基于Pathfinder的高校禮堂火災人員疏散模擬分析

鄭渝川

摘要：為研究高校禮堂的疏散效率，降低火災風險，本文以某高校禮堂作為研究對象，采用Pathfinder疏散軟件為基礎，進行模擬研究。分別設置兩組，每組5個工況來分別研究疏散出口寬度和個數對疏散效率的影響。結果表明：在一個可以容納700人的禮堂里，增加出口的數量要遠遠優于增加單個出口門的寬度。當人們在疏散的過程中遇到擁擠時，就會有在疏散末尾的人改變疏散出口，從而增加別的出口的疏散時間。在寬度一致時，禮堂的正門的疏散人數仍然是側門疏散人數的2.5倍。

關鍵詞：禮堂;疏散模擬;Pathfinder;疏散出口;疏散效率

1引言

禮堂作為學校開展大型活動的主要場所，能容納幾千人，如果發生火災，就極易造成人員的擁堵甚至發生踩踏事件。如果瞬間失去視野，就更加無法組織有序的疏散，這樣就更加無法順利疏散。

隨著國家重視教育，大學生越來越多，社會更加重視高校的安全環境，許多學者致力于研究高校的人員疏散，例如謝明峰和魯義[1]就通過Pyrosim進行建模，使用FDS進行火災數值模擬，對溫度、有毒有害氣體、能見度等相關數據進行分析確定ASET;同時通過Pathfinder進行人員疏散模擬，確定所需疏散時間，綜合分析表明長廊式的多層教學樓，在疏散時會使人群集中在樓梯和走廊處而不是在出口。適當增加多個出口比在原有的基礎上增加出口的寬度效果更好，戎傳亮[2]在原有研究高校教學樓的基礎上通過疏散通道溫度的變化進一步研究對人員的影響，結果表明當人員行動時間的隨機性較大時，溫度和人員密度隨時間的變化無統計學規律，當兩者一致時，則其變化規律基本上符合高斯分布，但溫度總是滯后于人員密度變化。丁元春、劉星星等人[3]通過Pathfinder軟件模擬高校食堂發生緊急情況下的人員疏散，并提出增加出口寬度、增加一部室外樓梯等針對性意見，李輝鵬[4]在過去學者的基礎上，通過Anylogic研究恐慌心理對人員疏散的效率影響，得出由于恐慌心理的存在，其疏散時間是不考慮恐慌的1.3倍，其中大量的時間都滯留在瓶頸處，受到恐慌瓶頸處時間是原來的2.4倍，人員的峰值密度也是原來的1.4倍。房榮雅[5]和湛蓮香[6]等人都是通過研究不同樓層的著火點對學生疏散的影響，特別指出在一樓設置逃生窗和二樓設置外掛樓梯等措施。

通過閱讀大量文獻資料，很多國內外學者已經對高校內建筑有了一定的研究，但是對禮堂研究較少，尤其是這種大型建筑會邀請國內外知名人士來訪交流，只要著火可能會因為不熟悉而產生極強的不安感，因此我們通過依次增加相同大小的出口的個數來優化禮堂的人員疏散。

2模型的建立

122.1模擬軟件的選擇

國內外有很多專家學者都在研究人員疏散，他們也使用了不同的模擬軟件。筆者研究高校禮堂時用的是Pathfinder軟件，這款軟件具有很強的靈活性，可以運用在不同的場景中。其提供的可視化的用戶界面和較為真實的三維動畫效果給我們在研究時提供了疏散的過程。在人物設置（年齡、性別、文化等）和場景設置（CAD導入等）上都較為完善，所得出的模擬結果與真實的情況較為接近。

2.2設置參數

筆者建立了一個長45m、寬44m的模型，在內部設置階梯性的房間來模擬禮堂中每個人的座位要求，其中整個禮堂總共有25排座位，在左右兩側區域分別都是8個座位，在禮堂的正中心每排都是10個座位。

1）工況設置：設置一個初始出口為4m，在出口對稱的情況下，每次增加出口1m一共5組工況。同時，在初始情況下，對稱地增加出口個數，也設置5組工況。共10個工況其中工況1和工況6與初始條件一致。初始條件如圖1所示。增加出口的數量和位置如圖2-5所示。

2）人員參數：本文研究出口數量和出口寬度對高校禮堂人員疏散的影響，因此在設置時主要設置人員為青年人，疏散速度為2m/s，其余次要條件例如性別、文化、身高、寬度等因素，均設為軟件內部的默認值。

3）人員位置：場下每個人坐在自己的位置上，臺上有20個人正在進行演出活動，臺左右各有5名志愿者，在禮堂的外走道有20個人隨機分布，禮堂總共有700個人。

3結果分析

利用Pathfinder軟件對所設計的工況進行數值模擬，得到一下的結果如表1和表2所示

由模擬的結果可以看出以下幾點：

1）從工況1和工況2或工況3和工況4比較在足夠大的禮堂內，增加大門出口的寬度并不一定能到到很好的疏散效果，工況2增加了1m疏散出口寬度反而增加了8.2秒的疏散時間，工況4增加了1m的疏散出口距離反而增加了6秒的疏散時間。

2）從工況6、8、10來看，出口成對出現時，疏散時間均有明顯的下降，分別下降57秒和4.3秒，由于疏散時出口若出現不對稱的情況則最后一個人的選擇未發生改變，因此總疏散時間在對稱的基礎上不會由明顯的降低。

3）從兩組工況組來看，在高校的禮堂中，要提高疏散效率，增加疏散出口的數量要好于增加疏散門的寬度。尤其是當出口從兩邊開始增加時，疏散時間明顯降低，多個出口很好的分擔了疏散人群的任務。

4問題討論

針對以上模擬得出的結果，筆者通過對工況10做出進一步的分析，當存在多個出口提供給人們進行疏散時，為何疏散時間并沒有顯著的降低，反而有上升的可能，其次每個疏散門在疏散的過程中是否是均勻分散人群。

344.1疏散能力

從圖中來看，雖然各個出口的寬度相同均為4m，但是顯然每個疏散出口不是均勻疏散人群的，仍然是禮堂的正大門起到了主要的疏散功能，在模擬中，正大門主要疏散了270人，其余的側門分別疏散了98人、110人、106人、116人。側門疏散的人數差不多，離正門較遠的門4和門5反而疏散了更多的人數。疏散側門離正門的遠近并不是分擔正門疏散壓力的原因。多個出口出現時，當人們從通道里出來，就會走向距離更近且無人員擁擠的疏散出口，由此人群在通道的盡頭就會分流從而達到緩解正門疏散壓力的效果。

4.2疏散出口選擇

上面總結了每個疏散門的疏散能力，但是人門時如何選擇疏散出口的，筆者從整個疏散的角度出發，研究人們在疏散的過程中是否發生了判斷上的改變。在不同時間段上觀察人們的行為。

從以上的圖中可以發現一些人一開始選擇從左側樓梯到通道，由于擁堵又開始往右側走，到達中間平臺的人由于中間樓道堵塞，開始往兩邊樓道走，因此就進一步加重了擁堵的現象。由此證明人在選擇疏散出口時會產生動搖的心理，在一個出口處產生擁擠，就會有部分人放棄該出口而尋求別的出口。經過擁堵區，人群會近乎于均勻的方式從各個出口逃生。

5結論

通過Pathfinder的高校禮堂疏散模擬，我們可以清晰的認識到即使是單個出口，其寬度一再增加對疏散的效果提升也不是很明顯，相反地，增加疏散出口的數量就能明顯地提高疏散效率，由于場景是對稱設計的，因此當相同寬度的疏散側門成對出現時，能大大提升疏散效率。當每個疏散出口寬度一致時，禮堂的正門起到主要的疏散作用，其疏散能力是單個側門出口的2.5倍。人群在疏散產生擁堵時，在疏散尾端的人會改變疏散出口的選擇，進而加大了整體的疏散時間，這就是再增加出口數量也未能降低疏散總時間的原因。在未來的進一步人員疏散的研究上，可以針對疏散樓梯的寬度、平臺的寬度、疏散出口之間的距離等因素做出進一步的研究。通過單因素或者多因素耦合的作用下，為像禮堂一樣多人匯集的建筑做出一個最優的疏散規劃提供支持。

參考文獻

[1]謝明峰，魯義.高校教學樓火災與人員疏散模擬研究[J].消防科學與技術，2021，40（01）：85-90.

[2]戎傳亮，雷文君，齊新葉.疏散通道溫度變化與人員流動關系的實驗研究——以高校教學樓為例[J].山東建筑大學學報，2021，36（03）：52-59.

[3]丁元春，劉星星，李文建，李琦.某高校食堂發生火災時人員安全疏散模擬[J].江西理工大學學報，2021，42（01）：74-79.

[4]李輝鵬，柳善耀，劉丹，范鈴鈴.考慮恐慌影響的高校食堂應急疏散仿真研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2020，42（04）：373-377.

[5]房榮雅，田思奧，楊亞璞.高校學生公寓火災影響因素及人員應急疏散模擬研究[J].建筑安全，2020，35（08）：54-57.

[6]湛蓮香，陳咪.基于Pathfinder高校宿舍人員疏散模擬研究[J].數字通信世界，2021，（05）：47-49.