校園火災(zāi)疏散特性分析與研究

孟文濤，祖宏權(quán)

(1.徐州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)消防救援大隊，江蘇 徐州 221000；2.哈爾濱工業(yè)大學網(wǎng)絡(luò)和安全辦公室，黑龍江 哈爾濱 150006)

0 引言

在國內(nèi)火災(zāi)案例中，可以看到多起兒童群死群傷的重特大火災(zāi)事故。由于兒童在發(fā)生火災(zāi)時很難快速地平復(fù)心情、冷靜逃生，容易給火災(zāi)救援帶來困難。國內(nèi)外很多學者對校園火災(zāi)疏散路線進行了很多研究，尤其在數(shù)值模擬方面做了很多模型研究。為了能更精確地為數(shù)值模型提供基礎(chǔ)理論研究，進一步為校園火災(zāi)救援提供數(shù)據(jù)參考，有必要對校園火災(zāi)疏散特性參數(shù)進行試驗?；诖?，本文以某小學為試驗對象，開展了一系列參數(shù)研究。

1 試驗概述

1.1 試驗?zāi)康募耙饬x

校園擁擠踩踏事故通常發(fā)生在疏散通道的出口處。學生在教學樓等建筑物的疏散過程中，經(jīng)常出現(xiàn)大量人群突然擠到安全出口，在安全出口處于擁擠和無序的狀態(tài)下，加之受到驚嚇、恐慌、從眾等因素的影響，導致大量學生擠傷、窒息或踩踏致死。在校園火災(zāi)事故中，由于大量的學生從某一出口疏散出去，導致在火災(zāi)事故中也常伴隨著擁擠踩踏事故的發(fā)生。因此，基于現(xiàn)代教學樓等學校建筑物的設(shè)計理念，從安全的角度出發(fā)，應(yīng)注重學校建筑物出口的優(yōu)化設(shè)計。

在《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)和《中小學校設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范中，出口單位流量是設(shè)計出口寬度的主要依據(jù)。此外，每個階段學生的不同肩寬尺寸也影響著出口單位流量，因此，出口單位流量是優(yōu)化安全出口的一個重要因素。針對學生這一典型群體，對各學齡段學生安全疏散過程中通過出口的疏散能力進行研究，有利于對各學齡段學生群體進行快速有效的疏散，從而對預(yù)防學生群體擁擠踩踏事故的發(fā)生具有十分重要的意義。

1.2 試驗設(shè)計及方法

本文的試驗地點選擇某小學校園，占地面積約為8 000 m2，校舍建筑面積約為4 000 m2。學校約有900名學生，50名教師。教學樓有3個直通室外的樓梯，試驗以最靠近小學大門的樓梯為研究對象?？紤]到中午各年級以排隊的形式在教室門口集合后再離開校園這一情況，不能很好地反映樓梯的疏散能力，因此選擇在每天下午放學后的時間段進行錄像觀測。試驗從周一到周五對樓梯的疏散能力進行6次實測，試驗時間除了周三為15：30，其余時間都為16：30。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計以時間間隔5 s進行試驗數(shù)據(jù)處理，小學教學樓樓梯的相關(guān)參數(shù)有：樓梯的凈寬度為1.5 m，臺階的寬度為0.165 m，臺階數(shù)為12個。

2 試驗數(shù)據(jù)分析與研究

2.1 數(shù)據(jù)測量統(tǒng)計分析

參考日本的Togawa推導的疏散時間計算公式，其中人流量通過出口時間的表示為：

(1)

式中：T為人流量通過出口時間，s；N為通過出口的人數(shù)，人；We為出口的有效寬度，m；C為出口單位流量，人/m·s。

利用時間間隔內(nèi)的疏散人數(shù)、出口的凈寬度、疏散間隔時間這3個數(shù)據(jù)，計算出口單位寬度上的人員流量。根據(jù)某一出口單位流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可帶入公式(1)得到出口單位流量隨著時間的變化情況，研究出口單位流量的變化規(guī)律，可總結(jié)和分析出各學齡段學生通過疏散出口的最大單位流量。重點針對樓梯這一出口，分析教學樓樓梯的單位流量與人員密度的關(guān)系。數(shù)據(jù)測量結(jié)果限于篇幅原因，本文以實測情況3為例(見表1)，對其前十組和最后十組數(shù)據(jù)進行演示，其他情況在此不贅述。

2.2 數(shù)據(jù)研究與討論

為了對教學樓樓梯出口單位流量的變化規(guī)律進行研究，可以采用曲線回歸擬合的方法，研究教學樓樓梯出口單位流量和人員密度隨時間變化情況。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行曲線回歸擬合得到的擬合曲線如圖1所示。

圖1 教學樓樓梯出口單位流量和人員密度隨時間變化的擬合曲線圖

圖1顯示的是小學教學樓樓梯出口單位流量、人員密度和時間這3個基本參數(shù)組成的雙y曲線?？傮w上，樓梯的出口單位流量、人員密度隨著時間變化而呈現(xiàn)相同的變化趨勢，同時體現(xiàn)了出口單位流量具有隨機的性質(zhì)，不是一個固定值。其中小學樓梯情況3的人流量較大，出口單位流量曲線呈現(xiàn)出由小變大再由大變小的“拱形”特點，擬合效果較好。其余情況下，經(jīng)過樓梯的學生總量較少，盡管有些情況(如情況4和情況6)的出口單位流量局部出現(xiàn)較大值，但是平均單位流量還是比較低，樓梯的疏散效率不高，出口單位流量曲線基本呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的特點。

在這6組實驗中，情況1、情況2、情況3、情況4、情況5和情況6出現(xiàn)的出口單位流量最大值分別為0.839人/(m·s)、0.559人/(m·s)、1.339人/(m·s)、1.339/(m·s)、0.559人/(m·s)、1.259人/(m·s)。由此可見，測得的小學教學樓樓梯的出口單位流量最大值為1.399人/(m·s)。

情況1出現(xiàn)的樓梯出口單位流量最大值為0.839人/(m·s)，對應(yīng)的人員密度為1.249人/m2。情況2、情況5出現(xiàn)的樓梯出口單位流量最大值都為0.559人/(m·s)，對應(yīng)的人員密度為0.624人/m2、1.041人/m2。情況3、情況4出現(xiàn)樓梯出口單位流量最大值都為1.399人/(m·s)，對應(yīng)的人員密度都為0.839人/m2、1.873人/m2。情況6出現(xiàn)的樓梯出口單位流量最大值為1.259人/(m·s)，對應(yīng)的人員密度為1.873人/m2。由此可見，測得的小學教學樓樓梯的出口單位流量最大值為1.399人/(m·s)時，對應(yīng)的人員密度為1.873人/m2。這與《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)和《中小學校設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范中的一些相關(guān)數(shù)據(jù)還是有一定的差異。

3 結(jié)論

本文著重研究了各學齡段學生通過樓梯出口的單位流量，借助于錄像觀測，運用曲線回歸分析方法進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，得出規(guī)律性結(jié)論如下：樓梯出口單位流量、人員密度隨著時間變化而呈現(xiàn)相同的變化趨勢，且出口單位流量具有隨機的性質(zhì)，測得的小學教學樓樓梯的出口單位流量最大值為1.399人/(m·s)時，對應(yīng)的人員密度為1.873 人/m2，這與《建筑設(shè)計防火規(guī)范》和《中小學校設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范中的一些相關(guān)數(shù)據(jù)還是有一定的差異，體現(xiàn)出小學生的生理和心理的特點。故在進行人員疏散數(shù)值模擬時，小學生占比較多的情況下可以考慮調(diào)整人員參數(shù)的設(shè)置情況。