能見度對個體疏散速度及路徑選擇的影響研究*

謝 瑋，張玉春

(西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

人員安全疏散是建筑消防安全設計時必須考慮的問題。特別是在高校教學樓等人員密集場所，一旦發生火災等特殊情況，火災煙氣的減光性降低人員的能見度范圍，容易造成人員恐慌并出現疏散通道堵塞、人員踩踏等問題，因此研究建筑中人員疏散行為特性十分必要。疏散速度作為反映人員疏散表現的重要指標，受到了國內外學者的廣泛關注。國外學者開展了大量的人員疏散實驗和數值模擬研究，總結出人員疏散速度受到人員密度[1]、人員個體特性(如性別、年齡、健康狀況)[2-4]、建筑類型[5]、疏散路徑[6-7]、能見度[8]等因素影響。國內學者針對高層建筑[9-10]、地下空間[11-13]、教學樓[14-15]等場所相繼開展了許多人員疏散研究，得到了不同建筑類型中人員疏散速度的基礎數據。

上述研究大多在正常能見度條件下進行，然而真實火災中煙氣對于降低能見度、阻礙人員疏散的影響不容忽視。盡管部分學者開展了低能見度情況下的人員疏散研究[16-17]，但是設置的能見度條件相對單一，且針對教學樓開展的低能見度環境下的人員疏散研究十分匱乏。因此，本文通過開展不同能見度下個體疏散實驗，研究能見度與人員疏散速度及人員路徑選擇之間的關系，擬為相關疏散模擬提供基礎數據及指導人員安全疏散提供依據。

1 實驗設計

1.1 實驗場地

實驗開展地點為西南交通大學四號教學樓，選取其辦公區的1～4層作為實驗場地，如圖1所示。實驗人員均從4樓出發，并通過西側樓梯間(樓梯1)和中間樓梯間(樓梯2)疏散至一樓對應的安全出口A，B或者C。參與者通過樓梯3由1樓抵達至4樓等待疏散，樓梯3為實驗準備區域，故不作為疏散使用。樓梯1和樓梯2布局相同，每層均由26個踏步組成，樓梯間布局及踏步尺寸如圖2所示。總疏散距離包括走道水平疏散距離和樓梯間下行疏散距離。其中，走道水平疏散距離通過測量得到，樓梯間下行疏散距離由樓梯梯段長度和轉彎平臺長度構成，計算方法為：

Lstaircase=nslinclination+nflturn

(1)

式中：Lstaircase為樓梯疏散距離，m；linclination為每級踏步長度，m；ns為踏步總數量，階；lturn為轉彎平臺長度，m；nf為轉彎平臺數量，個。

圖1 4樓及1樓結構布局Fig.1 Layout of the fourth floor and the first floor of the building

圖2 樓梯間布局Fig.2 Layout of staircase

1.2 實驗工況

本次實驗的目的是研究人員在正常能見度和能見度受限條件下的疏散行為特征，為保障人員安全，很難采用真實火災煙氣模擬低能見度環境，因此本次實驗借鑒國外學者Jeon的方法[18]，通過讓實驗人員佩戴具有不同透光率的眼罩來模擬不同的能見度環境，如圖3(a)所示。

1.2.1 實驗人員

實驗參與者為60名在校大學生，包括48名男生和12名女生。實驗人員年齡在17～24歲之間，身高在150～183 cm之間，體重范圍為45～100 kg，平均年齡、身高和體重分別為19歲、166 cm和57.3 kg。

1.2.2 實驗過程

實驗開展方式為個體疏散實驗，實驗人員共分為4組，分別參加對應的4種不同能見度工況實驗，即人員不佩戴眼罩(透光率100%)和佩戴透光率29%，16%及9%的眼罩，隨著眼罩透光率降低，人員能見度水平依次降低。實驗開始前，每位參與者首先被告知“該棟樓已經發生火災，您目前所處的環境十分危險，請盡快開始疏散至室外”。隨后，實驗人員在聽到工作人員指令后從4樓出發，并可自由選擇樓梯1或者樓梯2進行疏散，到達一樓任意安全出口(出口A，B或C)后，工作人員停止計時，該次實驗結束。為防止實驗人員相互干擾，每位實驗人員出發時間間隔設置為2min。為準確記錄人員疏散過程，分別在走道和2個樓梯間共布置21個攝像頭，并在每位實驗人員后背貼上數字標簽，以便于后期數據提取和分析，如圖3(b)所示，人員疏散過程如圖3(c)所示。

圖3 實驗設置Fig.3 Experimental design

2 實驗結果與分析

2.1 能見度對疏散速度影響分析

疏散速度大小直接反映了緊急狀況下人員的疏散能力。人員在不同能見度條件下的疏散速度大小對于預測疏散時間和疏散模型參數設置具有重要的參考價值。本次實驗對個體在不同能見度條件下的疏散速度特征進行了全面研究，人員疏散速度計算公式：

(2)

式中：v為疏散速度，m/s；L為疏散距離，m；Δt為疏散距離對應的疏散時間，s。

圖4是人員在不同能見度下的平臺、樓梯間和整體速度分布情況。平臺速度指人員經過走道的水平疏散速度，樓梯間速度指人員下行疏散速度，整體速度代表人員整個疏散過程的平均速度。由圖可知，人員疏散速度隨著能見度降低均呈現下降趨勢。較高能見度條件下(100%和29%透光率)，人員疏散速度尤其是水平行走速度數據分布離散，個體差異十分明顯；而低能見度條件下，實驗人員速度差值縮小且個體疏散速度趨向于一個較低的穩定值(0.36 m/s)。正常能見度下(不佩戴眼罩)，人員水平疏散速度(2.32～4.80 m/s)明顯高于下行速度(1.05～1.80 m/s)，人員整體疏散速度范圍為1.77～2.89 m/s；隨著透光率降低至29%，人員能見度水平雖受限制但影響不大，人員水平疏散速度仍然高于下行速度且速度大小與正常能見度時的速度差異不大；當能見度繼續降低至16%透光率條件，人員水平、下行和整體疏散速度范圍分別為0.78～3.27，0.22～1.18，0.50～1.71 m/s；最低能見度條件下(9%透光率)，人員無法通過視覺識路僅能借助墻或樓梯扶手行走，速度范圍為0.19～0.52 m/s。

圖4 不同能見度下人員速度分布Fig.4 Movement speed of individuals under different visibility condition

圖5更直觀地反映了人員疏散速度隨能見度的變化趨勢，數據的不確定性由誤差棒體現。由圖可知，高能見度條件下，人員水平疏散速度顯著大于下行疏散速度，且兩者間的速度差異隨能見度降低逐漸縮小，在低能見度時，人員的速度幾乎不受其在平臺疏散或在樓梯間疏散的影響，二者均保持在較低水平。隨著能見度降低，人員整體疏散速度呈現均勻下降趨勢，人員水平疏散速度先保持不變后顯著下降，人員下行疏散速度持續緩慢下降。以上現象表明：人員水平疏散速度受能見度影響更大，當能見度較高時，能見度的降低對人員疏散速度影響較小，且不同人員受個體差異影響速度差值較大；而當能見度較低時，能見度的降低對人員疏散速度影響顯著，且相比人員自身個體差異，不同人員受能見度降低的影響更突出，因此人員疏散速度差異小。

圖5 不同能見度下人員在平臺/樓梯間速度分布Fig.5 Individual speed on passage/staircase under different visibility condition

2.2 能見度對路徑選擇影響分析

本次實驗過程中，根據不同樓梯間和出口的組合方式，可供人員選擇的路徑有4種，如表1所示。其中，人員日常通行率最高同樣疏散距離最長的路線為路徑2，疏散距離最短的路線為路徑1，疏散距離較長且人員均不熟悉的路線為路徑3，4，疏散出口A為日常條件下人員使用最頻繁的出口，疏散出口B，C由于直接通向室外草坪，人員平時幾乎不使用。實驗開始前，所有參與者被告知這4條路線均可作為疏散路線使用。

由圖6可知，能見度較高時(100%和29%透光率)，所有人員均選擇最熟悉的疏散路徑2和最短的疏散路徑1進行疏散，選擇疏散路徑3和路徑4的人數為0。隨著能見度降低，選擇路徑1和2的人數開始減少，而選擇路徑3，4的人數逐漸增多。當能見度降低至最差條件(9%透光率)時，選擇路徑1的僅有1人，無人選擇路徑2，而大部分人員選擇路徑4進行疏散，有2位參與者由于恐懼選擇中途退出實驗。

圖7是不同能見度下人員選擇不同路徑的疏散時間分布，我們把距離較長的疏散路徑2，3，4稱為長路徑，而距離最短的路徑1稱為短路徑。由圖可知，能見度較高時，選擇長路徑和短路徑進行疏散的人數差異不大；而當能見度較低時，演習人員可能無法看見最近的出口，不會選擇最短的疏散路徑，反而傾向于選擇疏散距離更長的路徑，且此現象會隨著能見度的降低愈發顯著。

通過反復觀察和分析實驗視頻，以上現象出現的原因為：高能見度下，人員以視覺作為尋路方式，傾向于選擇自己最熟悉的路線進行疏散，盡管該條路線不是最優路徑；低能見度下，人員以觸覺作為尋路方式，人員借助墻或樓梯扶手緩慢前行，且不斷做出晃手、伸腳等試探性動作，因此人員的疏散路線主要受到周圍圍擋物的引導，人員傾向于選擇路徑4進行疏散。另外，通過實驗后對參與者的采訪得知：低能見度條件下，由于可見的物體和范圍非常有限，演習人員在疏散前期內心十分恐慌和緊張，他們在出發后不會首先選擇進入樓梯2進行疏散，而傾向于在4樓平臺多行走一段時間后，不斷適應黑暗環境和緩解緊張情緒，再進入樓梯1進行疏散。

表1 人員疏散路徑及疏散距離

圖6 不同能見度下人員路徑選擇Fig.6 Way-finding under different visibility condition

圖7 不同路徑下人員疏散時間分布Fig.7 Time distributionunder different route choice

3 結論

1)正常能見度條件下，個體的水平疏散速度及下行疏散速度范圍分別為2.32～4.80 m/s和1.05～1.80 m/s，整個過程的平均疏散速度為(2.37±0.23) m/s；隨著能見度降低至29%和16%透光率條件，人員的平均疏散速度分別為(1.63±0.13)m/s和(0.95±0.24)m/s；當能見度達到最低時，即人員佩戴9%透光率眼罩，人員的水平疏散速度及下行疏散速度范圍分別為0.16～0.64 m/s和0.15～0.50 m/s，平均疏散速度為(0.36±0.10) m/s。

2)當能見度較高時，人員水平疏散速度顯著大于下行疏散速度，且個體疏散速度差異明顯；當能見度較低時，個體間速度差異縮小，且人員水平疏散速度相比下行疏散速度受能見度影響更大。

3)高能見度環境下，人員以視覺作為尋路方式，傾向于選擇自己最熟悉的路線或是已知的最短路徑進行疏散；低能見度環境下，人員能見度水平受到限制，主要以觸覺作為尋路方式，即借助墻或樓梯扶手進行疏散，此時人員的疏散路線是受到周圍圍擋物引導下的結果，人員往往錯過最短疏散路徑，因此建議火災低能見度環境下增強疏散引導以提高出口利用率及疏散效率。

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