基于Pathfinder的某教學(xué)樓出口疏散模擬

(華北科技學(xué)院 北京 065201)

一、引言

高校教學(xué)樓人員密集度高，加之國家越來越重視教育的發(fā)展，高校逐年擴(kuò)招，導(dǎo)致在校學(xué)生逐年增加，但設(shè)施設(shè)備的更新卻跟不上日益增長的學(xué)生的需求。部分高校建校已久，教學(xué)樓陳舊，樓內(nèi)設(shè)施不完善，對于突發(fā)事件的管理具有一定難度。國外對公共場所的人員疏散進(jìn)行了研究，通過建立人員疏散模型分析人員疏散過程[1-2]。霍然、陳志明等通過研究建筑物內(nèi)人員疏散的特點(diǎn)，結(jié)合某教學(xué)樓的實(shí)際疏散情況，得出了在人流密度較大的建筑物內(nèi)涉及火災(zāi)時人員疏散時間的計(jì)算方法，并且預(yù)測了教學(xué)樓發(fā)生火災(zāi)時人員安全疏散時間[3]；呂雷等人對教學(xué)樓疏散人數(shù)與疏散速度關(guān)系進(jìn)行研究[4]；張培紅通過觀測人員流動狀態(tài)，對離散狀態(tài)時的人員疏散行為進(jìn)行了模糊推理研究[5]；朱江、余雪永等人建立了針對教學(xué)樓的人員安全疏散的數(shù)學(xué)模型[6]；黎錦賢對不同的教學(xué)樓疏散模型進(jìn)行了比較[7]。筆者在已有的研究基礎(chǔ)上，選取某教學(xué)樓為研究對象，在實(shí)際排課的基礎(chǔ)上假設(shè)其他3種排課場景，運(yùn)用Pathfinder2011建立教學(xué)樓模型，對不同排課場景進(jìn)行疏散模擬仿真，通過對比各場景的疏散結(jié)果，為教學(xué)樓提供較優(yōu)的排課方案。

二、疏散模型建立

Pathfinder是Thunderhead engineering公司研發(fā)的一種新型的智能人員疏散逃生評估系統(tǒng)，它具有簡單、容易使用、直觀的特點(diǎn)，可以模擬正常情況和緊急情況人員疏散情況。運(yùn)用Pathfinder進(jìn)行模擬仿真，不僅能得到可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，而且可以形象直觀地看到整個疏散過程，分析疏散過程中的疏散人員的行為。

(一)模型概況

本文選取某教學(xué)樓(圖1)為研究對象，建筑層數(shù)為六層，建筑高度為18.3m，長65m，寬17.5m，共有53個教室，6個休息室，6個衛(wèi)生間。該樓有兩個樓梯間，4個出口，建筑結(jié)構(gòu)比較對稱。

圖1 教學(xué)樓示意圖

(二)疏散參數(shù)設(shè)定

1.疏散場景設(shè)置

以周一上午實(shí)際情況為基礎(chǔ)，假設(shè)另外3種場景，確保四種場景安排上課的教室數(shù)目相同，樓內(nèi)人數(shù)相同，通過假設(shè)模擬分析不同場景對人員疏散時間的影響。四種場景如下：

①場景1。周一上午實(shí)際情況；

②場景2。一、二、三樓安排課程；

③場景3。四、五、六樓安排課程；

④場景4。一、三、五樓西側(cè)教室和二、四、六樓東側(cè)教室安排課程。

2.疏散人數(shù)的確定

假設(shè)上課教室平均50人/室，未安排課程的教室平均10人/室，休息室1人/室，衛(wèi)生間3人/室，共1154人。模擬時忽略學(xué)生的個體特征和素質(zhì)差別。

3.疏散速度的確定

教學(xué)樓的總疏散時間與師生的疏散速度有關(guān)。目前，我國還沒有完整的有關(guān)疏散中人員步行速度的確定方法和標(biāo)準(zhǔn)，所以在進(jìn)行相關(guān)的疏散對策研究時，多數(shù)參考國內(nèi)外較權(quán)威機(jī)構(gòu)出版的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范查找有關(guān)數(shù)據(jù)[8]。成年男子疏散速度為1.19m/s，成年女子疏散速度為0.9m/s。通過查找相關(guān)資料，模擬中將男子肩寬定為0.415m，女子肩寬定為0.378m。

三、不同場景下的模擬結(jié)果分析

(一)各場景人員安全疏散過程

各場景下每層樓的人員疏散過程基本相同，以場景2三樓為例研究人員疏散過程。疏散剛開始，師生選擇離自己近的教室前門或后門進(jìn)入樓道，分別走向兩邊樓梯出口，如圖2(b)。由圖2(c)可看出，在39.6s時，三層多數(shù)人員已到達(dá)樓梯口，只有靠近樓梯口的教室里還有少數(shù)人沒有離開教室，這是由于樓梯口發(fā)生嚴(yán)重的擁堵現(xiàn)象。在469.4s時(圖2(d))，三樓所有人都離開教室，此時樓梯口人數(shù)逐漸減少，擁堵較之前有所緩解。

圖2 場景2中三樓疏散過程

(二)各場景疏散時間

通過各場景的仿真模擬，根據(jù)模擬疏散時間結(jié)果，繪制各場景教學(xué)樓人員疏散時間關(guān)系圖(圖3)。場景1～場景4的疏散總時間分別為864s、786.5s、945.5s、876s。由圖3可看出，各場景教學(xué)樓人員疏散時間關(guān)系圖曲線走勢大致一樣，剛開始一小段都是水平的，這是因?yàn)檫@一小段時間疏散人員開始走出房間，選擇出口，還沒有離開教學(xué)樓。10s左右時，各個場景都開始有人員疏散到安全區(qū)域，這些最先疏散到安全區(qū)域的人員是一層距離出口較近的人員，之后曲線斜率變大，這表明一層學(xué)生正逐漸撤離到安全區(qū)域，其他樓層學(xué)生向各樓層樓梯口處疏散，接著曲線斜率較前一段時間變小，說明人員疏散能力有所減弱，這是因?yàn)槠渌麡菍釉跇翘蓍g出現(xiàn)了擁堵，由圖中曲線斜率幾乎保持不變可知這段時間人員疏散速率幾乎恒定，最后，人員全部撤離至安全區(qū)域，完成疏散。

場景2在場景1的基礎(chǔ)上對四、五、六樓的排課教室進(jìn)行調(diào)整，將上課教室安排在低層，疏散時間較場景1縮短了77.5s，這是因?yàn)榈蛯咏淌业桨踩珔^(qū)域的路程縮短，即使在樓梯口處仍然存在擁堵現(xiàn)象，但還是可以縮短疏散時間；場景3、4在場景1的基礎(chǔ)上調(diào)整后，疏散時間分別延長了81.5s、12s，這時因?yàn)閳鼍?將上課教室安排在高層教室，離安全區(qū)域較遠(yuǎn)，導(dǎo)致疏散時間延長。但場景4較場景3疏散時間卻縮短了69.5s，以東側(cè)樓梯口為例分析，雖然場景3和場景4在高層教室都安排了課程，但場景3四、五、六層都有課，而場景4只有二、四、六樓有課，因此場景3在五樓樓梯口會發(fā)生擁堵，而場景4在五樓樓梯口擁堵沒有場景3嚴(yán)重，甚至不會發(fā)生擁堵，從而縮短了疏散時間。

圖3 各場景教學(xué)樓人員疏散時間關(guān)系圖

(三)各出口累計(jì)疏散人數(shù)

圖4為各場景各出口疏散時間關(guān)系圖，由圖可以看出，剛開始一小段時間曲線落在橫軸上，表示還沒有學(xué)生疏散出來，之后斜率較大的一小段表示一樓的學(xué)生正逐漸撤離到安全區(qū)域，接著曲線斜率變小，并且有些出口的曲線圖會在某段呈臺階狀(圖5)，這是由于一樓外的其他樓層發(fā)生堵塞，導(dǎo)致疏散時間延長，且發(fā)生較短時間內(nèi)沒有人通過該出口疏散的情況。

由圖4可以看出，各場景下圖中各曲線的縱向間距不等，這表明每種場景下各出口疏散的人數(shù)不同，場景1(圖4(a))各曲線的縱向間距都較大，即疏散人數(shù)相差較多，疏散時間差距也較大；場景2、3、4門1和門2疏散人數(shù)相當(dāng)，門3和門4疏散人數(shù)相當(dāng)，提高了對出口的利用率，在一定程度上可縮短疏散時間，但場景3和場景4門疏散時間差較大，場景3最大疏散時間差110.5s，場景4最大疏散時間差103s，這會延長疏散時間。

圖4 各出口疏散時間關(guān)系圖

圖5 場景4門4疏散時間關(guān)系圖

(四)樓梯口流速

通過模擬仿真得出各樓層樓梯口的流速，繪制出各樓層樓梯口的流速時間關(guān)系圖，由此得出各樓梯口的疏散情況，從而判斷是否堵塞。由于各場景下各樓層樓梯口的流速時間關(guān)系圖曲線趨勢大致相同，選擇場景1六樓西側(cè)樓梯口為研究對象，對樓梯出口流速進(jìn)行分析，見圖6。由圖6可知，前3s疏散人員正選擇門離開教室，沒有人走進(jìn)樓梯間，流速為0，第4s時流速達(dá)到2per/s，這時教室的師生逐漸走出教室，走進(jìn)樓梯間，樓梯口還未發(fā)生堵塞，保持了4s，第8s時流速達(dá)到4per/s，此時是最大流速，接著流速減小，開始發(fā)生擁堵，但可緩慢移動，31s時流速為0，人員無法行進(jìn)，六層樓梯口人員不能疏散，直至513s六層人員疏散完畢。

圖6 場景1六層西側(cè)樓梯口流速時間關(guān)系圖

四、結(jié)論

通過運(yùn)用Pathfinder軟件進(jìn)行模擬仿真，設(shè)計(jì)4種不同排課場景，對比分析各場景疏散情況，得出如下結(jié)論：

(1)將上課教室安排在較低樓層，可減少人員總疏散時間，甚至可以有效利用各個出口。因此，學(xué)校在排課時，不僅要考慮教室的沖突及容納人數(shù)，而且要利用低層教室的優(yōu)勢合理排課，減少上、下課樓梯口擁堵現(xiàn)象，從而縮短疏散時間。

(2)充分利用各出口，使各出口的利用率達(dá)到最大，盡量減小各出口最后疏散的人員用時差距。在排課時，有關(guān)人員可以分析學(xué)生的心理因素，合理安排教室，提高各出口的利用率。

(3)各樓梯出口流速不斷發(fā)生變化，最大達(dá)到4per/s，這與各樓梯出口發(fā)生擁堵有關(guān)，因此要合理調(diào)整排課系統(tǒng)，控制各樓層可疏散人數(shù)，盡量增大一樓樓梯口的流速，且其他樓層樓梯口的流速不大于一樓樓梯口的流速，這樣可減緩擁堵，從而縮短疏散時間。