高校典型建筑物學生群體應急疏散研究

都恩源，陳心如，韓祥臨，宋 濤

(湖州師范學院 理學院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著社會經濟的發展，我國高校規模不斷擴大，高校已成為人群聚集場所，這在一定程度上增加了突發事故的人群疏散難度和二次事故發生率.高校人群聚集的典型建筑物主要為宿舍樓、教學樓、圖書館和實驗樓等，而突發事故中火災最為普遍，這給廣大師生的人身和財產安全造成了極大的威脅.據央視網統計[1]，近5年全國共發生學生宿舍火災2 314起，平均每天都有學生宿舍著火.在火災事件中，學生群體的消防安全意識薄弱，消防知識和逃生技能缺乏，造成大多數火災伴有人員傷亡；由于學校建筑物內人員密集，極易誘發二次事故(如踩踏)而造成二次傷害[2].特別是高校宿舍樓作為學生主要的活動和休憩場所，因建筑布局狹窄和人員集中，成為了研究高校安全事故中人群應急疏散的重點.

國內外學者已對高校建筑物內人群疏散進行了一些研究，其中以社會力模型為基礎進行推廣應用和仿真分析是較為典型的有效方法[3-4].龍圣杰等研究了多層宿舍學生群體疏散的撤離時間[5].周文科等改進社會力模型中的行人速度變化公式，用于研究人群疏散速度演化及路線選擇策略[6].鄭丹等引入蒙特卡洛法對比研究人群疏散時間，重點觀察人群折返滯留現象[7].何怡婧等采用問卷調查方法分析人群疏散行為的特征參數，模擬了男女生宿舍發生火災時的疏散情況[8].Wei等改進社會力模型，使得模擬產生的行人流基本圖與實測數據一致[9].本文基于社會力模型構建宿舍樓學生群體應急疏散模型，利用Anylogic軟件模擬研究宿舍布局對學生疏散的影響，最后對比2019年湖州師范學院學生應急疏散演練結果，對高校學生宿舍樓消防安全提出建議.

1 社會力模型原理

1995年，Helbing等提出社會力模型，指出在逃生過程中行人主要受3個作用力影響：驅動力、人與人間的作用力、障礙物和邊界排斥力[3].

(1) 驅動力來源于突發事故下人員的逃生意識，表示人員以期望速度朝著目標移動的力，疏散過程中的目標即為逃生出口，其方程為：

其中：FDi為行人i與目標D之間的驅動力；mi為行人i的質量；vdi為期望速度；vi為行人i的實際速度；τ為弛豫時間；xd-xi為行人i與目標d之間的距離.該方程表明，在同等作用時間內，由于人流量過大造成實際速度減慢，驅動力就會增加，進而促使人員產生急躁、恐慌心理，也易發生擁堵現象.

(2) 人與人之間的作用力主要是個體對其他行人的排斥力和吸引力.排斥力表現為在逃生時人們往往會選擇空間較大的地方前行；吸引力主要表現為結伴而行和跟隨效應.人與人之間的作用力可用以下動力學方程描述：

Fij=-dijVij[bij(dij)],dij=xi-xj,

其中：Fij為行人i與行人j之間的相互作用力；Vij為行人i與行人j相互作用力的函數關系式；bij為行人i與行人j橢圓等勢線的半長軸.在社會力模型中，行人形態常用圓或橢圓表示.圓或橢圓的大小即為行人的占地范圍.相較于驅動力，人與人之間的作用力除受兩人之間的距離因素影響外，還受半長軸bij的影響.

(3) 障礙物和邊界排斥力表現為行人在緊急疏散時會繞開障礙物向空曠地方逃生，而當靠近墻壁時行人會遠離躲避.其動力學方程描述如下：

其中：Fiw為行人i與障礙物和邊界w的排斥力；Uiw為行人i與障礙物和邊界w排斥力的函數關系式.顯然，障礙物和邊界排斥力受行人與障礙物之間的距離影響.

由上述3種力合成的行人運動計算公式為：

F總=FDi+∑Fij+∑Fiw.

經多年發展，社會力模型應用廣泛且改進眾多，被公認為描述人群運動最好的模型之一[4].

2 人群應急疏散模型

2.1 Anylogic行人仿真方法

Anylogic是一款針對主體建模，可在離散、連續和混合系統中使用的建模仿真軟件.該軟件對人群運動的仿真主要通過行人庫來實現，其核心優勢是能將以社會力模型為算法構建的行人流模型涉及的模擬區域和初始邊界條件分解成全局參數設置對象、環境對象和行人對象等.Anylogic軟件擁有較便利的圖形操作界面和數據分析工具，對人群運動的模擬效果非常逼真.本文構建以Anylogic 7.0為平臺的高校宿舍人群應急疏散模型，并進行仿真研究.

2.2 環境場景分析

高校宿舍樓布局簡單、人員密集，平面組織方式以旅館式為主.以湖州師范學院中校區學生宿舍樓為例，宿舍樓為內廊式布局，每層的南面有11個宿舍，北面有12個宿舍，共6層.每間宿舍長為6 m，寬為3.6 m.走廊寬為2 m，寢室門寬為1 m.宿舍樓共有兩部樓梯，分布在樓幢兩側，樓梯梯段寬為1.2 m，梯井寬為0.1 m，層高為4 m；西側樓梯為主要出口，出口寬為2.3 m，東側樓梯為緊急出口，出口寬為1.5 m.每間宿舍可住4人.圖1為學生宿舍樓布局平面圖.

圖1 學生宿舍樓布局Fig.1 Student dormitory building layout

2.3 行人參數與指標設定

(1) 逃生速度：逃生行為研究顯示[8]，行人較快的步行速度為1.49 m/s，放松狀態下的步行速度為1.1 m/s，整體平均步行速度為1.24 m/s.根據本研究設置的問卷調查顯示，學生屬于青壯年，其逃生速度較快，但內廊式布局的宿舍樓道狹長，空間封閉，在人群密集時人員移動速度較慢，且男女生在逃生過程中存在速度差異，男生步幅更大,因此在模型中將女生移動的速度設置為0.9～1.3 m/s，將男生移動的速度設置為0.9～1.5 m/s.

(2) 人體空間：參考成年人體尺寸[10]，男大學生體寬約為0.43～0.49 m，女大學生體寬約為0.40～0.46 m，因此在模型中將人體空間范圍圈半徑設置為0.4～0.5 m.

(3) 3個基本作用力參數：根據人體工程學中的論述[11]，中國成年男性在第5和第95百分位的體重分別為48 kg和75 kg，成年女性分別為42 kg和66 kg.綜合體重數據和大學生年齡特征，并結合問卷調查數據，在模型中將男生的平均體重設置為60 kg，將女生的平均體重設置為50 kg.一般默認的人體反應時間即弛豫時間為0.5 s，期望速度即最大逃生速度已設定，實際速度平均為1.24 m/s，故計算可得女生驅動力為6 N，男生驅動力為31.2 N；人與人間的作用力和障礙物與邊界對人的排斥力隨位置關系實時變化.

(4) 逃生出口選擇：根據調查結果和心理行為參數量化，發現學生在群體疏散過程中會優先選擇較近的出口，再選擇人較少的出口.

(5) 行人通行情況：根據建筑布局分析[10-11]，宿舍門每次可通行1人，主樓梯和主出口可通行2～3人，緊急樓梯和緊急出口可通行1～2人.

2.4 火災場景設置

火災突發性較強，若能在人員飽和的狀態下達到高效率的緊急疏散，對學生的安全具有一定的保障性.因此，本文將火災發生時間選擇為凌晨，此時所有學生還在安寢，共計552人；高校宿舍樓均有門禁措施，在凌晨時段宿舍樓出口門均處于關閉狀態.假設火災點靠近一樓宿舍管理員就寢區，但不影響兩個出口的疏散，火點布局如圖2所示.

圖2 火點布局Fig.2 Fire point layout

火災發生后，宿舍管理員在第一時間內察覺知曉，并在30 s內打開主出口和緊急出口，通知學生應急疏散需要30 s.30 s后，所有學生開始疏散，逃出宿舍一樓兩個出口的任意一個即可脫離危險.疏散過程以安全為準則，以應急疏散時間為指標，減少人員在煙氣中的停留時間，提高疏散效率是緊急疏散的關鍵要素.

3 模擬結果與分析

3.1 女生疏散過程特性

(1) 模擬結果與實際演練結果相符.模擬過程中，利用時間與人數關系表，記錄每次疏散時間，取30次的平均值，得到女生宿舍樓疏散總時間為626 s，如圖3所示.2019年11月8日，湖州師范學院組織2019級學生在中校區15～21幢宿舍樓進行滅火和應急疏散演練，由于只有一個年級的學生參與演練，每幢宿舍樓的人數均未達到最大值，約占總數的40%～60%，且學生對應急疏散均有心理準備，女生宿舍樓實際疏散總時間約為270 s.對比圖3可知，模擬結果與實際演練結果相符.

圖3 女生宿舍樓疏散時間關系圖Fig.3 The relationship diagram of crowd evacuation time in female dormitory building

(2) 堵塞嚴重，疏散效率較低.圖4為當火災發生400 s后宿舍樓一樓出口處附近的撤離場景.由圖4可見，兩個出口處均出現明顯因人員擁擠造成的堵塞情況.從圖3可以看出，360 s后學生疏散速度減慢，這是由于出口處通行能力固定，大量學生短時間內的集中造成了宿舍出口處人員排隊撤離.但此時如果個別學生因心理恐慌而推搡他人，就會極易造成踩踏事件等二次事故，且此時間段救援人員也無法通過出入口進入宿舍樓開展救援.

圖4 一樓出口處人群堵塞場景Fig.4 Scene of crowd jam at the exit of the first floor

(3) 緊急出口使用效率不佳.圖5為當火災發生后611 s和620 s時宿舍樓一樓出口處人員疏散情況.由圖5可見，此時主要出口處已無學生撤離，而緊急出口處直至模擬過程結束都有學生在逃生.由此表明，兩個出口在應急疏散時使用不平衡，沒有發揮出人群疏散所需要的最佳效果.結合問卷調查統計結果和現場建筑布局分析可知，造成上述情況的原因主要有兩個：一是緊急出口寬度比主要出口小，通行能力較低；二是學生疏散時會優先選擇較近樓梯和較少人走的出口.由此造成短時間內緊急出口處人員疏散負荷較大而無法及時向外疏散學生的現象.

圖5 一樓出口使用場景Fig.5 Poor use of the first floor exit

3.2 男生疏散過程特性

總體而言，男生宿舍樓疏散時間較短，疏散過程較順暢，在宿舍樓建筑布局相同的條件下，顯然與男生有較強的逃生能力有關.

男生宿舍樓疏散總時間為540 s，比女生宿舍樓疏散時間短，說明男生疏散效率較高.模擬結果顯示，緊急出口出現擁堵，顯然是由出口寬度狹窄與短時間內所承載的疏散人數需求不匹配造成的.圖6的緊急出口處人數較多，且出口寬度僅為1.5 m，因此造成了人群堵塞.圖7的主要出口較寬，不會造成明顯的人群擁堵，因此可以保證樓內人群持續有序地撤離.

圖6 男生宿舍樓主要出口場景Fig.6 Main exit scenes of male dormitory building

圖7 男生宿舍樓緊急出口堵塞場景Fig.7 Scene of emergency exit blocking in male dormitory building

3.3 男女生疏散過程共性

(1) 疏散時間不受火點位置影響.多次模擬結果表明，無論是女生宿舍樓還是男生宿舍樓，火點位置不論在哪層走廊，均不影響學生疏散的總體時間.如圖3和圖8所示，女生疏散總時間約為626 s，男生疏散總時間約為540 s.可見，男生逃生能力較強，6 min內就能疏散95%的人數，而女生疏散時間需要8 min；疏散后期的疏散人數下降緩慢，這是因為樓梯和出口處擁堵,導致學生的疏散速度降低.

圖8 男生宿舍樓疏散時間關系圖Fig.8 The relationship diagram of crowd evacuation time in male dormitory building

(2) 疏散過程中無人員傷亡.根據多次模擬結果顯示，在上述疏散時間內，學生宿舍樓發生火災后未造成人員傷亡.根據問卷調查結果、現場建筑布局勘驗和行人參數設定三方面綜合考慮模型模擬顯示，由于宿舍樓布局簡單、學生有序逃生、次第撤離、沒有因推搡他人等造成二次安全事故，一般不會發生大規模人員傷亡慘劇.

(3) 出口堵塞時出現成拱現象.由于出入口寬度較窄，當通行人員過多，特別是在應急疏散時人群互相擠壓則會發生擁堵，在出口處易形成拱形.疏散演練和模擬中均會產生此現象，如圖9所示.

圖9 堵塞成拱現象Fig.9 Blocking arching phenomenon

(4) 從眾行為明顯.在應急疏散過程中，男女生均表現出跟隨大部分人群行動的行為.模擬中發現，當緊急出口處樓梯暢通時，即使主要出口處樓梯人群擁擠，大部分學生還是選擇跟隨大眾繼續前行，只有少部分學生看到另一側樓梯暢通而轉變逃生方向，更改逃生路線.如圖10所示，在出現危險后，部分學生會跑向另一個出口尋找同伴，隨后也會有部分人員跟從，表現出從眾心理.

圖10 從眾行為Fig.10 Conformity behavior

(5) 結伴逃生行為.結伴行為在大學生中表現得十分常見，無論是男大學生還是女大學生多有結伴出行的心理，即在緊急疏散時，會叫上室友一起逃生.圖11為結伴行為的模擬表現.

圖11 結伴行為Fig.11 Association behavior

3.4 不利場景疏散過程模擬

選擇不利場景，即緊急出口關閉導致學生無法撤離，這種場景具有現實性.如果火災在緊急出口附近發生，此時緊急出口無法成為逃生出口.由于應急疏散時消息不能及時傳遞，部分學生從右側樓梯下到二樓后發現無法通過緊急出口撤離，就會通過二層內廊前往主要出口逃生；另一部分學生則知曉緊急出口無法逃生，也會優先選擇左側樓梯從主要出口撤離.模擬結果顯示，女生宿舍樓疏散總時間為1 697 s，男生宿舍樓疏散總時間為1 592 s.

由此可見，不利場景下的學生疏散時間幾乎是安全場景下疏散時間的3倍.如圖12所示，疏散過程中人群擁堵、折返跑動、滯留等現象明顯.在緊急出口的二層樓梯處，學生因無法及時撤離而多次折返，在樓道內來回跑動，表現出恐慌效應，此時極易出現推搡他人或體力不支暈倒等情況，從而造成踩踏等二次事故.由此可見，緊急疏散通道對應急疏散起著至關重要的作用，一旦關閉，則會因無法安全撤離而造成人員傷亡.

圖12 疏散現象Fig.12 Phenomenon in evacuation

3.5 建筑布局改進后疏散過程模擬

在模擬過程中發現，宿舍樓兩側樓梯和出口處的人群擁擠現象影響了應急疏散效率，且女生疏散效率比男生低.因此，模擬增加女生宿舍樓出口寬度和樓梯寬度，以對比分析女生疏散效率情況.

(1) 僅模擬增加緊急出口寬度，使之與主要出口寬度一致.模擬結果顯示，女生疏散總時間為583 s.將緊急出口加寬至可通行2～3人，相較于只能通過1～2人的情形，可減少43 s，疏散效率提高7%，效果明顯.

(2) 將緊急出口與主要出口寬度保持一致后，再將東側樓梯寬度增加至西側樓梯寬度，這樣東西兩側的樓梯和出口寬度均可同時通行3～4人，模擬的女生疏散時間為565 s，比僅增加緊急出口寬度減少約18 s.

圖13 兩邊均可通行3～4人模型Fig.13 Both sides can pass 3～4 person model

如果繼續增加樓梯和出口的寬度，疏散效率會不斷提升，但當寬度增加至可通行4～5人時，疏散時間降低得并不明顯，且對宿舍樓而言，過寬的樓梯和出口需要改動建筑設計和增加成本.因此，綜合上述兩種建筑布局改動情況可知，在宿舍樓不做大幅度環境改造的情況下，僅增加緊急出口寬度即可有效減少疏散總時間，從而提升逃生效率.

4 結 語

本文基于社會力模型，利用Anylogic軟件對高校典型建筑物中的學生宿舍樓應急疏散過程進行仿真分析.對比實際的學生應急疏散演練過程和結果發現，模擬過程可較合理地反映男女大學生應急疏散情況，既可展現堵塞成拱、從眾和結伴行為等男女學生疏散過程的共性，又可表現出男女生性別差異造成的不同疏散特性.

基于仿真實驗結果，對高校宿舍樓安全應急疏散提出如下建議：一是在不變更建筑設計的前提下適當增大緊急出口寬度，以提升逃生效率；二是應有序地組織學生疏散，避免因從眾行為和出口堵塞造成的二次傷害事故.