教學樓火災疏散模型計算及模擬研究

矯磊　張丹丹　荊信茂

摘要： 學校屬于人員密集度較高的公共場所。以教學樓為研究對象，實際調查其布局與人員流動情況，建立了相應的火災疏散模型，考慮最不利原則的基礎上結合兩種經驗公式及Pathfinder 模擬，計算了其必需疏散時間。計算所得結果為探測報警時間為20 s，人員反應時間為40 s，計算得出最不利條件下教室滯留時間為161.61 s，教室門口疏散時間為57.34 s，樓道疏散時間為101.95 s，必需疏散時間為380.9 s。最后對必需疏散時間的占比進行了分析，得出了減少疏散時間的建議。

關鍵詞： 火災疏散 疏散模型 教學樓火災 數值模擬

中圖分類號： TU998.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0195-03

學校作為人員密集的公共場所，研究其火災疏散情況具有重要意義。孟文濤等人［1］以火疏散特征參數試驗得到了樓梯出口流量及人員密度的變化規律。田文青等人［2］以高校圖書館為研究對象用FDS 分析了火災煙氣流動情況，用Pathfinder 模擬了人員疏散情況。易玉枚等人［3］以調查問卷的形式統計并分析了大學生在突發火災時的心理及行為反應。張景鋼等人［4］通過Pathfinder 研究了不同樓層、安全門不同啟閉狀態下的人員疏散情況。吳培紅等人［5］以PyroSim 分析了圖書閱覽室的火災發展情況得到了可用疏散時間，通過Pathfinder 模擬了人員疏散情況得到了必需疏散時間。

鑒于學校火災疏散的重要性，本文以教學樓為研究對象，通過對教學樓布局及人流情況的調查，建立教學樓火災疏散模型，考慮最不利原則并通過多種方式求算火災疏散時間，對疏散時間的分析得出減少疏散時間的建議。

1 現場情況調查

某學校教學樓集合上課與辦公兩個區域為一體，建筑總面積達60 000 m2。設置近30個出入口，但由于學生寢室以及食堂方位的影響，常用的出口僅有3個，按人流量順序依次為西北屏風門、正西門和正北門。在對人流量調查后發現在日常開啟的16個門中，正西門、西北屏風門、正北門3個門的人流量占教學樓全部流量的85%以上。統計發現，西北屏風門在中午11∶50—12∶10時間段內的人流量最高，可以達到1 116人次。

調研發現教學樓內教室主要分為3 種類型，分別是普通教室、方形階梯教室和梯形階梯教室，其容量分別為117 人、198 人及248 人。教室模型進行簡化后其布局如圖1 所示。

2 火災疏散時間計算

必需疏散時間（TR）是通過將全體逃生疏散人員作為一個整體提出的概念，它包括探測報警時間Ta、人員響應時間Tr、人員疏散運動時間Tm，必需疏散時間等于其三者之和［6］。

TR = Ta + Tr + Tm （1）

探測報警時間自火災發生開始計時，直到處于火災現場的人發覺火災發生為止。考慮實際情況，本文將探測報警時間定為20 s。

人員響應時間自人們發覺火災的發生開始計時，直到人員開始做出逃生準備為止。考慮到教學樓里多為青年學生，我們將其人員響應時間確定為40 s。

對于人員疏散運動時間，將其分為兩部分：人員從教室疏散至樓道的時間、人員從樓道疏散到外部的時間。下面依次求解這兩個時間。

2.1 教室疏散時間

為確保計算的準確性，本文采用兩種不同的經驗公式以及Pathfinder 模擬3 種方法分別求算3 種不同教室疏散到走廊的時間。研究中默認在校大學生均是熟悉建筑物內通道出口的健康人。

（1）Togawa 經驗公式［7］。

式（2）中：Ntol為等待疏散的總人數，3間教室分別為120人、200人、250人；Weff為疏散出口的有效總寬度，單位為m，3間教室分別為0.86 m、1.09 m、1.09 m；C 為疏散出口的疏散能力，單位為人（/ m·s），3種教室均為1.6人/（m·s）；Lmin為疏散人員中距離疏散出口的最近距離，單位為m，3種教室分別為0.5 m、3.35 m、1.2 m；V 為疏散時人員的平均速度，單位為m/s，取1.2 m/s。

計算得到3 種教室的疏散時間分別為87.63 s、117.47 s、144.35 s。

（2）疏散時間經驗公式。

教室中人員通過教室階梯所需要的時間由下式計算：

式（3）中：P 為人員數量，分別為120 人、200 人、250人；WL 為階梯的有效寬度，單位為m，分別為1 m、1 m、1.3 m。

人員通過門需要的時間為：

式（4）中：r 為單位時間單位門寬度通過的人數，均為1.6；n 為門的數量，分別為2 個、2 個、4 個；WD為門的有效寬度，單位：m，分別為0.86 m、0.19 m、1.09 m。

求得3 間教室階梯疏散時間分別為150.81 s、218.95 s、212.78 s，通過門時間分別為43.60 s、57.34 s、35.84 s。計算發現，人員通過教室內階梯所需的時間遠大于通過門所需的時間。說明出現了人員在階梯滯留導致疏散時間增加的現象。通過兩時間做差可求得教室滯留時間，分別為107.21 s、161.61 s 和176.94 s。

（3）Pathfinder 模擬。

對于Pathfinder模擬，取人員平均步行速度為1.2 m/s，舒適距離為0.2 m。模擬時假定人員在得到疏散命令后開始行動且默認人員選擇距離最近的出口進行疏散。由于篇幅限制，本文只展示普通教室的疏散模擬圖，具體見圖2。

從模擬結果來看3 種教室疏散時間分別為47.3 s、94.5 s 和45.5 s。

將上文計算的疏散時間匯總并整理后得到結果見圖3。從圖中可以看出：方形階梯教室在第二種經驗公式下的疏散時間最長。因此，選擇該疏散時間為教室疏散時間。

2.2 樓道疏散時間

根據最不利原則，假設著火點所在教室除正西門與西北屏風門外無其他出口，則距離該教室最近的逃生出口為西北屏風門。

該路徑直線距離約為113.68 m。其中水平路徑為105 m，樓梯路徑長8.68 m，取熟悉建筑物內通道出口的健康人平均步行速度為1.2 m/s（平地）、0.6 m/s（樓梯），求得疏散人員成功到達樓外時間為101.95 s。

3 疏散時間分析及建議

綜合上述計算可以求得必需疏散時間為

TR = Ta + Tr + TC + TD + TS = 380.9（s） （5）

由式（5）可知教學樓必需疏散時間為380.9 s，將教學樓視為一級耐火建筑，查閱資料［8］得知其允許疏散時間為5～7 min。因此即使在最不利條件下教學樓的必需疏散時間仍能滿足相應要求。

同時，由式（5）可以得到各時間占疏散時間的比例如圖4 所示。教室內的滯留時間占比最大，為42%；其次是走廊疏散時間，為27%；再次是教室門口疏散時間，為15%；最后分別是人員響應時間和探測報警時間，分別為11% 和5%。通過分析各時間的占比，提出以下建議。

（1）合理控制教室內人員密度，減少教室人員滿載的情況，避免或減少因擁擠出現的滯留時間和門口疏散時間。（2）教學樓各出口常開，減少人員必需疏散時間中的走廊疏散時間所占的比例。（3）定期人員進行疏散演練，提高學生的反應能力與處置能力，減少人員響應時間。（4）定期檢查教學樓內消防報警設備的運行情況，確保其在出現火情時及時正確地發出警報。

4 結論

（1）本文以高校教學樓為研究對象，詳細調研了教學樓的布局、出口及樓梯情況，統計了教學樓人員流量情況，為后續計算疏散時間提供了基礎。（2）經分析本文確定的探測報警時間為20 s，人員反應時間為40 s，計算得出最不利條件下教室滯留時間為161.61 s，教室門口疏散時間為57.34 s，樓道疏散時間為101.95 s，教學樓必需疏散時間為380.9 s。（3）對必需疏散時間分析發現占比較大的有教室滯留時間、樓道疏散時間和教室門口疏散時間，針對此情況提出了相應的建議以減少必需疏散時間。

參考文獻

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[2] 田文青，安笑蕊，張繼友，等. 高校圖書館火災應急疏散模擬方法研究[J]. 建筑安全，2023，38（1）：70-75.

[3] 易玉枚，武甜恬，楊梓杰，等. 突發火災高校大學生疏散行為及心理調查研究[J]. 安全，2021，42（10）：12-17.

[4] 張景鋼，尹宜辰，何鑫.基于Pathfinder模擬高校圖書館火災疏散[J].華北科技學院學報，2022，19（6）：24-30.

[5] 吳培紅，蔣軍成，吳凡，等. 期刊閱覽室火災煙氣蔓延及人員疏散[J]. 消防科學與技術，2018，37（10）：1316-1320.

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[8] 張蒙. 基于BIM 的高層建筑消防應急疏散仿真研究[D]. 西安：西安理工大學，2021.