地鐵樞紐車站大客流疏散性能評(píng)估及策略優(yōu)化研究*

鐘茂華,陳俊灃,劉曉慶,趙 淼

(1.清華大學(xué) 工程物理系公共安全研究院，北京 100084；2.北京市軌道交通運(yùn)營管理有限公司，北京 100068)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，諸多城市開始推進(jìn)城市軌道交通建設(shè)，截止2020年底，我國已有45個(gè)城市開設(shè)城市軌道交通線路，累計(jì)運(yùn)營線路長度達(dá)7 978.19 km[1]。在城軌系統(tǒng)拓展過程中，與其他公共交通工具接駁的綜合性交通樞紐逐漸增加。換乘樞紐車站可有效組織不同出行需求客流的匯集和分配，提升軌道交通系統(tǒng)與其他交通系統(tǒng)的銜接效率[2]。同時(shí)，換乘樞紐車站也面臨嚴(yán)峻的客流壓力，一旦發(fā)生火災(zāi)等緊急情況，極易出現(xiàn)擁擠、堵塞等現(xiàn)象，引發(fā)安全事故[3]。

數(shù)值模擬是疏散過程研究的重要方法，通過計(jì)算機(jī)仿真可以獲得人員疏散過程特征和撤離時(shí)間，為疏散方案設(shè)計(jì)提供參考[4]。目前，應(yīng)用最為廣泛的疏散仿真模型包括社會(huì)力模型[5]、元胞自動(dòng)機(jī)模型[6]和格子氣模型[7]，并開發(fā)出Pathfinder、EXODUS、Anylogic、Legion等疏散模擬仿真軟件。

基于數(shù)值模擬方法，學(xué)者對(duì)地鐵車站人員疏散過程開展研究：Yang等[8]分析火災(zāi)場(chǎng)景下地鐵站內(nèi)人員疏散表現(xiàn)，評(píng)估不同火源位置、火源功率、通風(fēng)模式和乘客密度對(duì)疏散過程的影響；Jiang等[9]分析不同乘客數(shù)量、設(shè)施工作狀態(tài)場(chǎng)景的疏散表現(xiàn)以及疏散瓶頸位置，并針對(duì)疏散效率提升提出改進(jìn)建議；Feng等[10]分析地鐵車站毒氣泄漏場(chǎng)景下人員疏散危險(xiǎn)性，研究不同通風(fēng)模式對(duì)疏散策略選擇的影響；Zhang等[11]從火源功率、火源位置和人員規(guī)模3個(gè)方面比較地鐵站內(nèi)不同火災(zāi)場(chǎng)景下的危險(xiǎn)性，指出站廳層出入口處發(fā)生火災(zāi)場(chǎng)景的危險(xiǎn)性最大；梅艷蘭等[12]分析武漢某地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力和瓶頸，指出疏散設(shè)施不足、各設(shè)施利用率不均衡、疏散能力不匹配是影響疏散效率的主要因素。此外，部分學(xué)者針對(duì)出入口[13]、樓扶梯[14]、閘機(jī)[15]、導(dǎo)流帶[16]等設(shè)施布局對(duì)疏散時(shí)間和疏散表現(xiàn)的影響展開研究。

目前，針對(duì)不同空間結(jié)構(gòu)換乘樞紐車站疏散性能和疏散策略的研究相對(duì)較少：邢彥林[17]通過對(duì)3線換乘樞紐車站進(jìn)行疏散模擬仿真，提出需要通過增加導(dǎo)向標(biāo)識(shí)、設(shè)置引導(dǎo)人員、減少疏散路徑流線彎折等方式優(yōu)化車站疏散表現(xiàn)；李丹辰等[18]分析某4線換乘樞紐中不同設(shè)施工作狀態(tài)、客流密度場(chǎng)景下車站疏散表現(xiàn)，指出樓扶梯和出入口是影響疏散時(shí)長的主要因素。

本文基于某大型整體式站廳樞紐換乘車站人員疏散，構(gòu)建模擬仿真模型，利用數(shù)值模擬方法對(duì)比不同客流規(guī)模下的疏散表現(xiàn)，評(píng)估該車站人員疏散通過能力和疏散性能，分析樓扶梯、出入口設(shè)施停用對(duì)車站疏散性能的影響，識(shí)別車站關(guān)鍵疏散瓶頸，并針對(duì)車站特性提出疏散優(yōu)化策略，對(duì)比優(yōu)化前后車站疏散性能差異。研究結(jié)果可為整體式站廳樞紐換乘車站的疏散方案制定、客流組織模式設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 模擬場(chǎng)景構(gòu)建

1.1 數(shù)值模擬工具

本文選擇基于元胞自動(dòng)機(jī)模型開發(fā)的BuildingEXODUS軟件進(jìn)行建模，該軟件可用于評(píng)估各類建筑物的疏散通過能力和人員撤離效率。軟件包含移動(dòng)、行為、人員、災(zāi)害和毒性5個(gè)互相耦合的子模型，可體現(xiàn)人員之間、人員與災(zāi)害之間以及人員與空間結(jié)構(gòu)間的相互作用[19]。

軟件將建筑物劃分為一系列節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間互相連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只能被1名疏散人員占據(jù)，節(jié)點(diǎn)尺寸為0.5 m×0.5 m。疏散人員通過在節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)逐漸靠近出口，并最終通過出口離開建筑[19]。BuildingEXODUS軟件的有效性已經(jīng)過檢驗(yàn)[20]，并廣泛應(yīng)用于地鐵車站[13]的疏散模擬仿真研究。

1.2 車站概況

CQ站是3線換乘車站，作為機(jī)場(chǎng)快線和市區(qū)骨干地鐵線路接駁車站，同時(shí)面臨航空旅客客流和日常出行客流壓力，是較為典型的綜合性交通樞紐。車站地下共有2層，其中地下1層為站廳，地下2層為站臺(tái)。19號(hào)線與新機(jī)場(chǎng)線平行布置，通過站廳換乘，10號(hào)線通過換乘通道與19號(hào)線/新機(jī)場(chǎng)線站廳連接。由于換乘通道長度達(dá)390 m，10號(hào)線車站區(qū)域與19號(hào)線/新機(jī)場(chǎng)線車站區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，故將換乘通道視為疏散出口之一，主要分析使用整體式站廳的19號(hào)線/新機(jī)場(chǎng)線車站區(qū)域的疏散表現(xiàn)。

車站整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。站廳層全長321.2 m,寬94 m，其中乘客可到達(dá)區(qū)長179.6 m。車站共設(shè)有E、F、G3個(gè)出入口，分別位于車站正西、東北及東南方位，E出入口采用4部扶梯形式，F(xiàn)、G出入口采用2部扶梯與1部樓梯搭配的形式，在E出口一側(cè)設(shè)有網(wǎng)約車和出租車快速通道，在危險(xiǎn)場(chǎng)景下也可作為人員疏散出口。

圖1 CQ站車站結(jié)構(gòu)示意

新機(jī)場(chǎng)線站臺(tái)層為側(cè)式站臺(tái)，每個(gè)站臺(tái)全長296.9 m,寬16.1 m，其中乘客可到達(dá)區(qū)長183.6 m。新機(jī)場(chǎng)線區(qū)域共設(shè)置4個(gè)樓扶梯組，均為2部扶梯的形式，將其命名為樓扶梯組1～4。19號(hào)線站臺(tái)層為島式站臺(tái)，全長315.2 m,寬15.6 m，其中乘客可到達(dá)區(qū)長181.2 m，19號(hào)線區(qū)域共設(shè)置4個(gè)樓扶梯組，其中位于站臺(tái)端部的2個(gè)樓扶梯組為2部扶梯與1部樓梯的組合形式，扶梯布置于樓梯兩側(cè)。位于站臺(tái)中部的2個(gè)樓扶梯組采用3部扶梯的形式。根據(jù)《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[21]，垂直電梯不計(jì)入事故疏散用通道，在數(shù)值模擬中將其視為障礙物，車站兩端設(shè)備間同樣設(shè)置為障礙物。

1.3 疏散人員設(shè)置

基于在CQ站實(shí)地觀察結(jié)果，獲得高峰時(shí)段車站內(nèi)乘客年齡、性別組成，根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)置每類人群的移動(dòng)速度[21]，見表1。

表1 站內(nèi)人員比例及移動(dòng)速度

為準(zhǔn)確評(píng)估車站疏散性能，選擇客流規(guī)模最大，疏散風(fēng)險(xiǎn)性最高的運(yùn)營遠(yuǎn)期高峰時(shí)段客流量構(gòu)建疏散場(chǎng)景。通過《北京地鐵十九號(hào)線一期工程可行性研究報(bào)告》[22]對(duì)CQ站遠(yuǎn)期高峰客流規(guī)模的估計(jì)，計(jì)算得到超高峰時(shí)段列車斷面客流及站內(nèi)客流量，并以此設(shè)置站內(nèi)疏散人員規(guī)模，結(jié)果見表2。

表2 CQ站疏散人員數(shù)量設(shè)計(jì)

由于CQ站是新機(jī)場(chǎng)線的北端終點(diǎn)站，北向南方向無下車客流及車內(nèi)斷面客流，南向北方向無上車客流。在設(shè)計(jì)疏散場(chǎng)景時(shí)，站廳及站臺(tái)候車乘客數(shù)量取2條線路上車及下車乘客數(shù)量之和，取客流量較大的南向北方向斷面客流作為列車內(nèi)乘客數(shù)量。構(gòu)建模擬場(chǎng)景時(shí)，站內(nèi)人數(shù)設(shè)置為2條線路分別有1列列車進(jìn)站停車時(shí)的乘客人數(shù)。

1.4 模擬工況設(shè)計(jì)

模擬工況設(shè)計(jì)見表3，針對(duì)車站疏散通過能力評(píng)估、疏散瓶頸分析和疏散性能優(yōu)化3個(gè)目標(biāo)，共設(shè)置20組模擬工況。

表3 CQ站疏散模擬仿真工況設(shè)計(jì)

在開展疏散通過能力評(píng)估時(shí)，分別針對(duì)全部設(shè)施正常工作場(chǎng)景及部分扶梯檢修場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值模擬研究，考察車站是否符合《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[21]中對(duì)車站疏散安全性的要求。由于站臺(tái)具有對(duì)稱性，選擇站臺(tái)南側(cè)的樓扶梯組1，3，5，6中1部扶梯停用場(chǎng)景開展評(píng)估。隨后逐一分析樓扶梯組及出入口停用對(duì)車站疏散表現(xiàn)的影響程度，以定位疏散瓶頸位置。最后，對(duì)基于疏散通過能力核算和疏散瓶頸識(shí)別結(jié)果制定的優(yōu)化疏散策略進(jìn)行模擬，以評(píng)估疏散性能優(yōu)化效果。站內(nèi)全部閘機(jī)和柵欄門均設(shè)置為開啟狀態(tài)，全部扶梯設(shè)置為停止運(yùn)行狀態(tài)并作為樓梯使用，人員響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為1 min。

2 結(jié)果分析

2.1 車站疏散通過能力評(píng)價(jià)

各疏散通過能力評(píng)估場(chǎng)景的疏散表現(xiàn)見表4。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)[23]，在運(yùn)營遠(yuǎn)期高峰時(shí)段客流規(guī)模場(chǎng)景下，車站應(yīng)滿足在6 min內(nèi)將1列進(jìn)站列車所載乘客及站臺(tái)候車人員全部撤離站臺(tái)的要求。

表4 通過能力評(píng)價(jià)場(chǎng)景疏散性能

在全部設(shè)施正常工作的工況1中，全體列車及站臺(tái)候車乘客僅需260.55 s即可撤離站臺(tái)，但該場(chǎng)景下撤離車站過程耗時(shí)約568 s，且在站臺(tái)樓扶梯口、站廳出入口區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的乘客擁擠等待情況。

在部分扶梯檢修時(shí)，除新機(jī)場(chǎng)線南向北站臺(tái)中1部扶梯檢修場(chǎng)景外，其余場(chǎng)景疏散性能仍然滿足安全疏散要求。主要因?yàn)樾聶C(jī)場(chǎng)線樓扶梯組均采用2部扶梯的組合形式，扶梯檢修將使該樓扶梯組的疏散通過能力降低50%，整個(gè)站臺(tái)疏散通過能力降低25%，使新機(jī)場(chǎng)線區(qū)域乘客長時(shí)間滯留在檢修中的樓扶梯組附近，如圖2所示。19號(hào)線區(qū)域采用扶梯與樓梯組合式設(shè)計(jì)，共有樓梯2部、扶梯10部，遠(yuǎn)大于新機(jī)場(chǎng)線單個(gè)站臺(tái)區(qū)域的4部扶梯，當(dāng)其中1部扶梯檢修時(shí)，乘客可以選擇其他樓扶梯作為替代疏散通道，受影響相對(duì)較小。對(duì)比各工況整體疏散表現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，扶梯檢修時(shí)，撤離站臺(tái)時(shí)間有所增大，但站廳區(qū)域的疏散過程受影響較小。

2.2 疏散瓶頸分析

各樓扶梯及出入口停止使用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)疏散表現(xiàn)見表5。通過數(shù)值模擬可以定量評(píng)估各設(shè)施停止使用時(shí)，對(duì)車站疏散表現(xiàn)的影響程度，識(shí)別疏散過程中的關(guān)鍵瓶頸，為疏散策略制定和疏散效率優(yōu)化提供依據(jù)。

表5 瓶頸識(shí)別場(chǎng)景疏散性能

不同設(shè)施工作狀態(tài)下機(jī)場(chǎng)線站臺(tái)客流密度對(duì)比如圖2所示。當(dāng)位于新機(jī)場(chǎng)線北向南方向站臺(tái)樓扶梯停用時(shí)，整體疏散表現(xiàn)與所有設(shè)施正常工作的工況1基本一致。在開始疏散3 min后，僅有少量乘客尚未離開該站臺(tái)，如圖2(b)和圖2(c)所示。1組扶梯停用時(shí)，該站臺(tái)的疏散耗時(shí)仍小于其余2個(gè)站臺(tái)，并未對(duì)車站整體疏散表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響。

圖2 不同設(shè)施工作狀態(tài)下機(jī)場(chǎng)線站臺(tái)客流密度對(duì)比(開始疏散3 min)

當(dāng)新機(jī)場(chǎng)線南向北方向站臺(tái)樓扶梯停用時(shí)，由于該站臺(tái)同時(shí)面臨列車內(nèi)客流和站臺(tái)客流的疏散壓力，撤離站臺(tái)時(shí)間明顯增大，較多乘客滯留在站臺(tái)可使用的扶梯組入口區(qū)域，如圖2(d)和圖2(e)所示。

不同設(shè)施工作狀態(tài)下19號(hào)線站臺(tái)客流密度對(duì)比如圖3所示，當(dāng)19號(hào)線站臺(tái)樓扶梯停用時(shí)，站廳和站臺(tái)的疏散性能均明顯下降，主要因?yàn)?9號(hào)線客流密度較大，當(dāng)1部樓扶梯組停用時(shí)，大量乘客選擇與停用樓扶梯位于同一側(cè)的另一組樓扶梯，該樓扶梯組區(qū)域聚集大量乘客排隊(duì)，影響站廳層的疏散效率，危險(xiǎn)性較大。

圖3 不同設(shè)施工作狀態(tài)下19號(hào)線站臺(tái)客流密度對(duì)比(開始疏散3 min)

不同設(shè)施工作狀態(tài)下站廳客流密度對(duì)比如圖4所示，當(dāng)出入口停用時(shí)，站廳層的疏散過程出現(xiàn)明顯改變，部分乘客需要前往距離更遠(yuǎn)的出入口疏散，導(dǎo)致撤離車站時(shí)間明顯延長，而站臺(tái)疏散過程并未受到出入口停用的影響。

圖4 不同設(shè)施工作狀態(tài)下站廳客流密度對(duì)比(開始疏散3 min)

對(duì)于不同的出入口停用場(chǎng)景，撤離車站時(shí)長取決于剩余出入口的疏散通過能力以及客流在剩余出入口間分布的均勻程度。由于出入口E疏散通過能力相對(duì)最大，當(dāng)出入口E停止使用后，新機(jī)場(chǎng)線區(qū)域的客流將匯入19號(hào)線區(qū)域，加劇出入口F、G處的擁擠，使出入口E停止使用工況的疏散耗時(shí)相對(duì)最長。

2.3 疏散策略優(yōu)化

基于疏散通過能力評(píng)價(jià)以及疏散瓶頸識(shí)別結(jié)果，結(jié)合實(shí)地勘察分析，針對(duì)站臺(tái)疏散優(yōu)化和站廳疏散優(yōu)化分別提出以下建議：

1)站臺(tái)應(yīng)設(shè)置站務(wù)人員，引導(dǎo)乘客均勻使用各樓扶梯疏散，避免乘客大規(guī)模聚集在個(gè)別樓扶梯區(qū)域。

2)站廳應(yīng)增加應(yīng)急出口，提升疏散場(chǎng)景下出入口疏散通過能力，避免出入口區(qū)域出現(xiàn)擁擠和長時(shí)間等待。

基于上述優(yōu)化建議，開展工況17～20的數(shù)值模擬，主要疏散表現(xiàn)見表6，優(yōu)化后各場(chǎng)景的疏散表現(xiàn)相比優(yōu)化前均有顯著提升。

表6 策略優(yōu)化場(chǎng)景疏散性能對(duì)比

優(yōu)化后場(chǎng)景客流密度分布如圖5所示。工況17開始疏散3 min后，站廳層客流密度如圖5(a)所示，通過啟用位于站廳東側(cè)的下沉廣場(chǎng)以及對(duì)應(yīng)的7、8號(hào)應(yīng)急出口，并引導(dǎo)部分19號(hào)線客流通過應(yīng)急出口撤離車站，出入口G的客流壓力得到顯著緩解。通過啟用應(yīng)急出口，該場(chǎng)景中撤離車站時(shí)間和平均疏散時(shí)長分別下降29.5%，26.9%。

圖5 優(yōu)化后場(chǎng)景客流密度分布(開始疏散3 min)

工況18開始疏散3 min后新機(jī)場(chǎng)線站臺(tái)層客流密度如圖5(b)所示，通過引導(dǎo)站臺(tái)及車內(nèi)乘客通過樓扶梯組4疏散，緩解樓扶梯組3處的擁擠，提高新機(jī)場(chǎng)線站臺(tái)層區(qū)域疏散速度，同時(shí)站廳層采用開啟應(yīng)急出口措施。采用優(yōu)化策略后，該場(chǎng)景下的站臺(tái)撤離時(shí)間、站廳撤離時(shí)間和平均疏散時(shí)間分別縮短8.89%，11.01%，29.67%。

工況19開始疏散3 min后19號(hào)線站臺(tái)層區(qū)域如圖5(c)所示。通過引導(dǎo)部分距離樓扶梯組7較近的乘客選擇樓扶梯組5、6撤離站臺(tái)，避免乘客長時(shí)間滯留在樓扶梯7區(qū)域。通過采用優(yōu)化策略，該場(chǎng)景下的站臺(tái)撤離時(shí)間、站廳撤離時(shí)間和平均疏散時(shí)間分別縮短16.84%，31.18%，29.93%。

工況20出入口E停用場(chǎng)景開始疏散3min后站廳層客流密度如圖5(d)所示。在出入口E停止使用后，新機(jī)場(chǎng)線乘客選擇出入口F、G撤離車站。此時(shí)，引導(dǎo)19號(hào)線區(qū)域乘客選擇站廳東側(cè)的應(yīng)急出口和下沉廣場(chǎng)撤離車站，使站廳撤離時(shí)間和平均疏散時(shí)間分別縮短31.40%，41.22%。

3 結(jié)論

1)除新機(jī)場(chǎng)線南向北站臺(tái)中1部扶梯檢修場(chǎng)景外，其余扶梯檢修場(chǎng)景和全部設(shè)施正常工作場(chǎng)景的疏散表現(xiàn)均滿足規(guī)范要求。但各場(chǎng)景中撤離車站時(shí)長達(dá)566.91～568.77 s，且在站臺(tái)樓扶梯口、站廳出入口區(qū)域存在較嚴(yán)重的乘客擁擠等待，車站整體疏散表現(xiàn)有待優(yōu)化。

2)樓扶梯和出入口是車站人員疏散過程中的關(guān)鍵瓶頸：當(dāng)疏散通過能力較大的出入口E或樓扶梯組8停止使用時(shí)，導(dǎo)致站廳疏散時(shí)長和站臺(tái)疏散時(shí)長分別增大65.12%，19.36%，車站疏散危險(xiǎn)性顯著增大。

3)采用站臺(tái)設(shè)置站務(wù)人員引導(dǎo)乘客均勻使用各樓扶梯疏散，站廳增加應(yīng)急出口提升出入口疏散通過能力等優(yōu)化措施，撤離站臺(tái)時(shí)長可縮短8.89～16.84%，撤離車站時(shí)長可縮短11.01～31.40%，平均疏散時(shí)長可縮短26.93%～41.22%，車站疏散性能和安全性得到顯著提高。