，從前門通過的人多于后門，因為前門位于視線前方，平時使用率就比較高，疏散時人們會習慣性選擇平時經(jīng)常使用的路徑。

圖1 疏散實驗過程Fig.1 The process of evacuation

表1 疏散實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of evacuation

2 教室疏散數(shù)值模擬

為了比較疏散實驗與疏散數(shù)值模擬的差異，采用Pathfinder軟件，依據(jù)疏散實驗數(shù)據(jù)建立模型并進行疏散數(shù)值模擬。

2.1 模型設定

將教室內(nèi)的課桌和講臺設置為長條形障礙物，去掉椅子后形成教室的空間模型。男生的肩寬統(tǒng)一設置為0.48 m，行走速度統(tǒng)一設置為1.26 m/s；女生的肩寬統(tǒng)一設置為0.42 m，行走速度統(tǒng)一設置為1.20 m/s。人員行為模式采用操縱模式(steering mode)，操縱模式基于逆向操縱行為方式，可以模擬更復雜的自然行為[6]。

2.2 模擬結(jié)果與分析

模擬過程和結(jié)果分別見圖2和表2。對比1.3節(jié)的3次實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，計算機模擬實驗時間明顯長于上述實驗的疏散時間(表1)，但整體變化規(guī)律相同。觀察計算機模擬過程，發(fā)現(xiàn)人員的疏散策略較為單一，如位于中間座椅的人只會選擇從靠近門口的縱向走道(與黑板垂直)疏散，導致其在橫向走道(與黑板平行)處停滯，而疏散實驗中人員的選擇比較靈活，位于中間的人會選擇距離較近的縱向走道，在橫向走道處停滯時間較短。疏散實驗因提前制定了實驗方案，參與實驗人員對教室環(huán)境非常熟悉，聽到指令立即疏散，反應時間和預動時間可忽略不計[7- 8]，而計算機模擬時會考慮這些因素，所以造成了實驗與模擬之間較大的偏差。

圖2 疏散模擬過程Fig.2 The process of evacuation simulation

表2 疏散模擬結(jié)果Tab.2 The results of evacuation simulation

公共建筑中經(jīng)常出現(xiàn)廳、室使用時疏散門沒有全部開啟的現(xiàn)象，例如會議室、教室只打開經(jīng)常使用的前門，這時該房間的實際總疏散寬度小于設計的疏散總寬度，疏散時間會隨之增加，故人員密集的廳、室在使用過程中應確保所有疏散門都打開。

3 疏散門夾角對人員疏散的影響

兩個疏散門間最近邊緣水平距離不應小于5 m，美國消防標準《生命安全準則》還規(guī)定最近兩個疏散出口與室內(nèi)最遠點的夾角不應小于45°，兩個疏散門間的水平距離和夾角相互關聯(lián)。以疏散實驗使用的402教室為例，對兩者關系進行分析，將402教室簡化為圖3。

圖3 402教室簡化圖Fig.3 The simplified map of classroom 402

圖3中疏散門1和疏散門2最近邊緣距離為d，P為教室內(nèi)距離兩個門的最遠點，點P與這兩個門邊緣的夾角為θ，教室進深為w，則三者關系可用下面的公式表示：

(1)

公式(1)中沒有教室長度參數(shù)，教室長度影響疏散門數(shù)量，但對疏散門間的夾角沒有影響。如果教室進深過大，使疏散門與北側(cè)墻壁距離超過最大允許的疏散距離，則教室北側(cè)也需要設置疏散門，以保證室內(nèi)任意一點疏散距離符合相關規(guī)范的要求。該教室進深為9 m，當兩個疏散門水平距離為5 m時，教室最遠點與這兩個門的夾角為31.05°，而當這個夾角為45°時，水平距離為7.46 m，教室兩個疏散門的實際夾角為63.32°。

根據(jù)疏散門夾角的不同，進行了3次模擬實驗，模擬過程和結(jié)果分別見圖4和表3。當夾角為20°時，疏散門距離只有3.17 m，低于規(guī)范要求的5 m，由于兩個疏散門距離過近，兩股疏散人群相互交叉，導致疏散效率降低，疏散時間最長；當夾角為45°時，疏散門距離為7.46 m，滿足規(guī)范要求，兩股疏散人群相互獨立，疏散效率提升，疏散時間最短；當夾角為60°時，疏散門與兩端墻壁的距離過近，由于兩端墻壁對人群有阻礙作用，故疏散效率降低，疏散時間居中。

圖4 不同夾角時疏散模擬過程Fig.4 The evacuation simulation process at different included angles

表3 不同夾角時疏散模擬結(jié)果Tab.3 The simulation results of evacuation at different included angles

在對建筑物進行疏散設計時，除需要保證相鄰兩個疏散門之間的水平距離不小于5 m外，還需要考慮它們與房間最遠點的夾角不應小于45°，目的是盡可能將疏散門分散布置，以形成相互獨立的疏散路徑，避免疏散人群相互干擾。

4 障礙物對人員疏散的影響

保持疏散通道通暢是人員安全疏散的保障，但在疏散通道放置物品的現(xiàn)象比較常見，為了分析疏散通道中障礙物對人員疏散的影響，進行了模擬實驗。模擬實驗7中兩個疏散門均保持通暢，而模擬實驗8中左側(cè)疏散門附近設置了一處長1.77 m、水平傾角為31.62°的障礙物。兩次模擬實驗均采用均一分布確定人員的初始位置，實驗過程和結(jié)果分別見圖5和表4。模擬實驗7中兩個疏散門附近沒有障礙物，人員疏散比較通暢，全部疏散時間為32.3 s，左右兩個疏散門通過人數(shù)差別不大；模擬實驗8中由于左側(cè)疏散門前設置了障礙物，人員主動采取繞開障礙物的行為[9]，導致左側(cè)疏散門前出現(xiàn)了明顯擁堵，一些原來距左側(cè)疏散門較近的人選擇從右側(cè)疏散門疏散，故疏散時間比模擬實驗7有所延遲，而且左側(cè)疏散門的疏散人數(shù)比右側(cè)疏散門少了很多。

圖5 障礙物條件下疏散模擬過程Fig.5 The evacuation simulation process under obstacle condition

表4 障礙物條件下疏散模擬結(jié)果Tab.4 The simulation results of evacuation under obstacle conditions

因此，建筑物內(nèi)疏散通道必須保持通暢，禁止堆放各類物品，以免在緊急情況下影響人員安全疏散，可通過宣傳培訓、張貼標志、定期清理等方式加強對疏散通道的管理。

5 結(jié)論

(1)在單扇疏散門寬度不變的情況下，隨著疏散門開啟數(shù)量的增加，房間疏散門總寬度隨之增大，疏散時間隨之減少；疏散時間還受到疏散距離和疏散人數(shù)等條件的制約，不能無限制減少；疏散門寬度過小時，在門口會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。

(2)相鄰兩個疏散門與房間最遠點構成一個夾角，此夾角與兩個疏散門水平距離線性相關，當夾角過小時，兩個疏散門距離較近，導致疏散人群相互交叉，疏散效率下降，疏散時間延長。

(3)疏散門附近的障礙物減少了疏散門總寬度，易造成疏散門前人員擁堵，降低了疏散門的利用率，增加了疏散時間。