基于Pathfinder的食堂火災疏散仿真模擬研究

作者簡介：安夢祎（1999—），女，漢族，河北唐山人，在讀碩士研究生，研究方向：應急疏散；張林（1979—），男，漢族，河北唐山人，碩士研究生，教授，研究方向：智能交通系統(tǒng)。

摘要：針對高等院校食堂在就餐高峰期發(fā)生火災時的人員疏散問題，本文選取河北省唐山市某高校二層食堂作為案例進行分析，通過運用Pathfinder軟件構建了該食堂等比例模型，并分別從出口門的寬度、樓梯的寬度和樓梯的數(shù)量三個方面對疏散模型進行了優(yōu)化，從而確定出一套有效的疏散方案。模擬實驗結果顯示，所提出的三種方案均能有效減少疏散所需時間。其中，增加出口門寬度對疏散時間的影響不大，而增加樓梯寬度和增加樓梯數(shù)量對縮短疏散時間有顯著影響。

關鍵詞：食堂火災；人員疏散；Pathfinder

引言

近年來，高等院校食堂發(fā)生的火災事件不斷增多，已成為全社會關注的熱點問題。例如，2018年6月19日，上海某大學與某中學發(fā)生火災。同年12月，北京某大學食堂也發(fā)生火災^[1]。此外，河北某大學食堂也在2020年4月7日發(fā)生了火災，當時正值飯點和用餐高峰時段，人流非常密集，部分師生因此受傷^[2]。如今，高校食堂的防火安全已成為社會人士和專家學者們關注的焦點，諸多學者已著手對食堂火災疏散策略進行研究，以保障師生們的生命安全。丁元春，李文健等研究者利用Pathfinder方法對人員疏散中的“瓶頸”問題進行了研究，他們發(fā)現(xiàn)在一定時間內(nèi)，如果食堂人員數(shù)量過多，需通過增設緊急出口的方式來實現(xiàn)人員的安全疏散^[3]；柳善耀，劉丹等學者采用Anylogic軟件，引入人類的恐慌心理進行模擬實驗，在不考慮恐懼因素的情況下，人們的疏散時間會增加至原來的1.3倍^[4]；部分學者基于北京某大學食堂進行研究，他們運用元胞自動機（Cell Automatic Machine）方法，對不同情境下的食堂安全績效和員工績效進行了評估^[5]；有的學者以元胞自動機為理論基礎，研究了高校食堂工作人員在緊急情況下的撤離路徑問題^[6]；還有學者在分析一所高校食堂中午高峰時段人流量的基礎上，建立了一個模型，成功重現(xiàn)了高峰時段的人員逃生軌跡。通過Pathfinder仿真，有學者分析了不同開孔率下人員的疏散情況，發(fā)現(xiàn)開門角度為115°—135°時，人員安全撤離最易得到保障^[7]。有學者根據(jù)Pathfinder對不同的建筑臺階進行了研究，發(fā)現(xiàn)“雙螺旋”設計在規(guī)避障礙物方面優(yōu)于“分叉螺旋”設計^[8]。程友鵬、朱杰、馬金梅利用FDS方法對一所高校食堂的火災傳播進行了研究。該研究表明，在火災進入穩(wěn)定狀態(tài)后，其火焰溫度、可見度和煙氣層高度都呈非線性變化^[9]；田水承、陳洋、沈小清利用Pathfinder軟件模擬了出口形狀、人員及其初始位置，出口形狀對人員的疏散效率有明顯影響，其中“V”形出口在疏散人員方面耗時最短^[10]；王莉發(fā)現(xiàn)，人們在突發(fā)事件中具有較強的從眾心理^[11]。

本文將重點研究多因素對食堂疏散效率的影響。本文選擇河北唐山某高校的二層食堂為研究對象。該食堂長約30m，寬約20m，高約8m，在高峰時期可容納師生700多名，餐廳一層和餐廳二層的人員比例大約為1：1。本研究擬基于Pathfinder模型，著重研究出口門寬度、樓梯寬度、樓梯數(shù)量三個參數(shù)對高校食堂人員疏散效率的影響，并據(jù)此提出切實有效的疏散策略。

一、食堂人員疏散模型

（一）食堂模型

該食堂共上下兩層，長約30m，寬約20m，高約8m，內(nèi)部設有配電間、冰箱以及放置蔬菜的單獨空間。食堂兩層的中間位置為就餐區(qū)域，一層共有四個安全出口，分別在西北角、西南角、正西側以及東北角。其中，東北角的出口大多用來運輸食堂購置的蔬菜及其他物品。在最高峰時段，該餐廳可同時容納700人，其中大部分是學生，也包括老師和食堂工作人員。根據(jù)實地調(diào)研結果，餐廳上下兩層就餐人數(shù)差不多，人數(shù)比為1∶1。本文將用 Pathfinder軟件對餐廳的人員流動進行模擬分析。

（二）疏散標準

要保證人員安全疏散，就必須保證可用安全疏散時間大于必須安全疏散時間，即TASET>TREST。

1.必須安全疏散時間（TREST）

必須安全疏散時間是指從火災開始到整個大樓內(nèi)所有人員安全撤離完畢所需要的時間，其計算公式為：

TREST=Ta+TP+Tm（1）

其中，Ta代表探測器報警時間，TP代表人員反應時間，Tm代表人員撤離時間。

探測器的報警時間是由報警裝置的靈敏度及火災現(xiàn)場的實際情況所決定的。本文將實際情況設為30s，而人員反應時間的主要影響因素是人體的主觀意識^[12]。鑒于大多數(shù)學生、老師以及食堂工作人員對餐廳的結構都很熟悉，餐廳基本沒有什么障礙物，因此把它設定為40s。通過運用Pathfinder軟件，對人員疏散過程進行詳細模擬與分析。作為一個高效、直觀的工具，該軟件能評估出不同疏散策略在實際場景中的表現(xiàn)和效果。

2.可用安全疏散時間（TASET）

可用安全疏散時間是指發(fā)生火災時，從火勢開始蔓延到威脅人員生命安全所需的時間。這個過程的長短是由建筑的防火程度及配備滅火設備的性能來決定的。高級別的建筑物通常配備有更嚴格的消防設施和更長的疏散通道，能有效延緩火勢蔓延，減少對人體的直接傷害，并提供更充足的逃生時間。一些結構緊湊、缺乏足夠空間或應急設施的建筑物可能會面臨較短的逃生時間。這要求逃生人員必須具備敏銳的警覺力，并了解如何在緊急情況下迅速逃生以確保自身安全。在參考《建筑防火設計》和《安全疏散通道的要求和設施》等相關規(guī)定以及查閱其他相關資料的基礎上，可以了解到整體規(guī)模較小、人員密度較大的公用建筑的防火級別可分為三個等級。本文調(diào)研食堂的防火級別也是三級，人員撤離時間不得大于3min，因此本文將可用安全疏散時間設置為3min。

二、基于Pathfinder的人員疏散仿真模擬

（一）構建疏散仿真模型

采用Pathfinde軟件，建立河北唐山某高校食堂等比例的人員疏散仿真模型，如圖1所示。當真正發(fā)生火災時，二層疏散人員僅能通過樓梯下至一樓進行逃生。仿真過程中使用的是Steering模型。在該模式下，假設出口門不會對人流產(chǎn)生任何影響，在人流中形成一個微小的空隙后，大家就會向最近的出口移動。參照《人員疏散評估指南》^[13]的相關規(guī)定，得出了表1的疏散人員特性參數(shù)。

（二）疏散仿真模擬結果分析

該高校的餐廳安裝了消防自動報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在所有人都沒有察覺的情況下，檢測出裝置發(fā)出警報的時間和人員做出反應的時間均為70s。通過模擬計算得知，餐廳中所有人將在164.5s的時候撤離完畢，也就是說人員移動所需的時間是164.5s，因此從警報響起至疏散完成的整個時間為234.5s。這一結果表明，人員疏散時間遠遠超過了系統(tǒng)提供的可用疏散時間。一旦餐廳里面的人員不能得到有效疏散，大樓里的158人都將面臨極大的安全風險。

三、疏散改進措施

從模擬結果可以看出，樓梯處的人員密集程度較高，導致整個疏散過程出現(xiàn)了較長時間的擁堵。本研究計劃通過對出口門和樓梯做適當?shù)母脑?，以縮短疏散時間、提高疏散效率。

（一）拓寬三個主要出口門

從圖1可以看出，左側三個出口門是人員逃生時最常使用的逃生通道。在逃生過程中，出口門的使用時間較長，通過的人流量最大。目前，三個主要出口門的寬度分別是4.6m、1.5m、1m。將它們的寬度均增加1m后，再次進行食堂人員仿真疏散模擬。結果顯示，人員撤退所需的時間還需要163.3s，與未改造前相比，并未有效縮短疏散時間。

（二）增加疏散樓梯的寬度

將原本1.2m寬的樓梯拓寬至1.8m。通過仿真模擬實驗發(fā)現(xiàn)，整個人員疏散所需的時間是107.8s。在火災發(fā)生后的177.8s內(nèi)，所有人員均已安全疏散出去。這表明擴寬樓梯寬度將大幅提升疏散效率，確保食堂內(nèi)所有人員的生命安全。然而，通過觀察人員在47.3s時的速度變化圖發(fā)現(xiàn)，樓梯上的人員移動速度非常緩慢，樓梯上人員密度過大，很可能會導致踩踏事件的發(fā)生。因此，疏散時，人員必須保持冷靜，避免互相推搡。

（三）增設外部樓梯

本研究計劃在建筑物的東南角增設室外疏散樓梯。該樓梯寬為1.8m，屬于一種新型消防逃生通道。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，食堂內(nèi)的人員可在101.3s內(nèi)全部疏散完畢，而全部疏散時間為171.3s。這項新設施能有效緩解原有樓梯的擁擠狀況，分流部分人群，加快人員的流動速度，有效提高疏散效率。

結語

綜上所述，增加出口門的寬度，對提升人員疏散效率的作用十分有限，因此不作為未來的使用方案。同時，增加樓梯的寬度和樓梯的數(shù)量，能顯著提升疏散效率并縮短疏散時間。雖然增加樓梯寬度能有效縮短樓梯處的排隊長度，但也可能會導致人群在樓梯上暫時聚集，形成擁堵。因此，應對學校學生和食堂工作人員進行心理培訓并定期開展消防演習，以確保在校學生和食堂相關人員能高效、有序撤離，從而有效預防踩踏事件的發(fā)生。

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