某高校食堂發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員安全疏散模擬

丁元春， 劉星星， 李文建， 李琦

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

近幾年多次發(fā)生高校食堂火災(zāi)，引起社會(huì)的廣泛重視， 如：2018 年12 月北京航空航天大學(xué)食堂發(fā)生火災(zāi)[1]；2019 年6 月19 日凌晨上海大學(xué)閘北和寶山兩校區(qū)食堂先后發(fā)生火情；2020 年4 月7 日上午河北師范大學(xué)匯華學(xué)院南院區(qū)學(xué)生食堂發(fā)生火災(zāi)。 食堂在就餐高峰期人流量大，若發(fā)生火災(zāi)人員疏散十分不易。在火災(zāi)危險(xiǎn)的狀況下，容易發(fā)生嚴(yán)重的踩踏事故最終導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[2]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)高校食堂火災(zāi)及人員疏散進(jìn)行研究，例如：文獻(xiàn)[3]基于Pathfinder 軟件對(duì)疏散的過(guò)程出口瓶頸現(xiàn)象進(jìn)行研究，得出當(dāng)疏散人員人數(shù)較多時(shí)，出口總寬度不變的情況下出口數(shù)量越少越有利于人員疏散等結(jié)論；文獻(xiàn)[4]利用Anylogic軟件考慮恐慌心理對(duì)高校食堂疏散進(jìn)行仿真模擬得出，與不考慮恐慌心理相比考慮恐慌影響導(dǎo)致疏散時(shí)間延長(zhǎng)1.3 倍；文獻(xiàn)[5]以北京某高校食堂為例，利用元胞自動(dòng)機(jī)研究大學(xué)食堂中每個(gè)行人的運(yùn)動(dòng)，對(duì)食堂在不同情況下的安全性能和效率進(jìn)行了評(píng)估；文獻(xiàn)[6]基于元胞自動(dòng)機(jī)研究了緊急情況是大學(xué)食堂中的人員對(duì)出口選擇行為；文獻(xiàn)[7]研究午餐高峰期某高校食堂的人流統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建模型再現(xiàn)高校食堂高峰時(shí)段復(fù)雜的交通現(xiàn)象；文獻(xiàn)[8]利用Pathfinder 仿真模擬研究了門(mén)的開(kāi)度對(duì)人群疏散的影響， 得出當(dāng)門(mén)張開(kāi)角度115°至135°時(shí)最有利于人員疏散；文獻(xiàn)[9]基于Pathfinder 研究了不同樓梯形式的疏散能力，得出“雙飛型樓梯”的抗障礙物性能優(yōu)于“分叉型樓梯”；文獻(xiàn)[10]利用FDS 研究了高校食堂火災(zāi)煙氣擴(kuò)散特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出火災(zāi)發(fā)展到穩(wěn)定階段時(shí)，火場(chǎng)溫度、能見(jiàn)度、煙氣層高度都隨窗地比呈非線性變化；文獻(xiàn)[11]利用Pahfinder 模擬不同出口形狀、群體人員構(gòu)成比例、人員初始位置， 得出出口的形狀對(duì)疏散效率有明顯的影響，其中“V”形出口的疏散時(shí)間最短；文獻(xiàn)[12]研究了公共場(chǎng)所行人運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，得出公共場(chǎng)所人員緊急疏散時(shí)有明顯的從眾心理。上述研究主要考慮了單一因素如：心理因素、樓梯的形式、出口的個(gè)數(shù)及位置、出口形狀以及出口處導(dǎo)流墻對(duì)食堂人員緊急疏散的影響， 對(duì)多因素作用的聯(lián)合影響研究鮮有涉及，而且未提出有效方案以提高食堂的疏散效率。本文以合肥某高校食為研究對(duì)象， 該食堂長(zhǎng)約56 m，寬約 32 m， 共上下兩層， 就餐高峰期人數(shù)維持在1000 人左右，且經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)上、下兩層就餐人數(shù)比約為 1∶1。 基于 Pathfinder 研究改變食堂結(jié)構(gòu)、疏散人員的分布以及增加樓梯對(duì)疏散效率聯(lián)合影響， 并針對(duì)食堂這類結(jié)構(gòu)的建筑提出高效的疏散方案。

1 食堂火災(zāi)人員疏散仿真模型建立

1.1 食堂模型

該食堂長(zhǎng)約 56 m，寬約 32 m，共上下兩層，就餐高峰期人數(shù)維持在1000 人左右， 且經(jīng)過(guò)調(diào)查上、下兩層就餐人數(shù)比約為1∶1。 就餐者多為學(xué)生，及少量教師、家屬和校內(nèi)工作人員。 食堂共兩層且結(jié)構(gòu)對(duì)稱，每層高4 m，東西長(zhǎng)56 m，南北長(zhǎng)32 m，總占地面積約 3600 m2。 內(nèi)部東側(cè)為切配間、炒菜間、蒸飯間、菜房、冷庫(kù)、配電間、倉(cāng)庫(kù)、更衣室、打菜區(qū)等，西側(cè)為衛(wèi)生間、辦公室和吧臺(tái)，中間大面積為就餐大廳。建筑物有兩個(gè)室內(nèi)樓梯間，東側(cè)有為方便工作人員搬運(yùn)貨物而設(shè)置的兩個(gè)出口，南側(cè)面朝研究生公寓僅有一個(gè)出口。 根據(jù)測(cè)量南出口2 m，北出口2 m。 經(jīng)過(guò)對(duì)食堂內(nèi)部布置的相對(duì)簡(jiǎn)化， 得出整體結(jié)構(gòu)平面如圖1。 用 Pathfinder 軟件創(chuàng)建模型食堂二層模型圖2。

圖1 食堂平面視圖

圖2 食堂二層模型

圖1 中A 區(qū)域?yàn)槲鞅笔彝鈽翘荩珺 區(qū)域?yàn)楸背隹?，C 區(qū)域?yàn)榫筒痛髲d，D 區(qū)域?yàn)槟铣隹凇?圖 2 各功能區(qū)與圖1 相對(duì)應(yīng)。

1.2 人員模型

根據(jù)實(shí)地調(diào)研， 食堂內(nèi)共有工作人員 60 名，年齡在25 歲到50 歲之間。食堂在就餐時(shí)間人員結(jié)構(gòu)比較單一，以年輕的學(xué)生為主。 因此設(shè)置人員分為兩類：青年男和青年女。

1）設(shè)置人員肩寬

由于男性和女性的體型有很大的差距，所以本文依據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國(guó)成年人人體尺寸》，選用中國(guó)人的身形，表 1 和表 2 分別給出了詳細(xì)數(shù)據(jù)。

表 1 18～60 歲人體尺寸（男）

表 2 18～60 歲人體尺寸（女）

男、 女最大肩寬平均值分別對(duì)應(yīng)為比例為50%時(shí)的數(shù)值為：431，397 mm。

2）設(shè)置人員速度

Pathfinder 軟件默認(rèn)人員最大速度為1.19 m/s，但是實(shí)際上男、女的最大速度是有差別的，且該食堂內(nèi)的人均屬于成年人，本文將男性最高速度設(shè)置為 1.35 m/s，女性最高速度設(shè)為 1.15 m/s。

3）疏散人員數(shù)實(shí)地統(tǒng)計(jì)

為了得到更加精確合理的模擬人員數(shù)量和特征，在食堂早中晚三個(gè)就餐比較集中的時(shí)間段進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)。 根據(jù)實(shí)地觀察，發(fā)現(xiàn)早晨就餐人數(shù)雖多，但大多數(shù)會(huì)選擇外帶。 中午就餐人數(shù)最多，座位基本處于爆滿的狀態(tài)，并且還有大部分人在打飯區(qū)域，因此人員爆滿的狀態(tài)會(huì)維持很久。所以根據(jù)實(shí)際情況，模擬的人員總數(shù)設(shè)置為1000 名。 該校為理工科高校男女比例為4∶1， 因此在該模型中將男生總?cè)藬?shù)設(shè)置為800 人， 女生總?cè)藬?shù)設(shè)置為200 人。

2 疏散標(biāo)準(zhǔn)

人員安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)[13]：在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)將人員安全疏散到建筑物外部，并且期間也沒(méi)有因?yàn)槿巳簱矶露斐扇杭录陌l(fā)生。關(guān)于人員的安全疏散涉及兩個(gè)概念[14]：可用安全疏散時(shí)間tASET和必須安全疏散時(shí)間tRSET， 安全疏散判斷標(biāo)準(zhǔn)是：tASET＞tRSET。

2.1 必須安全疏散時(shí)間tRSET

必須安全疏散時(shí)間[15]是指從起火時(shí)刻算到人完全疏散出去的時(shí)間，用公式來(lái)表示：

其中，ta為探測(cè)報(bào)警時(shí)間；tp為反應(yīng)時(shí)間；tm為疏散時(shí)間。

探測(cè)報(bào)警時(shí)間指的是火災(zāi)發(fā)展到一定程度時(shí)，火災(zāi)環(huán)境中的一些因素引發(fā)了報(bào)警裝置作用，從而使人們意識(shí)到火災(zāi)來(lái)臨的這段時(shí)長(zhǎng)。 或者人根據(jù)現(xiàn)象，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、視覺(jué)等意識(shí)到火災(zāi)來(lái)臨所需要的時(shí)長(zhǎng)。由此可以看出探測(cè)報(bào)警時(shí)間是由報(bào)警裝置的靈敏程度、人的敏感度和火災(zāi)本身的發(fā)展程度而定的。 根據(jù)實(shí)際情況，本文將報(bào)警探測(cè)時(shí)間ta設(shè)為30 s。

反應(yīng)時(shí)間tp的確定比較難，因?yàn)槭苋酥黧w影響比較大， 表3 列出典型建筑物中人的反應(yīng)時(shí)間[16]。對(duì)于本文的研究對(duì)象而言，食堂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且沒(méi)有較大的遮擋物，而且就餐者多為對(duì)食堂熟悉的大學(xué)生，從接收到警報(bào)到做出反應(yīng)再到準(zhǔn)備疏散的時(shí)間很短，因此將tp設(shè)為30 s。

表3 各種典型建筑物設(shè)置的報(bào)警裝置下人的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng) 單位：s

表3 中，T1為實(shí)況的聲音轉(zhuǎn)播；T2為非直播聲音系統(tǒng)或者是視覺(jué)信號(hào)傳播；T3為警笛、 警鈴報(bào)警裝置的聲音傳播。

疏散時(shí)間tm的確定一些計(jì)算模型 （如 Fire-CAMTM、EXIT89、BFIRES 等）進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算。本文將用Pathfinder 軟件對(duì)食堂進(jìn)行仿真模擬，求得疏散時(shí)間。

2.2 可用安全疏散時(shí)間tASET

tASET是指起火時(shí)刻到火災(zāi)對(duì)人員安全構(gòu)成危險(xiǎn)極限狀態(tài)的時(shí)間[17]。 主要是由火災(zāi)發(fā)展的情況（如煙氣和高溫）、 著火建筑物所擁有的滅火裝置和建筑物自身的結(jié)構(gòu)所決定的。

查閱《建筑防火設(shè)計(jì)》得知，建筑物的用途不同，誘發(fā)火災(zāi)的原因也不一樣，對(duì)于有些較大型的公用建筑來(lái)講，里面人員較為復(fù)雜，有老人也有小孩兒，所以這種建筑的耐火等級(jí)應(yīng)該規(guī)定為一級(jí)或者二級(jí)；對(duì)于賓館，可燃物較多，人員類型復(fù)雜且旅客對(duì)建筑物不太熟悉， 所以這種建筑應(yīng)該定為一級(jí)或者二級(jí)；而對(duì)于就餐人員基本固定，且對(duì)環(huán)境又熟悉的高校食堂來(lái)講，耐火等級(jí)可定為三級(jí)[18]。 查閱《安全疏散通道的要求和設(shè)施》得知人員密集的公共建筑，一、二級(jí)耐火等級(jí)人員疏散時(shí)間不應(yīng)超過(guò)5 min，三級(jí)耐火等級(jí)的建筑物不應(yīng)超過(guò)3 min。 本文中食堂為耐火等級(jí)為三級(jí)的人員密集公共建筑，安全疏散允許時(shí)間為3 min，因此研究對(duì)象食堂的tASET定為 180 s。

3 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)該食堂現(xiàn)有的疏散條件對(duì)就餐高峰期時(shí)人員疏散進(jìn)行模擬，判斷該食堂容納人數(shù)最多時(shí)的安全疏散是否符合要求，如不符合，則通過(guò)改變出口寬度、各層人員分布以及增加戶外樓梯等方式使人員疏散時(shí)間最終達(dá)到要求。 各工況設(shè)置如表4。

表4 工況設(shè)置

根據(jù)調(diào)查食堂午餐就餐高峰期時(shí)一層與二層人數(shù)比約為1∶1，因此工況一中一、二兩層人數(shù)均設(shè)置為500 人， 出口寬度為200 cm， 兩部寬150 cm的室內(nèi)樓梯。 依據(jù)男青年肩寬為42 cm，工況二在工況一的基礎(chǔ)上將出口寬度增加50 cm， 約為一個(gè)男性青年的身位。 因?yàn)槭程靡粚幼畲笕菁{量為600人，因此工況三在工況二的基礎(chǔ)上將一、二兩層人數(shù)分配比調(diào)整為 6∶4，及一層 600 人，二層 400 人。為了緩解室內(nèi)樓梯的疏散壓力，工況四在工況三的基礎(chǔ)上在食堂二層南側(cè)增加一部寬150 cm 的室外樓梯。

3.1 工況一模擬結(jié)果及分析

圖 3（a）和圖 3（b）分別顯示了工況一，一層、二層疏散的人員路徑。

從圖 3（a）和圖 3（b）可以看出，人員在緊急疏散時(shí)優(yōu)先考慮距離自己較近的出口，食堂擺放的桌椅對(duì)疏散路線的選擇具有很大的影響，規(guī)則的擺放桌椅并且桌椅之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x有助于人員的疏散。在疏散時(shí)樓層各個(gè)出口、樓梯人員密度極大，容易發(fā)生踩踏事件。

圖3 工況一人員疏散路徑

圖4 顯示了各層人員數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線。從圖4 可以看出來(lái)， 該工況疏散耗時(shí)tm為180 s，必須安全疏散時(shí)間tRSET為240 s， 大于可用安全疏散時(shí)間（tASET=180 s）。 該工況下約有 260 人沒(méi)有完成疏散。

圖4 工況一各層人員數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

3.2 工況二模擬結(jié)果及分析

工況二將南北出口寬增加至250 cm， 疏散完畢各層人數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖5。

圖5 工況二各層人員數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

對(duì)比圖4 可以看出當(dāng)出口寬度增大至250 cm時(shí)，一層人員完成疏散總耗時(shí)由140 s 縮短至120 s，節(jié)約時(shí)間17%，顯著提高了一層的疏散效率。 但工況二疏散耗時(shí)tm為177s, 必須安全疏散時(shí)間tRSET為237 s，與工況一相比幾乎沒(méi)有變化，依然達(dá)不到安全疏散的要求。 模擬結(jié)果說(shuō)明，僅擴(kuò)大一層出口寬度雖然提高了一層人員的疏散效率但不能有效地提高建筑整體的疏散效率。

3.3 工況三模擬結(jié)果及分析

工況一、 工況二的人員在上下兩層均勻分布，工況二疏散結(jié)果表明僅改變出口寬顯著提高一層人員疏散效率， 但對(duì)整體疏散效率的提高非常有限。因此工況三將在工況二的基礎(chǔ)上對(duì)人員進(jìn)行合理分配，一層布置600 人，二層400 人。工況三各層人數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖如圖6。

圖6 工況三各層人員數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

該工況疏散總耗時(shí)為148 s，相比工況一、工況二，總耗時(shí)約減少了30 s?？偸枭⑿侍岣?2%。因?yàn)橐粚尤藬?shù)的增加該工況，一層人員疏散耗時(shí)約為140 s 與工況一第一層耗時(shí)大致相同。 該工況疏散耗時(shí)tm為148 s， 必須安全疏散時(shí)間tRSET為208 s，略大于可用安全疏散時(shí)間（tASET=180 s）。 該工況下約有90 人沒(méi)有完成疏散。

3.4 工況四模擬結(jié)果及分析

工況四在二樓南側(cè)增加一部寬為150 cm 的外部樓梯。 工況四各層人數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖如圖7 所示。

圖7 工況四各層人員數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

從圖7 可以看出增加一部戶外樓梯一、二層的疏散效率都明顯提高了。該工況一層未疏散人數(shù)與二層未疏散人數(shù)曲線出現(xiàn)了交叉，因?yàn)槎哟罅康娜藛T通過(guò)室外樓梯直接疏散到地面未經(jīng)過(guò)一層，緩解了一層疏散時(shí)擁堵的情況，加速了一層人員的疏散。而二層人員通過(guò)樓梯疏散時(shí)的速度慢于一層人員直接通過(guò)出口疏散至安全區(qū)域， 因此在40 s 時(shí)兩層未疏散人數(shù)相等圖線相交。與工況三相比該工況一層人員的疏散速度有明顯提高。該工況總耗時(shí)106 s，必須安全疏散時(shí)間 tRSET為 166 s，小于可用安全疏散時(shí)間（tASET=180 s）。 該工況下所有人員均完成疏散。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)Pathfinder 模擬某高校二層食堂突發(fā)緊急情況時(shí)憑借現(xiàn)有的疏散條件無(wú)法達(dá)到安全疏散的要求。 通過(guò)改變一層出口寬度、在總?cè)藬?shù)不變的條件下調(diào)整兩層就餐人數(shù)比例、增加室外樓梯進(jìn)一步探究是否滿足安全疏散條件。由不同工況對(duì)比分析得出對(duì)于該食堂僅改變出口的寬度對(duì)建筑物整體的疏散效率的提高有限。在總疏散人數(shù)不變的條件下，調(diào)整人員分配結(jié)構(gòu)使得二層人數(shù)小于一層人數(shù)能有效地縮短總疏散耗時(shí)。通過(guò)室外樓梯直接將二層人員直接疏散至地面能極大提高建筑的疏散效率。

在食堂等大空間、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、人員密度大的建筑設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置多部室外樓梯使二層人員可以直接疏散至地面提高其疏散效率。