地震多發區超高層建筑施工現場疏散研究*

魏伏佳，張興杰，向淵明，唐 逾，譚 潛

(中機中聯工程有限公司，重慶 400039)

0 引言

在超高層建筑施工過程中，存在諸多安全隱患，如場地空間限制、長期暴露作業、工種復雜及施工具有動態性等，尤其是在地震多發區的超高層建筑施工現場，安全事故發生頻率居高不下。因此，為防止和減少生產安全事故的發生，需綜合考慮多項危險因素，并指導施工人員安全疏散。

國內外關于安全疏散問題的研究主要包括疏散風險研究、疏散數學模型研究和疏散仿真模擬研究。在疏散風險研究方面，汪金輝[1]、李修柏[2]和王燕青等[3]采用數學分析和實地測試的方法分別對大型建筑、高鐵隧道和民機客艙疏散安全隱患進行了分析。在疏散數學模型研究方面，國內外相關學者[4-9]主要通過觀測和演習的方式提出疏散時間預測公式。在疏散仿真模擬研究方面，FDS+Evac，Building EXODUS，Pathfinder等軟件相繼研發，使計算機模擬成為疏散研究的重要手段[10]。但目前，國內外研究主要集中在建筑物使用階段發生火災時的安全疏散問題，地震災害及施工現場特性等因素對安全疏散過程的影響有待研究。在特殊的環境下，施工單位根據疏散特性優化安全管理水平成為亟待解決的問題。

基于此，本文以昆明市西山萬達廣場項目塔樓工程為例，在基于Pathfinder軟件建模過程中，采用實地測試、數學分析等方法提出建筑類型、施工環境與地震動等因素對安全疏散模式和速度等參數的影響，據此修正疏散模型并進行動態模擬，以尋找地震多發區超高層建筑施工現場安全疏散管理優化方向。

1 工程概況

昆明市西山萬達廣場項目位于云南省，項目所在地屬于我國地震多發區，設計基本地震加速度為0.2g，抗震設防烈度為8度，需考慮地震影響。研究對象選為B區南塔樓(見圖1左側塔樓)，該塔樓高300m，共69層，其中地下3層，地上66層，屬于超限高層建筑。塔樓總工期為875d，勞動人員峰值達2 325人，現場施工組織管理及地震安全防范工作存在諸多挑戰。

圖1 西山萬達廣場塔樓工程

2 疏散模型建立

2.1 塔樓模型建立

根據施工進度計劃，塔樓核心筒施工進度較外框架快5層。因此，以建筑平面圖作為參照標準層，以外框架施工層作為0.000m標高參照，向上建立5層標準層，向下建立20層標準層。對于核心筒施工作業面，應增加施工人員出現概率較大的爬架平臺。由于疏散速度可能因疏散平面的不同受到影響，因此需進行區分[11]，即對核心筒混凝土平面、外框架模板平面、爬架平面、核心筒樓梯進行區分，如圖2所示。

圖2 塔樓模型

2.2 障礙物設置

塔樓模型中應設置的障礙物主要包括布料機、施工機具與設備、核心筒中的電梯井、成品與半成品堆場、框架施工作業面上存在的框架柱等，如圖3所示。

圖3 施工作業面障礙物設置

2.3 疏散人員布置

模型中疏散人員數量設置參考施工組織計劃中勞動人員需求數量，采用隨機布置的方式在施工作業面上進行人員排布。模型中布置的施工管理人員和勞務人員共150人，主要分布在外框架施工作業面和核心筒施工作業面上，少量人員分布在其余樓層，如圖4所示。此時，疏散人員主要屬性參數為系統默認值(Default)。

圖4 疏散人員布置

3 疏散參數修正

常用疏散軟件普遍基于常規建筑環境與火災災害進行模擬，并據此向用戶提供一系列默認參數，用戶也可根據實際情況編輯參數。以Pathfinder軟件為例，用戶需考慮的疏散參數包括疏散速度、疏散間距、疏散路徑、行為特征等，這些參數會對疏散結果產生影響[12]。因此，根據地震多發區超高層建筑施工現場疏散特性，對疏散間距、疏散速度和障礙物尺寸進行修正。

3.1 疏散間距修正

國內外已有疏散數學模型研究結果表明，疏散間距會影響疏散人群密度，改變人群移動速度，進而影響疏散時間[13]。最優間距是使疏散總時間最短的間距。因嚴格約束疏散行為，避免由人員自主意識導致的誤差，需研究疏散時間隨疏散間距變化規律。Pathfinder軟件提供的SFPE模式遵循工程指南和SFPE消防手冊要求，當采用該模式進行模擬時，人員會自動轉移到最近的出口，不考慮疏散沖突碰撞對疏散路徑的影響[14]?；赟FPE模式進行疏散模擬，得到的疏散時間-疏散間距關系曲線如圖5所示。

圖5 疏散時間-疏散間距關系曲線

由圖5可知，隨著疏散間距的增大，疏散時間呈先縮短后增加的變化趨勢。當疏散間距為0.7m時，疏散時間最短。為驗證該結論在同類工程中的適用性，根據建筑平面布置變化改變人群水平疏散距離L，根據勞動力計劃改變疏散人員數量N，根據施工進度計劃改變核心筒與外框架進度差K，模擬結果如圖6～8所示。由圖6～8可知，同類工程中的最優疏散間距為0.6～1.0m，用戶可在此范圍內選擇疏散間距參考值，進行參數編輯。

圖6 人群水平疏散距離L變化時的疏散時間-疏散間距關系曲線

圖7 疏散人員數量N變化時的疏散時間-疏散間距關系曲線

圖8 核心筒與外框架進度差K變化時的疏散時間-疏散間距關系曲線

3.2 疏散速度修正

常用疏散軟件考慮了人群效應對移動速度的影響，但缺乏對環境因素的考慮。在特殊環境下，施工環境和地震動均可能對疏散速度產生影響。

3.2.1施工環境下的疏散速度修正

由于施工作業面上通常存在模板支護和鋼筋綁扎區域，會影響疏散人員在此類平面上的疏散速度[15]。為獲取上述環境下的疏散速度，在施工現場進行模擬疏散測試，測試人數為20人，測試區域為混凝土平面、鋼筋綁扎區域、模板支護區域，測試方式為小跑，測試距離為30m，測試變量為人群密度(0.5～5人/m2)，測試指標為時間，每組測試5次(按人群密度分組)。

疏散測試數據采用Matlab最小二乘法進行處理，擬合得到人群在混凝土平面、鋼筋綁扎區域和模板支護區域的疏散速度公式分別為：

vc=-0.016 2D4+0.193 3D3-0.708 1D2+

0.474 4D+1.641 7

(1)

vp=-0.013 8D4+0.165 2D3-0.605 5D2+

0.405 6D2+1.403 6

(2)

vb=-0.012 5D4+0.149 4D3-0.547 4D2+

0.366 7D2+1.269

(3)

式中：D表示人群密度。

3.2.2地震作用下的疏散速度修正

人員在疏散過程中受自驅動力和地震作用的影響[16]，其中，自驅動力fi計算公式為：

(4)

式中：mi表示人員質量；vi與v0i分別表示人員行進方向上的期望速度與實際速度；τi表示松弛時間，即到達期望速度的時間步長，通常取0.5s。

疏散人群受到的地震作用feq參考GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》[17]中的公式計算：

feq=αmaxmig,i=1,2,…，n

(5)

式中：αmax為地震影響系數最大值。

由于人在運動時具有額定功率，當人體功率達到額定功率后，將不再具有加速度，運動速度也將達最大值vmaxi，此時人體所受的自驅動力和地震作用相等，即：

(6)

根據上述公式可推得地震作用對于疏散速度的折減系數βeq：

(7)

由此，基于施工環境下的移動速度，應采用折減系數法確定地震動影響下的疏散速度。

3.2.3Pathfinder軟件中的疏散速度修正

Pathfinder軟件提供了針對某組疏散人員的速度設定和某塊區域的速度設定，前者需用戶輸入速度數值，而后者是按修正系數的形式考慮。計算得到外框架施工作業面鋼筋綁扎區域速度修正系數后，選定外框架層，并輸入修正系數。

3.3 障礙物尺寸修正

施工作業面上通常存在成品與半成品臨時堆場及隨機堆放的設備、機具和材料等疏散障礙物，這會在一定程度上阻礙安全疏散進程，在臨時堆場和障礙物存放范圍內不存在疏散路徑。由于施工現場管理水平有限，部分障礙物存在一定危險性，設置障礙物模型時需按擴大尺寸的形式考慮。

是否考慮障礙物尺寸擴大由其危險性決定。施工作業中常用的危險性評價方法為作業條件危險性評價法。為降低評價結果的主觀性，張勛奎等[18]將“管理抵消因子”引入作業條件危險性評價法中，使施工現場管理水平能夠直接影響評價對象的危險性等級。通過計算，如果危險性等級為Ⅰ～Ⅲ級，需進行整改，即設置安全距離以擴大其尺寸。不同類別的障礙物安全距離計算方法如下。

1)靜態危險源 對于平臺孔洞和未成形構件等，疏散人員在疏散過程中的緊急應變僅須依據危險所在位置進行判斷，進而通過減速或變向進行規避，這與城市工況安全車距控制與避撞算法中的前車靜止工況下汽車緊急制動過程原理相同[19]。因此，將減速距離和疏散人員應變作為參數，形成權衡距離因素的模型：

ds=vbjtd+L0

(8)

式中：td表示疏散個體的應變響應時間，常用值為0.5s；j表示修正系數，默認值為1；vb表示疏散速度，與地震烈度相關；L0表示減速距離，與地震烈度相關。

2)動態危險源 對于施工現場臨時設施設備、材料堆場等，在遭遇地震的情況下可能發生整體傾覆、坍塌等現象，在這種情況下，應按其高度值設置安全距離。本工程外框架上存在高2m的鋼筋成品架，由于材料管理工作水平有限，采用改進的作業條件危險性評價法評價得到設施坍塌的危險性等級為Ⅱ級，因此應在模型上將該障礙物的尺寸向外擴大2m。

4 疏散模擬研究

4.1 疏散模擬與安全性判定

由于外框架區域存在大量臨時設施設備、零散材料和未成形構件，因此人員以進入核心筒區域為地震避難目的地，以進入最近的避難層為次生災害(火災)避難目的地。參數設置和路徑設置完成后，即可進行疏散模擬，如圖9所示。

圖9 疏散模擬

疏散模擬時間tmove為216s。根據GB 50016—2014(2018年版)《建筑設計防火規范》中對消防安全疏散時間的要求，以300s作為高層建筑避難可利用的時間長度，避難所需時間trset計算如下：

trset=talarm+tpre+1.5tmove=332s>300s

(9)

式中：talarm表示報警時間；tpre表示響應時間。

因此，本工程在該施工進度下遭遇地震時，施工人員無法完全疏散。而參數修正前，避難所需時間計算結果為281s(可完全疏散)，可見根據環境特性對參數進行修正的重要性。

4.2 疏散效率影響因素

4.2.1疏散人數(勞動人員數量)

疏散總時間最直接影響因素是施工現場需要疏散的人數。需要疏散的人數越多，疏散前期可達到較好的避難效果，后期疏散人員的避難效果將顯著降低?？側藬翟龆鄷黾訂挝幻娣e人員數量，對人群移動速度有直接影響，進一步影響疏散效率。在狹窄的出口通道及安全出口等位置處，由于需要疏散的人群聚集，擁擠與堵塞將影響疏散進程。因此，不斷修正疏散總人數，利用Pathfinder軟件進行多次仿真分析，獲得不同的疏散時間，如圖10所示。

圖10 疏散時間-疏散總人數關系曲線

1)疏散總人數的增加會導致地震疏散時間增加。

2)由于人員在現場隨機分布，地震避難時間與疏散人數呈非線性關系，但總體有線性相關趨勢，因此擬合疏散時間與疏散總人數的關系時可簡化為線性關系。

3)當疏散總人數超過120人時，疏散時間-疏散總人數關系曲線開始陡峭，即曲線斜率增大。由疏散模擬動畫得出，外框架人員呈明顯增加的趨勢，造成本層疏散人員與上層疏散人員流動交叉，在相應的出入口處造成人員留滯及堵塞，破壞疏散秩序。因此，控制現場勞動者與管理者人員數量在120人以下。

4)在核心筒集中施工期、與避難層較近的樓層施工期增加勞動人員數量，可保證實現計劃工期。

4.2.2施工平面布置

由于在施工現場疏散動線上存在疏散障礙，如施工設備、機器及其他工具等，會對疏散人員選擇最短疏散路徑造成一定影響。進行模擬分析時，未明顯考慮外框架施工作業面上的障礙物，處于外框架邊緣的施工人員須繞過靠近核心筒的障礙物才能到達核心筒入口，導致疏散效率降低。因此，施工現場障礙物應靠近作業面邊緣集中、規范布置。

1)疏散效率在優化后的地震和火災中均有明顯提高，優化前、后的地震疏散時間分別為86.0，76.3s，優化后疏散時間減少11.3%左右。優化前、后的火災疏散時間分別為251.3，228.5s，優化后疏散時間減少9.1%左右。

2)施工單位應嚴格制定臨時設施、設備管理規范，并制定施工作業面布置方案，保證施工作業面上疏散路徑暢通，提高疏散效率。

4.2.3安全管理水平

1)加強地震知識與應急演練培訓

施工人員地震知識與應急演練培訓的缺失，嚴重影響了重大災難來臨時人員的快速反應和科學決策，從而導致重大突發事件發生次數增加。Pathfinder軟件提供了steering，SFPE疏散模式，其中steering模式通過統一路徑規劃、指導機制、碰撞處理控制人員運動，更接近實際情況。SFPE為規范化的疏散模式，疏散過程中的人員之間不會相互影響，會以較整齊的隊列模式進行疏散，當遇出口流量限制和堵塞時，會出現排隊等候現象，保證疏散秩序。

SFPE模式得到的完全疏散時間為160.3s，較同條件下的steering模式得到的完全疏散時間減少了15.8%左右。由疏散模擬動畫可知，在核心筒入口尺寸受限處及上下樓層疏散人員相遇處，由于疏散人員發生擁擠，將形成嚴格的排隊等候模式。SFPE模式考慮了疏散人員之間的獨立性，排隊模式有效解決了過度擁擠引起的堵塞與卡頓，在向最終目的地行進過程中，疏散人員可保持合理的間距、速度與秩序。疏散過程的高效性、較短的疏散時間及有效避免踩踏等是該模式的優點，但應認識到SFPE模式偏于理想化，實際疏散時較難做到。

施工單位應定期開展地震知識培訓工作，加強施工人員對地震災害的認知。同時組織應急演練，提高施工人員應急心理素質和決策水平，保證高效疏散。

2)加強安全文明檢查與抗震防災工作力度

施工現場安全管理水平的提高，不僅能在一定程度上提高疏散效率、縮短疏散需要的時間，還能降低危險源危險程度，疏散效率與疏散安全性可得到較好的保證。

施工單位應重視施工現場的安全文明檢查與設施設備抗震防災工作，包括完善相關制度、規范，推動檢查工作的落地，并開展深入的科研工作等。

5 結語

充分考慮疏散環境特性，基于實地測試、數學分析提出疏散模擬參數修正方法，并采用Pathfinder軟件進行模擬分析，得出以下結論。

1)建筑結構類型對疏散過程的影響體現在疏散模式變化引起的最優間距改變上。對于框架-核心筒結構，最優疏散間距為0.6～1.0m。

2)地震災害和施工環境對疏散過程的影響體現在疏散速度折減上。應采用折減系數法計算地震動的影響，采用最小二乘法擬合速度公式，考慮混凝土平面、鋼筋綁扎區域與模板支護區域對速度的影響。

3)障礙物對疏散過程的影響體現在疏散路徑阻礙上。采用改進的作業條件危險性評價法評價后的高危障礙物(Ⅰ～Ⅲ級)應擴大其模型尺寸，以考慮安全距離。

4)基于Pathfinder軟件進行仿真分析時，施工現場勞動人員數量、施工平面布置與安全管理水平等均對疏散結果產生影響。施工單位應據此優化管理工作，從源頭上控制風險，保證疏散的高效性與安全性。

5)本文在研究疏散問題時，考慮的施工工況僅為塔樓標準層施工階段，對于其他施工工況及施工現場生產區、生活區和辦公區的水平疏散問題，需開展進一步的研究。