城市單層公交車不同火源位置人員疏散分析及優化

姜　璐，朱　杰

(1.四川師范大學 工學院； 2.四川省高校公共火災防治重點實驗室，四川 成都　610101)

0　引言

公交車作為城市公共交通運輸的主要組成部分之一，因其載客量大、方便、快捷、經濟等優點，已成為各大中小城市居民出行的重要交通工具。據統計，北京、深圳、上海等地的城市公交車規模已達到10 000輛以上，且日均運客量平均達幾百萬人次[1]。然而近年來，公交車火災事故造成群死群傷的現象屢見不鮮,根據消防統計年鑒，我國2014年約有3 300起公交車火災事故發生[2]。2009年6月5日，成都一公交車火災事故造成27人死亡，74人受傷；2013年7月6日，廈門BRT公交發生火災導致47人死亡，37人受傷；2014年2月27日，貴陽市237路公交車發生燃燒，造成6人死亡，35人受傷。值得注意的是，公交車發生火災概率較私家車、貨車等更高。一旦發生火災，大多數公交車在10～20 min內完全損毀或車輛報廢。

國內外眾多研究者采用數值模擬等方法研究小汽車火災，程遠平等[3]采用試驗方法，研究了小汽車火災熱釋放速率和火場溫度等變化規律，得出了汽車起火后4 min是人員安全逃生和滅火救援的最佳時機；畢昆等[4]通過數值模擬重現了2009年6月成都市公交車起火情況，為火災調查提供了依據；祝飛、畢昆[5]利用數值模擬方法構建公交車模型，通過比較數值模擬結果和火災現場調查結果，預測了公交車火勢發展和煙氣運動過程，分析得到公交車火勢迅速增長的重要因素是車窗破碎導致大量新鮮空氣補入，而造成人員死亡的主要原因是高溫和過度擁擠。目前，針對公交車、地鐵等交通工具火災的研究多數基于火災煙氣蔓延規律數值模擬，且針對火災事故人員疏散的研究主要以建筑物為研究對象，對交通工具，特別是公交車火災事故的人員疏散研究十分有限。與傳統建筑不同，公交車內部空間受限，且人員密度往往大于建筑物內部，加之各類不確定因素，使得公交車人員疏散相當困難。如何提高人員疏散效率，確?；馂膱鼍跋氯藛T安全，已成為亟待解決的問題。

本文首先對公交車火災事故和人員疏散特點進行分析，在此基礎上，以城市典型單層公交車為研究對象，在公交車內部設置不同火源位置，分析其對人員疏散的影響。再采用Pyrosim軟件對車內人員疏散情況進行模擬，提出公交車車門優化方案，為公交車車廂設計和人員安全疏散提供參考。

1　公交車火災事故

1.1公交車火災事故分析

據調查，公交車火災事故致使大量人員傷亡的原因多種多樣，但主要歸于三方面，即高溫有毒有害煙氣、人員疏散不及時、二次事故。(1)高溫有毒有害煙氣。公交車內部屬封閉受限空間，人員密集且可燃物眾多，加之當下客車輕量化趨勢明顯，各類復合材料如塑料，更多用于公交車構件。一旦發生火災，產生的大量煙霧將迅速降低車廂能見度。隨著火勢蔓延，各類材料燃燒裂解出的高溫有毒有害煙氣聚集，氧氣含量降低，極易導致人中毒窒息，影響人員疏散，也增大了公交車火災危險性[6]。(2)人員疏散不及時。通常導致人員疏散不及時的原因除高溫有毒煙氣影響外，還有逃生自救裝置失效或障礙。公交車上主要逃生自救裝置，如車門、車窗、安全錘，車門未及時開啟或開啟面積較小、車窗卡住或開啟面積小、安全錘丟失或放置位置不明顯等。(3)二次事故。由于公交車車廂內部空間狹小，在火災等緊急情況下，大量乘客會造成通道和出口擁擠，加之乘客因恐慌忙于逃生，易因推搡引發踩踏等二次事故。

因公交車上人員流動性大，難以阻止乘客攜帶易燃易爆物品上車，且車內設施只能采用難燃、阻燃材料以延長可燃物達到著火點時間，阻止火災蔓延的影響因素較多，實際操作具有一定困難。所以，對煙氣進行有效控制的方案較難實現。比較而言，改進公交車逃生裝置對避免和減少公交車火災傷亡事故損失可行性強，特別是對公交車最主要疏散通道——車門的改進，能有效提高疏散效率，同時降低二次事故的發生概率。

1.2公交車人員疏散特點

公交車人員疏散特點主要包括：(1)不確定因素眾多。公交車內人員密度大，內部通道極易發生擁擠甚至堵塞。乘客的生理、心理狀態存在較大差異，緊急疏散會受到乘客與乘客、乘客與周邊環境相互作用的影響，例如心理素質較差乘客易產生恐慌心理而驚慌逃跑，造成車門堵塞；緊急疏散過程中，乘客間推拉擠讓易造成踩踏等二次事故。(2)安全逃生出口少且窄。據調查，公交車前后門為主要安全逃生出口，設置數量少，且寬度較窄，通常設置為0.8～1.5 m，內部通道寬0.5～0.7 m[7]。公交車滿載時人員密度可達8人·m-2，在緊急情況下，該設置難以保證安全疏散。因此，改進公交車車門對乘客安全疏散十分必要。

2　不同火源位置人員疏散模擬

2.1Pyrosim簡介

Pyrosim是由美國標準技術研究院(NIST)研發的，專用于消防動態仿真模擬的軟件，它是在FDS(Fire Dynamic Simulation)的基礎上發展而來。軟件以計算流體動力學為依據，可模擬預測火災中的煙氣、CO等毒氣的運動、溫度以及濃度等情況。Pyrosim中的FDS+Evac功能可實現對構建模型的人員疏散模擬，通過設置人員屬性，如性別、年齡、行走速度、反應速度等，對模型中的人員隨機分布，真實地反映模型內部火源燃燒時煙氣蔓延以及人員疏散逃生情況。

2.2確定模擬參數

2.2.1公交車模型參數

本文以成都市常見的單層公交車為模擬對象，對公交車內部物理模型進行了簡化，忽略了外部尺寸、內部細小部件，如扶手、扶桿。公交車車廂長×寬×高為11.0 m×2.5 m×3.0 m，座椅尺寸為0.4 m×0.4 m，共36個座位。公交車前門開門寬度為0.8 m，后門開門寬度為1.1 m。應用Pyrosim軟件構建單層公交車模型，以FDS+Evac功能對不同火源位置的公交車車廂火災人員疏散情景進行模擬。

2.2.2人數確定

根據《機動車運行技術條件》(GB 7258—2012)4.5.3.2條“設有乘客站立的公共汽車，按站立乘客的有效面積計算，每0.125 m2站立核定乘客1人[7]”，該公交車乘客站立區域面積為7.5 m2，則車內滿載人員為97人(司機1人)。公交車平面布置圖如圖1所示。

圖1　公交車平面布置圖

2.2.3人員屬性設定

模擬中人員統一設定為成年人，不分男女。由于不同場景下人員行走速度存在較大差異，在座椅密集的禮堂內人行走速度為0.2～0.5 m·s-1[8]?？紤]公交車內人員密集且障礙物較多，因此乘客行走速度取0.3 m·s-1。

2.2.4疏散場景設定

為真實模擬人員疏散，火源所在處附近出口不作為疏散通道。根據單層公交車火災特點以及對車內人員疏散最不利情況，考慮設置三種火災工況：(1)火源位于車廂前部，前門關閉、后門打開；(2)火源位于車廂中部，前門打開、后門關閉；(3)火源位于車廂尾部，前門打開、后門打開。

2.3疏散模擬及結果分析

2.3.1疏散場景1

該場景設定在公交車車廂前部發生火災，乘客只能通過后門疏散至安全區域。運用消防動態仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能進行模擬，如圖2～圖6所示。

根據疏散場景1結果可知：當公交車車廂前部發生火災時，該場景人員全部安全疏散共需200 s。由于火源距離前門較近，乘客只能通過后門進行疏散，而公交車內部通道和后門均較窄，后門僅1.1 m寬，使疏散時間較長。從圖3和圖4可知，后門處只通過了單股人流，疏散效率較低。由圖5可知，火災發生第150 s時，公交車前半截的乘客已經全部疏散，后半截車廂的乘客還剩下小部分未成功疏散。這是因為公交車車廂后部座位較多，障礙物偏多，且通道相對前部窄，大量乘客集中于后部車廂，該區域的疏散時間會相對長一些。因此，建議將后門加寬。

圖2　0 s疏散場景1人員疏散情況圖

圖3　50 s疏散場景1人員疏散情況圖

圖4　100 s疏散場景1人員疏散情況圖

圖5　150 s疏散場景1人員疏散情況圖

圖6　200 s疏散場景1人員疏散情況圖

2.3.2疏散場景2

該場景設定在公交車車廂中部發生火災，由于火源距離后門較近，乘客只能通過前門疏散至安全區域。運用消防動態仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能進行模擬，如圖7～圖12所示。

根據疏散場景2結果可知：當公交車車廂中部發生火災時，人員全部疏散共需440 s，比疏散場景1多240 s。由于火源距離后門較近，車廂全部乘客只能通過前門進行疏散。由圖8可知，公交車車廂通常后半截座位布置較前半截密集，障礙物分布多，加之大量乘客集中于車廂后部，導致通道擁擠。而前門寬度0.8 m，比后門窄0.3 m，僅允許乘客以單股人流形式通過，疏散困難。在約350 s時，車廂前半部乘客已經全部疏散。剩下小部分位于車廂后半截的乘客還未成功疏散，這是因為該區域乘客疏散時所通過的距離較長，在人員擁擠情況下，需從車廂后部走至車廂前部，疏散變得更為困難。由圖12可知，在第440 s時，乘客才全部疏散完畢。通過以上分析，建議將前門寬度加寬。

圖7　0 s 疏散場景2人員疏散情況圖

圖8　100 s 疏散場景2人員疏散情況圖

圖9　200 s 疏散場景2人員疏散情況圖

圖10　350 s 疏散場景2人員疏散情況圖

圖11　430 s 疏散場景2人員疏散情況圖

圖12　440 s 疏散場景2人員疏散情況圖

2.3.3疏散場景3

該場景設定在公交車車廂尾部發生火災，乘客能通過前門和后門疏散至安全區域。運用消防動態仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能進行模擬，如圖13～16圖所示。

根據疏散場景3結果可知：當公交車車廂尾部發生火災時，人員全部疏散共需155 s，比疏散場景1少45 s，比場景2少285 s。由于火源位于車廂尾部，前門和后門能同時作為安全出口，車廂乘客可選擇就近出口進行逃生。由圖15可知，第100 s時，前半截車廂和后半截車廂的乘客大部分已安全逃生。在約155 s時，車廂內乘客全部完成疏散，此時車廂內溫度大致為70 ℃。因此，為確保乘客安全，建議將前、后門均加寬，以進一步縮短疏散時間。

圖13　0 s疏散場景3人員疏散情況圖

圖14　50 s疏散場景3人員疏散情況圖

圖15　100 s疏散場景3人員疏散情況圖

圖16　155 s疏散場景3人員疏散情況圖

3　優化方案及結果

3.1優化方案

前后門是公交車最主要的疏散出口，但前門寬度僅0.8 m，后門僅1.1 m，只能保證以單股人流形式通過，增大了疏散中乘客推搡、擁擠的概率，使疏散變得困難。我國單層公交車車門寬度一般為0.8～1.5 m，因此提出以下公交車前后門優化方案：(1)前門寬度不變，后門加寬至1.3 m；(2)前門寬度不變，后門加寬至1.5 m；(3)前門加寬至1.1 m，后門寬度不變；(4)前門加寬至1.1 m，后門加寬至1.3 m；(5)前門加寬至1.1 m，后門加寬至1.5 m。優化后，除公交車前后車門寬度改變外，其余車門位置、車體尺寸、疏散場景等均不改變，模擬疏散人數不變，疏散場景設置如表1所示。

表1　優化后的疏散場景設置

3.2優化方案結果及分析

運用消防動態仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能對優化后疏散場景進行模擬，并將各優化方案與優化前進行對比，如表2所示。

表2　各疏散場景設置及疏散時間

由表2可知，當火源位于公交車前部時，后門寬度由1.1 m增至1.3 m，疏散時間減少39 s，增至1.5 m時減少49 s，表明增加后門寬度可一定程度增大疏散效率；當火源位于公交車中部時，前門寬度由0.8 m增至1.1 m，疏散時間大幅度下降，減少了240 s；當火源位于公交車尾部時，前門寬度增至1.1 m，后門寬度增至1.3 m，疏散時間減少26 s，后門寬度增至1.5 m時，疏散時間減少了48 s。除此之外，還可得出火源處于不同位置時，由于車門開閉情況不同，中部火源的疏散時間最長，前部火源次之，尾部火源最短。

4　結論

4.1通過在公交車車廂前部、中部和尾部設置火災場景，利用消防動態仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能對乘客疏散過程進行模擬，得出車廂三種不同火源位置時的疏散時間，找到疏散出口的不足，并進行優化。

4.2對公交車前門和后門寬度進行優化，經優化后發現：當火源位于公交車車廂中部時，若公交車前門寬度增加至1.1 m，疏散時間減少十分顯著，用時縮短了240 s；當火源位于車廂前部時，若公交車后門寬度增加至1.3 m和1.5 m時，疏散時間將分別減少39 s和49 s；當火源位于公交車車廂尾部時，若公交車前門寬度增加至1.1 m，后門寬度增加至1.3 m和1.5 m，疏散時間將分別減少26 s和48 s。

4.3當火源處于不同位置時，由于車門開閉情況不同，中部火源的疏散時間最長，前部火源次之，尾部火源最短。

綜上所述，從安全和經濟實用的角度看，建議將公交車前門寬度增加至1.1 m，后門寬度增加至1.5 m，以保證火災發生時乘客能及時安全地疏散。