基于Pathfinder的高校學生宿舍人員疏散研究

■ 孫文瀟 劉敦宇 中國人民警察大學

隨著我國當代教育事業(yè)的快速發(fā)展，高校的消防安全越來越受到人們的關(guān)注和重視。校園人員密集，尤其是學生宿舍，因房間布局緊湊、人群密度大、存放物品種類多、空間相對狹小，使得樓內(nèi)人員安全疏散較為困難。為了減少火災(zāi)事故對校內(nèi)人員的傷害，除了需要進行日常的消防監(jiān)督檢查，還需要提高緊急疏散效率，因此，開展高校學生宿舍人員安全疏散的研究是很有必要的，這對新形勢下如何做好高校學生宿舍消防安全工作具有重要意義。

針對高校學生公寓人員安全疏散研究，國內(nèi)外的學者們進行了大量的工作。對于安全疏散模型的建立，Nuria Pelechanon 等人[1]論證了將人類心理和生理因素納入模型的重要性。陳寶智等人[2]提出了一種基于有毒氣體泄漏事故后果預(yù)測人員疏散最佳路徑選擇算法及遺傳算法。對于數(shù)值模擬應(yīng)用于人員疏散研究，謝明峰等人[3]分析了人員疏散過程中存在的擁堵問題，改進了安全出口的開放狀態(tài)、數(shù)量、寬度以及疏散路線四個方面。鄒馨捷等人[4]分析說明了高校學生公寓在火災(zāi)發(fā)生時，著火房間窗戶是否敞開以及自動噴淋滅火系統(tǒng)裝置是否有效這兩種情況對現(xiàn)場人員安全疏散時間的影響。湛蓮香等人[5]研究了學生宿舍不同樓層著火對學生疏散的影響，并對最不利的樓層場景進行了優(yōu)化處理，使其滿足安全疏散要求。張培紅等人[6]通過考慮受限空間內(nèi)疏散性狀存在的多態(tài)現(xiàn)象以及排隊現(xiàn)象，對疏散出口群集疏散的流動規(guī)律進行了分析預(yù)測和綜合評價。

文章利用Pathfinder，選取某高校一棟6 層學生宿舍樓為研究對象，通過構(gòu)建疏散仿真場景來進行應(yīng)急疏散模擬。在文章中，依據(jù)宿舍樓內(nèi)所居住學生的客觀條件設(shè)置了相對應(yīng)的疏散人數(shù)、性別比例、身高范圍、肩寬、行走速度等參數(shù)，通過對比幾種場景下的疏散時間，分析疏散路徑、疏散人員分布、出口寬度和樓梯寬度等各相關(guān)因素對人員安全疏散時間的影響，以期為高校學生宿舍建筑設(shè)計結(jié)構(gòu)的確定以及應(yīng)急疏散方案的擬定提供參考。

一、宿舍建筑模型的建立

（一）建筑物概況

該高校的學生宿舍樓共有六層，一樓有55 個房間，二至六樓均有61 個房間，整棟宿舍樓共有360 個房間。每個房間尺寸相同，均為8m×4m，房間門寬1m，每層樓高3m。共建有東、西、中3 部疏散樓梯供人員疏散撤離，樓梯寬度為1.66m。半層建有休息平臺，其尺寸為4m×1.5m。建有東、西、中3 個安全出口，出口寬度為4m。疏散走道無障礙物。

（二）疏散模擬參數(shù)的設(shè)定

1.疏散人數(shù)

該宿舍樓的一至五樓每間房間可住6 人，均住男生。六樓每間房間可住3 人，均住女生。按最大居住人數(shù)1977 人設(shè)定。

2.性別比例

最大居住人數(shù)中，1794 人為男生，183 人為女生，男女比例為9.8∶1。宿舍樓內(nèi)均為青年人，無需考慮老人和小孩的影響。男生采用Bman0103 Model，肩寬設(shè)置為45cm。女生采用Cwom0103 Model，肩寬設(shè)置為40cm。根據(jù)該宿舍樓的實際人員情況，將男生身高設(shè)置在170 ～185cm 之間，女生身高設(shè)置在163 ～175cm之間。

3.行走速度

該宿舍樓內(nèi)人員對宿舍樓的結(jié)構(gòu)熟悉，且均具備正常的行動能力。考慮到男生女生之間存在的客觀差異，將男生、女生的行走速度分布設(shè)定為1.3m/s、1.1m/s。

（三）建立Pathfinder 疏散模型

根據(jù)該宿舍樓的實際情況，利用Pathfinder 建立仿真模型，如圖1所示。

二、疏散模擬場景設(shè)置

針對該宿舍樓的實際情況，分別設(shè)置了5 種疏散場景，討論了疏散路徑、疏散人員分布、安全出口寬度和樓梯寬度這四個因素對安全疏散時間的影響。具體場景設(shè)置如下：

場景一：基礎(chǔ)工況

模擬正常情況下該高校學生宿舍樓內(nèi)所有人員（1977 人）從三個安全出口疏散的過程。

場景二：規(guī)劃疏散路徑

由于該宿舍樓的樓道較長，共設(shè)有3 部疏散樓梯。通過設(shè)置人員就近選擇疏散樓梯且合理分配每部樓梯通過的人數(shù)，對疏散路徑進行合理規(guī)劃：將一樓西側(cè)的19 間宿舍和二至六樓西側(cè)的21 間宿舍從西出口進行疏散；一樓東側(cè)的17 間宿舍和二至六樓東側(cè)的20 間宿舍從東出口進行疏散；一樓中間的18 間宿舍和二至六樓中間的20 間宿舍從中間的安全出口進行疏散。

場景三：疏散人員分布的影響

根據(jù)現(xiàn)實情況，該學生宿舍樓所住人員涉及各個年級。經(jīng)調(diào)查，畢業(yè)生所住樓層在四樓和五樓。當畢業(yè)季到來時學生離校后，將該學生宿舍樓的四樓、五樓空出。因此，對一至四樓的1062 位男生和六樓的183 位女生共1245 人進行安全疏散數(shù)值模擬。

場景四：出口寬度的影響

將三個安全出口的寬度均由4m 增加至6m。

場景五：樓梯寬度的影響

各安全出口寬度保持不變，將樓梯寬度由1.66m 加寬至1.8m，休息平臺尺寸不做調(diào)整。

三、分析

（一）學生宿舍疏散時間和安全疏散評價標準

當建筑物發(fā)生火災(zāi)險情時，人員是否能夠安全疏散由兩個時間參數(shù)所決定，即人員必須安全疏散時間（Required Safety Egress Time,RSET）和人員可用安全疏散時間（Available Safety Egress Time,ASET）。將ASET ＞RSET 作為人員安全疏散的判別標準，當滿足這個標準時，意味著建筑物內(nèi)的所有人員能夠完成安全疏散；反之，則不能完全疏散到安全地帶，也就說明了建筑物的疏散設(shè)計未達到安全設(shè)計的要求[7]。

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018版）相關(guān)規(guī)定[8]，學生宿舍人員可用安全疏散時間為5 ～7min。

（二）各場景安全疏散時間

通過Pathfinder 進行模擬計算后，五種場景下學生的安全疏散時間及安全性判定如表1所示，疏散過程中人員數(shù)量變化如圖2所示。

通過分析表1可知，場景一的安全疏散所用時間最長，在此場景中，人員從兩側(cè)安全出口疏散完畢的時間要遠遠小于完全疏散時間。因此，需要我們對疏散路徑進行科學合理的設(shè)定，使得3 個安全出口之間存在的疏散時間差減少，以提高疏散效率，從而減少總疏散時間，從而有了場景二的設(shè)置。場景二與場景一相比，安全疏散時間減少了34.5s，且安全性評價由不安全轉(zhuǎn)為安全。可見，合理地規(guī)劃疏散路徑可以減少安全疏散時間，進而提高疏散安全性。

場景三針對實際情況進行了疏散模擬，由于人員數(shù)量的減少，疏散時間大大減少。通過表1可知，當人數(shù)減少732 人，人員疏散時間減少了187.5s。據(jù)此，當高校對學生宿舍樓安排入住時，不能只考慮如何實現(xiàn)宿舍內(nèi)空間利用率的最大化，還應(yīng)考慮發(fā)生緊急情況時，能否對宿舍樓內(nèi)人員進行安全疏散，保證學生的人身財產(chǎn)安全。

將場景四和場景五進行對比，當安全出口寬度由4m 增加到6m 時，疏散時間減少了21s。當疏散樓梯寬度由1.66m 增加到1.80m 時，疏散時間減少了51s。即在三個安全出口寬度均增加50% 的情況下與3 部疏散樓梯寬度均增加8.43% 的情況相比，疏散時間的減少效果相對較差。換言之，增加樓梯寬度相比于增加出口寬度，對疏散時間的減少量更大。分析其原因，同時增加疏散樓梯的寬度可以將人員平均分布于東、西、中3 部疏散樓梯進行疏散撤離。因此，增加樓梯寬度與增加出口寬度相比對人員疏散時間的減少效果更為顯著。

（三）人員密度

為了分析疏散過程中的擁堵點，文章給出了密度云圖，如圖3、圖4、圖5所示。通過對比五層至六層之間3 部疏散樓梯的人員密度，發(fā)現(xiàn)在沒有規(guī)劃疏散路線時，3 部疏散樓梯在五至六層之間發(fā)生堵塞的時間大致相同，約為38s，但中間的疏散樓梯在五至六層之間堵塞的時間最長，直到300s 才暢通，而五至六層兩側(cè)的疏散樓梯在229s 左右就結(jié)束堵塞了。

在規(guī)劃疏散路線后（場景二），堵塞情況得到了明顯的改善。如圖6所示，在246s 時，東、西、中三部疏散樓梯幾乎都結(jié)束了堵塞。

由此可見，通過規(guī)劃疏散路線不僅縮短了樓層與樓層之間的人員堵塞時間，還使得三條路徑的疏散近乎同時進行，三部樓梯達到了相同的疏散能力，從而縮短了疏散時間。

四、結(jié)語

綜上所述，減少宿舍人數(shù)、合理規(guī)劃疏散路徑、增大安全出口寬度、增大疏散樓梯寬度都可以縮短疏散時間。當建筑物內(nèi)所有的疏散樓梯達到相同的疏散能力時，總疏散時間最短。針對高校學生宿舍樓的人員疏散問題，為縮短疏散時間，可從以下3 個方面進行考慮：（1）高校應(yīng)建立健全應(yīng)急預(yù)案，定期開展應(yīng)急疏散演練，提高宿舍樓內(nèi)學生的疏散效率；（2）在安排學生入住時，應(yīng)盡量控制學生宿舍樓內(nèi)的人員密度，除了要保證消防安全設(shè)施的有效性，還需要考慮一旦發(fā)生緊急情況，學生宿舍樓內(nèi)人員的安全疏散問題；（3）當對高校學生宿舍建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，在滿足相關(guān)法律法規(guī)的基礎(chǔ)上，可以考慮適當增加樓梯寬度，以減少疏散時間。