基于Revit和Pathfinder的地鐵車站安全疏散模擬研究

邵志國，王昕鴻，于德湖

(1.青島理工大學(xué) a.管理工程學(xué)院；b.土木工程學(xué)院，青島266525；2.智慧城市建設(shè)管理研究中心，青島 266525)

隨著中國城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大量人口在城市集聚。然而，城市土地資源有限，運輸車輛的增加和人口的大量增長造成城市交通擁堵、交通事故頻發(fā)等一系列安全問題頻發(fā)。為滿足人們對交通出行的需求，目前我國各一線城市、新一線城市及省會城市紛紛規(guī)劃與建設(shè)地鐵線路。地鐵的建設(shè)既為人們的出行提供便利，也有利于緩解環(huán)境問題和土地資源利用問題[1]。但是，作為城市交通運輸?shù)闹饕d體，地鐵在方便人們出行的同時，也面臨著地震、洪水等大量的自然與社會風(fēng)險影響，稍有不慎，相關(guān)地鐵事故將造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，如何更好地保證地鐵運營安全，在突發(fā)事件發(fā)生時能夠進(jìn)行有效地地鐵安全疏散成為當(dāng)今社會亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)學(xué)者已在地鐵安全疏散方面展開了較多研究，并取得一定成果。金澤人等[2]建立元胞自動機的場強模型進(jìn)行了在火災(zāi)情況下的人群疏散仿真研究；王夢思等[3]提出面向人群疏散模擬的異構(gòu)情緒感染模型；靳寧[4]將蟻群算法與Agent理論結(jié)合運用于安全疏散路徑研究；連海濤等[5]提出多目標(biāo)粒子群的擁擠人群疏散路線規(guī)劃方法，建立目標(biāo)函數(shù)以達(dá)到提高疏散效率，降低疏散風(fēng)險和擁擠程度的目的。同時，國外學(xué)者對地鐵安全疏散問題的研究也取得不少成果。KADOKURA等[6]利用停步自動扶梯進(jìn)行人群步行實驗，并對地鐵火災(zāi)場景進(jìn)行了煙氣運動仿真，根據(jù)模擬結(jié)果，檢驗了使用自動扶梯進(jìn)行疏散的可行性和存在的問題；ROH等[7]利用火災(zāi)動態(tài)模擬程序(FDS V406)預(yù)測火災(zāi)過程中煙氣的擴散和安全疏散時間；KANG[8]提出了一個用于地鐵車站緊急疏散模擬的隨機模型，利用蒙特卡羅方法和宏觀仿真技術(shù)建立了MCEVAC模型來預(yù)測疏散時間。

以上學(xué)者運用了數(shù)學(xué)模型、模擬實驗、仿真軟件等方式對地鐵站進(jìn)行了人員疏散模擬，但并未建立直觀的三維模型來保證研究的實際應(yīng)用性。因此，本文將Revit軟件與Pathfinder軟件相結(jié)合，參照工程圖紙及各項指標(biāo)，建立BIM三維模型，使得仿真結(jié)果更加有效，得到的模擬數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。同時，本文研究了地鐵人員滿負(fù)荷狀態(tài)下的疏散過程，得到疏散瓶頸和極限人員密度。研究成果可為在建地鐵工程提供一定指導(dǎo)性建議和改進(jìn)措施。

1 基于Revit與Pathfinder的地鐵人員安全疏散分析

地鐵運營階段是地鐵項目整個生命期中時間最長的階段，運營風(fēng)險是地鐵建造完成投入使用后的主要風(fēng)險，受到多種不確定性因素影響。地鐵事故一旦發(fā)生，對人員及社會的影響最為直接，通常會造成重大人員傷亡、經(jīng)濟損失及社會影響等。因此，如何做好風(fēng)險應(yīng)對措施，在風(fēng)險發(fā)生時進(jìn)行合理的安全疏散至關(guān)重要。

BIM模型在建筑行業(yè)中廣泛應(yīng)用，它能夠準(zhǔn)確利用三維圖形描述建筑物自身構(gòu)造。同時，Pathfinder疏散軟件作為一款火災(zāi)疏散軟件，擁有特殊人員運動模式，系統(tǒng)將自動進(jìn)行路徑規(guī)劃，碰撞處理，使得仿真疏散過程更加真實有效。目前已有多位學(xué)者通過BIM模型與Pathfinder軟件相結(jié)合，較好地研究大型綜合類建筑(如商場)、高層住宅建筑物的火災(zāi)疏散及其優(yōu)化問題。因此，本文選取實際地鐵工程作為研究對象，建立BIM三維模型，利用Pathfinder疏散軟件對地鐵安全疏散進(jìn)行具體分析。

1.1 模型假設(shè)

1) 疏散過程中，人員不受心理、生理、外界環(huán)境等因素影響；

2) 相同類別的人員具有相同的身體結(jié)構(gòu)及逃生速度；

3) 人員的疏散速度僅跟其所在站層人員密度相關(guān)；

4) 不考慮在疏散過程中人員發(fā)生意外的情況。

1.2 模型建立

1.2.1 基于Revit的地鐵站BIM模型

本文選取一處地下2層島式地鐵站，站臺寬12 m，主長177.35 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬20.7 m。地下1層是站廳層，地下2層是站臺層，車站總建筑面積為12 036.16 m2，車站主體建筑面積為7 718.96 m2，附屬建筑面積為4 317.2 m2。站廳層共設(shè)置4個出入口，站臺層共設(shè)置3個樓梯。當(dāng)危險發(fā)生時，站臺層人員可通過任意樓梯向站廳層疏散，人員順利通過安全出口視為逃生成功。

根據(jù)工程圖紙，利用Revit軟件建立BIM模型作為模擬疏散的基礎(chǔ)三維模型，如圖1所示。

圖1 地鐵車站BIM模型

1.2.2 基于Pathfinder的地鐵站疏散模型

Pathfinder是由Thunderhead Engineering公司開發(fā)的一款直觀的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)。由于Pathfinder系統(tǒng)不支持Revit導(dǎo)出的模型文件格式，所以首先將Revit模型導(dǎo)入CAD軟件中，將模型轉(zhuǎn)成CAD格式，然后將轉(zhuǎn)成的CAD模型再導(dǎo)入Pathfinder軟件，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入Pathfinder軟件的PTH模型

為保證模型能夠簡潔直觀地反映人員疏散時的情景，需要對模型進(jìn)行簡化，僅留下疏散模擬所必需的結(jié)構(gòu)。首先，將模型中妨礙觀察疏散過程的墻體、柱子等構(gòu)件進(jìn)行刪除，其次提取房間，不同顏色的模塊代表不同的房間(如洗手間、電纜間、配電室等)，在房間上添加疏散所必需使用的門和樓梯，綠色門代表安全出口。簡化后的疏散模型如圖3所示。

圖3 簡化后的疏散模型

2 仿真模擬

2.1 約束參數(shù)的確定

約束參數(shù)的確定主要包括對疏散人數(shù)和疏散人員指標(biāo)的確定。

1) 根據(jù)Revit模型，站廳層的實際疏散面積為975.68 m2，站臺層的實際疏散面積為1128.6 m2。一般情況下，地鐵站的人員密度在0.30～0.65人/m2[8]，具體參數(shù)可根據(jù)城市和車站的具體情況決定。根據(jù)地鐵人員密度舒適范圍可知，人員密度在0.65人/m2時，符合正常地鐵人員流通標(biāo)準(zhǔn)。假設(shè)人員密度P=0.65人/m2，則站廳層參與疏散的人數(shù)為0.65×975.68=635人，站臺層參與疏散的人數(shù)為0.65×1128.6=734人。由此確定各層逃生人數(shù)。此外，高峰期時地鐵人流量極大，在已有研究中，學(xué)者們針對其他大型建筑(如商場)進(jìn)行滿負(fù)荷模擬時，將建筑最大容納人數(shù)按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)進(jìn)行計算，本文綜合學(xué)者研究，同時以實際最壞情況為例，即早晚高峰期地鐵滿員時發(fā)生火災(zāi)，此時以地鐵站臺兩側(cè)列車同時到達(dá)作為極限狀態(tài)下的人數(shù)，進(jìn)行疏散模擬。

2) 疏散過程中人員的分類和移動速度均會對疏散時間造成影響。由于本文所取地鐵站尚未開通，無法采集每天實際到站人數(shù)的年齡比例，所以采取類比的方法，以同類地鐵作為調(diào)查對象，統(tǒng)計不同年齡段人員乘坐地鐵的人數(shù)，通過類比進(jìn)而得到本文所需參數(shù)。根據(jù)同類地鐵發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，地鐵客流以中青年為主，19～60歲約占86.6%，18歲以下及60歲以上客流占比較小，分別占6.6%和6.8%。在實際疏散過程中，人員受到心理、環(huán)境等因素的影響，速度在不斷地變化，本文根據(jù)密度-速度公式[9]算出人員速度，計算公式為

(1)

式中：V為人員速度；V0為人行走時的最大速度，取1.66 m/s[9]；P為人員密度，取0.65人/m2；b為速度折減系數(shù)。

將疏散人員根據(jù)年齡劃分為青壯年、小孩與老年人3種群體，不同年齡段的人員因身體結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的行進(jìn)速度。青壯年行走速度較快，小孩和老人則較緩慢，其速度折減系數(shù)b[9]分別為1，0.8，0.75。將各項參數(shù)帶入式(1)，計算得出3種群體的速度分別為1.2100，0.9680，0.9075 m/s。

2.2 模擬疏散

2.2.1 正常人流量下的仿真疏散

按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，總疏散人數(shù)為1369人，測得總疏散時間為146.8 s，正常人流量下的疏散場景如圖4所示。

圖4 正常人流量下的疏散場景

2.2.2 高峰期極限狀態(tài)疏散模擬

地鐵站在早晚上下班高峰期時的人員流量[10]最大。對于本文而言，此時的疏散情況最為不利，應(yīng)重點進(jìn)行分析。目前，我國對地鐵核載有明確規(guī)定，6人/m2為滿員。一般情況下，地鐵采取6節(jié)編組，列車有6節(jié)車廂，車廂總面積約為260 m2。假設(shè)危險發(fā)生時恰有2趟列車進(jìn)站，根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)計算，站臺層到站人數(shù)為6×260×2=3120人，站廳層人數(shù)仍為初始假設(shè)的635人，在此條件下進(jìn)行疏散模擬，2層總疏散人數(shù)為3120+635=3755人，總疏散時間為411.8 s，不同時刻的人員流量密度如圖5所示。

圖5所示區(qū)域顏色越紅，表示地鐵越擁擠，隨著時間的推移可以看出，擁擠地段主要為站臺層通向站廳層樓梯處和站廳層的閘機處。該疏散模擬出現(xiàn)擁擠的區(qū)域稱為疏散“瓶頸”。

2.3 模擬結(jié)果分析與深化設(shè)計

1) 上述仿真結(jié)果表明，在人員流量最大時期，疏散所需時間大大延長，出現(xiàn)突發(fā)事件時不能保證人員的安全。本文綜合地鐵面積與人員密度計算疏散人數(shù)的方式是一種不考慮外界因素影響的簡化計算方式，但在實際生活中，地鐵站的人員密度會受到周邊環(huán)境、交通情況、人員流動情況等外界因素的影響，并具有很強的隨機性，當(dāng)人員密度到達(dá)一定程度時，再增加人員將會出現(xiàn)人員重疊的現(xiàn)象，這將使結(jié)果不符合實際，所以此時，Pathfinder疏散系統(tǒng)會發(fā)出提示：“此疏散人數(shù)下，疏散終止”。本模擬中，站臺層疏散人員臨界值為3274人，疏散過程中將發(fā)生踩踏事件，疏散被迫中止，此時人員密度臨界值為2.90 人/m2。

2) 由人員流量密度圖可以看出，在整個疏散過程開始時，站廳層人員較多，疏散人員均需通過閘機到達(dá)安全出口，但閘機的設(shè)計寬度僅能一次通過一人，所以減緩了通行速度，造成輕度擁擠現(xiàn)象，如圖5(a)所示。站臺人員只能通過樓梯到達(dá)上層安全出口，由于站臺到站人數(shù)飽和，樓梯寬度不足以滿足人員疏散要求，隨著時間推移，滯留在樓梯口處等待的人員越來越多，如圖6所示，在樓梯口會出現(xiàn)明顯的擁堵狀況，即是本文在模擬過程中遇到的疏散“瓶頸”。這些“瓶頸”問題直接影響了疏散速度，使得疏散時間延長，同時易引發(fā)安全事故，造成站內(nèi)混亂。

圖5 不同時刻人員流量密度

圖6 疏散時樓梯口擁擠的場景

3) 為解決上述人員滯留的危險情況，本文在站臺層地鐵到達(dá)其中一側(cè)增設(shè)一個與站廳層相似的出口作為消防出口，當(dāng)?shù)罔F站發(fā)出火災(zāi)警報時，消防出口自動開啟，此時進(jìn)行疏散模擬，總疏散時間為267.0 s，減少了144.8 s。因此，增設(shè)消防出口減輕了站臺層人員過于集中的現(xiàn)象，減少了樓梯口處的擁擠，大大加快了整個疏散過程。

3 結(jié)論

本文結(jié)合地鐵車站工程實例，應(yīng)用Revit軟件建立地鐵三維BIM模型，利用Pathfinder仿真模擬地鐵安全疏散的動態(tài)過程，驗證了建模與仿真技術(shù)的實用性和可行性，并得出以下結(jié)論：

1) 通過Revit建模與Pathfinder疏散仿真相結(jié)合，可形象生動地展示地鐵車站安全疏散的時空變化情況；

2) 地鐵站層人員容量有限，當(dāng)人員密度達(dá)到極限時，疏散將會發(fā)生踩踏事件，模擬疏散將被迫中斷；

3) 通過模擬疏散過程發(fā)現(xiàn)，地鐵疏散瓶頸主要體現(xiàn)在站臺層與站廳層相接的樓梯口處。隨著疏散的進(jìn)行，此處人員數(shù)量飽和，存在嚴(yán)重?fù)頂D現(xiàn)象；

4) 通過改變疏散條件，如在站臺層合理增設(shè)消防出口或在站廳層增設(shè)安全出口等措施，疏散效果顯著。

本研究是對Revit軟件建模與Pathfinder人員疏散模擬相結(jié)合的較好嘗試，其結(jié)果對當(dāng)前地鐵站建設(shè)與改造、安全運營管理、疏散方案改進(jìn)具有一定的理論與實踐參考價值。由于本文中的Pathfinder疏散模型是一個相對簡化的模型，其仿真過程中未考慮人員遇到緊急情況時行為的多樣性及最優(yōu)路徑選擇問題，未來研究將側(cè)重模型的深化，以及考慮復(fù)雜條件(如有無疏散引導(dǎo)員、有無地鐵廣播電視通知等)下的地鐵車站安全疏散效率問題和人群對最優(yōu)路徑的選擇問題。這些方向?qū)⑹俏磥硌芯康闹攸c。