校園火災疏散特性分析與研究

孟文濤，祖宏權

(1.徐州經濟技術開發區消防救援大隊，江蘇 徐州 221000；2.哈爾濱工業大學網絡和安全辦公室，黑龍江 哈爾濱 150006)

0 引言

在國內火災案例中，可以看到多起兒童群死群傷的重特大火災事故。由于兒童在發生火災時很難快速地平復心情、冷靜逃生，容易給火災救援帶來困難。國內外很多學者對校園火災疏散路線進行了很多研究，尤其在數值模擬方面做了很多模型研究。為了能更精確地為數值模型提供基礎理論研究，進一步為校園火災救援提供數據參考，有必要對校園火災疏散特性參數進行試驗。基于此，本文以某小學為試驗對象，開展了一系列參數研究。

1 試驗概述

1.1 試驗目的及意義

校園擁擠踩踏事故通常發生在疏散通道的出口處。學生在教學樓等建筑物的疏散過程中，經常出現大量人群突然擠到安全出口，在安全出口處于擁擠和無序的狀態下，加之受到驚嚇、恐慌、從眾等因素的影響，導致大量學生擠傷、窒息或踩踏致死。在校園火災事故中，由于大量的學生從某一出口疏散出去，導致在火災事故中也常伴隨著擁擠踩踏事故的發生。因此，基于現代教學樓等學校建筑物的設計理念，從安全的角度出發，應注重學校建筑物出口的優化設計。

在《建筑設計防火規范》(2018年版)和《中小學校設計規范》等規范中，出口單位流量是設計出口寬度的主要依據。此外，每個階段學生的不同肩寬尺寸也影響著出口單位流量，因此，出口單位流量是優化安全出口的一個重要因素。針對學生這一典型群體，對各學齡段學生安全疏散過程中通過出口的疏散能力進行研究，有利于對各學齡段學生群體進行快速有效的疏散，從而對預防學生群體擁擠踩踏事故的發生具有十分重要的意義。

1.2 試驗設計及方法

本文的試驗地點選擇某小學校園，占地面積約為8 000 m2，校舍建筑面積約為4 000 m2。學校約有900名學生，50名教師。教學樓有3個直通室外的樓梯，試驗以最靠近小學大門的樓梯為研究對象。考慮到中午各年級以排隊的形式在教室門口集合后再離開校園這一情況，不能很好地反映樓梯的疏散能力，因此選擇在每天下午放學后的時間段進行錄像觀測。試驗從周一到周五對樓梯的疏散能力進行6次實測，試驗時間除了周三為15：30，其余時間都為16：30。

數據統計以時間間隔5 s進行試驗數據處理，小學教學樓樓梯的相關參數有：樓梯的凈寬度為1.5 m，臺階的寬度為0.165 m，臺階數為12個。

2 試驗數據分析與研究

2.1 數據測量統計分析

參考日本的Togawa推導的疏散時間計算公式，其中人流量通過出口時間的表示為：

(1)

式中：T為人流量通過出口時間，s；N為通過出口的人數，人；We為出口的有效寬度，m；C為出口單位流量，人/m·s。

利用時間間隔內的疏散人數、出口的凈寬度、疏散間隔時間這3個數據，計算出口單位寬度上的人員流量。根據某一出口單位流量的統計數據，可帶入公式(1)得到出口單位流量隨著時間的變化情況，研究出口單位流量的變化規律，可總結和分析出各學齡段學生通過疏散出口的最大單位流量。重點針對樓梯這一出口，分析教學樓樓梯的單位流量與人員密度的關系。數據測量結果限于篇幅原因，本文以實測情況3為例(見表1)，對其前十組和最后十組數據進行演示，其他情況在此不贅述。

2.2 數據研究與討論

為了對教學樓樓梯出口單位流量的變化規律進行研究，可以采用曲線回歸擬合的方法，研究教學樓樓梯出口單位流量和人員密度隨時間變化情況。結合試驗數據進行曲線回歸擬合得到的擬合曲線如圖1所示。

圖1 教學樓樓梯出口單位流量和人員密度隨時間變化的擬合曲線圖

圖1顯示的是小學教學樓樓梯出口單位流量、人員密度和時間這3個基本參數組成的雙y曲線。總體上，樓梯的出口單位流量、人員密度隨著時間變化而呈現相同的變化趨勢，同時體現了出口單位流量具有隨機的性質，不是一個固定值。其中小學樓梯情況3的人流量較大，出口單位流量曲線呈現出由小變大再由大變小的“拱形”特點，擬合效果較好。其余情況下，經過樓梯的學生總量較少，盡管有些情況(如情況4和情況6)的出口單位流量局部出現較大值，但是平均單位流量還是比較低，樓梯的疏散效率不高，出口單位流量曲線基本呈現出趨于穩定的特點。

在這6組實驗中，情況1、情況2、情況3、情況4、情況5和情況6出現的出口單位流量最大值分別為0.839人/(m·s)、0.559人/(m·s)、1.339人/(m·s)、1.339/(m·s)、0.559人/(m·s)、1.259人/(m·s)。由此可見，測得的小學教學樓樓梯的出口單位流量最大值為1.399人/(m·s)。

情況1出現的樓梯出口單位流量最大值為0.839人/(m·s)，對應的人員密度為1.249人/m2。情況2、情況5出現的樓梯出口單位流量最大值都為0.559人/(m·s)，對應的人員密度為0.624人/m2、1.041人/m2。情況3、情況4出現樓梯出口單位流量最大值都為1.399人/(m·s)，對應的人員密度都為0.839人/m2、1.873人/m2。情況6出現的樓梯出口單位流量最大值為1.259人/(m·s)，對應的人員密度為1.873人/m2。由此可見，測得的小學教學樓樓梯的出口單位流量最大值為1.399人/(m·s)時，對應的人員密度為1.873人/m2。這與《建筑設計防火規范》(2018年版)和《中小學校設計規范》等規范中的一些相關數據還是有一定的差異。

3 結論

本文著重研究了各學齡段學生通過樓梯出口的單位流量，借助于錄像觀測，運用曲線回歸分析方法進行基礎數據的處理，得出規律性結論如下：樓梯出口單位流量、人員密度隨著時間變化而呈現相同的變化趨勢，且出口單位流量具有隨機的性質，測得的小學教學樓樓梯的出口單位流量最大值為1.399人/(m·s)時，對應的人員密度為1.873 人/m2，這與《建筑設計防火規范》和《中小學校設計規范》等規范中的一些相關數據還是有一定的差異，體現出小學生的生理和心理的特點。故在進行人員疏散數值模擬時，小學生占比較多的情況下可以考慮調整人員參數的設置情況。