基于經(jīng)驗公式和Pathfinder模擬的教學(xué)樓疏散時間計算

摘要：選取某棟5層教學(xué)樓作為研究對象，使用Pathfinder軟件來模擬教學(xué)樓師生疏散的過程。在樓梯均處于正常工作狀態(tài)下，討論四個場景下人員疏散的情況，對樓梯寬度、安全出口寬度、人員數(shù)量這些因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，教學(xué)樓疏散樓梯越寬，人員疏散時間越短。僅增加安全出口的寬度或者減少密度較低場所的人員數(shù)量，對人員的疏散時間影響較小。同時，將經(jīng)驗公式計算的結(jié)果與Pathfinder模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，兩種方法得出的結(jié)果都較為精準(zhǔn)、可靠。

關(guān)鍵詞：Pathfinder；教學(xué)樓火災(zāi)；疏散時間

中圖分類號：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）06-0017-05

教學(xué)樓是學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)的場地，屬于人員高度密集的場所，也是消防安全重點關(guān)注的區(qū)域之一。一旦在教學(xué)樓發(fā)生火災(zāi)，容易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此，消防安全對于學(xué)校來說至關(guān)重要。根據(jù)GB50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，一、二級耐火等級的民用建筑，疏散時間應(yīng)少于6min，一、二級耐火等級的人員密集公共建筑則應(yīng)少于5min。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，教學(xué)樓內(nèi)的樓梯和出口，應(yīng)滿足在5min內(nèi)將教學(xué)樓內(nèi)的所有師生疏散至安全區(qū)域的要求。因此，需要對教學(xué)樓的疏散時間進(jìn)行計算，以確保在發(fā)生火災(zāi)時，各樓層的師生能夠在最大允許疏散時間內(nèi)，安全撤離教學(xué)樓。

謝明峰等人[1]為了解決疏散過程中擁堵的問題，分別對安全出口的數(shù)量、寬度、開放狀態(tài)以及疏散路線這四方面進(jìn)行了研究。湛蓮香等人[2]對宿舍不同樓層發(fā)生火災(zāi)與人員疏散之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并對最不利樓層的疏散措施做了改進(jìn)，使學(xué)生宿舍滿足疏散要求。何怡婧等人[3]對人員數(shù)量、出口寬度以及樓梯緩沖區(qū)這三者之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出學(xué)生在疏散過程中存在從眾心理，這會影響逃生路線的選擇。王琨等人[4]通過模擬不同場景中的疏散時間、疏散總?cè)藬?shù)以及平均人流量變化情況，分析了教學(xué)樓排課調(diào)整的變化對人員疏散的影響。閻衛(wèi)東等人[5]對沈陽建筑大學(xué)的圖書館人員疏散進(jìn)行研究，分析安全出口的通行率、樓梯的使用情況以及人員在疏散過程中的特性，提出優(yōu)化圖書館人員疏散設(shè)計的建議。

本文通過對教學(xué)樓消防疏散進(jìn)行計算并提出優(yōu)化建議，提高教學(xué)樓在發(fā)生火災(zāi)時的安全性，避免火災(zāi)導(dǎo)致的人身傷亡、財產(chǎn)損失。一旦發(fā)生火災(zāi)，師生將通過安全疏散通道快速撤離事故現(xiàn)場，以確保師生的生命安全。

1 疏散準(zhǔn)則與階段

1.1 安全疏散準(zhǔn)則

安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定時間內(nèi)，將建筑物中的所有人員疏散至建筑物外的安全區(qū)域，并確保在此過程中沒有發(fā)生任何突發(fā)情況。本教學(xué)樓屬于一級耐火等級的公共建筑，依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，將5min作為教學(xué)樓的可用疏散時間。為了確保人員疏散安全，要求必須安全疏散時間小于可用疏散時間。

1.2 四個疏散階段

消防疏散的主要目的是確保人員在火災(zāi)發(fā)展到威脅人身安全（耐受極限）之前疏散到安全區(qū)域，并保證建筑內(nèi)人員疏散完畢的時間小于火災(zāi)發(fā)展到危險狀態(tài)的時間，同時預(yù)留一定的安全裕量。

當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)時，需要盡快將內(nèi)部人員疏散到安全區(qū)域。疏散路線一般分為4個階段：第一階段為室內(nèi)任意一點到房間門口；第二階段為從房間門口到進(jìn)入樓梯間或前室的路程，即走廊內(nèi)的疏散；第三階段為樓梯間內(nèi)的疏散；第四階段為出樓梯間進(jìn)入安全區(qū)。教學(xué)樓疏散時間計算按照安全疏散四階段進(jìn)行。

1.3  影響疏散時間的因素

1.3.1 疏散凈寬度和疏散距離

我國規(guī)定單、多層公共建筑中的疏散樓梯寬度不得小于1.10m。疏散寬度越寬意味著能夠通過的人流量越大，疏散的時間也越短。人員距離安全出口的垂直距離和水平距離越小，則疏散越快。

1.3.2 火災(zāi)探測時間和警報時間

火災(zāi)探測器和火災(zāi)報警器的靈敏性對于傳遞火災(zāi)信息和人員疏散存在影響。當(dāng)火災(zāi)探測器和報警器年久失修，出現(xiàn)誤報、不報等情況，勢必會影響到整個疏散時間。

1.3.3 疏散人員的速度和秩序

在疏散過程中，學(xué)生接收到火災(zāi)危險的信息可能會感到恐慌、畏懼，從而影響其行動。部分學(xué)生由于過分緊張而停滯不前，或者為顧及個人安危而忽略逃生秩序，這兩種行為都將導(dǎo)致整個疏散時間的延長。

2 建筑概況與疏散場景

2.1 建筑概況

該教學(xué)樓共有5層，每層高度為3.6m，總高度為18m。默認(rèn)樓梯寬度為125cm，一層共有3個房間，二至五層各有6個大教室，整棟教學(xué)樓共有27間教室。總?cè)藬?shù)為708人，教學(xué)樓共有4部疏散樓梯供師生進(jìn)行疏散，教學(xué)樓共設(shè)置5個安全出口，安全出口設(shè)置寬度均為4m。疏散通道均無障礙物。

2.2 參數(shù)的設(shè)定

在疏散中，最重要的要素為個體的運(yùn)動速度。例如，一般健康成年人的步行速度為1.2m/s，老人和兒童的運(yùn)動速度為0.7m/s，殘疾人的運(yùn)動速度為0.4m/s?？紤]到教學(xué)樓內(nèi)人員對場地較為熟悉，本次模擬的學(xué)生疏散的最低速度為1.0m/s，最大速度為1.5m/s。教師疏散的最低速度為1.19m/s，最大速度也為1.5m/s。采用均勻的疏散方式，所有樓層的人員布置也均勻放置。

2.3 疏散場景設(shè)置

本文共設(shè)計4個疏散場景，包括1個基礎(chǔ)場景和3個對比場景，以分析疏散條件變化對疏散時間的影響。

2.3.1 疏散基礎(chǔ)場景

模擬708名師生從各自樓層向五個安全出口進(jìn)行疏散的情況。

2.3.2 增加樓梯寬度對安全疏散的影響

基礎(chǔ)場景中樓梯寬度設(shè)置為125cm，現(xiàn)將樓梯寬度增加至200cm，安全出口的數(shù)量保持不變。

2.3.3 增加安全出口寬度對安全疏散的影響

將一層安全出口的寬度由原來的4m增加至6m，樓梯寬度不變。

2.3.4 減少五層教學(xué)樓人員疏散的數(shù)量

教學(xué)樓五層作為學(xué)校的實驗室與機(jī)房，平常有師生會上課?？疾闇p少非主要上課區(qū)域的人數(shù)對疏散的影響。

3 基于經(jīng)驗公式的計算

最不利房間位于五層，計算疏散時間應(yīng)考慮最不利的疏散路線。最不利點為房間距門口最遠(yuǎn)處，同時最不利點處到達(dá)樓梯間的距離也是最遠(yuǎn)的。由于教學(xué)樓呈“倒凹字形”，兩邊為對稱結(jié)構(gòu)，因此只需考慮其中一側(cè)即可，教學(xué)樓五層平面圖見圖1。在計算中，設(shè)定人群在水平方向的疏散速度為1m/s，在樓梯間的疏散速度為0.5m/s，通行系數(shù)在水平方向為1.6人/m·s，在樓梯間為1.4人/m·s。教學(xué)樓總?cè)藬?shù)為708人，五層最不利房間的人數(shù)為50人，在經(jīng)驗公式計算中選取50人作為疏散人數(shù)進(jìn)行計算。在突發(fā)狀況下，由于教學(xué)樓屬于人員密集場所，疏散過程中存在人員排隊的情況，因此在計算中采用發(fā)生排隊的公式進(jìn)行計算。

第一階段疏散路線計算，由于從合班教室最不利點到房間門口的距離為9m，從實驗室最不利點到房間門口的距離為5.6m，因此選用合班教室的疏散距離進(jìn)行計算。

第二階段疏散，從房間門口到樓梯間的疏散，實驗室房間門口到樓梯間的距離為16.9m，走廊寬度為3m。

第三階段疏散，樓梯間內(nèi)的疏散，樓梯寬度2m，傾斜角為30°，由于樓梯存在傾斜不能以樓層垂直高度18m作為樓梯最大步行距離，計算采用斜邊長度作為樓梯最大步行距離，則斜邊長度為36m，且每個樓梯平臺長度為2.5m，因此樓梯間疏散距離L3=36+2.5×4=46m。

第四階段疏散，從樓梯口到室外安全地帶的疏散。一層門寬4m，樓梯口到門口的距離為10m，疏散口人數(shù)為50人。

綜合計算總疏散時間得：

最后需要加上探測器報警時間和人員反應(yīng)時間，對于本文來說，多數(shù)師生對于教學(xué)樓結(jié)構(gòu)較為熟悉，障礙物較少，因此本文設(shè)定為50s，總疏散用時220.6s，小于規(guī)定的5min，故疏散時間符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。最不利點計算的疏散時間已滿足標(biāo)準(zhǔn)，故教學(xué)樓其余區(qū)域均滿足疏散規(guī)定時間。

4 Pathfinder軟件模擬計算

本次教學(xué)樓人員疏散模擬采用了由美國Thunderhead公司開發(fā)的Pathfinder軟件。該軟件能夠直觀、方便地觀測各個樓層人員疏散的情況，并且能夠記錄人員疏散的路徑和時間。模擬選用SFPE行為模式進(jìn)行疏散，即人員自動疏散到最近的出口，且不會相互影響。教學(xué)樓人員疏散模型見圖2。

使用Pathfinder軟件模擬教學(xué)樓的疏散過程，以對比經(jīng)驗公式的計算結(jié)果。設(shè)置4種疏散場景，討論樓梯寬度、安全出口寬度、人員數(shù)量這些因素對疏散時間的影響。

模擬疏散時間時，也需要加上火災(zāi)報警和人員反應(yīng)的時間，本文取50s作為準(zhǔn)備時間。表1為不同場景下模擬得出的疏散時間。

4.1 疏散基礎(chǔ)場景下安全疏散時間

基礎(chǔ)條件下疏散人員數(shù)量隨時間變化見圖3。場景1為基礎(chǔ)條件下疏散的情況，模擬得出的時間為185s，總疏散時間為235s（3.91min）。該疏散時間未超出我國的疏散標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 增加樓梯寬度情況下安全疏散時間

通過改變樓梯寬度，將原來的125cm寬度增加至200cm，模擬疏散時間為121.5s。疏散總時間由基礎(chǔ)場景的235s縮短至171.5s，減少了63.5s。該數(shù)據(jù)表明，增加樓梯寬度對于縮短安全疏散時間的效果良好。增加樓梯寬度，很大程度上減少了人員的擁堵和排隊行為，使得并排通過的人流數(shù)增加，故提升疏散效果良好。增加樓梯寬度條件下疏散人員數(shù)量隨時間的變化見圖4。

4.3 增加安全出口寬度情況下的疏散時間

在場景3中，對一層的5個安全出口寬度進(jìn)行調(diào)整，由原來的4m增加至6m，模擬得出場景3的疏散時間為173.8s。疏散總時間由235s縮短至223.8s。疏散效果提升較不明顯。由于教學(xué)樓存在5個安全出口，當(dāng)人員疏散至一層各個安全出口時，人員密度較低，所以疏散時間沒有明顯減少。增加安全出口寬度條件下疏散人員數(shù)量隨時間的變化見圖5。

4.4 減少疏散人員數(shù)量

五層作為教學(xué)樓的機(jī)房和實驗室，平常有部分學(xué)生在五層做實驗或上計算機(jī)課?，F(xiàn)減少五層的70人，實際疏散總數(shù)變?yōu)?38人。最終模擬得到的疏散總時間為231.3s，與基礎(chǔ)場景下得出的235s疏散時間相差不大。造成這一結(jié)果的主要原因為教學(xué)樓四層人員密集，在疏散過程中，四層存在擁堵、阻塞現(xiàn)象，因此減少五層的人員數(shù)量對整個疏散效果影響較小。減少疏散人員數(shù)量隨時間的變化見圖6。

5 經(jīng)驗公式和軟件模擬結(jié)果的對比

通過軟件模擬和經(jīng)驗公式對疏散時間進(jìn)行計算，軟件模擬的疏散時間為235s，經(jīng)驗公式計算的時間為220.6s，兩者誤差在10%以內(nèi)。造成誤差的原因主要為：第一，經(jīng)驗公式的計算結(jié)果較為理想化，水平方向的通行系數(shù)采用1.6人/m·s，樓梯間疏散的通行系數(shù)采用1.4人/m·s。但在實際疏散過程中，人員的疏散速度各有差異，且遇到人流密集、擁堵阻塞的情況下，人員的通行系數(shù)達(dá)不到1.4人/m·s，因此實際疏散時間會更接近用軟件模擬得出的數(shù)值。第二，利用軟件模擬得出的疏散時間會更接近實際情況。能夠真實模擬人員的速度、行為模式、師生比例，而且能夠更加直觀、清楚地反映人員的疏散過程以及人員在樓梯口是否存在擁堵的現(xiàn)象，因此采用軟件模擬得出的結(jié)果會更加精準(zhǔn)、可靠。

6 結(jié)束語

本文通過建立Pathfinder模型對教學(xué)樓人員進(jìn)行疏散模擬，在模擬人員均為直接尋找出口的行為下，且無殘疾人員參與模擬。得出基礎(chǔ)條件模擬人員疏散的時間為235s，小于建筑防火規(guī)范中的最大允許消防疏散時間。通過改變樓梯寬度、安全出口寬度來減少疏散時間的情況下，改變樓梯寬度對人員疏散的效果最為明顯，共縮短63.5s。此外，本文還將模擬的結(jié)果與經(jīng)驗公式計算的疏散時間進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者計算的結(jié)果較為接近，誤差在10%以內(nèi)，軟件模擬得出的時間數(shù)值更加接近實際情況。本文在模擬過程中對模型進(jìn)行了簡化，與實際人員疏散過程相比，存在一定的偏差，實際的人員疏散過程會因為各種原因而變得更為復(fù)雜，疏散的時間也會更長一些。

參考文獻(xiàn)

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