基于Pathfinder的購(gòu)物中心防火疏散研究

田冬梅,馬欣悅,姚 建

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

據(jù)2022年市場(chǎng)調(diào)查表明,國(guó)內(nèi)頂級(jí)購(gòu)物中心(北京SKP、上海恒隆、成都太古里等)的日均客流量遠(yuǎn)超3.5萬(wàn)人,這些購(gòu)物中心的特點(diǎn)為建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人流量密集、人員比例多樣化。一旦發(fā)生火災(zāi),在短時(shí)期內(nèi)可能聚集大量人流,如果僅依靠疏散樓梯,無(wú)法在火災(zāi)初期快速安全地疏散人群,必須引入其他疏散工具,相互配合才能達(dá)到安全疏散的要求[1]。目前在國(guó)內(nèi)的各類大型建筑中,內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)扶梯和消防電梯的居多,其中尤以購(gòu)物中心為代表,是購(gòu)物中心層與層之間的重要交通設(shè)施,一般位于中心位置,醒目易見,多被消費(fèi)者所熟悉,這對(duì)火災(zāi)疏散而言是有利的一面。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在大型購(gòu)物中心的防火疏散進(jìn)行了大量的研究,例如,國(guó)外學(xué)者Bazjanac[2]打破了人們不能采用電梯、自動(dòng)扶梯疏散的慣有思維,初步探索采用電梯進(jìn)行防火疏散的可能性;Klote[3]用理論和實(shí)踐證明在高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),自動(dòng)扶梯和電梯可在疏散時(shí)間上節(jié)約一半;E Ronchi等[4]提出電梯、樓梯耦合電梯、轉(zhuǎn)換樓層和天橋組合的方式疏散效率最高,但存在局限性;國(guó)內(nèi)學(xué)者黃哲[5]探討了自動(dòng)扶梯在疏散方面的潛在功能及輔助作用;岳芙蓉等[6]建立了自動(dòng)扶梯行人運(yùn)動(dòng)行為的微觀元胞自動(dòng)機(jī)(CA)仿真模型,研究了不同行人運(yùn)動(dòng)模式下的實(shí)際自動(dòng)扶梯容量。姚斌等[7]研究了自動(dòng)扶梯在不同工況條件下對(duì)地鐵人員疏散的影響;楊海明等[1]提出了高層建筑樓梯與電梯耦合的安全疏散策略;梁驍?shù)萚8]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)大客流緊急疏散進(jìn)行分析,得出自動(dòng)扶梯與固定樓梯共同運(yùn)行時(shí)的安全疏散效果;許曉元等[9]在滿足相關(guān)防排煙、排水、供電技術(shù)要求的基礎(chǔ)上,證明了電梯疏散的可行性。而在實(shí)際生活中,也有自動(dòng)扶梯和電梯用于火災(zāi)疏散的案例,同濟(jì)大學(xué)將電梯、樓梯耦合疏散技術(shù)用于上海最高建筑“上海中心大廈”,取得了理想的疏散效果[10]。

前人已經(jīng)探索了自動(dòng)扶梯和電梯疏散的可行性和潛在輔助作用,基于此,將采用Pathfinder軟件對(duì)人員防火疏散進(jìn)行仿真模擬,全程設(shè)定了5個(gè)疏散模式[11],通過(guò)分析計(jì)算不同模式下的疏散耗時(shí)、疏散出口利用率和疏散工具利用率情況,判斷出哪種疏散模式最優(yōu),為購(gòu)物中心安全消防管理提供設(shè)計(jì)方案和理論依據(jù)。

1 Pathfinder仿真模擬軟件

1.1 Pathfinder仿真模擬軟件簡(jiǎn)介及原理

Pathfinder軟件是美國(guó)Thunderhead Engineering公司研發(fā)的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng),主要應(yīng)用于火災(zāi)條件下的人員疏散。它支持SFPE和Steering兩種模式[12],其中Steering模式更符合現(xiàn)實(shí)需求,可在2D平面內(nèi)自行設(shè)置人員可活動(dòng)的區(qū)域、樓梯與安全通道、人員類型分布,還能設(shè)置人員的身高、肩寬和行動(dòng)速度,通過(guò)三維空間層面的視圖,對(duì)建筑物內(nèi)部人員疏散的過(guò)程進(jìn)行展示,每個(gè)人的運(yùn)動(dòng)都被計(jì)算在結(jié)果之內(nèi),然后得出每個(gè)個(gè)體匹配的參數(shù),以便準(zhǔn)確確定個(gè)體在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的最佳疏散時(shí)間和疏散路徑。因此其更適合人員密集場(chǎng)所的應(yīng)急疏散仿真。

1.2 人員疏散時(shí)間

安全疏散是指火災(zāi)等緊急事件在危害到疏散人員生命安全之前,人員能夠快速撤離到安全區(qū)域的行為。早期的人員疏散時(shí)間計(jì)算時(shí)基于理論分析和實(shí)地監(jiān)測(cè)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式,例如:Puals經(jīng)驗(yàn)公式[13]、Togawa經(jīng)驗(yàn)公式、Melinek和Booth經(jīng)驗(yàn)公式[14]。

目前國(guó)際公認(rèn)的安全疏散時(shí)間計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為:人員必要疏散時(shí)間trest小于人員可用疏散時(shí)間taset。而人員必要疏散時(shí)間與人員可用疏散時(shí)間的差為安全余量。緊急事件人員疏散過(guò)程如圖1所示。

由圖1可知人員疏散時(shí)間為:

trest=tdet+tresp+tmove

(1)

式中,tdet為火災(zāi)探測(cè)報(bào)警時(shí)間;tresp為人員響應(yīng)時(shí)間;tmove為人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

2 數(shù)值建模

2.1 商場(chǎng)建筑概況

本文將選取某購(gòu)物中心為研究對(duì)象,該購(gòu)物中心共6層,地下2層,地上4層,建筑總面積約為47021m2。地下1層為停車場(chǎng),共有262個(gè)停車位,在停車場(chǎng)南面和北面分別設(shè)有一個(gè)出口;地下2層為超市,由室外樓梯可直接進(jìn)入;地上第1層至第4層各設(shè)有家電家具賣場(chǎng)區(qū)、服裝區(qū)等7個(gè)區(qū)域。考慮到人員聚集程度和人流量分布情況,將主要研究購(gòu)物中心的第1層至第4層。購(gòu)物中心一層共設(shè)有4個(gè)疏散出口,分別為出口door595、door597、door589和door600;整體設(shè)有五部疏散樓梯、六部自動(dòng)扶梯和五部消防電梯,緊急情況下全部開放使用。購(gòu)物中心建筑平面圖、疏散出口位置和疏散工具分布如圖2、圖3所示,主要工程概況見表1。

圖2 建筑平面圖

圖3 疏散出口和疏散工具位置分布圖

2.2 人員參數(shù)設(shè)定

2.2.1 疏散人員特征的設(shè)定

人員的疏散行為特征對(duì)于最終的疏散效果影響重大,應(yīng)最大的程度還原實(shí)際情況。本案例購(gòu)物中心人員結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為了保證仿真模擬的真實(shí)性和準(zhǔn)確性,最大程度確定了不同類型人員體寬、步行速度和人員反應(yīng)特性等情況[15]。結(jié)果見表2。

表2 不同類型疏散人員特征參數(shù)

根據(jù)美國(guó)消防工程師協(xié)會(huì)SFPE的消防工程手冊(cè)《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》以及實(shí)際測(cè)量,可以得到緊急情況下的兒童運(yùn)動(dòng)速度為0.72m/s,青年人運(yùn)動(dòng)速度為1.02m/s,老年人運(yùn)動(dòng)速度為0.87m/s。

2.2.2 疏散人員樓層分布參數(shù)

購(gòu)物中心第1層至第4層各設(shè)有家電家具賣場(chǎng)區(qū)、服裝區(qū)、珠寶首飾化妝品區(qū)、兒童娛樂(lè)區(qū)、KTV和餐飲區(qū)。第4層的疏散人數(shù)最多,流動(dòng)量較大,主要人員為青年女性,比例達(dá)到了48%。其次是第1層的珠寶首飾化妝品區(qū),疏散人數(shù)達(dá)到900人。具體疏散人數(shù)和分布情況見表3。

表3 疏散人員樓層分布情況

2.3 模式設(shè)計(jì)

按照最新修訂的GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[16]規(guī)定,超過(guò)5層的商業(yè)建筑應(yīng)設(shè)封閉樓梯間,即5層以下的商業(yè)建筑均可采用開敞式疏散樓梯,本研究的購(gòu)物中心地上4層,引入自動(dòng)扶梯是完全滿足開敞式疏散樓梯的消防安全條件的,不將自動(dòng)扶梯作為疏散工具是考慮到煙氣的侵襲,但開敞式疏散則沒(méi)有這樣的考慮和要求。一般而言,普通電梯不應(yīng)作為疏散工具使用,參照GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的附錄條文,即總建筑面積大于20000m2的商店(商場(chǎng))建筑需要設(shè)置消防電梯。

考慮到購(gòu)物中心的整體布局和消防規(guī)定,疏散工具將以疏散樓梯和自動(dòng)扶梯為主,輔以電梯,本研究設(shè)置了5個(gè)疏散模式,模擬驗(yàn)證各個(gè)模式下的疏散效果。

模式1:使用疏散樓梯進(jìn)行模擬;

模式2:在疏散樓梯的基礎(chǔ)上,上行與下行自動(dòng)扶梯均停運(yùn),等效為疏散樓梯;

模式3:在疏散樓梯的基礎(chǔ)上,上行自動(dòng)扶梯停運(yùn),等效為疏散樓梯,下行自動(dòng)扶梯正常運(yùn)行;

模式4:在疏散樓梯的基礎(chǔ)上,上行自動(dòng)扶梯反轉(zhuǎn),調(diào)整為下行,下行自動(dòng)扶梯正常運(yùn)行;

模式5:選擇模式1～4中疏散效果最佳的模式,再輔以消防電梯,按照規(guī)定要求消防電梯僅用于消防隊(duì)員救援或老人和兒童等行動(dòng)緩慢人員的疏散。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 疏散耗時(shí)分析

對(duì)5個(gè)模式的仿真模擬,分別得出了各模式疏散耗時(shí)記錄。該購(gòu)物中心的模擬疏散數(shù)據(jù)見表4、表5。

表4 模擬疏散耗時(shí)

根據(jù)前4個(gè)模式的模擬數(shù)據(jù)可以看出,模式1的疏散耗時(shí)最長(zhǎng),為556.5 s;模式4的疏散耗時(shí)最短,為466 s,模式2和模式3的疏散耗時(shí)分別為528.5 s和517 s。模式4相比模式1在耗時(shí)上足足縮短了16%,而模式2和模式3的疏散人員幾乎同時(shí)到達(dá)一層疏散出口。

模式2在模式1的基礎(chǔ)上相當(dāng)于增加了六部疏散樓梯,最晚到達(dá)一層疏散出口的時(shí)間為528.425 s,有效縮短了疏散耗時(shí),符合預(yù)期值。模式3和模式4在模式1的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了調(diào)整,可以看出模式1的疏散距離最短為87.979 m,模式3和模式4的疏散距離持平,均為112 m,但在同等距離下,模式4的耗時(shí)明顯較其他3個(gè)時(shí)間縮短。

隨后將選取模式4作為疏散效果最佳的模式,輔以五部消防電梯,因消防電梯具有局限性,最終模式5的疏散耗時(shí)為455.5 s,比模式4提前11 s完成疏散。

3.2 疏散出口利用率分析

疏散出口利用率由人流量所反映,根據(jù)模擬運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)各模式下疏散出口利用率情況(如圖4所示)。出口Door600在不同模式下人流量峰值均大于其他出口,且達(dá)到人流量峰值時(shí)間也均早于其他出口,并作為主要疏散出口持續(xù)疏散人員至結(jié)束,出口Door589距離疏散樓梯相對(duì)較遠(yuǎn)導(dǎo)致選擇該出口的疏散人員較少,人員流量峰值在不同模式下均晚于其他出口,人員疏散時(shí)間相對(duì)較短。模式1中由于僅開放疏散樓梯,出口Door595和出口Door597人員疏散出口利用率時(shí)間大致相同,模式2、3、4中增加了疏散工具,出口Door597人員疏散利用率得到了大幅度提高,模式2、3人員整體疏散時(shí)間集中在200 s以內(nèi),而模式4人員整體疏散時(shí)間集中在150s以內(nèi),整體疏散效率得到提升。模式4中,出口Door600疏散時(shí)間大幅度降低,相反出口Door589疏散時(shí)間得到了提升,緩解了出口Door600人員疏散壓力。結(jié)果表明模式4情況下購(gòu)物中心人員疏散出口利用率得到大幅度優(yōu)化。選取最優(yōu)疏散模式輔以消防電梯模擬發(fā)現(xiàn)模式5情況下主要疏散出口的人流量分布趨勢(shì)有所平緩,說(shuō)明人員疏散情況穩(wěn)定,且總疏散時(shí)間有所減少,疏散效果最佳。

圖4 疏散出口利用率情況

3.3 疏散工具利用率分析

統(tǒng)計(jì)不同模式下疏散樓梯、自動(dòng)扶梯和消防電梯的人流量,根據(jù)人流量判斷疏散工具在各模式中的使用情況。在樓梯疏散利用率方面(如圖5所示),疏散人群趨于恐慌心理的作用,火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)潛意識(shí)地選擇距離逃生出口最近的疏散樓梯進(jìn)行安全疏散,而出口Door600作為購(gòu)物中心正門口,周圍分布了Stair51、Stair57、Stair58三部疏散樓梯,圖中可以看出模式1中持續(xù)人流量最大、疏散時(shí)間最長(zhǎng)的樓梯為 Stair51,說(shuō)明該模式Stair51疏散樓梯處擁堵情況較為嚴(yán)重,人員疏散速度減緩,在疏散到300 s的時(shí)候人流量激增,在實(shí)際人員疏散的情況中可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。模式2、3、4、5情況下對(duì)疏散工具做出優(yōu)化,結(jié)合自動(dòng)扶梯不同運(yùn)行方式有效降低了疏散時(shí)間,提高了疏散效率。

圖5 疏散樓梯利用率分析

模式2開始將添加自動(dòng)扶梯,選取了部分自動(dòng)扶梯數(shù)據(jù),如圖6所示。據(jù)圖3(a)出口位置,Ramp15和Ramp16位于購(gòu)物中心東南角,距離Elevator01和Elevator02較近,疏散過(guò)程中,Elevator01和Elevator02疏散人數(shù)之和遠(yuǎn)小于Ramp15和Ramp16,除了消防電梯的限制規(guī)定外,疏散人員更樂(lè)于選擇自動(dòng)扶梯。其次Ramp21、Ramp22和Ramp22在4種模式下,耗時(shí)均控制在100 s,對(duì)比疏散樓梯,疏散效率達(dá)到最高值。無(wú)論是疏散耗時(shí)方面還是人流量方面,自動(dòng)扶梯比疏散樓梯整體提升,利用率最高,說(shuō)明選擇自動(dòng)扶梯進(jìn)行安全疏散可有效提高疏散效率。

圖6 自動(dòng)扶梯利用率分析

由圖7所示,消防電梯Elevator00利用率最高,Elevator01次之。由于消防電梯是在模式4的基礎(chǔ)上添加的,適用于含有老人兒童等行動(dòng)不便人員,通過(guò)消防電梯疏散行動(dòng)不便人員能夠有效提高人員疏散效率。但受電梯啟閉時(shí)間、運(yùn)行加速度和分離層等多因素的制約,消防電梯無(wú)法成為加快疏散效率的主流工具。根據(jù)不同疏散人員類型選取不同防火安全疏散方案,了解大型商業(yè)綜合體火災(zāi)與疏散的相關(guān)特點(diǎn),做好科學(xué)設(shè)計(jì),才能夠有效預(yù)防火災(zāi),減少人們生命財(cái)產(chǎn)損失。

圖7 消防電梯利用率分析

4 結(jié)論

(1) 在設(shè)定的5個(gè)模式中,疏散耗時(shí)分別為556.5 s、528.5 s、517 s、466 s、455.5 s,其中疏散樓梯基礎(chǔ)上并用上行反轉(zhuǎn)、下行正常運(yùn)行的自動(dòng)扶梯模式效率在大眾人群疏散方式中相對(duì)更高,能夠有利于盡快完成疏散。

(2) 相對(duì)于其他出口,出口Door600的人流量一直是最高的,而出口Door597利用率最低,為減輕疏散壓力,在日常生活中工作人員應(yīng)該設(shè)置明顯的出口指示牌,并加強(qiáng)顧客對(duì)該購(gòu)物中心疏散出口的熟悉,發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行專業(yè)引導(dǎo),避免人員疏散集中擁堵,進(jìn)而提高火災(zāi)疏散效率。

(3) 與傳統(tǒng)的主要采用疏散樓梯作為疏散工具相比,自動(dòng)扶梯通常具有較大的運(yùn)輸能力,在此次模擬中自動(dòng)電梯的充分利用,加之行動(dòng)緩慢人群輔以消防電梯進(jìn)行疏散,高效縮短了疏散耗時(shí),超出預(yù)期值。