魏伏佳,張興杰,向淵明,唐 逾,譚 潛
(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司,重慶 400039)
在超高層建筑施工過(guò)程中,存在諸多安全隱患,如場(chǎng)地空間限制、長(zhǎng)期暴露作業(yè)、工種復(fù)雜及施工具有動(dòng)態(tài)性等,尤其是在地震多發(fā)區(qū)的超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng),安全事故發(fā)生頻率居高不下。因此,為防止和減少生產(chǎn)安全事故的發(fā)生,需綜合考慮多項(xiàng)危險(xiǎn)因素,并指導(dǎo)施工人員安全疏散。
國(guó)內(nèi)外關(guān)于安全疏散問(wèn)題的研究主要包括疏散風(fēng)險(xiǎn)研究、疏散數(shù)學(xué)模型研究和疏散仿真模擬研究。在疏散風(fēng)險(xiǎn)研究方面,汪金輝[1]、李修柏[2]和王燕青等[3]采用數(shù)學(xué)分析和實(shí)地測(cè)試的方法分別對(duì)大型建筑、高鐵隧道和民機(jī)客艙疏散安全隱患進(jìn)行了分析。在疏散數(shù)學(xué)模型研究方面,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[4-9]主要通過(guò)觀(guān)測(cè)和演習(xí)的方式提出疏散時(shí)間預(yù)測(cè)公式。在疏散仿真模擬研究方面,F(xiàn)DS+Evac,Building EXODUS,Pathfinder等軟件相繼研發(fā),使計(jì)算機(jī)模擬成為疏散研究的重要手段[10]。但目前,國(guó)內(nèi)外研究主要集中在建筑物使用階段發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全疏散問(wèn)題,地震災(zāi)害及施工現(xiàn)場(chǎng)特性等因素對(duì)安全疏散過(guò)程的影響有待研究。在特殊的環(huán)境下,施工單位根據(jù)疏散特性?xún)?yōu)化安全管理水平成為亟待解決的問(wèn)題。
基于此,本文以昆明市西山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目塔樓工程為例,在基于Pathfinder軟件建模過(guò)程中,采用實(shí)地測(cè)試、數(shù)學(xué)分析等方法提出建筑類(lèi)型、施工環(huán)境與地震動(dòng)等因素對(duì)安全疏散模式和速度等參數(shù)的影響,據(jù)此修正疏散模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,以尋找地震多發(fā)區(qū)超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)安全疏散管理優(yōu)化方向。
昆明市西山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目位于云南省,項(xiàng)目所在地屬于我國(guó)地震多發(fā)區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g,抗震設(shè)防烈度為8度,需考慮地震影響。研究對(duì)象選為B區(qū)南塔樓(見(jiàn)圖1左側(cè)塔樓),該塔樓高300m,共69層,其中地下3層,地上66層,屬于超限高層建筑。塔樓總工期為875d,勞動(dòng)人員峰值達(dá)2 325人,現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理及地震安全防范工作存在諸多挑戰(zhàn)。
圖1 西山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)塔樓工程
根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃,塔樓核心筒施工進(jìn)度較外框架快5層。因此,以建筑平面圖作為參照標(biāo)準(zhǔn)層,以外框架施工層作為0.000m標(biāo)高參照,向上建立5層標(biāo)準(zhǔn)層,向下建立20層標(biāo)準(zhǔn)層。對(duì)于核心筒施工作業(yè)面,應(yīng)增加施工人員出現(xiàn)概率較大的爬架平臺(tái)。由于疏散速度可能因疏散平面的不同受到影響,因此需進(jìn)行區(qū)分[11],即對(duì)核心筒混凝土平面、外框架模板平面、爬架平面、核心筒樓梯進(jìn)行區(qū)分,如圖2所示。
圖2 塔樓模型
塔樓模型中應(yīng)設(shè)置的障礙物主要包括布料機(jī)、施工機(jī)具與設(shè)備、核心筒中的電梯井、成品與半成品堆場(chǎng)、框架施工作業(yè)面上存在的框架柱等,如圖3所示。
圖3 施工作業(yè)面障礙物設(shè)置
模型中疏散人員數(shù)量設(shè)置參考施工組織計(jì)劃中勞動(dòng)人員需求數(shù)量,采用隨機(jī)布置的方式在施工作業(yè)面上進(jìn)行人員排布。模型中布置的施工管理人員和勞務(wù)人員共150人,主要分布在外框架施工作業(yè)面和核心筒施工作業(yè)面上,少量人員分布在其余樓層,如圖4所示。此時(shí),疏散人員主要屬性參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值(Default)。
圖4 疏散人員布置
常用疏散軟件普遍基于常規(guī)建筑環(huán)境與火災(zāi)災(zāi)害進(jìn)行模擬,并據(jù)此向用戶(hù)提供一系列默認(rèn)參數(shù),用戶(hù)也可根據(jù)實(shí)際情況編輯參數(shù)。以Pathfinder軟件為例,用戶(hù)需考慮的疏散參數(shù)包括疏散速度、疏散間距、疏散路徑、行為特征等,這些參數(shù)會(huì)對(duì)疏散結(jié)果產(chǎn)生影響[12]。因此,根據(jù)地震多發(fā)區(qū)超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)疏散特性,對(duì)疏散間距、疏散速度和障礙物尺寸進(jìn)行修正。
國(guó)內(nèi)外已有疏散數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果表明,疏散間距會(huì)影響疏散人群密度,改變?nèi)巳阂苿?dòng)速度,進(jìn)而影響疏散時(shí)間[13]。最優(yōu)間距是使疏散總時(shí)間最短的間距。因嚴(yán)格約束疏散行為,避免由人員自主意識(shí)導(dǎo)致的誤差,需研究疏散時(shí)間隨疏散間距變化規(guī)律。Pathfinder軟件提供的SFPE模式遵循工程指南和SFPE消防手冊(cè)要求,當(dāng)采用該模式進(jìn)行模擬時(shí),人員會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到最近的出口,不考慮疏散沖突碰撞對(duì)疏散路徑的影響[14]。基于SFPE模式進(jìn)行疏散模擬,得到的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。
圖5 疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線(xiàn)
由圖5可知,隨著疏散間距的增大,疏散時(shí)間呈先縮短后增加的變化趨勢(shì)。當(dāng)疏散間距為0.7m時(shí),疏散時(shí)間最短。為驗(yàn)證該結(jié)論在同類(lèi)工程中的適用性,根據(jù)建筑平面布置變化改變?nèi)巳核绞枭⒕嚯xL,根據(jù)勞動(dòng)力計(jì)劃改變疏散人員數(shù)量N,根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃改變核心筒與外框架進(jìn)度差K,模擬結(jié)果如圖6~8所示。由圖6~8可知,同類(lèi)工程中的最優(yōu)疏散間距為0.6~1.0m,用戶(hù)可在此范圍內(nèi)選擇疏散間距參考值,進(jìn)行參數(shù)編輯。
圖6 人群水平疏散距離L變化時(shí)的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線(xiàn)
圖7 疏散人員數(shù)量N變化時(shí)的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線(xiàn)
圖8 核心筒與外框架進(jìn)度差K變化時(shí)的疏散時(shí)間-疏散間距關(guān)系曲線(xiàn)
常用疏散軟件考慮了人群效應(yīng)對(duì)移動(dòng)速度的影響,但缺乏對(duì)環(huán)境因素的考慮。在特殊環(huán)境下,施工環(huán)境和地震動(dòng)均可能對(duì)疏散速度產(chǎn)生影響。
3.2.1施工環(huán)境下的疏散速度修正
由于施工作業(yè)面上通常存在模板支護(hù)和鋼筋綁扎區(qū)域,會(huì)影響疏散人員在此類(lèi)平面上的疏散速度[15]。為獲取上述環(huán)境下的疏散速度,在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬疏散測(cè)試,測(cè)試人數(shù)為20人,測(cè)試區(qū)域?yàn)榛炷疗矫?、鋼筋綁扎區(qū)域、模板支護(hù)區(qū)域,測(cè)試方式為小跑,測(cè)試距離為30m,測(cè)試變量為人群密度(0.5~5人/m2),測(cè)試指標(biāo)為時(shí)間,每組測(cè)試5次(按人群密度分組)。
疏散測(cè)試數(shù)據(jù)采用Matlab最小二乘法進(jìn)行處理,擬合得到人群在混凝土平面、鋼筋綁扎區(qū)域和模板支護(hù)區(qū)域的疏散速度公式分別為:
vc=-0.016 2D4+0.193 3D3-0.708 1D2+
0.474 4D+1.641 7
(1)
vp=-0.013 8D4+0.165 2D3-0.605 5D2+
0.405 6D2+1.403 6
(2)
vb=-0.012 5D4+0.149 4D3-0.547 4D2+
0.366 7D2+1.269
(3)
式中:D表示人群密度。
3.2.2地震作用下的疏散速度修正
人員在疏散過(guò)程中受自驅(qū)動(dòng)力和地震作用的影響[16],其中,自驅(qū)動(dòng)力fi計(jì)算公式為:
(4)
式中:mi表示人員質(zhì)量;vi與v0i分別表示人員行進(jìn)方向上的期望速度與實(shí)際速度;τi表示松弛時(shí)間,即到達(dá)期望速度的時(shí)間步長(zhǎng),通常取0.5s。
疏散人群受到的地震作用feq參考GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中的公式計(jì)算:
feq=αmaxmig,i=1,2,…,n
(5)
式中:αmax為地震影響系數(shù)最大值。
由于人在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有額定功率,當(dāng)人體功率達(dá)到額定功率后,將不再具有加速度,運(yùn)動(dòng)速度也將達(dá)最大值vmaxi,此時(shí)人體所受的自驅(qū)動(dòng)力和地震作用相等,即:
(6)
根據(jù)上述公式可推得地震作用對(duì)于疏散速度的折減系數(shù)βeq:
(7)
由此,基于施工環(huán)境下的移動(dòng)速度,應(yīng)采用折減系數(shù)法確定地震動(dòng)影響下的疏散速度。
3.2.3Pathfinder軟件中的疏散速度修正
Pathfinder軟件提供了針對(duì)某組疏散人員的速度設(shè)定和某塊區(qū)域的速度設(shè)定,前者需用戶(hù)輸入速度數(shù)值,而后者是按修正系數(shù)的形式考慮。計(jì)算得到外框架施工作業(yè)面鋼筋綁扎區(qū)域速度修正系數(shù)后,選定外框架層,并輸入修正系數(shù)。
施工作業(yè)面上通常存在成品與半成品臨時(shí)堆場(chǎng)及隨機(jī)堆放的設(shè)備、機(jī)具和材料等疏散障礙物,這會(huì)在一定程度上阻礙安全疏散進(jìn)程,在臨時(shí)堆場(chǎng)和障礙物存放范圍內(nèi)不存在疏散路徑。由于施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平有限,部分障礙物存在一定危險(xiǎn)性,設(shè)置障礙物模型時(shí)需按擴(kuò)大尺寸的形式考慮。
是否考慮障礙物尺寸擴(kuò)大由其危險(xiǎn)性決定。施工作業(yè)中常用的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法為作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法。為降低評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀(guān)性,張勛奎等[18]將“管理抵消因子”引入作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法中,使施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平能夠直接影響評(píng)價(jià)對(duì)象的危險(xiǎn)性等級(jí)。通過(guò)計(jì)算,如果危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅰ~Ⅲ級(jí),需進(jìn)行整改,即設(shè)置安全距離以擴(kuò)大其尺寸。不同類(lèi)別的障礙物安全距離計(jì)算方法如下。
1)靜態(tài)危險(xiǎn)源 對(duì)于平臺(tái)孔洞和未成形構(gòu)件等,疏散人員在疏散過(guò)程中的緊急應(yīng)變僅須依據(jù)危險(xiǎn)所在位置進(jìn)行判斷,進(jìn)而通過(guò)減速或變向進(jìn)行規(guī)避,這與城市工況安全車(chē)距控制與避撞算法中的前車(chē)靜止工況下汽車(chē)緊急制動(dòng)過(guò)程原理相同[19]。因此,將減速距離和疏散人員應(yīng)變作為參數(shù),形成權(quán)衡距離因素的模型:
ds=vbjtd+L0
(8)
式中:td表示疏散個(gè)體的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間,常用值為0.5s;j表示修正系數(shù),默認(rèn)值為1;vb表示疏散速度,與地震烈度相關(guān);L0表示減速距離,與地震烈度相關(guān)。
2)動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)源 對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施設(shè)備、材料堆場(chǎng)等,在遭遇地震的情況下可能發(fā)生整體傾覆、坍塌等現(xiàn)象,在這種情況下,應(yīng)按其高度值設(shè)置安全距離。本工程外框架上存在高2m的鋼筋成品架,由于材料管理工作水平有限,采用改進(jìn)的作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)得到設(shè)施坍塌的危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅱ級(jí),因此應(yīng)在模型上將該障礙物的尺寸向外擴(kuò)大2m。
由于外框架區(qū)域存在大量臨時(shí)設(shè)施設(shè)備、零散材料和未成形構(gòu)件,因此人員以進(jìn)入核心筒區(qū)域?yàn)榈卣鸨茈y目的地,以進(jìn)入最近的避難層為次生災(zāi)害(火災(zāi))避難目的地。參數(shù)設(shè)置和路徑設(shè)置完成后,即可進(jìn)行疏散模擬,如圖9所示。
圖9 疏散模擬
疏散模擬時(shí)間tmove為216s。根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中對(duì)消防安全疏散時(shí)間的要求,以300s作為高層建筑避難可利用的時(shí)間長(zhǎng)度,避難所需時(shí)間trset計(jì)算如下:
trset=talarm+tpre+1.5tmove=332s>300s
(9)
式中:talarm表示報(bào)警時(shí)間;tpre表示響應(yīng)時(shí)間。
因此,本工程在該施工進(jìn)度下遭遇地震時(shí),施工人員無(wú)法完全疏散。而參數(shù)修正前,避難所需時(shí)間計(jì)算結(jié)果為281s(可完全疏散),可見(jiàn)根據(jù)環(huán)境特性對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正的重要性。
4.2.1疏散人數(shù)(勞動(dòng)人員數(shù)量)
疏散總時(shí)間最直接影響因素是施工現(xiàn)場(chǎng)需要疏散的人數(shù)。需要疏散的人數(shù)越多,疏散前期可達(dá)到較好的避難效果,后期疏散人員的避難效果將顯著降低???cè)藬?shù)增多會(huì)增加單位面積人員數(shù)量,對(duì)人群移動(dòng)速度有直接影響,進(jìn)一步影響疏散效率。在狹窄的出口通道及安全出口等位置處,由于需要疏散的人群聚集,擁擠與堵塞將影響疏散進(jìn)程。因此,不斷修正疏散總?cè)藬?shù),利用Pathfinder軟件進(jìn)行多次仿真分析,獲得不同的疏散時(shí)間,如圖10所示。
圖10 疏散時(shí)間-疏散總?cè)藬?shù)關(guān)系曲線(xiàn)
1)疏散總?cè)藬?shù)的增加會(huì)導(dǎo)致地震疏散時(shí)間增加。
2)由于人員在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)分布,地震避難時(shí)間與疏散人數(shù)呈非線(xiàn)性關(guān)系,但總體有線(xiàn)性相關(guān)趨勢(shì),因此擬合疏散時(shí)間與疏散總?cè)藬?shù)的關(guān)系時(shí)可簡(jiǎn)化為線(xiàn)性關(guān)系。
3)當(dāng)疏散總?cè)藬?shù)超過(guò)120人時(shí),疏散時(shí)間-疏散總?cè)藬?shù)關(guān)系曲線(xiàn)開(kāi)始陡峭,即曲線(xiàn)斜率增大。由疏散模擬動(dòng)畫(huà)得出,外框架人員呈明顯增加的趨勢(shì),造成本層疏散人員與上層疏散人員流動(dòng)交叉,在相應(yīng)的出入口處造成人員留滯及堵塞,破壞疏散秩序。因此,控制現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)者與管理者人員數(shù)量在120人以下。
4)在核心筒集中施工期、與避難層較近的樓層施工期增加勞動(dòng)人員數(shù)量,可保證實(shí)現(xiàn)計(jì)劃工期。
4.2.2施工平面布置
由于在施工現(xiàn)場(chǎng)疏散動(dòng)線(xiàn)上存在疏散障礙,如施工設(shè)備、機(jī)器及其他工具等,會(huì)對(duì)疏散人員選擇最短疏散路徑造成一定影響。進(jìn)行模擬分析時(shí),未明顯考慮外框架施工作業(yè)面上的障礙物,處于外框架邊緣的施工人員須繞過(guò)靠近核心筒的障礙物才能到達(dá)核心筒入口,導(dǎo)致疏散效率降低。因此,施工現(xiàn)場(chǎng)障礙物應(yīng)靠近作業(yè)面邊緣集中、規(guī)范布置。
1)疏散效率在優(yōu)化后的地震和火災(zāi)中均有明顯提高,優(yōu)化前、后的地震疏散時(shí)間分別為86.0,76.3s,優(yōu)化后疏散時(shí)間減少11.3%左右。優(yōu)化前、后的火災(zāi)疏散時(shí)間分別為251.3,228.5s,優(yōu)化后疏散時(shí)間減少9.1%左右。
2)施工單位應(yīng)嚴(yán)格制定臨時(shí)設(shè)施、設(shè)備管理規(guī)范,并制定施工作業(yè)面布置方案,保證施工作業(yè)面上疏散路徑暢通,提高疏散效率。
4.2.3安全管理水平
1)加強(qiáng)地震知識(shí)與應(yīng)急演練培訓(xùn)
施工人員地震知識(shí)與應(yīng)急演練培訓(xùn)的缺失,嚴(yán)重影響了重大災(zāi)難來(lái)臨時(shí)人員的快速反應(yīng)和科學(xué)決策,從而導(dǎo)致重大突發(fā)事件發(fā)生次數(shù)增加。Pathfinder軟件提供了steering,SFPE疏散模式,其中steering模式通過(guò)統(tǒng)一路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理控制人員運(yùn)動(dòng),更接近實(shí)際情況。SFPE為規(guī)范化的疏散模式,疏散過(guò)程中的人員之間不會(huì)相互影響,會(huì)以較整齊的隊(duì)列模式進(jìn)行疏散,當(dāng)遇出口流量限制和堵塞時(shí),會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)等候現(xiàn)象,保證疏散秩序。
SFPE模式得到的完全疏散時(shí)間為160.3s,較同條件下的steering模式得到的完全疏散時(shí)間減少了15.8%左右。由疏散模擬動(dòng)畫(huà)可知,在核心筒入口尺寸受限處及上下樓層疏散人員相遇處,由于疏散人員發(fā)生擁擠,將形成嚴(yán)格的排隊(duì)等候模式。SFPE模式考慮了疏散人員之間的獨(dú)立性,排隊(duì)模式有效解決了過(guò)度擁擠引起的堵塞與卡頓,在向最終目的地行進(jìn)過(guò)程中,疏散人員可保持合理的間距、速度與秩序。疏散過(guò)程的高效性、較短的疏散時(shí)間及有效避免踩踏等是該模式的優(yōu)點(diǎn),但應(yīng)認(rèn)識(shí)到SFPE模式偏于理想化,實(shí)際疏散時(shí)較難做到。
施工單位應(yīng)定期開(kāi)展地震知識(shí)培訓(xùn)工作,加強(qiáng)施工人員對(duì)地震災(zāi)害的認(rèn)知。同時(shí)組織應(yīng)急演練,提高施工人員應(yīng)急心理素質(zhì)和決策水平,保證高效疏散。
2)加強(qiáng)安全文明檢查與抗震防災(zāi)工作力度
施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平的提高,不僅能在一定程度上提高疏散效率、縮短疏散需要的時(shí)間,還能降低危險(xiǎn)源危險(xiǎn)程度,疏散效率與疏散安全性可得到較好的保證。
施工單位應(yīng)重視施工現(xiàn)場(chǎng)的安全文明檢查與設(shè)施設(shè)備抗震防災(zāi)工作,包括完善相關(guān)制度、規(guī)范,推動(dòng)檢查工作的落地,并開(kāi)展深入的科研工作等。
充分考慮疏散環(huán)境特性,基于實(shí)地測(cè)試、數(shù)學(xué)分析提出疏散模擬參數(shù)修正方法,并采用Pathfinder軟件進(jìn)行模擬分析,得出以下結(jié)論。
1)建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)疏散過(guò)程的影響體現(xiàn)在疏散模式變化引起的最優(yōu)間距改變上。對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu),最優(yōu)疏散間距為0.6~1.0m。
2)地震災(zāi)害和施工環(huán)境對(duì)疏散過(guò)程的影響體現(xiàn)在疏散速度折減上。應(yīng)采用折減系數(shù)法計(jì)算地震動(dòng)的影響,采用最小二乘法擬合速度公式,考慮混凝土平面、鋼筋綁扎區(qū)域與模板支護(hù)區(qū)域?qū)λ俣鹊挠绊憽?/p>
3)障礙物對(duì)疏散過(guò)程的影響體現(xiàn)在疏散路徑阻礙上。采用改進(jìn)的作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)后的高危障礙物(Ⅰ~Ⅲ級(jí))應(yīng)擴(kuò)大其模型尺寸,以考慮安全距離。
4)基于Pathfinder軟件進(jìn)行仿真分析時(shí),施工現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)人員數(shù)量、施工平面布置與安全管理水平等均對(duì)疏散結(jié)果產(chǎn)生影響。施工單位應(yīng)據(jù)此優(yōu)化管理工作,從源頭上控制風(fēng)險(xiǎn),保證疏散的高效性與安全性。
5)本文在研究疏散問(wèn)題時(shí),考慮的施工工況僅為塔樓標(biāo)準(zhǔn)層施工階段,對(duì)于其他施工工況及施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)和辦公區(qū)的水平疏散問(wèn)題,需開(kāi)展進(jìn)一步的研究。