教學(xué)樓火災(zāi)疏散模型計(jì)算及模擬研究

矯磊　張丹丹　荊信茂

摘要： 學(xué)校屬于人員密集度較高的公共場所。以教學(xué)樓為研究對象，實(shí)際調(diào)查其布局與人員流動情況，建立了相應(yīng)的火災(zāi)疏散模型，考慮最不利原則的基礎(chǔ)上結(jié)合兩種經(jīng)驗(yàn)公式及Pathfinder 模擬，計(jì)算了其必需疏散時間。計(jì)算所得結(jié)果為探測報(bào)警時間為20 s，人員反應(yīng)時間為40 s，計(jì)算得出最不利條件下教室滯留時間為161.61 s，教室門口疏散時間為57.34 s，樓道疏散時間為101.95 s，必需疏散時間為380.9 s。最后對必需疏散時間的占比進(jìn)行了分析，得出了減少疏散時間的建議。

關(guān)鍵詞： 火災(zāi)疏散 疏散模型 教學(xué)樓火災(zāi) 數(shù)值模擬

中圖分類號： TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0195-03

學(xué)校作為人員密集的公共場所，研究其火災(zāi)疏散情況具有重要意義。孟文濤等人［1］以火疏散特征參數(shù)試驗(yàn)得到了樓梯出口流量及人員密度的變化規(guī)律。田文青等人［2］以高校圖書館為研究對象用FDS 分析了火災(zāi)煙氣流動情況，用Pathfinder 模擬了人員疏散情況。易玉枚等人［3］以調(diào)查問卷的形式統(tǒng)計(jì)并分析了大學(xué)生在突發(fā)火災(zāi)時的心理及行為反應(yīng)。張景鋼等人［4］通過Pathfinder 研究了不同樓層、安全門不同啟閉狀態(tài)下的人員疏散情況。吳培紅等人［5］以PyroSim 分析了圖書閱覽室的火災(zāi)發(fā)展情況得到了可用疏散時間，通過Pathfinder 模擬了人員疏散情況得到了必需疏散時間。

鑒于學(xué)?；馂?zāi)疏散的重要性，本文以教學(xué)樓為研究對象，通過對教學(xué)樓布局及人流情況的調(diào)查，建立教學(xué)樓火災(zāi)疏散模型，考慮最不利原則并通過多種方式求算火災(zāi)疏散時間，對疏散時間的分析得出減少疏散時間的建議。

1 現(xiàn)場情況調(diào)查

某學(xué)校教學(xué)樓集合上課與辦公兩個區(qū)域?yàn)橐惑w，建筑總面積達(dá)60 000 m2。設(shè)置近30個出入口，但由于學(xué)生寢室以及食堂方位的影響，常用的出口僅有3個，按人流量順序依次為西北屏風(fēng)門、正西門和正北門。在對人流量調(diào)查后發(fā)現(xiàn)在日常開啟的16個門中，正西門、西北屏風(fēng)門、正北門3個門的人流量占教學(xué)樓全部流量的85%以上。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，西北屏風(fēng)門在中午11∶50—12∶10時間段內(nèi)的人流量最高，可以達(dá)到1 116人次。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)教學(xué)樓內(nèi)教室主要分為3 種類型，分別是普通教室、方形階梯教室和梯形階梯教室，其容量分別為117 人、198 人及248 人。教室模型進(jìn)行簡化后其布局如圖1 所示。

2 火災(zāi)疏散時間計(jì)算

必需疏散時間（TR）是通過將全體逃生疏散人員作為一個整體提出的概念，它包括探測報(bào)警時間Ta、人員響應(yīng)時間Tr、人員疏散運(yùn)動時間Tm，必需疏散時間等于其三者之和［6］。

TR = Ta + Tr + Tm （1）

探測報(bào)警時間自火災(zāi)發(fā)生開始計(jì)時，直到處于火災(zāi)現(xiàn)場的人發(fā)覺火災(zāi)發(fā)生為止。考慮實(shí)際情況，本文將探測報(bào)警時間定為20 s。

人員響應(yīng)時間自人們發(fā)覺火災(zāi)的發(fā)生開始計(jì)時，直到人員開始做出逃生準(zhǔn)備為止。考慮到教學(xué)樓里多為青年學(xué)生，我們將其人員響應(yīng)時間確定為40 s。

對于人員疏散運(yùn)動時間，將其分為兩部分：人員從教室疏散至樓道的時間、人員從樓道疏散到外部的時間。下面依次求解這兩個時間。

2.1 教室疏散時間

為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文采用兩種不同的經(jīng)驗(yàn)公式以及Pathfinder 模擬3 種方法分別求算3 種不同教室疏散到走廊的時間。研究中默認(rèn)在校大學(xué)生均是熟悉建筑物內(nèi)通道出口的健康人。

（1）Togawa 經(jīng)驗(yàn)公式［7］。

式（2）中：Ntol為等待疏散的總?cè)藬?shù)，3間教室分別為120人、200人、250人；Weff為疏散出口的有效總寬度，單位為m，3間教室分別為0.86 m、1.09 m、1.09 m；C 為疏散出口的疏散能力，單位為人（/ m·s），3種教室均為1.6人/（m·s）；Lmin為疏散人員中距離疏散出口的最近距離，單位為m，3種教室分別為0.5 m、3.35 m、1.2 m；V 為疏散時人員的平均速度，單位為m/s，取1.2 m/s。

計(jì)算得到3 種教室的疏散時間分別為87.63 s、117.47 s、144.35 s。

（2）疏散時間經(jīng)驗(yàn)公式。

教室中人員通過教室階梯所需要的時間由下式計(jì)算：

式（3）中：P 為人員數(shù)量，分別為120 人、200 人、250人；WL 為階梯的有效寬度，單位為m，分別為1 m、1 m、1.3 m。

人員通過門需要的時間為：

式（4）中：r 為單位時間單位門寬度通過的人數(shù)，均為1.6；n 為門的數(shù)量，分別為2 個、2 個、4 個；WD為門的有效寬度，單位：m，分別為0.86 m、0.19 m、1.09 m。

求得3 間教室階梯疏散時間分別為150.81 s、218.95 s、212.78 s，通過門時間分別為43.60 s、57.34 s、35.84 s。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，人員通過教室內(nèi)階梯所需的時間遠(yuǎn)大于通過門所需的時間。說明出現(xiàn)了人員在階梯滯留導(dǎo)致疏散時間增加的現(xiàn)象。通過兩時間做差可求得教室滯留時間，分別為107.21 s、161.61 s 和176.94 s。

（3）Pathfinder 模擬。

對于Pathfinder模擬，取人員平均步行速度為1.2 m/s，舒適距離為0.2 m。模擬時假定人員在得到疏散命令后開始行動且默認(rèn)人員選擇距離最近的出口進(jìn)行疏散。由于篇幅限制，本文只展示普通教室的疏散模擬圖，具體見圖2。

從模擬結(jié)果來看3 種教室疏散時間分別為47.3 s、94.5 s 和45.5 s。

將上文計(jì)算的疏散時間匯總并整理后得到結(jié)果見圖3。從圖中可以看出：方形階梯教室在第二種經(jīng)驗(yàn)公式下的疏散時間最長。因此，選擇該疏散時間為教室疏散時間。

2.2 樓道疏散時間

根據(jù)最不利原則，假設(shè)著火點(diǎn)所在教室除正西門與西北屏風(fēng)門外無其他出口，則距離該教室最近的逃生出口為西北屏風(fēng)門。

該路徑直線距離約為113.68 m。其中水平路徑為105 m，樓梯路徑長8.68 m，取熟悉建筑物內(nèi)通道出口的健康人平均步行速度為1.2 m/s（平地）、0.6 m/s（樓梯），求得疏散人員成功到達(dá)樓外時間為101.95 s。

3 疏散時間分析及建議

綜合上述計(jì)算可以求得必需疏散時間為

TR = Ta + Tr + TC + TD + TS = 380.9（s） （5）

由式（5）可知教學(xué)樓必需疏散時間為380.9 s，將教學(xué)樓視為一級耐火建筑，查閱資料［8］得知其允許疏散時間為5～7 min。因此即使在最不利條件下教學(xué)樓的必需疏散時間仍能滿足相應(yīng)要求。

同時，由式（5）可以得到各時間占疏散時間的比例如圖4 所示。教室內(nèi)的滯留時間占比最大，為42%；其次是走廊疏散時間，為27%；再次是教室門口疏散時間，為15%；最后分別是人員響應(yīng)時間和探測報(bào)警時間，分別為11% 和5%。通過分析各時間的占比，提出以下建議。

（1）合理控制教室內(nèi)人員密度，減少教室人員滿載的情況，避免或減少因擁擠出現(xiàn)的滯留時間和門口疏散時間。（2）教學(xué)樓各出口常開，減少人員必需疏散時間中的走廊疏散時間所占的比例。（3）定期人員進(jìn)行疏散演練，提高學(xué)生的反應(yīng)能力與處置能力，減少人員響應(yīng)時間。（4）定期檢查教學(xué)樓內(nèi)消防報(bào)警設(shè)備的運(yùn)行情況，確保其在出現(xiàn)火情時及時正確地發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié)論

（1）本文以高校教學(xué)樓為研究對象，詳細(xì)調(diào)研了教學(xué)樓的布局、出口及樓梯情況，統(tǒng)計(jì)了教學(xué)樓人員流量情況，為后續(xù)計(jì)算疏散時間提供了基礎(chǔ)。（2）經(jīng)分析本文確定的探測報(bào)警時間為20 s，人員反應(yīng)時間為40 s，計(jì)算得出最不利條件下教室滯留時間為161.61 s，教室門口疏散時間為57.34 s，樓道疏散時間為101.95 s，教學(xué)樓必需疏散時間為380.9 s。（3）對必需疏散時間分析發(fā)現(xiàn)占比較大的有教室滯留時間、樓道疏散時間和教室門口疏散時間，針對此情況提出了相應(yīng)的建議以減少必需疏散時間。

參考文獻(xiàn)

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