地鐵站火災人員疏散時間評估方法探討*

劉晨赟 韓雪峰 蔣軍成

(南京工業大學安全科學與工程學院，江蘇省城市與工業安全重點實驗室，210009，南京//第一作者，碩士研究生)

地鐵站廳結構復雜、環境密閉、人員密度大，一旦發生火災，人員疏散難度很大。其主要體現在以下幾個方面［1］:①客流量大;②逃生條件差，逃生方式單一;③允許逃生的時間短;④火災產生的煙氣具有毒性、高溫性、遮光性［2］，燃燒過程消耗大量氧氣。研究火災發生時地鐵車站人員的安全疏散，有利于性能化防火防煙設計及制定更加安全有效的應急預案，指導和改進安全疏散管理體制及內容，從而降低疏散時所受到的危害，避免發生群死群傷的事故。

筆者通過對地鐵站人員疏散的研究發現，我國《地鐵設計規范》雖然給出了人員疏散時間的經驗計算公式，但其存在一定的局限性。考慮到公式計算的簡便快捷等特點，筆者對地鐵站人員疏散時間計算公式進行了優化，并運用Pathfinder 疏散模擬軟件對該公式的計算結果準確性進行了驗證。

1 安全疏散時間評估方法

通常，地鐵中的人員安全疏散運動時間可通過經驗公式量化計算獲取，也可通過一些專業軟件模擬計算得到。

1.1 經驗公式計算

我國《地鐵設計規范》規定，發生火災時進站列車所載乘客、站臺候車人員及工作人員全部撤離到安全區域所用時間不得超過6 min，對于提升高度不超過三層的車站，人員從站臺層疏散至安全區域的疏散時間按下式計算［4］:

式中:

Q1——列車乘客數，人;

Q2——站臺上候車乘客和站臺上工作人員數之和，人;

A1——自動扶梯通過能力，人/(min·m);

A2——人行樓梯上行通過能力，人/(min·m);

N——自動扶梯臺數，臺;

B——人行樓梯總寬度，m。

1.2 Pathfinder 模擬計算

Pathfinder 是由美國 Thunderhead Engineering 公司開發的一套簡單、直觀的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統。它利用計算機圖形仿真和游戲角色領域的技術，對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練，從而準確確定每個個體在災難發生時的最佳逃生路徑和逃生時間。Pathfinder 軟件包括Steering 人員運動模式和SFPE 人員運動模式［5］。

(1)Steering 模式。Steering 模式是利用路徑規劃、碰撞控制和轉向機制相結合控制人員運動的行為模式。當人員與最近出口的距離超過某一閾值，則會生成新的路徑，以此來調節人員的運動。在Steering 人員運動模式中，人員會根據環境的改變隨時調整自身的運動，計算機會根據人員的行走類型判斷最近路線。當人員與其他人發生碰撞或躲避障礙物而使路線發生偏離時，會重新生成路徑。

(2)SFPE 模式。SFPE 模式是以出口人員流量控制為基礎的運動模式，它利用空間密度確定人員的運動速度。在Pathfinder 中，Room 被定義為某個開放、空曠的場地，疏散人員可在其中自由行走;樓梯則被設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，模擬疏散過程中會出現排隊現象。

2 兩種計算方法的比較

2.1 安全疏散時間定義對比

由式(1)計算得到的安全疏散時間t 為乘客從站臺層疏散至安全區域的時間。在Pathfinder 中，通常設置多個與外界連通的Door，將其定義為EXIT，人員安全疏散時間的判定為地鐵系統中所有乘客通過樓梯、房間等最終從EXIT 離開的時間。

2.2 優缺點比較

經驗公式計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 列列車同時到站的情況。文獻［6-7］對地鐵站高峰時間的疏散進行了分析，指出高峰時期應為2 列列車同時進站的情況。實際計算中，應考慮最不利狀況，即2 列列車同時進站的情景。

(2)《地鐵設計規范》規定的疏散安全判別標準為人員撤離至安全區域的時間，但其對于安全區域并沒有明確的規定。由于地鐵站的結構和功能的復雜性以及火災的不確定性，安全區域的選擇也應根據實際火災情況確定。例如，當站廳層發生火災時，人員疏散至地面才能認定為疏散至安全區域［8］。

(3)式(1)中，火災報警時間和人員響應時間的總和為1 min，而實際上火災報警時間由報警溫度及火災燃燒情況決定，人員響應時間由人員的性別、年齡等因素決定。建議該時間通過軟件模擬或火災演習來確定。

(4)文獻［9］指出了公式中折減系數(0.9)偏大的問題。文獻［10］對式(1)中自動扶梯通行能力的合理性提出了質疑。火災狀態下，由于自動扶梯的寬度相對較小，容易造成人員大量擁堵，且自動扶梯在火災條件下很可能停運，因此式(1)中與自動扶梯相關部分的取值值得商榷。

模擬軟件計算法具有計算精確、更符合實際情況、能分析各時刻疏散情況等優點，但也存在對計算機的CPU 要求較高、對不同的燃燒物質和疏散方式需要建立不同的模型、計算時間較長、部分疏散方式(如自動扶梯)的相關參數無法確定等缺點。

在日常的地鐵站人員疏散問題研究過程中，為了快捷估算地鐵站發生火災后乘客的疏散時間，通常使用經驗公式計算法。然而，式(1)存在上述局限性，因此，對其進行優化有著重要的意義。

3 經驗公式的優化

針對《地鐵設計規范》疏散時間計算公式存在的問題，考慮火災時自動扶梯停運的情況，對人員從地鐵站內疏散至地面的疏散時間計算公式進行了優化:將人員所需疏散時間分為火災報警時間、人員響應時間、站臺層人員疏散至站廳層的時間，以及站臺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間;考慮到火災時列車車門口、疏散樓梯、檢票口滯留時間，引入折減系數。根據多次模擬結果發現，站臺層人員疏散至站廳層后，站廳層總人數和站臺層的疏散寬度成正比，和站廳層的疏散寬度成反比，因此建立如下經驗公式:

式中:

tb——火災報警時間，可由實際火災演練或模擬軟件模擬獲得;

tc——人員響應時間(可由實際火災演練或模擬軟件模擬獲得);

Q'1——發生火災時站廳層人數;

Q'2——火災時站臺層候車人數與進站列車所載人數之和;

B1——站廳層至地面的可用疏散樓梯總寬度;

B2——站臺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;

α——人員的折減系數;

A——人行樓梯通過能力。

4 實例計算與分析

4.1 疏散實例場景

以南京地鐵1號線某地鐵站為研究對象。該地鐵站為地下二層島式車站，總長度234.9 m，主體寬度22.4 m。站臺和站廳長141 m，寬12 m，高3.5 m。站廳層位于地下一層，共有3 個人行出入口與外界相連。每個出入口寬4 m。站廳層與站臺層之間通過2 個寬4 m、1 個寬3 m 的樓梯及1 個寬1m的自動扶梯輸送旅客。樓梯水平長度為7.2 m。地鐵站平面示意圖如圖1所示。列車采用A 型車6 節編組。車輛有效長度為22.1m，寬3 m，左右兩側各有5 個門，最大載客量為310 人。

圖1 地鐵站平面示意圖

4.2 疏散參量的設定

(1)列車乘客數:站臺考慮2 列車同時進站的情況，Q'1=310 人 ×6 ×2 =3 720 人。

(2)1號線高峰時刻最大客流斷面為30 878 人次/h，平均等待時間為3 min，站臺最大人數為Q'2=30 878 人 ×3 ÷60 =1 544 人，其中工作人員 20人。工作人員能在發生火災后起到引導疏散的作用。

(3)人員的組成、分類及對應的步行速度見表1。

表1 人員的組成、分類及對應的步行速度表

(4)自動扶梯通過能力:《地鐵設計規范》給定了部分最大客流通過能力，查閱可知，輸送速度為0.65 m/s 的1 m 寬扶梯，每小時的最大通過人數為8 190 人，則通過能力為137 人次/(min·m)。

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

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

4.3 經驗公式的計算結果

將上述參數代入式(1)得:

此計算結果滿足《地鐵設計規范》中關于6 min內將列車內乘客、工作人員和候車乘客疏散至安全區域的相關規定。

4.4 Pathfinder模式選擇與模擬結果分析

根據南京地鐵火災模擬演習結果［11］，取tb=30 s，tc=20 s，人員疏散時間 ts由 Pathfinder 的 Steering模式和SFPE 模式模擬所得。

4.4.1 Steering 模式

Steering 模式模擬結果如圖2、圖3所示。

圖2 Steering 模式模擬結果圖

由模擬結果得出ts=270.8 s。對疏散樓梯進行分析發現，站臺層的疏散樓梯在 191 s 通過了1 441 人，即通過能力為 113 人/(min·m)，大大超出了規范中給出的上行樓梯最大通行能力。因此，Steering 模式的模擬結果不滿足規范要求，本文不采用Steering 模式進行模擬分析。

圖3 Steering 模式樓梯流量圖

4.4.2 SFPE 模式

SFPE 模式模擬結果如圖4、圖5所示。

圖4 SFPE 模式模擬結果圖

由模擬結果可知ts=486.0 s。對地鐵站的樓梯進行分析發現，站臺層1號樓梯的單位時間通過量最大，該樓梯在376s通過了1542人，在模擬中該樓梯的實際通行量為61.5 人/(min·m)，符合規范中不大于62 人/(min·m)的要求。因此SFPE 模式的模擬結果更符合實際情況。

圖5 SFPE 模式樓梯流量圖

圖6 為SFPE 模式下各Room 的人數圖。可以看出:站臺層所有人員疏散完畢所用時間為324.0 s，疏散至地面的時間為486.0 s。則該模式下乘客撤離站臺層的時間為324.0 s+20 s+30 s=374 s=6.23 min，疏散至地面的時間為486.0 s+20 s+30 s=536 s=8.93 min，均不滿足《地鐵設計規范》中6 min 之內疏散至安全區域的要求，且與式(1)的計算結果有較大的差距。

圖6 SFPE 模式下各Room 的人數

4.5 疏散場景設置及優化公式的驗證

4.5.1 人員疏散場景設置

為了確定折減系數，并對優化公式進行驗證，設置了5 個疏散場景，每個場景中只改變站臺層至站廳層以及站廳層至地面的樓梯寬度及個數，其他參數保持不變。5 個場景分別為:

(1)場景1:站臺層3 個5 m 寬的樓梯，站廳層3 個 5 m 寬的樓梯;

(2)場景2:站臺層5 個4 m 寬的樓梯，站廳層3 個4 m 寬的樓梯;

(3)場景3:站臺層4 個4 m 寬的樓梯，站廳層3 個4 m 寬的樓梯;

(4)場景4:站臺層3 個4 m 寬的樓梯，站廳層4 個4 m 寬的樓梯;

(5)場景5:站臺層3 個4 m 寬的樓梯，站廳層3 個4 m 寬的樓梯。

4.5.2 折減系數確定及驗證

報警時間和人員響應時間設為50 s。人員組成及速度設置見表1。疏散場景的相關參數設置見表2。優化公式計算與模擬結果見表3。將上述5 個優化公式兩兩組成方程組，對α 取平均值，并利用最小二乘法對 λ 進行回歸擬合得 α =0.2，λ =0.82。此時計算結果與模擬結果最接近。將其代入表3 各式，可得出各場景的優化公式計算值。該計算值與式(1)計算值及模擬結果的比較見表4。

表2 各疏散場景參數表

表3 各疏散場景疏散時間模擬與優化公式計算結果表

表4 各疏散場景疏散時間模擬與計算結果表

由表4 可知，應用式(1)計算所得結果與軟件模擬的結果相差較大，誤差在50%左右;而應用式(2)計算所得結果與模擬結果較接近，誤差在10%以內。因此，對于上述場景，優化公式計算的結果與模擬結果更為接近，較經驗公式更符合實際情況。

5 結論

對《地鐵設計規范》中的公式計算結果、優化公式計算結果和軟件模擬結果進行比較分析得出:

(1)規范中疏散時間的計算方法存在疏散人數、火災報警時間和人員響應時間確定不合理，疏散安全判定標準不明確，自動扶梯通行能力設定不合理等問題，不能完全適應地鐵火災時人員疏散的實際情況。

(2)相對于原公式，優化公式的計算結果與模擬結果更為接近，誤差更小，更符合實際情況。

(3)優化后的計算公式相對于軟件模擬具有直觀、使用簡單、容易掌握、更加便捷的特點，更適合地鐵公司及政府相關部門。其對人員疏散安全進行科學準確的評估，制定應急疏散機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生，維護公共安全和社會穩定，具有較好的應用價值。

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