基于河北工程大學(xué)建筑館的樓梯疏散能力仿真分析

王振報(bào)，溫蘇皖

(河北工程大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

綜合教學(xué)樓作為一個(gè)較為封閉且瞬時(shí)流量大的建筑，日常使用中擁擠的現(xiàn)象普遍存在，其安全問(wèn)題日益突出[1-2].樓梯作為建筑內(nèi)部行人疏散的關(guān)鍵部位，其設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)建筑的疏散效率有著重要影響.目前，對(duì)于樓梯的設(shè)計(jì)大多采用定性分析和經(jīng)驗(yàn)判斷，對(duì)其疏散能力少有具體判斷.筆者通過(guò)運(yùn)用仿真技術(shù)，結(jié)合樓梯自身特性以及行人特性進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算出樓梯的疏散能力，可輔助建筑設(shè)計(jì)，提高人群疏散效率，避免在緊急事件下出現(xiàn)安全問(wèn)題.

本文以河北工程大學(xué)建筑館為例，進(jìn)行突發(fā)事件下的樓梯疏散能力仿真分析.

1 河北工程大學(xué)建筑館概述

河北工程大學(xué)建筑館位于河北工程大學(xué)東南區(qū)域，毗鄰校園主干道與東入口.根據(jù)建筑學(xué)科和建筑館本身的特點(diǎn)，提出工匠營(yíng)國(guó)的設(shè)計(jì)理念，圍繞交流空間進(jìn)行內(nèi)部功能布局設(shè)計(jì).通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)活躍的交流空間，旨在為建筑系學(xué)生提供理性思考的場(chǎng)所.將交流空間的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，并根據(jù)空間的特點(diǎn)將交流空間分為不同的屬性和使用方式，使每個(gè)交流空間都能更好地發(fā)揮自己的作用[3].其室內(nèi)效果和功能區(qū)域分布分別見(jiàn)圖1 和圖2.

圖1 河北工程大學(xué)建筑館室內(nèi)效果

圖2 河北工程大學(xué)建筑館功能區(qū)域分布

2 仿真模擬構(gòu)建及計(jì)算

2.1 行人仿真技術(shù)概述

行人仿真是一項(xiàng)通過(guò)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和數(shù)學(xué)理論等，采用虛擬現(xiàn)實(shí)方法，對(duì)行人交通系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際模仿的應(yīng)用技術(shù).它主要用于模擬各種模型場(chǎng)景，探索行人、人群和基礎(chǔ)設(shè)施之間的交互方式，對(duì)場(chǎng)所的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，并評(píng)估不同級(jí)別的行人需求的影響；還用于火車站[4-5]和地鐵站[6]等人流大或較大的場(chǎng)所的步行模擬，以期尋找設(shè)計(jì)方案中存在的短板，并幫助設(shè)計(jì)師加以改進(jìn).

2.2 模型構(gòu)建

假定緊急事件發(fā)生，通過(guò)Legion 軟件對(duì)建筑內(nèi)疏散樓梯進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)仿真模擬輸出疏散時(shí)間和疏散人數(shù)，并計(jì)算得出樓梯的最大疏散能力[7].本文同時(shí)設(shè)置3 種場(chǎng)景研究影響樓梯疏散能力的關(guān)鍵因素，對(duì)比得出最佳樓梯設(shè)計(jì)方案，有助于設(shè)計(jì)師結(jié)合需求合理科學(xué)地確定最佳樓梯寬度，有效提高突發(fā)事件下的建筑物疏散效率[8].

此次主要研究行人下行時(shí)樓梯的疏散能力，仿真技術(shù)路線見(jiàn)圖3.

圖3 建筑館樓梯疏散能力仿真技術(shù)路線

以日常疏散最為擁擠的建筑館東南角樓梯間作為主要研究對(duì)象即1#樓梯，編號(hào)見(jiàn)圖4，樓梯尺寸見(jiàn)表1.基于樓梯的特性，同時(shí)研究樓梯寬度以及疏散開(kāi)口方向?qū)翘菔枭⒛芰λ斐傻挠绊懀⒁源藰?gòu)建仿真模型.

圖4 疏散樓梯分布

表1 疏散樓梯尺寸

2.3 行人特性

2.3.1 行人個(gè)體差異

由于性別、年齡等的差異，疏散時(shí)的行人將產(chǎn)生不同的心理，從而產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而影響樓梯的疏散能力[9].

1)年齡：教學(xué)樓內(nèi)98%為中青年，身體條件好，反應(yīng)迅速，行走速度較快；2%為老年，行走速度緩慢.

2)性別：教學(xué)樓內(nèi)男女比例接近1∶1，男性更為積極，步幅較大，易做出跳躍等行為，快于理論男性基礎(chǔ)行走速度[10].

3)心理：疏散時(shí)行人行走空間較為狹小，行為受到空間的約束，不易造成超越等行為，排隊(duì)行走行為明顯.

2.3.2 行人特征

建筑學(xué)院在校本科和碩士生共1 540 名，教師91 名.參考Fruin[11]的研究結(jié)果，根據(jù)我國(guó)行人步行特征，并經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研，仿真模型中采用的實(shí)體速度見(jiàn)表2.

表2 行人速度參數(shù)值 m·s

2.4 樓梯疏散能力計(jì)算

樓梯疏散能力的研究大多基于文獻(xiàn)[12].當(dāng)行人行走緩慢，存在停滯的現(xiàn)象，即可認(rèn)為達(dá)到了樓梯的疏散能力.計(jì)算樓梯疏散能力公式為

式中，C代表樓梯實(shí)際疏散人數(shù)，單位為人/h；J為疏散能力，即單位時(shí)間內(nèi)樓梯寬度通過(guò)的行人數(shù)，單位為人/(m·h)，考慮到行人疏散的緊急性，將單位轉(zhuǎn)化為人/(m·min)；w為樓梯的寬度，單位是m；k為折減系數(shù)，考慮到疏散事件緊急屬單向人流，無(wú)需折減；Δc則為時(shí)間間隔tΔ (單位是h)內(nèi)樓梯上通過(guò)的乘客數(shù)量.因此，最終疏散能力公式J為

3 仿真結(jié)果及計(jì)算

3.1 樓梯疏散能力

通過(guò)Legion 所建立的場(chǎng)景進(jìn)行仿真，從而得出樓梯的疏散能力.

場(chǎng)景1：緊急事件疏散，建筑館1#疏散樓梯，樓梯寬度1.8 m，出口方向與樓梯方向垂直.輸入1 000～8 000 人/h 的流量，從而得出某一輸入值下最大的輸出流量，并取10 次仿真結(jié)果的平均值，得出仿真結(jié)果，見(jiàn)表3.

表3 場(chǎng)景1 疏散仿真結(jié)果 人·h-1

由圖5 可以看出，伴隨著輸入人流增加，輸出人流也在不斷增加.當(dāng)輸入人流達(dá)4 000 人/h時(shí)，輸出人流趨于最大化，此時(shí)，即使再增加輸入人流，輸出人流也不再增加，說(shuō)明此時(shí)到達(dá)了該樓梯的疏散能力.根據(jù)式(3)，該樓梯疏散能力J為同時(shí)仿真并計(jì)算出其余樓梯疏散能力J見(jiàn)表4.各樓梯的疏散能力差異較大，分布在32 和49人/(m·min)之間.

圖5 場(chǎng)景1 仿真結(jié)果

表4 各樓梯疏散能力 人·(m·min)-1

3.2 樓梯寬度對(duì)疏散能力的影響

該場(chǎng)景將研究不同的樓梯寬度對(duì)于樓梯疏散的影響.

場(chǎng)景2：緊急事件疏散，建筑館1#疏散樓梯，樓梯寬度從1.8 m逐漸增至1.9，2.0，2.1 和2.2 m，出口方向與樓梯方向垂直.輸入1 000～8 000 人/h 的流量，從而得出某一輸入值下最大的輸出流量，并取10 次仿真結(jié)果的平均值.得出的仿真結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 場(chǎng)景2 疏散仿真結(jié)果

由圖6 可以看出，隨著樓梯寬度的提升，總輸出人流與樓梯寬度成正比，即

圖6 場(chǎng)景2 仿真結(jié)果

由圖6 可知，樓梯寬度并未對(duì)樓梯疏散能力造成太大影響，但隨著樓梯寬度的提升，可以有效地提高疏散人數(shù)，單位時(shí)間Δt內(nèi)提高值Δc為

實(shí)驗(yàn)得出，樓梯疏散能力J不受樓梯寬度的影響，但樓梯疏散人數(shù)與樓梯寬度呈正比，相關(guān)系數(shù)即為模擬計(jì)算得出的疏散能力J.

3.3 疏散出口朝向?qū)κ枭⒛芰Φ挠绊?/h3>

該場(chǎng)景將研究疏散出口朝向即與樓梯同向或垂直于樓梯方向，對(duì)疏散能力的影響.

場(chǎng)景3：緊急事件疏散，建筑館1#疏散樓梯，樓梯寬度1.8 m，在不改變疏散門尺寸的前提下，出口方向改為與樓梯方向同向，見(jiàn)圖7.輸入1 000～8 000 人/h 的流量，從而得出某一輸入值下最大的輸出流量，并取10 次仿真結(jié)果的平均值.得出的仿真結(jié)果見(jiàn)表6.

圖7 不同的疏散出口布局

表6 場(chǎng)景3 疏散仿真結(jié)果 人·h-1

圖8 場(chǎng)景3 仿真結(jié)果

由圖8 可以看出，根據(jù)多次輸出流量的平均值4044 人/h 計(jì)算，當(dāng)輸出人流趨于最大化時(shí)，樓梯的疏散能力最大值略大于場(chǎng)景1，即

由此可見(jiàn)，當(dāng)疏散門方向與樓梯方向同向時(shí)，對(duì)疏散能力有所提升，但影響不大，相較于場(chǎng)景1 的36 人/m·min，大約提升了5%.

3.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

實(shí)驗(yàn)建立了3 種不同場(chǎng)景下緊急事件疏散，對(duì)建筑館疏散樓梯進(jìn)行疏散測(cè)試，測(cè)得樓梯疏散能力J，樓梯疏散能力不受樓梯寬度影響，樓梯疏散人數(shù)與樓梯寬度呈正比，相關(guān)系數(shù)為疏散能力J；疏散出口方向與樓梯同向相較于垂直于樓梯方向，對(duì)樓梯疏散能力提升約為5%，沒(méi)有造成太大影響.

4 疏散能力應(yīng)用

4.1 疏散能力公式應(yīng)用

對(duì)于設(shè)計(jì)階段的建筑可以通過(guò)疏散人數(shù)以及時(shí)間需求較為準(zhǔn)確地計(jì)算并設(shè)計(jì)樓梯寬度，即

式中，w為樓梯寬度，單位是m；c代表樓梯需求疏散人數(shù)；J即為疏散能力，單位是人/(m·min)；t為需求疏散時(shí)間，單位是min.

對(duì)于已建成建筑，亦可通過(guò)疏散能力J較為準(zhǔn)確地計(jì)算出該處樓梯的疏散時(shí)間，并提供日常管理建議，即

4.2 河北工程大學(xué)建筑館樓梯疏散研究及管理建議

該場(chǎng)景通過(guò)計(jì)算每處疏散樓梯的疏散能力J，并研究在建筑館人員滿載情況下緊急疏散所需疏散時(shí)間t，同時(shí)結(jié)合仿真模擬結(jié)果，對(duì)建筑館日常維護(hù)管理提出相應(yīng)策略.

圖9 建筑館防火分區(qū)及疏散平面

建筑館共有5 層，2 層及以上各層平面功能分區(qū)相同，根據(jù)建筑館防火分區(qū)圖(見(jiàn)圖9)，建筑學(xué)院共分2 個(gè)防火分區(qū)，防火分區(qū)Ⅰ內(nèi)的1#和2#疏散樓梯主要承擔(dān)建筑南部大型教室人員疏散，計(jì)200 人/層，含1～5 層；防火分區(qū)Ⅱ內(nèi)的3#和4#樓梯主要承擔(dān)建筑北部研究辦公室人員疏散，計(jì)85 人/層，含1～4 層.

1 層人員不需要通過(guò)疏散樓梯即可到達(dá)安全出口，1 層各樓梯間需承擔(dān)1 層以上每層的人員疏散，故此次計(jì)算將選取疏散壓力最大的1 層各樓梯的疏散時(shí)間.根據(jù)建筑館疏散平面圖將人員分配給每個(gè)疏散樓梯，并根據(jù)樓梯疏散能力公式(9)計(jì)算，各樓梯的疏散時(shí)間見(jiàn)表7.

表7 各疏散樓梯疏散時(shí)間

由表7 可以看出，樓梯1#疏散能力一般，疏散人數(shù)眾多導(dǎo)致疏散時(shí)間較長(zhǎng)，在日常管理時(shí)需要時(shí)刻保持樓梯間的暢通，以防緊急時(shí)刻造成疏散阻塞，必要時(shí)還需引導(dǎo)人流至其他疏散樓梯疏散；樓梯2#疏散能力較好，在疏散人數(shù)大的情況下也可以較好地完成疏散任務(wù)，緊急疏散時(shí)在疏散壓力不大的情況下，管理人員可適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)樓梯1#的人流至樓梯2#；樓梯3#和4#疏散時(shí)間相對(duì)較短，較好地滿足了當(dāng)前疏散需求.通過(guò)仿真模擬得出的疏散擁擠點(diǎn)分布見(jiàn)圖10，其中顏色越深代表該處越擁擠.

圖10 建筑館疏散擁擠點(diǎn)分布

5 結(jié)論

1)對(duì)于任一樓梯，樓梯疏散能力不受樓梯寬度的影響，樓梯疏散人數(shù)與樓梯寬度呈正比.

2)對(duì)于平面布局位置不同的多個(gè)樓梯，各個(gè)樓梯的疏散能力結(jié)果差異較大.

3)改變疏散出口朝向，與樓梯同向相較于與樓梯方向垂直能提升約5%的疏散能力.

利用仿真模擬手段對(duì)河北工程大學(xué)建筑館在突發(fā)事件下各樓梯的疏散能力進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算比較各樓梯的疏散時(shí)間，并針對(duì)疏散時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的樓梯，引導(dǎo)人流從其他樓梯疏散，有利于減少建筑整體疏散時(shí)間.