考慮教學樓教室布局對疏散效率的仿真模擬研究

劉康明

摘要：為了有效的提高校園安全和人員疏散效率，避免在發(fā)生突發(fā)情況時造成人員踩踏等事故的發(fā)生，筆者搭建了教學樓內(nèi)教室布局的模型，設(shè)置了4種不同教室布局的工況，利用pathfinder軟件進行模擬，并將得到的數(shù)據(jù)進行分析，還從通道的疏散水平和人員密度兩項指標展開了研究分析。研究結(jié)果表明，教學樓內(nèi)教室布局對人員疏散效率的影響是巨大的，合理的規(guī)劃布置教學樓內(nèi)的教室，能夠有效的提高疏散效率，降低人員在疏散出口和疏散通道內(nèi)形成堵塞。為下一步對校園安全中人員疏散的研究提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：教室布局;人員疏散;Pathfinder;仿真模擬

中圖分類號：TU998.1? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）06-0010-03

隨著國家經(jīng)濟水平的飛速提高，人民的生活水平也得到了長足的發(fā)展，人們對于孩子的教育也越來越重視。學校作為人員密集場所，其消防安全一直是人們所關(guān)注的重點。當發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)狀況時，如何讓學生安全的、有序的疏散至安全區(qū)域，一直是國內(nèi)外專家研究的熱點問題。校園火災(zāi)因其有著人員高度聚集、疏散出口狹窄、火災(zāi)荷載大、疏散困難和極易發(fā)生踩踏事故等特征，所以存在著極高的消防隱患。近年來，校園安全事故頻發(fā)，尤其是擁擠踩踏事件，大都發(fā)生在疏散過程中。表1總結(jié)了部分近年來中國校園內(nèi)發(fā)生的安全事故情況。由此看來，針對校園安全中的人員疏散規(guī)律和疏散效率問題的研究仍不能忽視。

國內(nèi)外專家學者對于學校的人員疏散問題做了大量的研究。如董力耘等利用改進的元胞自動機模型對教室的人員疏散進行建模，并模擬分析影響疏散效率的因素。吳成來運用元胞自動機模型對教室人員疏散進行建模，并模擬了其疏散軌跡，提出了改進的疏散方案。陳永淇等利用元胞自動機模型建模研究了教室內(nèi)布局對人員疏散的影響。陳亮等通過建立元胞自動機模型，研究分析了教室內(nèi)桌椅結(jié)構(gòu)不同，對疏散效率影響的大小。段曉茵等運用了實驗的方法，對3種出口寬度和4種桌椅排列方式進行多次實驗，并對收集到的實驗數(shù)據(jù)進行分析。董力耘等利用動態(tài)背景場元胞模型研究了雙出口教室中的出口寬度和桌椅排列對疏散效率的影響。張媛媛等對各年齡段學生的群體特征進行了統(tǒng)計分析，并利用STEPS數(shù)值模擬所得參數(shù)的有效性。王錕等利用pathfinder軟件對教學樓出口人員疏散進行模擬，研究分析教室排課不同對疏散效率的影響。陳志堅等運用社會力模型研究三維階梯教室單雙門情況下的4種座位布局對疏散效率的影響。賈宇統(tǒng)計分析了人員的行為特征和特征參數(shù)，并將得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于教學樓人流交匯處模型進行對比驗證。

在閱讀大量的文獻資料后，針對學校人員疏散規(guī)律及其影響因素的研究有很多，有研究疏散出口寬度的，有研究教室內(nèi)桌椅排列方式的，有研究學校排課合理性的，還有研究教室出口數(shù)量的等等。本文基于已有的研究成果，開展針對教學樓教室布局的不同對人員疏散效率的影響規(guī)律，為校園建設(shè)在考慮人員安全疏散安全問題上提供指導意見。

一、模型的建立

（一）選擇模擬軟件

近年來，Pathfinder作為一款基于人員疏散和移動模擬的仿真器，被廣泛應(yīng)用于模擬各種場景下的人員疏散。人們通過運用該軟件進行建模、模擬和數(shù)據(jù)分析，很好的對人員疏散規(guī)律和人員疏散行為進行了深入的研究。

（二）設(shè)置參數(shù)

本文通過建立一個長34米，寬7米的模型，以模擬教學樓一層的平面圖，模型中包含有2間7米長6米寬的階梯教室分布于東西兩側(cè)，中間布置有4間長5米寬3米的小教室分布于南北兩側(cè)，一共設(shè)置有2個疏散出口，每個工況下的總的疏散寬度均為4米。

1.工況設(shè)置：設(shè)置4種不同的教室布置方式，其余參數(shù)均不變，如圖1所示。

2.人員參數(shù)：本文針對教室的布局不同，對人員疏散效率展開研究，故對人員基本特征和其特征參數(shù)保持不變，均為pathfinder軟件對人員屬性的基本設(shè)置。

3.人員數(shù)量與初始位置：每個工況均設(shè)置300名待疏散人員，且隨機分布于一層教學樓教室和走道的各個區(qū)域。

二、結(jié)果分析

設(shè)置好工況和基本參數(shù)后，在pathfinder疏散模擬軟件窗口搭建模型，對4種工況進行模擬，并記錄數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)果，如表2所示。

我們由以上得到的模擬數(shù)據(jù)分析可以知道，工況3所用的疏散時間最短，為104.8s。工況1的疏散時間為167.3s，所用疏散時間為4種工況中最長。工況2和4所用疏散時間均在130s左右。我們可以發(fā)現(xiàn)，工況2和4的疏散時間之所以相近，是因為東西兩側(cè)的階梯教室的人員疏散均只受南北兩側(cè)2個小教室的影響。工況1的時間最長是因為東西兩側(cè)的階梯教室的人員疏散受到南北兩側(cè)4個小教室的影響，造成擁堵的時間更長。工況3的疏散時間最短是因為東西兩側(cè)的階梯教室的人員疏散不受南北兩側(cè)小教室的影響，能夠很快的進入到疏散通道中，進而疏散至安全區(qū)域。

由模擬得到的結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，教學樓內(nèi)教室的布局對人員疏散效率的影響是顯著的。合理的教室布局能夠有效的提高人員疏散效率，降低發(fā)生擁堵的風險。我們從中也可以得到經(jīng)驗，大的階梯教室盡量布置在疏散出口附近，或大的階梯教室能夠設(shè)置單獨的疏散出口，以使人員的疏散效率得以提高。

三、問題討論

通過pathfinder的模擬，我們獲得了結(jié)果，并進行了初步的分析，可以知道的是教學樓內(nèi)教室的布局確實會影響人員疏散效率。第3節(jié)我們通過針對通道的疏散水平和人員密度兩項指標進行深入探究，看看教學樓內(nèi)教室的布局對人員疏散的影響是如何體現(xiàn)的。

（一）通道的疏散水平

我們可以觀察一下各個工況里通道的情況，研究教學樓內(nèi)教室的布局對人員疏散效率有哪些影響，如圖2所示。

由圖2可以非常明顯的看出，每個通道的通行水平有非常大的區(qū)別。工況1中橫向走道在兩端形成了較長的袋型走道，人員疏散順序依次由離疏散出口較近的教室向里，面積較大、待疏散人員較多的階梯教室最后疏散，人員大都擁堵在教室門口和通道處，使得疏散效率大大降低，疏散速度慢。工況2和4在50s時，位于中部的教室的人員基本疏散完畢，東西兩側(cè)形成較短的袋型走道，影響人員疏散效率的原因依然是小教室和階梯教室之間的匯集點。工況3由于沒有形成袋型走道，小教室和階梯教室沒有匯集點，所以人員能夠較快的進入疏散通道，疏散至安全區(qū)域。

通過以上分析，我們可以知道，教學樓內(nèi)教室的布局確實會影響人員疏散效率。我們在對教學樓內(nèi)的教室布局進行布置時，盡量避免袋型走道的出現(xiàn)。因為袋型走道對人員疏散效率的影響是巨大的，人員在通道內(nèi)的匯集點大量的聚集，人員會在通道內(nèi)停滯不前，降低通道的疏散水平。

（二）人員密度

上文分析了通道的疏散水平對疏散效率的影響，接下來我們對4種工況下人員密度進行分析，教學樓內(nèi)教室的布局對人員密度的影響是怎樣的？疏散效率的規(guī)律又是怎樣的？圖3所示為4種工況在50s時人員密度的情況。

從圖3可以觀察到，人員的密度分布情況與上節(jié)中通道的疏散水平的情況是一致的。人員密度高的地方集中在教室的門口位置和通道內(nèi)各個教室疏散人員的匯集點處。在工況1，2和4的袋型走道的人員匯集點處，人員密度最高，在整條袋型走道上人員密度都達到了3人/m2以上。而工況3的情形較另外3種工況的情況要改善很多，高密度人群分散在幾個教室出口和疏散通道的點上，并未形成大面積的高密度人群。

通過對人員密度的分析，我們能更加清晰的知道教學樓內(nèi)教室的布局對人員的疏散效率的影響是如此的重要。同時也找到了教室應(yīng)如何布置才能更好的避免人員在疏散走道內(nèi)匯集造成堵塞的解決辦法，就是盡量將大教室和小教室分開布置，避免人員在通道內(nèi)出現(xiàn)匯集點，將匯集點分散，進而提高人員疏散效率。

四、結(jié)語

教學樓內(nèi)教室的布置很大程度上決定了人員疏散效率的高低，如果不能很好地規(guī)劃好教室的布置，將會導致疏散效率和疏散速度大大降低，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

本文第3節(jié)對通道的疏散水平和人員密度進行了分析，很好的印證了教學樓內(nèi)教室的布置對人員疏散效率的影響，并總結(jié)了對應(yīng)的解決辦法。

首先，教學樓內(nèi)教室的布置應(yīng)該盡量形成袋型走道，袋型走道對疏散效率的影響是巨大的。其次，大教室應(yīng)盡量布置在里疏散出口較近的位置，和小教室分開布置，將疏散人員在通道的匯集點分散。最后，大教室盡可能設(shè)置單獨的疏散出口，或增加疏散出口的數(shù)量，以提高人員疏散效率，以降低人員在教室出口位置堵塞的風險。

本文通過搭建教學樓內(nèi)教室布局模型，并設(shè)置4種不同的工況對疏散效率展開模擬研究，得到的結(jié)果是教學樓內(nèi)教室的布置對人員疏散效率有明顯的影響。未來下一步，可針對教室內(nèi)的桌椅排列、教室內(nèi)課桌間通道的數(shù)量、寬度等展開研究，進一步為提高校園安全和人員疏散效率提供理論支撐。

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