基于Pathfinder的高校學(xué)生宿舍人員疏散研究

■ 孫文瀟 劉敦宇 中國(guó)人民警察大學(xué)

隨著我國(guó)當(dāng)代教育事業(yè)的快速發(fā)展，高校的消防安全越來越受到人們的關(guān)注和重視。校園人員密集，尤其是學(xué)生宿舍，因房間布局緊湊、人群密度大、存放物品種類多、空間相對(duì)狹小，使得樓內(nèi)人員安全疏散較為困難。為了減少火災(zāi)事故對(duì)校內(nèi)人員的傷害，除了需要進(jìn)行日常的消防監(jiān)督檢查，還需要提高緊急疏散效率，因此，開展高校學(xué)生宿舍人員安全疏散的研究是很有必要的，這對(duì)新形勢(shì)下如何做好高校學(xué)生宿舍消防安全工作具有重要意義。

針對(duì)高校學(xué)生公寓人員安全疏散研究，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們進(jìn)行了大量的工作。對(duì)于安全疏散模型的建立，Nuria Pelechanon 等人[1]論證了將人類心理和生理因素納入模型的重要性。陳寶智等人[2]提出了一種基于有毒氣體泄漏事故后果預(yù)測(cè)人員疏散最佳路徑選擇算法及遺傳算法。對(duì)于數(shù)值模擬應(yīng)用于人員疏散研究，謝明峰等人[3]分析了人員疏散過程中存在的擁堵問題，改進(jìn)了安全出口的開放狀態(tài)、數(shù)量、寬度以及疏散路線四個(gè)方面。鄒馨捷等人[4]分析說明了高校學(xué)生公寓在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，著火房間窗戶是否敞開以及自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)裝置是否有效這兩種情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員安全疏散時(shí)間的影響。湛蓮香等人[5]研究了學(xué)生宿舍不同樓層著火對(duì)學(xué)生疏散的影響，并對(duì)最不利的樓層場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化處理，使其滿足安全疏散要求。張培紅等人[6]通過考慮受限空間內(nèi)疏散性狀存在的多態(tài)現(xiàn)象以及排隊(duì)現(xiàn)象，對(duì)疏散出口群集疏散的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)和綜合評(píng)價(jià)。

文章利用Pathfinder，選取某高校一棟6 層學(xué)生宿舍樓為研究對(duì)象，通過構(gòu)建疏散仿真場(chǎng)景來進(jìn)行應(yīng)急疏散模擬。在文章中，依據(jù)宿舍樓內(nèi)所居住學(xué)生的客觀條件設(shè)置了相對(duì)應(yīng)的疏散人數(shù)、性別比例、身高范圍、肩寬、行走速度等參數(shù)，通過對(duì)比幾種場(chǎng)景下的疏散時(shí)間，分析疏散路徑、疏散人員分布、出口寬度和樓梯寬度等各相關(guān)因素對(duì)人員安全疏散時(shí)間的影響，以期為高校學(xué)生宿舍建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的確定以及應(yīng)急疏散方案的擬定提供參考。

一、宿舍建筑模型的建立

（一）建筑物概況

該高校的學(xué)生宿舍樓共有六層，一樓有55 個(gè)房間，二至六樓均有61 個(gè)房間，整棟宿舍樓共有360 個(gè)房間。每個(gè)房間尺寸相同，均為8m×4m，房間門寬1m，每層樓高3m。共建有東、西、中3 部疏散樓梯供人員疏散撤離，樓梯寬度為1.66m。半層建有休息平臺(tái)，其尺寸為4m×1.5m。建有東、西、中3 個(gè)安全出口，出口寬度為4m。疏散走道無障礙物。

（二）疏散模擬參數(shù)的設(shè)定

1.疏散人數(shù)

該宿舍樓的一至五樓每間房間可住6 人，均住男生。六樓每間房間可住3 人，均住女生。按最大居住人數(shù)1977 人設(shè)定。

2.性別比例

最大居住人數(shù)中，1794 人為男生，183 人為女生，男女比例為9.8∶1。宿舍樓內(nèi)均為青年人，無需考慮老人和小孩的影響。男生采用Bman0103 Model，肩寬設(shè)置為45cm。女生采用Cwom0103 Model，肩寬設(shè)置為40cm。根據(jù)該宿舍樓的實(shí)際人員情況，將男生身高設(shè)置在170 ～185cm 之間，女生身高設(shè)置在163 ～175cm之間。

3.行走速度

該宿舍樓內(nèi)人員對(duì)宿舍樓的結(jié)構(gòu)熟悉，且均具備正常的行動(dòng)能力。考慮到男生女生之間存在的客觀差異，將男生、女生的行走速度分布設(shè)定為1.3m/s、1.1m/s。

（三）建立Pathfinder 疏散模型

根據(jù)該宿舍樓的實(shí)際情況，利用Pathfinder 建立仿真模型，如圖1所示。

二、疏散模擬場(chǎng)景設(shè)置

針對(duì)該宿舍樓的實(shí)際情況，分別設(shè)置了5 種疏散場(chǎng)景，討論了疏散路徑、疏散人員分布、安全出口寬度和樓梯寬度這四個(gè)因素對(duì)安全疏散時(shí)間的影響。具體場(chǎng)景設(shè)置如下：

場(chǎng)景一：基礎(chǔ)工況

模擬正常情況下該高校學(xué)生宿舍樓內(nèi)所有人員（1977 人）從三個(gè)安全出口疏散的過程。

場(chǎng)景二：規(guī)劃疏散路徑

由于該宿舍樓的樓道較長(zhǎng)，共設(shè)有3 部疏散樓梯。通過設(shè)置人員就近選擇疏散樓梯且合理分配每部樓梯通過的人數(shù)，對(duì)疏散路徑進(jìn)行合理規(guī)劃：將一樓西側(cè)的19 間宿舍和二至六樓西側(cè)的21 間宿舍從西出口進(jìn)行疏散；一樓東側(cè)的17 間宿舍和二至六樓東側(cè)的20 間宿舍從東出口進(jìn)行疏散；一樓中間的18 間宿舍和二至六樓中間的20 間宿舍從中間的安全出口進(jìn)行疏散。

場(chǎng)景三：疏散人員分布的影響

根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，該學(xué)生宿舍樓所住人員涉及各個(gè)年級(jí)。經(jīng)調(diào)查，畢業(yè)生所住樓層在四樓和五樓。當(dāng)畢業(yè)季到來時(shí)學(xué)生離校后，將該學(xué)生宿舍樓的四樓、五樓空出。因此，對(duì)一至四樓的1062 位男生和六樓的183 位女生共1245 人進(jìn)行安全疏散數(shù)值模擬。

場(chǎng)景四：出口寬度的影響

將三個(gè)安全出口的寬度均由4m 增加至6m。

場(chǎng)景五：樓梯寬度的影響

各安全出口寬度保持不變，將樓梯寬度由1.66m 加寬至1.8m，休息平臺(tái)尺寸不做調(diào)整。

三、分析

（一）學(xué)生宿舍疏散時(shí)間和安全疏散評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，人員是否能夠安全疏散由兩個(gè)時(shí)間參數(shù)所決定，即人員必須安全疏散時(shí)間（Required Safety Egress Time,RSET）和人員可用安全疏散時(shí)間（Available Safety Egress Time,ASET）。將ASET ＞RSET 作為人員安全疏散的判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，意味著建筑物內(nèi)的所有人員能夠完成安全疏散；反之，則不能完全疏散到安全地帶，也就說明了建筑物的疏散設(shè)計(jì)未達(dá)到安全設(shè)計(jì)的要求[7]。

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018版）相關(guān)規(guī)定[8]，學(xué)生宿舍人員可用安全疏散時(shí)間為5 ～7min。

（二）各場(chǎng)景安全疏散時(shí)間

通過Pathfinder 進(jìn)行模擬計(jì)算后，五種場(chǎng)景下學(xué)生的安全疏散時(shí)間及安全性判定如表1所示，疏散過程中人員數(shù)量變化如圖2所示。

通過分析表1可知，場(chǎng)景一的安全疏散所用時(shí)間最長(zhǎng)，在此場(chǎng)景中，人員從兩側(cè)安全出口疏散完畢的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于完全疏散時(shí)間。因此，需要我們對(duì)疏散路徑進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)定，使得3 個(gè)安全出口之間存在的疏散時(shí)間差減少，以提高疏散效率，從而減少總疏散時(shí)間，從而有了場(chǎng)景二的設(shè)置。場(chǎng)景二與場(chǎng)景一相比，安全疏散時(shí)間減少了34.5s，且安全性評(píng)價(jià)由不安全轉(zhuǎn)為安全?？梢姡侠淼匾?guī)劃疏散路徑可以減少安全疏散時(shí)間，進(jìn)而提高疏散安全性。

場(chǎng)景三針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了疏散模擬，由于人員數(shù)量的減少，疏散時(shí)間大大減少。通過表1可知，當(dāng)人數(shù)減少732 人，人員疏散時(shí)間減少了187.5s。據(jù)此，當(dāng)高校對(duì)學(xué)生宿舍樓安排入住時(shí)，不能只考慮如何實(shí)現(xiàn)宿舍內(nèi)空間利用率的最大化，還應(yīng)考慮發(fā)生緊急情況時(shí)，能否對(duì)宿舍樓內(nèi)人員進(jìn)行安全疏散，保證學(xué)生的人身財(cái)產(chǎn)安全。

將場(chǎng)景四和場(chǎng)景五進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)安全出口寬度由4m 增加到6m 時(shí)，疏散時(shí)間減少了21s。當(dāng)疏散樓梯寬度由1.66m 增加到1.80m 時(shí)，疏散時(shí)間減少了51s。即在三個(gè)安全出口寬度均增加50% 的情況下與3 部疏散樓梯寬度均增加8.43% 的情況相比，疏散時(shí)間的減少效果相對(duì)較差。換言之，增加樓梯寬度相比于增加出口寬度，對(duì)疏散時(shí)間的減少量更大。分析其原因，同時(shí)增加疏散樓梯的寬度可以將人員平均分布于東、西、中3 部疏散樓梯進(jìn)行疏散撤離。因此，增加樓梯寬度與增加出口寬度相比對(duì)人員疏散時(shí)間的減少效果更為顯著。

（三）人員密度

為了分析疏散過程中的擁堵點(diǎn)，文章給出了密度云圖，如圖3、圖4、圖5所示。通過對(duì)比五層至六層之間3 部疏散樓梯的人員密度，發(fā)現(xiàn)在沒有規(guī)劃疏散路線時(shí)，3 部疏散樓梯在五至六層之間發(fā)生堵塞的時(shí)間大致相同，約為38s，但中間的疏散樓梯在五至六層之間堵塞的時(shí)間最長(zhǎng)，直到300s 才暢通，而五至六層兩側(cè)的疏散樓梯在229s 左右就結(jié)束堵塞了。

在規(guī)劃疏散路線后（場(chǎng)景二），堵塞情況得到了明顯的改善。如圖6所示，在246s 時(shí)，東、西、中三部疏散樓梯幾乎都結(jié)束了堵塞。

由此可見，通過規(guī)劃疏散路線不僅縮短了樓層與樓層之間的人員堵塞時(shí)間，還使得三條路徑的疏散近乎同時(shí)進(jìn)行，三部樓梯達(dá)到了相同的疏散能力，從而縮短了疏散時(shí)間。

四、結(jié)語

綜上所述，減少宿舍人數(shù)、合理規(guī)劃疏散路徑、增大安全出口寬度、增大疏散樓梯寬度都可以縮短疏散時(shí)間。當(dāng)建筑物內(nèi)所有的疏散樓梯達(dá)到相同的疏散能力時(shí)，總疏散時(shí)間最短。針對(duì)高校學(xué)生宿舍樓的人員疏散問題，為縮短疏散時(shí)間，可從以下3 個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）高校應(yīng)建立健全應(yīng)急預(yù)案，定期開展應(yīng)急疏散演練，提高宿舍樓內(nèi)學(xué)生的疏散效率；（2）在安排學(xué)生入住時(shí)，應(yīng)盡量控制學(xué)生宿舍樓內(nèi)的人員密度，除了要保證消防安全設(shè)施的有效性，還需要考慮一旦發(fā)生緊急情況，學(xué)生宿舍樓內(nèi)人員的安全疏散問題；（3）當(dāng)對(duì)高校學(xué)生宿舍建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足相關(guān)法律法規(guī)的基礎(chǔ)上，可以考慮適當(dāng)增加樓梯寬度，以減少疏散時(shí)間。