基于仿真模擬的圖書館疏散時間影響因素分析

摘要：由于公共設施的不斷完善，全國各地圖書館的結構、布局以及功能應用已經發(fā)生了巨大的變化。圖書館館內影響疏散時間的因素日益復雜，一旦發(fā)生火災等突發(fā)事件，快速有效的人員疏散就成為一個復雜的問題。以某圖書館為例，針對該圖書館建筑特點，假設相關場景，利用Pathfinder模型對圖書館應急疏散進行仿真模擬，并對疏散所需時間進行分析，以期為圖書館人員安全疏散提供決策支持。

關鍵詞：圖書館；火災；應急疏散

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）05-0004-05

現代圖書館建筑的布局復雜、人流量大，出現火災事故等突發(fā)性情況時，館內人員疏散能力至關重要，疏散不當很容易造成人員擁擠及踩踏事件。館內閱覽書桌、板凳、復雜的墻壁構件、臺階、立柱、書架和設備混雜在一起，對人員撤離產生了分割和阻礙效果，限制了人員撤離，降低了人員疏散效率。

封麗等[1]對高校圖書館的公共安全問題進行剖析，通過網絡、失竊、火災等方面闡述圖書館面臨的安全問題，針對以上三個方面提出了相應的預防措施，制定了相應的應急預案。李若菲等[2]進行了不同樓梯類型的仿真構建，得出不同形式的樓梯適用不同的情況，樓梯的布局會影響人員在應急疏散時的效率。張渤苓等[3]利用層次分析法和多級模糊綜合評價建立了火災風險評價模型，針對評價結果提出了相應的優(yōu)化方案。高子杰[4]針對高校食堂內的人員特點，研究高校食堂發(fā)生火災時人員疏散情況，以某高校食堂為例，通過應急疏散仿真軟件建立仿真模型，引入人員數據，進行仿真模擬。其經過對疏散時各樓層間樓梯寬度的分析，得出拓寬樓層之間的樓梯寬度可以縮短人員疏散時間等結論。田文青等[5]通過對某高校圖書館實地調查，利用FDS建立火災模型，利用Pathfinder進行人員疏散模擬，以此研究了圖書館的人員疏散與火災危險性，并進行了相應的分析和討論。

本文依據應急疏散時空要素、人體運動學特征等建立Pathfinder疏散仿真模型，針對某圖書館內部空間結構，定義相關人員參數，構建圖書館仿真模型。文中假設6種場景，用以模擬不同情況下的人員疏散情況，并對消防樓梯的暢通性、安全出口開放數量、安全出口的寬度、館內人員總數等因素對疏散時間的影響程度進行分析。

1 仿真模型建立

1.1" 建筑物概況

圖書館平面圖大體為回字形。圖書館由閱覽室、管理員辦公室、工作人員宿舍、資料儲藏室、自習教室、計算機網絡管理中心、會議室、配電室等主要設備用房構成。該館總建筑高度31.65m；總建筑面積22666.76m2。第一層為文化活動區(qū)域，第二層至第四層是自習閱覽區(qū)域和圖書存放區(qū)域。根據圖書館主要開放區(qū)域和人員密度分布情況，對該圖書館的第一層至第四層進行分析。經過觀察法觀察建筑結構，可以看出圖書館一共四個出口、四個樓梯和三個電梯。應急疏散模擬大背景為突發(fā)性火災事件，除消防電梯外不能使用其他電梯，因此不把電梯考慮在內。

1.2" 建筑模型

Pathfinder是一款人員應急疏散仿真模擬軟件，它利用計算機對建筑物進行2D或3D建模，通過對情景的設置，用以模擬不同情況下的人員疏散情況。利用卷尺量取建筑物內數據，根據物體個數、大體位置、具體尺寸、空間分布等數據，利用Pathfinder構建出該館的單線條2D平面仿真圖。

圖書館一樓至四樓高度分別為0m、6m、10.5m、15m，各樓梯寬度為2m，樓梯口防火門寬度為2m，出口和入口寬度都為7m，南側常封閉出口和北側常封閉出口寬度為2m。館內書架形式各異，柱子的尺寸為0.49m2，將6個平面圖利用樓梯合并在一起，構建圖書館3D仿真模型。

圖書館的安全疏散出口都在一樓，樓梯間分布在圖書館的四角，入口、出口、南側常封閉出口和北側常封閉出口分別在圖書館東側、南側、西南角和西北角，其樓梯間出口和疏散出口分布見圖2。

1.3" 人員設置

經過調查，圖書館第一層無閱覽位置，有少數工作人員，記最大值20個。第二層共496個閱覽位置、第三層共870個閱覽位置、第四層共1010個閱覽位置，則全館共2396個位置。忽略男女數量差異，按男女比例5：5加入模型中。本文選取最不利情況下（閱覽位置滿員時）的疏散情況作為研究對象。

根據《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》[6]，可以得到我國成年男性緊急情況下的運動速度為1.5m/s，我國成年女性運動速度為成年男性運動速度的85%，即1.28m/s。設置男大學生身高為175cm，女大學生身高為160cm。GB/T10000—2023《中國成年人人體尺寸》中對我國成年男性和女性平均尺寸有規(guī)定，得出中國成年男性和中國成年女性肩寬分別為50cm和45cm。

Pathfinder軟件中有兩種人員運動模擬方式可供選擇，一種是SFPE模式，另一種是Steering模式[7]，兩者在人員運動方面表現不同。SFPE模式是人員之間不會互相影響，不考慮人與人碰撞和擁擠作用，真實性較低，適用于排隊場景下使用。Steering模式對人員進行疏散模擬時會發(fā)生碰撞轉向機制，人員相互碰撞或擁堵后，會自動避開碰撞點或擁堵點自動選擇其他逃生路線。本文研究的是火災突發(fā)情況下，不會出現排隊現象，人員會發(fā)生相互碰撞或擁擠，SFPE模式不適用，所以人員運動模式選擇Steering模式進行模擬。

2 模擬分析

2.1" 情景設置

分別設置不同場景下的建筑模型和人員參數。

情景1：全部閱覽座位滿座，日常出口和入口開放，南、北側出口關閉，人員自由選擇出口。

情景2：正常情況下，全部閱覽座位滿座，四個疏散出口全開，人員自由選擇逃生出口。

情景3：模擬在樓梯間（選南側樓梯）存放雜物，在二樓樓梯角放入長2m、寬1m的雜物，開放全部安全出口。

情景4：模擬限制人員人數進入圖書館，取各樓層總人數的70%，開放全部安全出口。

情景5：模擬出口和入口都各自打開兩扇門板的其中一個（減少疏散出口寬度的1/2），開放全部疏散出口。

情景6：模擬南側常封閉出口和北側常封閉出口都各自打開兩扇門板的其中一個（減少疏散出口寬度的1/2），開放全部安全出口。

2.2" 疏散結果

根據《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，圖書館為一級耐火等級公共建筑物，且一、二級耐火等級建筑物的允許疏散時間應該小于等于6min。

如果人員可用疏散時間tASET（6min）大于人員必要疏散時間tRSET，則疏散結果符合《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，反之則不符合規(guī)范。在現實情況下，從火災發(fā)生到人員全部疏散包含火災報警時間tdet、人員響應時間tresp以及人員疏散運動時間tmove[8]。人員疏散所需時間計算如下：

tRSET=tdet+tresp+tmove

根據文獻[9]可得，tdet=10s，tresp=10s。疏散仿真軟件模擬出的疏散時間即為人員疏散運動時間tmove，以情景1為例，人員疏散運動時間tmove=394s，根據文獻中公式計算人員必要疏散時間，計算方式如下：

tRSET=394+10+10=414s

414s大于360s（6min），即tASET小于tRSET，故不符合《建筑設計防火規(guī)范》。同理，可得其余結果。6種情景的結果見表1。

2.3" 結果分析

情景1和情景2的變量為疏散出口的開放數量，無其他因素影響，兩個場景下人員眾多，各個出口和樓梯容易產生利用率上的差異。

樓梯利用率關系圖書館閱覽座位分布，見圖3，南、北側樓梯利用率較高，原因為圖書館內部西側設置閱覽位置較東側多，人員密度大，故選擇相近樓梯逃生人數多，造成擁擠時間長。入口和出口處樓梯比其他兩個樓梯利用率低，且情景2下南側樓梯較其他樓梯利用率最高。

據圖4可知，圖書館日常出口的利用率相比其他疏散出口的利用率較低，尤其是在情景2中四個疏散出口都開放的情況下，僅在19s后就無人員再選擇日常出口逃生。而入口的利用率無論是開不開放兩個常封閉門，都有很高的利用率，情景1下最高值達到6per/s，情景2下最高值達到5per/s，開放南北兩側常封閉門，能減緩大約16.7%入口利用率。人員隨機情況下偏向于選擇距離樓梯口較近的其他疏散出口逃生，而圖書館日常出口的位置相對其他出口較遠，且寬度較寬，不易在突發(fā)情況下被考慮到，故利用率較低。盡管在只開放圖書館日常出、入口的情況下，選擇日常出口的人員數量也很低，因為與日常出口相近的樓梯間出口朝向入口，需轉彎花費時間才能到達日常出口。

日常入口的利用率相對較高，由于接近出、入口兩側樓梯，人員下到一樓后優(yōu)先選擇距離最近的疏散出口，故日常入口如果正常打開，多數人員會選擇此出口逃生，很容易造成人員堵塞。

南、北側常封閉出口的利用率屬正常水平，因為其距離南、北兩側樓梯口最近，疏散人員下到一樓后可直接選擇南側或北側出口逃生，且南、北側常封閉出口門寬度較小，人員較多，故出口利用率可以達到正常水平。但因其寬度比出入口小，所以造成堵塞的概率也隨之增大。

圖書館南北兩側常封閉出口對圖書館的安全疏散時間有很大影響，根據表1數據可知，在所有未打開兩側常封閉疏散出口的情景下，疏散時間都不符合規(guī)范，這就證明發(fā)生火災時，南、北兩側門的開閉對疏散時間和效率有很大影響。各情景下，由于樓梯的寬度有限，疏散中各時間到達各出口的人員數并不太多，模擬中各出口未出現長時間擁擠、等待的現象。

根據情景2和情景5疏散時間對比，減小疏散出口和入口的寬度，對總疏散時間影響較小。因為疏散出口和入口的寬度較寬，且人員通過率較好，即便減小出口和入口的寬度，也不會對疏散人群造成影響。情景2和情景6對比，減少南側常封閉出口和北側常封閉出口寬度（模擬疏散出口門未開全），疏散時間增加了53.5s，人員大多聚集到一樓。因為南、北側常封閉出口較出口和入口寬度小，且兩出口人員密度大，故在常封閉出口處造成堵塞。疏散時，人員堵塞在一樓樓梯間內，致使大批人員無法在短時間內疏散，增加人員疏散所需時間。

3 結束語

限制進入圖書館人員的數量可以大幅減少人員疏散時間，減少圖書館內各層30%的人員數量，能夠減少約51.5s的人員必要疏散時間，人員數量是影響疏散時間的重要因素之一。根據情景1和情景2分析，增加疏散出口的開放數量將減少66.5s的人員必要疏散時間，因為南、北側樓梯和南、北側常封閉出口利用率較高，開放狀態(tài)下通過人數較多，關閉后將大幅影響整棟建筑物的疏散效率。在利用率最高的南側樓梯間增加一個2m2的雜物將提高181.5s的人員必要疏散時間。

減少兩對出口的寬度對館內人員必（下轉第37頁）（上接第7頁）要疏散時間的影響不同。減少日常出、入口門寬度對疏散時間的影響較小，差值為5.5s。減少南、北側常封閉出口門的寬度對疏散時間的影響較大，差值為47.5s。打開四個出口的情況下，日常出口和入口處不會發(fā)生擁擠和堵塞，減少門的寬度不會降低人員的通過率。而南、北側常封閉出口門本身寬度遠小于出入口門，選擇這兩個出口疏散的人員也較多，所以減少寬度，將減少人員通過率，增加人員必要疏散時間。

參考文獻

[1]封麗，田劍君.淺談高校圖書館的公共安全問題和應急機制[J].科技情報開發(fā)與經濟，2009，19（13）：32-33.

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[3]張渤苓，袁江瀅，羅粒僑.高校宿舍火災風險評估研究[J].中國公共安全（學術版），2019（2）：62-65.

[4]高子杰.基于Pathfinder的某高校食堂火災時的人員疏散模擬[J].消防界（電子版），2022，8（13）：21-22+25.

[5]田文青，安笑蕊，張繼友，等.高校圖書館火災應急疏散模擬方法研究[J].建筑安全，2023，38（1）：70-75.

[6]Klein R A.SFPE handbook of fire protection engineering （1995）[J].Fire Safety Journal，1997，29（1）：61-63.

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[8]閻衛(wèi)東，張瑞，劉家喜，等.基于Pathfinder的高校圖書館火

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[9]馬哲，孫華玲.圖書館書庫的火災危險性和安全疏散[J].消防科學與技術，2006（4）：492-494.