地鐵站火災(zāi)人員疏散時(shí)間評(píng)估方法探討*

劉晨赟 韓雪峰 蔣軍成

(南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省城市與工業(yè)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210009，南京//第一作者，碩士研究生)

地鐵站廳結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境密閉、人員密度大，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散難度很大。其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［1］:①客流量大;②逃生條件差，逃生方式單一;③允許逃生的時(shí)間短;④火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣具有毒性、高溫性、遮光性［2］，燃燒過(guò)程消耗大量氧氣。研究火災(zāi)發(fā)生時(shí)地鐵車站人員的安全疏散，有利于性能化防火防煙設(shè)計(jì)及制定更加安全有效的應(yīng)急預(yù)案，指導(dǎo)和改進(jìn)安全疏散管理體制及內(nèi)容，從而降低疏散時(shí)所受到的危害，避免發(fā)生群死群傷的事故。

筆者通過(guò)對(duì)地鐵站人員疏散的研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》雖然給出了人員疏散時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，但其存在一定的局限性。考慮到公式計(jì)算的簡(jiǎn)便快捷等特點(diǎn)，筆者對(duì)地鐵站人員疏散時(shí)間計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化，并運(yùn)用Pathfinder 疏散模擬軟件對(duì)該公式的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 安全疏散時(shí)間評(píng)估方法

通常，地鐵中的人員安全疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式量化計(jì)算獲取，也可通過(guò)一些專業(yè)軟件模擬計(jì)算得到。

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)站列車所載乘客、站臺(tái)候車人員及工作人員全部撤離到安全區(qū)域所用時(shí)間不得超過(guò)6 min，對(duì)于提升高度不超過(guò)三層的車站，人員從站臺(tái)層疏散至安全區(qū)域的疏散時(shí)間按下式計(jì)算［4］:

式中:

Q1——列車乘客數(shù)，人;

Q2——站臺(tái)上候車乘客和站臺(tái)上工作人員數(shù)之和，人;

A1——自動(dòng)扶梯通過(guò)能力，人/(min·m);

A2——人行樓梯上行通過(guò)能力，人/(min·m);

N——自動(dòng)扶梯臺(tái)數(shù)，臺(tái);

B——人行樓梯總寬度，m。

1.2 Pathfinder 模擬計(jì)算

Pathfinder 是由美國(guó) Thunderhead Engineering 公司開發(fā)的一套簡(jiǎn)單、直觀的新型智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，從而準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)的最佳逃生路徑和逃生時(shí)間。Pathfinder 軟件包括Steering 人員運(yùn)動(dòng)模式和SFPE 人員運(yùn)動(dòng)模式［5］。

(1)Steering 模式。Steering 模式是利用路徑規(guī)劃、碰撞控制和轉(zhuǎn)向機(jī)制相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)的行為模式。當(dāng)人員與最近出口的距離超過(guò)某一閾值，則會(huì)生成新的路徑，以此來(lái)調(diào)節(jié)人員的運(yùn)動(dòng)。在Steering 人員運(yùn)動(dòng)模式中，人員會(huì)根據(jù)環(huán)境的改變隨時(shí)調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)人員的行走類型判斷最近路線。當(dāng)人員與其他人發(fā)生碰撞或躲避障礙物而使路線發(fā)生偏離時(shí)，會(huì)重新生成路徑。

(2)SFPE 模式。SFPE 模式是以出口人員流量控制為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)模式，它利用空間密度確定人員的運(yùn)動(dòng)速度。在Pathfinder 中，Room 被定義為某個(gè)開放、空曠的場(chǎng)地，疏散人員可在其中自由行走;樓梯則被設(shè)定成帶有斜率的特定的Room，這種房間限制了人員行走的速度;門是連接房間和樓梯的載體，同時(shí)限制了人員的流量。在人員擁擠的情況下，為避免碰撞，模擬疏散過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象。

2 兩種計(jì)算方法的比較

2.1 安全疏散時(shí)間定義對(duì)比

由式(1)計(jì)算得到的安全疏散時(shí)間t 為乘客從站臺(tái)層疏散至安全區(qū)域的時(shí)間。在Pathfinder 中，通常設(shè)置多個(gè)與外界連通的Door，將其定義為EXIT，人員安全疏散時(shí)間的判定為地鐵系統(tǒng)中所有乘客通過(guò)樓梯、房間等最終從EXIT 離開的時(shí)間。

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)比較

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法存在以下局限性:

(1)Q1的確定建立在1 列列車到站的情況，忽略了2 列列車同時(shí)到站的情況。文獻(xiàn)［6-7］對(duì)地鐵站高峰時(shí)間的疏散進(jìn)行了分析，指出高峰時(shí)期應(yīng)為2 列列車同時(shí)進(jìn)站的情況。實(shí)際計(jì)算中，應(yīng)考慮最不利狀況，即2 列列車同時(shí)進(jìn)站的情景。

(2)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的疏散安全判別標(biāo)準(zhǔn)為人員撤離至安全區(qū)域的時(shí)間，但其對(duì)于安全區(qū)域并沒(méi)有明確的規(guī)定。由于地鐵站的結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性以及火災(zāi)的不確定性，安全區(qū)域的選擇也應(yīng)根據(jù)實(shí)際火災(zāi)情況確定。例如，當(dāng)站廳層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員疏散至地面才能認(rèn)定為疏散至安全區(qū)域［8］。

(3)式(1)中，火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員響應(yīng)時(shí)間的總和為1 min，而實(shí)際上火災(zāi)報(bào)警時(shí)間由報(bào)警溫度及火災(zāi)燃燒情況決定，人員響應(yīng)時(shí)間由人員的性別、年齡等因素決定。建議該時(shí)間通過(guò)軟件模擬或火災(zāi)演習(xí)來(lái)確定。

(4)文獻(xiàn)［9］指出了公式中折減系數(shù)(0.9)偏大的問(wèn)題。文獻(xiàn)［10］對(duì)式(1)中自動(dòng)扶梯通行能力的合理性提出了質(zhì)疑。火災(zāi)狀態(tài)下，由于自動(dòng)扶梯的寬度相對(duì)較小，容易造成人員大量擁堵，且自動(dòng)扶梯在火災(zāi)條件下很可能停運(yùn)，因此式(1)中與自動(dòng)扶梯相關(guān)部分的取值值得商榷。

模擬軟件計(jì)算法具有計(jì)算精確、更符合實(shí)際情況、能分析各時(shí)刻疏散情況等優(yōu)點(diǎn)，但也存在對(duì)計(jì)算機(jī)的CPU 要求較高、對(duì)不同的燃燒物質(zhì)和疏散方式需要建立不同的模型、計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)、部分疏散方式(如自動(dòng)扶梯)的相關(guān)參數(shù)無(wú)法確定等缺點(diǎn)。

在日常的地鐵站人員疏散問(wèn)題研究過(guò)程中，為了快捷估算地鐵站發(fā)生火災(zāi)后乘客的疏散時(shí)間，通常使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法。然而，式(1)存在上述局限性，因此，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化有著重要的意義。

3 經(jīng)驗(yàn)公式的優(yōu)化

針對(duì)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》疏散時(shí)間計(jì)算公式存在的問(wèn)題，考慮火災(zāi)時(shí)自動(dòng)扶梯停運(yùn)的情況，對(duì)人員從地鐵站內(nèi)疏散至地面的疏散時(shí)間計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化:將人員所需疏散時(shí)間分為火災(zāi)報(bào)警時(shí)間、人員響應(yīng)時(shí)間、站臺(tái)層人員疏散至站廳層的時(shí)間，以及站臺(tái)層人員疏散至站廳層后，站廳層剩余未疏散人員疏散至地面的時(shí)間;考慮到火災(zāi)時(shí)列車車門口、疏散樓梯、檢票口滯留時(shí)間，引入折減系數(shù)。根據(jù)多次模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，站臺(tái)層人員疏散至站廳層后，站廳層總?cè)藬?shù)和站臺(tái)層的疏散寬度成正比，和站廳層的疏散寬度成反比，因此建立如下經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:

tb——火災(zāi)報(bào)警時(shí)間，可由實(shí)際火災(zāi)演練或模擬軟件模擬獲得;

tc——人員響應(yīng)時(shí)間(可由實(shí)際火災(zāi)演練或模擬軟件模擬獲得);

Q'1——發(fā)生火災(zāi)時(shí)站廳層人數(shù);

Q'2——火災(zāi)時(shí)站臺(tái)層候車人數(shù)與進(jìn)站列車所載人數(shù)之和;

B1——站廳層至地面的可用疏散樓梯總寬度;

B2——站臺(tái)層至站廳層可用疏散樓梯總寬度;

λ——樓梯通行能力的折減系數(shù);

α——人員的折減系數(shù);

A——人行樓梯通過(guò)能力。

4 實(shí)例計(jì)算與分析

4.1 疏散實(shí)例場(chǎng)景

以南京地鐵1號(hào)線某地鐵站為研究對(duì)象。該地鐵站為地下二層島式車站，總長(zhǎng)度234.9 m，主體寬度22.4 m。站臺(tái)和站廳長(zhǎng)141 m，寬12 m，高3.5 m。站廳層位于地下一層，共有3 個(gè)人行出入口與外界相連。每個(gè)出入口寬4 m。站廳層與站臺(tái)層之間通過(guò)2 個(gè)寬4 m、1 個(gè)寬3 m 的樓梯及1 個(gè)寬1m的自動(dòng)扶梯輸送旅客。樓梯水平長(zhǎng)度為7.2 m。地鐵站平面示意圖如圖1所示。列車采用A 型車6 節(jié)編組。車輛有效長(zhǎng)度為22.1m，寬3 m，左右兩側(cè)各有5 個(gè)門，最大載客量為310 人。

圖1 地鐵站平面示意圖

4.2 疏散參量的設(shè)定

(1)列車乘客數(shù):站臺(tái)考慮2 列車同時(shí)進(jìn)站的情況，Q'1=310 人 ×6 ×2 =3 720 人。

(2)1號(hào)線高峰時(shí)刻最大客流斷面為30 878 人次/h，平均等待時(shí)間為3 min，站臺(tái)最大人數(shù)為Q'2=30 878 人 ×3 ÷60 =1 544 人，其中工作人員 20人。工作人員能在發(fā)生火災(zāi)后起到引導(dǎo)疏散的作用。

(3)人員的組成、分類及對(duì)應(yīng)的步行速度見表1。

表1 人員的組成、分類及對(duì)應(yīng)的步行速度表

(4)自動(dòng)扶梯通過(guò)能力:《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》給定了部分最大客流通過(guò)能力，查閱可知，輸送速度為0.65 m/s 的1 m 寬扶梯，每小時(shí)的最大通過(guò)人數(shù)為8 190 人，則通過(guò)能力為137 人次/(min·m)。

(5)人行樓梯通過(guò)能力:1 m 寬的上行樓梯每小時(shí)最大的通過(guò)人數(shù)為3700 人，則通過(guò)能力為62人次/(min·m)。

(6)該地鐵站中自動(dòng)扶梯臺(tái)數(shù)N=1，人行樓梯總寬度B=4 m×5 +3 m×1 =23 m。

4.3 經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果

將上述參數(shù)代入式(1)得:

此計(jì)算結(jié)果滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于6 min內(nèi)將列車內(nèi)乘客、工作人員和候車乘客疏散至安全區(qū)域的相關(guān)規(guī)定。

4.4 Pathfinder模式選擇與模擬結(jié)果分析

根據(jù)南京地鐵火災(zāi)模擬演習(xí)結(jié)果［11］，取tb=30 s，tc=20 s，人員疏散時(shí)間 ts由 Pathfinder 的 Steering模式和SFPE 模式模擬所得。

4.4.1 Steering 模式

Steering 模式模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 Steering 模式模擬結(jié)果圖

由模擬結(jié)果得出ts=270.8 s。對(duì)疏散樓梯進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，站臺(tái)層的疏散樓梯在 191 s 通過(guò)了1 441 人，即通過(guò)能力為 113 人/(min·m)，大大超出了規(guī)范中給出的上行樓梯最大通行能力。因此，Steering 模式的模擬結(jié)果不滿足規(guī)范要求，本文不采用Steering 模式進(jìn)行模擬分析。

圖3 Steering 模式樓梯流量圖

4.4.2 SFPE 模式

SFPE 模式模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 SFPE 模式模擬結(jié)果圖

由模擬結(jié)果可知ts=486.0 s。對(duì)地鐵站的樓梯進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，站臺(tái)層1號(hào)樓梯的單位時(shí)間通過(guò)量最大，該樓梯在376s通過(guò)了1542人，在模擬中該樓梯的實(shí)際通行量為61.5 人/(min·m)，符合規(guī)范中不大于62 人/(min·m)的要求。因此SFPE 模式的模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況。

圖5 SFPE 模式樓梯流量圖

圖6 為SFPE 模式下各Room 的人數(shù)圖。可以看出:站臺(tái)層所有人員疏散完畢所用時(shí)間為324.0 s，疏散至地面的時(shí)間為486.0 s。則該模式下乘客撤離站臺(tái)層的時(shí)間為324.0 s+20 s+30 s=374 s=6.23 min，疏散至地面的時(shí)間為486.0 s+20 s+30 s=536 s=8.93 min，均不滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中6 min 之內(nèi)疏散至安全區(qū)域的要求，且與式(1)的計(jì)算結(jié)果有較大的差距。

圖6 SFPE 模式下各Room 的人數(shù)

4.5 疏散場(chǎng)景設(shè)置及優(yōu)化公式的驗(yàn)證

4.5.1 人員疏散場(chǎng)景設(shè)置

為了確定折減系數(shù)，并對(duì)優(yōu)化公式進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)置了5 個(gè)疏散場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景中只改變站臺(tái)層至站廳層以及站廳層至地面的樓梯寬度及個(gè)數(shù)，其他參數(shù)保持不變。5 個(gè)場(chǎng)景分別為:

(1)場(chǎng)景1:站臺(tái)層3 個(gè)5 m 寬的樓梯，站廳層3 個(gè) 5 m 寬的樓梯;

(2)場(chǎng)景2:站臺(tái)層5 個(gè)4 m 寬的樓梯，站廳層3 個(gè)4 m 寬的樓梯;

(3)場(chǎng)景3:站臺(tái)層4 個(gè)4 m 寬的樓梯，站廳層3 個(gè)4 m 寬的樓梯;

(4)場(chǎng)景4:站臺(tái)層3 個(gè)4 m 寬的樓梯，站廳層4 個(gè)4 m 寬的樓梯;

(5)場(chǎng)景5:站臺(tái)層3 個(gè)4 m 寬的樓梯，站廳層3 個(gè)4 m 寬的樓梯。

4.5.2 折減系數(shù)確定及驗(yàn)證

報(bào)警時(shí)間和人員響應(yīng)時(shí)間設(shè)為50 s。人員組成及速度設(shè)置見表1。疏散場(chǎng)景的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。優(yōu)化公式計(jì)算與模擬結(jié)果見表3。將上述5 個(gè)優(yōu)化公式兩兩組成方程組，對(duì)α 取平均值，并利用最小二乘法對(duì) λ 進(jìn)行回歸擬合得 α =0.2，λ =0.82。此時(shí)計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果最接近。將其代入表3 各式，可得出各場(chǎng)景的優(yōu)化公式計(jì)算值。該計(jì)算值與式(1)計(jì)算值及模擬結(jié)果的比較見表4。

表2 各疏散場(chǎng)景參數(shù)表

表3 各疏散場(chǎng)景疏散時(shí)間模擬與優(yōu)化公式計(jì)算結(jié)果表

表4 各疏散場(chǎng)景疏散時(shí)間模擬與計(jì)算結(jié)果表

由表4 可知，應(yīng)用式(1)計(jì)算所得結(jié)果與軟件模擬的結(jié)果相差較大，誤差在50%左右;而應(yīng)用式(2)計(jì)算所得結(jié)果與模擬結(jié)果較接近，誤差在10%以內(nèi)。因此，對(duì)于上述場(chǎng)景，優(yōu)化公式計(jì)算的結(jié)果與模擬結(jié)果更為接近，較經(jīng)驗(yàn)公式更符合實(shí)際情況。

5 結(jié)論

對(duì)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式計(jì)算結(jié)果、優(yōu)化公式計(jì)算結(jié)果和軟件模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析得出:

(1)規(guī)范中疏散時(shí)間的計(jì)算方法存在疏散人數(shù)、火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員響應(yīng)時(shí)間確定不合理，疏散安全判定標(biāo)準(zhǔn)不明確，自動(dòng)扶梯通行能力設(shè)定不合理等問(wèn)題，不能完全適應(yīng)地鐵火災(zāi)時(shí)人員疏散的實(shí)際情況。

(2)相對(duì)于原公式，優(yōu)化公式的計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果更為接近，誤差更小，更符合實(shí)際情況。

(3)優(yōu)化后的計(jì)算公式相對(duì)于軟件模擬具有直觀、使用簡(jiǎn)單、容易掌握、更加便捷的特點(diǎn)，更適合地鐵公司及政府相關(guān)部門。其對(duì)人員疏散安全進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)估，制定應(yīng)急疏散機(jī)制以保證緊急情況下人員的安全疏散、避免群死群傷事故的發(fā)生，維護(hù)公共安全和社會(huì)穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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