疫情管控期間公共場所火災(zāi)疏散研究*

周 慧，代張音，張 路，葉玉平，田世祥

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410116；3.貴州習(xí)升厚發(fā)科技有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

對于建筑火災(zāi)人員疏散，國內(nèi)外學(xué)者先后展開研究：Kubota等[6]指出人們在疏散過程中可能傾向于采用日常路線，而不是應(yīng)急路線；Li等[7]采用Massmotion模擬出口幾何布置對人員逃生機制的影響；Benthorn等[8]認為對疏散標識的正確理解和感知，會影響逃生者的出口選擇；周慧等[9]就疏散標志安裝高度對疏散效率影響展開研究；張琪[10]指出在應(yīng)急疏散過程中，個體還會受災(zāi)害環(huán)境、周邊人群行為等其他外界刺激因素影響；文獻[11-12]發(fā)現(xiàn)恐慌心理在疏散時可能降低人群成功逃跑的可能性，激勵機制可以提高疏散效率。目前，常用疏散模擬軟件包括Pathfinder、STEPS和SIMULEX，其中Pathfinder人員智能化程度高，人群中的個體行為特征豐富且與現(xiàn)實情況十分相符，應(yīng)用最為廣泛[13];文獻[14-18]利用Pathfinder對建筑火災(zāi)人員疏散過程進行模擬；Hennemann等[19]結(jié)合FDS與Pathfinder對巴西夜總會火災(zāi)和人群疏散進行研究；Kodur等[20]利用Pathfinder研究出口關(guān)鍵參數(shù)對疏散過程的影響；文獻[21-22]結(jié)合火災(zāi)模擬軟件Pyrosim與Pathfinder，對高層建筑進行火災(zāi)疏散模擬與策略研究；王建廷等[23]利用Pathfinder模擬綜合性醫(yī)院疏散情景，通過對結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)疏散出口疏散速率不均衡分布，部分出口人流量過大，極易造成踩踏事故。

現(xiàn)有研究重點主要在于火災(zāi)煙氣、溫度、可見度等因素對疏散效率的影響，有關(guān)疫情期間不同安全出口開放狀態(tài)對建筑火災(zāi)時人群疏散規(guī)律影響研究較少。因此，本文通過實地調(diào)研了解公共建筑疏散管理情況，以某高校辦公樓為研究對象，利用Pathfinder模擬該樓疫情管控前后人員疏散過程，分析個人擁堵總時長、最長連續(xù)擁堵時長、人員疏散路徑，并提出3種推薦方案，通過疏散模擬得到最優(yōu)出口開放方案，以期為類似進行疫情管控的建筑消防管理提出科學(xué)合理建議。

1 疫情管控期間疏散管理調(diào)查

1.1 公共建筑疏散狀況

通過實地調(diào)查了解到，包括商場、醫(yī)院、圖書館、教學(xué)樓、辦公樓等在內(nèi)的公共建筑均存在疏散指示標志無效、應(yīng)急照明損壞、疏散通道堵塞等不利于疏散的現(xiàn)象。疫情管控期間，各公共建筑疏散管理方面存在最大問題在于關(guān)閉部分安全出口，僅開放幾個甚至1個出口供人員進出，以便于體溫檢測，部分建筑安裝熱成像測溫儀以代替人工測溫，導(dǎo)致出口變窄。上述問題均對火災(zāi)發(fā)生時人員疏散造成消極影響，極易造成擁堵、踩踏現(xiàn)象，導(dǎo)致人員不能夠及時疏散。

1.2 相關(guān)規(guī)范

根據(jù)(GB 50016—2014)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)[24]規(guī)定，公共建筑安全出口數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑面積經(jīng)計算確定，且不應(yīng)少于2個；建筑面積小于200 m2且人數(shù)不超過50人的單層公共建筑或多層公共建筑，首層僅可設(shè)置1個安全出口。在新冠肺炎疫情這一特殊背景下，《新冠肺炎疫情期間重點場所和單位衛(wèi)生防護指南》(WS/T 698—2020)[25]規(guī)定進出重點場所人員必須進行體溫檢測。多數(shù)公共建筑采取關(guān)閉部分安全出口，以對進入建筑人員嚴格執(zhí)行體溫檢測。

咨詢消防相關(guān)專家了解到，結(jié)合疫情管控這一實際情況，面積較小、人員較少的建筑僅開放1個出口作為主要安全出口，另需保留1個出口，可不對人員開放但不能上鎖，用以緊急情況發(fā)生時疏散逃生。

2 不同出口狀態(tài)疏散模擬

2.1 建筑簡介

本文研究對象為某高校學(xué)院辦公樓，具有人員分布密集、易燃物品多、火災(zāi)荷載大、火災(zāi)隱患大等特點。辦公樓日常容納約100人，主要為該校教職工和大學(xué)生，年齡分布在18～50歲，身高在1.50～1.81 m之間，學(xué)歷均為本科及以上，消防知識掌握情況較好。該建筑共5層，建筑面積為715 m2，共4個安全出口，如圖1所示。

圖1 安全出口示意Fig.1 Schematic diagram of safety exits

2.2 疏散模擬

為探究不同出口開放狀態(tài)對火災(zāi)發(fā)生時人員疏散影響，采用Pathfinder軟件模擬疫情前后2種出口狀態(tài)下的疏散情況：

準備工作就緒后，我們利用班會課給大家公布了“先鋒車站”的行事原則，也任命了小劉的職務(wù)，最后，由小劉宣布“車站”正式成立。先鋒車站的故事就這樣拉開了帷幕。

1)常規(guī)情況。未發(fā)生疫情前，開放出口Ⅰ～Ⅳ。

2)疫情管控期間。考慮應(yīng)急疏散最困難情況，人員僅通過出口Ⅰ疏散至室外，僅開放出口Ⅰ。疏散模型如圖2所示。

圖2 疏散模型示意Fig.2 Schematic diagram of evacuation model

疏散模擬中，200個成年人隨機分散在建筑中，人員疏散過程行走速度參考SPFE手冊[26]，人員尺寸參考《中國成年人人體尺寸》(GB 10000—1988)[27]，最大肩寬取值0.46 m，人員身高在1.5～1.8 m之間均勻分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 擁堵時長

疏散模擬過程中，個人對應(yīng)擁堵總時長及個人最長連續(xù)擁堵時長如圖3所示。

圖3 擁堵時長Fig.3 Congestion duration

常規(guī)情況下，人均擁堵時長為16.01 s，個人擁堵總時長最大為A點120.45 s；疫情管控期間，人均擁堵時長為23.92 s，個人擁堵總時長最大為B點168.23 s；C點個人擁堵總時長為141.6 s、D點為125.1 s，均大于A點。序號為84～107的人員在疫情管控期間擁堵總時長均大于常規(guī)情況下?lián)矶驴倳r長，從平均擁堵總時長及整體來看，疫情管控期間個人連續(xù)擁堵時長大于常規(guī)情況。

常規(guī)情況下，個人最長連續(xù)擁堵時長最大為E點28.73 s，人均最長連續(xù)擁堵時長為4.21 s；疫情管控期間，個人最長連續(xù)擁堵時長最大為F點24.82 s，人均最長連續(xù)擁堵時長為5.13 s；G，H，I，J點個人最長連續(xù)擁堵時長分別為24.7，23.2，24.5，23.1 s，4個點的個人最長連續(xù)擁堵時長均大于23 s。從均值及整體來看，疫情管控期間個人最長連續(xù)擁堵時長大于常規(guī)情況。

3.2 疏散路徑

為分析疫情管控期間擁堵時長增大原因并找出疏散過程中存在的問題，繪制疏散路徑示意如圖4所示。

圖4 疏散路徑示意Fig.4 Schematic diagram of evacuation routes

結(jié)合圖1，當(dāng)4個出口全部打開時，區(qū)域A中2～5層人員全部匯入樓梯1并通往出口Ⅱ、Ⅲ，1層人員直接通往安全出口Ⅱ、Ⅲ，然后疏散至室外；區(qū)域B中，3～5層人員通往樓梯2至出口Ⅰ，2層靠近出口Ⅳ的人員直接通往出口Ⅳ，2層靠近樓梯2人員匯入3～5層人員，并通往出口Ⅰ，1層人員直接通往安全出口Ⅰ，然后疏散至室外。

僅開放出口Ⅰ時，區(qū)域A中2～5層樓梯1左側(cè)人員全部匯入樓梯1，并與1層人員共同通往出口Ⅰ，然后疏散至室外；樓梯1右側(cè)人員則與區(qū)域B的人員匯合，全部前往樓梯2，并通往出口Ⅰ，然后疏散至室外，該情況導(dǎo)致樓梯2在疏散過程中出現(xiàn)擁堵行為，截取樓梯2人員密度最大期間(84～126 s)熱力圖如圖5所示。

圖5 人員密度熱力圖Fig.5 Thermal diagram of personnel density

由圖5可知，在疏散時間84 s時，4、5層間樓梯人員密度較大，最大為2.75 occs/m2，疏散時間大于90 s，該層樓梯人員密度逐漸減小至126 s時的1.10 occs/m2；3,4層間樓梯人員密度由84 s時最大2.36 occs/m2逐漸增大至108 s時最大為2.90 occs/m2，然后逐漸減小；2,3層樓梯間在84～96 s時，人員密度最大為3 occs/m2，然后逐漸減小，在102 s時人員密度較小，最大為2.7 occs/m2，隨后又逐漸增大至108 s最大為3 occs/m2，并持續(xù)至126 s。

此外，2,3層樓梯為84～126 s期間人員最密集區(qū)域，1,2層人員密度卻相對較小，結(jié)合圖4(b)可知，由于疫情管控該建筑只開放1個安全出口，導(dǎo)致人員改變疏散路徑，區(qū)域A中3,4,5層人員與區(qū)域B中3,4,5層人員匯合，通過樓梯2疏散至出口Ⅰ，越往下人員數(shù)量越多，至2～3層樓梯時人員數(shù)量增多，人員疏散速度變慢，不能夠及時疏散至1～2層樓梯，因此，2～3樓梯層人員密度大于1～2層樓梯。由于樓梯路段疏散過程中比較危險，疏散改道造成的擁堵、人員恐慌心理以及競爭行為容易使危險加劇，可能造成踩踏事件。

4 推薦疏散方案

4.1 方案概況

疫情管控期間僅開放1個出口，對火災(zāi)發(fā)生時疏散造成消極影響，為減小出口Ⅰ的疏散壓力、縮短疏散過程中擁堵時長，基于《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中對出口個數(shù)要求，考慮疫情管控期間增開1個出口，達到改善疏散狀況的目的。鑒于此，本文提出3種出口開放方案，并對3種開放方案進行模擬，以得到最優(yōu)開放方案。3種方案中，僅改變出口開放情況，人員數(shù)量及位置與常規(guī)情況、疫情管控期間一致。疫情前后以及3種推薦方案出口開放情況如表1所示。

表1 安全出口開放情況Table 1 Conditions of safety exits opening

4.2 數(shù)據(jù)分析

1)疏散時長

5種出口開放狀態(tài)下建筑內(nèi)剩余人數(shù)-時間如圖6所示。由圖6可知，常規(guī)情況下，第189 s時人員疏散完畢；疫情管控期間，第247 s時人員疏散完畢；方案Ⅰ中，第215 s時人員疏散完畢，相對于疫情管控期間縮短32 s；方案Ⅱ 中，第224 s時人員疏散完畢，相對于疫情管控期間縮短23 s；方案Ⅲ 中，第195 s時人員疏散完畢，相對于疫情管控期間縮短52 s。疫情管控期間曲線高于其余4條曲線，表明在疫情管控期間相同數(shù)量人員疏散至室外所需總時長均大于其余4種狀態(tài)。

圖6 建筑內(nèi)剩余人數(shù)-時間Fig.6 Relationship between number of people remaining in building and time

2)擁堵時長

5種出口開放狀態(tài)下?lián)矶聲r長統(tǒng)計如表2所示。對于個人擁堵總時長，方案Ⅰ均值最大為31.34 s，相較于疫情管控期間增大7.42 s；方案Ⅲ均值最小為12.17 s，與疫情管控期間相差11.75 s，方案Ⅲ擁堵總時長均值甚至小于常規(guī)情況均值。對于個人擁堵總時長最大值，疫情管控期間最大為168.23 s，方案Ⅲ中最小為94.57 s，相較于疫情管控期間減小73.66 s。

表2 擁堵時長統(tǒng)計Table 2 Statistics of congestion duration

對于個人最長連續(xù)擁堵時長，均值最大為方案Ⅰ的10.32 s，相較于疫情管控期間增大5.19 s，最小為方案Ⅲ中的2.57 s，相較于疫情管控期間減小2.56 s。個人最長連續(xù)擁堵時長最大值中最大為方案Ⅰ的86.80 s，相較于疫情管控期間增大57.33 s，最小為方案Ⅲ的23.58 s，相較于疫情管控期間減小1.24 s。

方案Ⅲ中，出口Ⅰ是進入該建筑人員常用出口，出口Ⅳ位于2層，建筑上層人員距離該出口更近，且不用通過1～2層樓梯即可疏散至室外，因此，同時開放出口Ⅰ,Ⅳ，能減小人員疏散時長、縮短人員擁堵時長。疫情管控期間同時開放人員常用出口和建筑上層人員疏散距離最短出口，可提高人員疏散效率，且在一定程度上可避免因擁堵造成樓梯路段發(fā)生踩踏事件。

5 結(jié)論

1)通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，公共建筑普遍存在疏散通道堵塞、應(yīng)急照明損壞、疏散標志無效、防火門封鎖、安全出口開放數(shù)量少等影響人員疏散的問題。

2)模擬結(jié)果表明，區(qū)域A部分人員匯合至區(qū)域B中，導(dǎo)致樓梯2人員密度增大，人員在2～3層樓梯發(fā)生擁堵，導(dǎo)致疫情管控期間人均擁堵時長(23.92 s)、個人最大擁堵時長(168.23 s)大于常規(guī)情況下的人均擁堵時長(16.01 s)、個人最大擁堵時長(120.45 s)，且整體來看，疫情管控期間個人最長連續(xù)擁堵時長大于常規(guī)情況。

3)3種推薦方案中，最優(yōu)出口開放方案為同時開放出口Ⅰ和Ⅳ的方案Ⅲ，疏散時長較疫情管控期間縮短52 s、個人擁堵總時長均值減小11.75 s、個人最長連續(xù)擁堵時長減小2.56 s。

4)疫情管控期間，同時開放人員常用出口和建筑上層人員疏散距離最短出口，可提高人員疏散效率，且在一定程度上可避免樓梯路段由于擁堵發(fā)生踩踏事件。