避難走道內(nèi)外安全出口距離研究

薛新虎，寧冬波

（山西省永濟(jì)市公安消防大隊，山西 運(yùn)城 044500）

避難走道內(nèi)外安全出口距離研究

薛新虎，寧冬波

（山西省永濟(jì)市公安消防大隊，山西 運(yùn)城 044500）

本課題研究的主要目的和意義是為避難走道設(shè)計提供參考依據(jù)，根據(jù)內(nèi)外安全出口位置情況建立數(shù)學(xué)模型，得出內(nèi)外安全出口距離L的理論范圍值，并分析出影響內(nèi)外安全出口距離L的主要因素。筆者通過利用Pathfinder軟件對理論得出的距離公式進(jìn)行模擬驗證，利用這兩種方法綜合考慮內(nèi)外安全出口之間的距離設(shè)計問題，為實際工程中如何設(shè)計避難走道的內(nèi)外安全出口提供參考依據(jù)。

避難走道；數(shù)學(xué)模型；內(nèi)外安全出口；距離；Pathfinder

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代化建筑藝術(shù)特點不斷突出，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化導(dǎo)致人員疏散過程中，不能使得人員到達(dá)安全出口的距離滿足規(guī)范要求，這樣給消防安全驗收和審核以及日常檢查工作帶來了很大的難處，所以避難走道作為一個安全區(qū)域進(jìn)入了人們的視野。在許多建筑中,避難走道成了最好的選擇來緩解疏散距離不足的困難，使建筑內(nèi)人員在緊急情況下能夠安全疏散；在實際生活中，地下商業(yè)建筑、大型體育場館、大型電影院、工業(yè)廠房等現(xiàn)在多采用設(shè)計避難走道的方法提高人員疏散的安全性和可靠性；那么，不同的建筑結(jié)構(gòu)和建筑功能性差異很大，具體在設(shè)計避難走道時，需要分析人員利用避難走道進(jìn)行疏散的基本場景，例如人員從所在的防火分區(qū)內(nèi)的某個角落首先到達(dá)內(nèi)部安全出口，然后分析是否在安全出口處發(fā)生擁堵現(xiàn)象，確定擁堵發(fā)生的時間。其次人員通過內(nèi)部安全出口進(jìn)入避難走道的過程、人員在避難走道內(nèi)的擁堵情況、人員在避難走道內(nèi)的疏散時間都要利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行分析確定。最后就是人員到避難走道直通室外的安全出口處，通過對外安全出口到達(dá)室外。

根據(jù)以上利用避難走道作為安全疏散設(shè)施進(jìn)行疏散的簡單介紹，筆者認(rèn)為避難走道內(nèi)外安全出口的距離是影響安全疏散的一個主要因素，如何設(shè)計這個距離是本文研究的主要內(nèi)容，并且希望研究結(jié)論可以給實際工程案例提供參考依據(jù)。

一、內(nèi)外安全出口距離設(shè)計理論分析

從理論方面討論內(nèi)外安全出口距離對安全疏散的影響,如圖1所示，是本文在理論分析之前，建立一個直觀避難走道安全疏散示意圖。

圖1 內(nèi)外安全出口位置圖

圖中包括連接避難走道和防火分區(qū)的內(nèi)部安全出口寬度d,避難走道直通室外安全出口b,防火分區(qū)內(nèi)所容納的人員數(shù)目N，N主要由建筑內(nèi)人員密度決定N=面積（A）×密度（ρ）,寬度為a的避難走道，內(nèi)外安全出口距離為L米,內(nèi)外安全出口之間的走道面積記為R區(qū)域。分析人員在疏散過程中主要經(jīng)歷以下幾個環(huán)節(jié)：首先從人員疏散過程開始發(fā)生，人員在防火分區(qū)的某個位置疏散至內(nèi)部安全出口處，然后人員通過內(nèi)部安全出口進(jìn)入避難走道進(jìn)行疏散，從進(jìn)入避難走道開始到人員到達(dá)直通室外的安全出口處，最后通過安全出口到達(dá)室外安全區(qū)域。

為了分析內(nèi)外安全出口距離應(yīng)當(dāng)滿足的條件，首先將以上安全疏散過程中的時間段加以定義。一是從人員經(jīng)過內(nèi)部安全出口進(jìn)入避難走道內(nèi)部開始計算，到第一個疏散人員通過直通室外安全出口的時間記為T1；二是當(dāng)對外安全出口門流量小于內(nèi)部安全出口門流量時,避難走道內(nèi)部人員的密度會隨著時間的增加而增加,將避難走道內(nèi)人員密度達(dá)到最大值的時間記為T2；三是連接避難走道的防火分區(qū)內(nèi)人員全部疏散至避難走道的時間記為T3。以上三個時間在疏散場景不同的條件下，時間會有重合部分，數(shù)值上三個時間的大小關(guān)系也會變化。例如當(dāng)人員數(shù)目N較小時,將會出現(xiàn)T3小于等于T1的情況,表示建筑內(nèi)所有人員已經(jīng)全部進(jìn)入避難走道,反而沒有人到達(dá)對外安全出口處,這種情況安全性很高，此時避難走道內(nèi)人員密度達(dá)不到最大值。

為了研究內(nèi)外安全出口的距離問題，主要討論防火分區(qū)內(nèi)人數(shù)N值較大的情況。該情況下T3大于T1,存在一個時刻使得疏散走道內(nèi)人的密度最大即T2時刻。

根據(jù)T2和T3的定義來看，如果對外安全出口通行能力大于或者等于內(nèi)部安全出口的通行能力時，那么T2=T1，即就是當(dāng)?shù)谝粋€人到達(dá)對外安全出口處時，避難走道內(nèi)的人群密度是最大的。當(dāng)對外安全出口通行能力小于內(nèi)部安全出口通行能力時，又分三種不同的情況：第一種，當(dāng)避難走道內(nèi)人群密度未達(dá)到飽和狀態(tài)，防火分區(qū)內(nèi)人員全部疏散完畢；第二種，當(dāng)避難走道內(nèi)人群密度達(dá)到飽和狀態(tài)時，防火分區(qū)內(nèi)人員恰好疏散完畢；第三種，當(dāng)避難走道內(nèi)人群密度達(dá)到飽和狀態(tài)時，防火分區(qū)內(nèi)人員未疏散完畢。

從危險程度看，當(dāng)對外安全出口通行能力小于內(nèi)部安全出口通行能力時的第三種最不利于人員疏散，該條件下T1、T2、T3之間的大小關(guān)系為T1

公式中P1為內(nèi)部安全出口處的單位人流密度,P2為對外安全出口處的單位人流密度。假設(shè)避難走道的容納能力滿足不了防火分區(qū)內(nèi)人數(shù)疏散壓力，避難走道和內(nèi)部安全出口處都存在大量擁堵的公式條件為：

那么要避免上述最不利的安全疏散情況，必須使T3≤T2，使（1.2）中的擁擠條件不存在。利用以上等式關(guān)系（1.1）和（1.2）以及不等式T3≤T2,建立數(shù)學(xué)不等式：

T1根據(jù)定義可以代入L/V；代入公式（1.3）得；

公式（1.4）中S表示避難走道內(nèi)外安全出口之間的區(qū)域面積，在疏散過程中，為了達(dá)到安全疏散的要求，必須滿足能夠容納進(jìn)入避難走道的人員總數(shù)。

由公式（1.5）可得，距離L的理論合理值范圍由以下幾個主要因素決定：疏散人數(shù)N、避難走道寬度a、內(nèi)外安全出口門流量P1和P2、內(nèi)外安全疏散門寬度d和b、人員行走速度v、避難走道人員最大密度ρ0。

表1 進(jìn)入避難走道時間和疏散總時間和距離數(shù)據(jù)

二、模擬仿真研究

本節(jié)采用計算機(jī)模擬方法對距離公式（1.5）進(jìn)行檢驗，按照理論圖1所示建立疏散模型，設(shè)定一定規(guī)模的疏散場景。具體參數(shù)如：疏散人數(shù)609人，內(nèi)安全出口寬度4m，對外安全出口寬度1.6m,避難走道寬度5m,人員行走速度1.2m/s。

圖2 疏散時間隨距離的變化關(guān)系

利用Pathfinder疏散軟件計算內(nèi)外安全出口距離L不斷增加時，安全疏散時間和進(jìn)入避難走道時間，模擬計算結(jié)果如表1所示。

通過對模擬結(jié)果進(jìn)行擬合，得出圖2疏散時間隨距離的變化關(guān)系。

由圖2可以直觀看出，隨著距離L的增大，人員全部疏散至避難走道的時間T2不斷減小。當(dāng)距離L在20～30m范圍內(nèi)時，進(jìn)入避難走道的時間基本保持不變；隨著L的增大，人員全部疏散至安全區(qū)域的疏散總時間T3呈現(xiàn)不斷增大趨勢。

當(dāng)內(nèi)部安全出口與對外安全出口距離較近時,疏散人員離開防火分區(qū)進(jìn)入避難走道的時間T2較大,這是由于避難走道中R區(qū)域容納人數(shù)較少，即容納能力不足，出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。隨著內(nèi)外安全出口距離L的增加,避難走道R區(qū)域的面積S不斷增大，給人員疏散開辟了很大的空間,T2減小幅度明顯。T2和避難走道寬度的變化關(guān)系為：

通過總安全疏散時間和內(nèi)外L的關(guān)系圖來看，距離L過長也會導(dǎo)致不利于安全疏散。因為隨著距離不斷增大，人員在避難走道內(nèi)部停留時間越來越長，總安全疏散時間T3不斷增大，且隨著L的增大而增大，其函數(shù)關(guān)系為y=0.7694x+115.22，在實際疏散情況下會導(dǎo)致人員在緊急情況下產(chǎn)生一種消極情緒；所以考慮到實際情況存在一個合理的安全距離L值,應(yīng)當(dāng)同時考慮T2和T3隨著L增大的變化趨勢，當(dāng)L大于21.5m，人員進(jìn)入避難走道時間減小不再那么明顯，因此我們考慮在設(shè)置距離L時，該情況不宜超過21.5m，設(shè)置距離為21.5m是合理值。

根據(jù)理論不等式（1.5），代入相應(yīng)參數(shù)值，可求得上述參數(shù)條件下L＞=21.18m；計算機(jī)模擬結(jié)果和理論計算值差別不大，所以該研究結(jié)論在一定情況下是可靠的。

綜上所述，根據(jù)理論推導(dǎo)的內(nèi)外安全出口距離公式和模擬仿真方法得出的結(jié)果可以應(yīng)用于實際的工程案例中去，在實際設(shè)計避難走道內(nèi)外安全出口距離時提供一定的數(shù)據(jù)和理論支撐，并且同規(guī)范規(guī)定相結(jié)合共同指導(dǎo)避難走道內(nèi)外安全出口距離的設(shè)定。

三、結(jié)論

（1）根據(jù)本課題研究內(nèi)容得出，內(nèi)外安全出口距離L由以下幾部分因素決定：疏散人數(shù)N、避難走道寬度a、內(nèi)外安全出口疏散能力P、內(nèi)外安全疏散門寬度d和b、人員行走速度v、避難走道內(nèi)人員最大人群密度ρ0。

（2）內(nèi)外安全出口距離L的理論公式為：

（3）通過理論計算和模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了理論上內(nèi)外安全出口距離L計算公式的可靠性。

[1]吳和俊,郭偉,路世昌.地下商業(yè)建筑避難走道疏散設(shè)計[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2014,33（1）:51-53．

[2]張俐.設(shè)置室內(nèi)避難走道作為疏散通道的設(shè)計方法探討[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2013(10).

[3]劉永平,倪雋娟,劉劍瓊,戎振宇,奚敏等.避難走道在大型醫(yī)藥生產(chǎn)樓消防逃生、防排煙設(shè)計中的應(yīng)用[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2012,33（1）：20-23．

[4]程玉超.設(shè)置避難走道解決某廠房疏散距離問題研討[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2013,32（6）:613-616．

[5]李成龍.人員疏散過程中的擁擠與路徑優(yōu)化研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014.

[7]梅秀娟，陳濤，張文良等.淺析地下建筑避難走道與疏散走道[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003(11):12-14．

[8]李俊梅，胡成，李炎鋒，劉閃閃，許鵬等.不同類型疏散通道人群密度對行走速度的影響研究[J].建筑科學(xué)，2013,30 （8）:123-129.

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1673-0046（2016）9-0177-03