教學(xué)樓門扇開啟角度對人員疏散的影響分析

崔慧敏， 趙道亮， 謝欣彧， 耿 聰

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院, 上海 201418）

人群踩踏事故給群眾的人身安全和社會(huì)穩(wěn)定帶來影響，其中人群所處建筑空間的出口條件直接影響著疏散的路徑、移動(dòng)距離和時(shí)間，不少學(xué)者也針對建筑結(jié)構(gòu)對疏散的影響展開了一系列研究，分析了教室內(nèi)桌椅在不同布局下的疏散效率[1-2]。研究者基于元胞自動(dòng)機(jī)模型探究障礙物空間布局對人員疏散的影響機(jī)理，針對公共建筑的空間組合模式，開展了關(guān)于疏散效率貢獻(xiàn)差異的研究[3-4]。并對火車車廂、電影廳內(nèi)的空間布局進(jìn)行分析，探索對疏散的影響[5-6]。李若菲等[7]利用改進(jìn)的社會(huì)力模型分析了不同樓梯梯形下的人員疏散效果。研究人員對不同的走廊轉(zhuǎn)角進(jìn)行了疏散模擬[8-9]。郭曉明[10]分析了單、雙扇門內(nèi)開時(shí)，從90°到180°對疏散的影響，發(fā)現(xiàn)單、雙扇門分別在開啟角度在105°～135°之間時(shí)最利于人員疏散。Ma 等[11]對常見的3 個(gè)出口類別進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)2 個(gè)出口平行時(shí)對疏散最有利。Li 等[12]發(fā)現(xiàn)出口寬度為1.1 m 時(shí)，對疏散時(shí)間最有利，同時(shí)對比開門方向發(fā)現(xiàn)，向內(nèi)開門比向外開門時(shí)在疏散效率、面積密度和空間利用率方面優(yōu)勢更加明顯。也有一部分學(xué)者從不同的角度設(shè)計(jì)了有趣的疏散實(shí)驗(yàn)，如劉天揚(yáng)[13]對90 只小白鼠進(jìn)行訓(xùn)練，用來研究不同出口位置和不同出口形式條件下小白鼠非理性逃生實(shí)驗(yàn)；Wang 等[14]重點(diǎn)考慮人與障礙物的相互作用，探究了人員越過、推動(dòng)障礙物對疏散的影響；Zang 等[15]通過構(gòu)建有、無障礙物模型進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律的布置障礙物對疏散有積極的影響。

大多學(xué)者重點(diǎn)考慮了空間布局、樓梯結(jié)構(gòu)、過道及出口的寬度等對疏散的影響，從而忽視了一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)上對疏散的影響，如門的開啟角度等。雖然郭曉明學(xué)者對門扇開啟角度進(jìn)行了相關(guān)研究，但研究較單一，本文重點(diǎn)系統(tǒng)分析了門扇開啟角度與安裝模式、安裝位置、通道寬度和開啟狀態(tài)多重因素影響下的疏散規(guī)律，為建筑出口條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和人員疏散管理提供相應(yīng)參考。

1 軟件模型建立

為探討門扇對疏散的影響，對多棟教學(xué)樓進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，并建立基礎(chǔ)的疏散模型，如圖1（a）所示。建筑長61 m、寬20 m，從左至右3 個(gè)教室的規(guī)模依次為101、92、122 m2，其中通道寬度為2.6 m、教室出口寬度為0.85 m。將整層建筑包含的人數(shù)最大化，共有疏散人數(shù)510 人，平均分配到各個(gè)教室。通過調(diào)節(jié)障礙物的旋轉(zhuǎn)角度來代替門的開啟角度，并確定其3 種安裝模式如圖1（b）～（d）所示。根據(jù)SFPE 手冊的研究數(shù)據(jù)設(shè)置人員速度范圍最小為0.65 m/s，最大為2.05 m/s，設(shè)置人員按照最短路徑運(yùn)動(dòng)[16]。

圖1 建筑疏散模型圖及3 種門扇安裝模式Fig.1 Building evacuation model diagram and three door leaf installation modes

2 單因素影響分析

設(shè)置門扇的開啟角度分別為30°、60°、90°、120°、150°和180°（考慮門完全開啟時(shí)的極限狀態(tài)），分別在3 種安裝模式下進(jìn)行疏散模擬，其開啟角度與疏散時(shí)間關(guān)系圖，如圖2 所示。

圖2 3 種模式下開啟角度-疏散時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between opening angle and evacuation time under three modes

由圖2 可知，不同安裝模式下，疏散時(shí)間受開啟角度的影響呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。模式1 下的整體疏散時(shí)間都偏高，是最不利疏散的一種模式。尤其在開啟角度＜90°時(shí)，大多數(shù)門扇開啟時(shí)的排列方向與教室出口處、通道上人群的疏散的方向相斥，所以對疏散的阻礙作用更為明顯，如圖3（a）所示。但隨著前門開啟角度＞90°時(shí)，大多數(shù)門扇開啟時(shí)的排列方向與人群的疏散的方向逐漸趨于一致，反而對人群的疏散有引流作用，疏散時(shí)間開始迅速下降，直至開啟角度為150°時(shí)疏散時(shí)間最短，甚至略低于門扇開啟角度為180°時(shí)的疏散時(shí)間，此現(xiàn)象可由諸多學(xué)者的研究來解釋，即距離出口處適當(dāng)距離、適當(dāng)尺寸的障礙物能促進(jìn)人員疏散[3,8,17]。在模式2 中，所有開啟角度下門扇的排列方向皆為一致，在門扇開啟角度＜90°時(shí)，門扇漏斗形的排列方向與人群運(yùn)動(dòng)方向相協(xié)調(diào)，以30°為例如圖3（b）所示。開啟角度＞90°時(shí)，則與人員運(yùn)動(dòng)方向相斥，但阻礙疏散的開啟角度主要集中于90°～120°，此時(shí)門的排列方向與人群運(yùn)動(dòng)方向幾乎呈垂直狀態(tài)，所以疏散效率偏低，疏散時(shí)間偏長。與模式1 不同的是，模式3 門扇開啟時(shí)的排列方向不與教室出口處的人員運(yùn)動(dòng)方向相斥，且隨開啟角度增大反而有利于教室出口處人員的疏散，所以模式3 隨著開啟角度的增加，疏散時(shí)間基本處于逐漸下降的狀態(tài)。

圖3 3 種模式下人員疏散運(yùn)行圖Fig.3 Operation diagram of evacuation in three modes

綜上所述，與郭曉明[10]的研究對比發(fā)現(xiàn)，并不是門扇開啟角度越大越有利于疏散，不同之處在于郭的研究中指出單扇門的內(nèi)開角度在135°時(shí)最利于疏散，而該研究具體有利于疏散的開啟角度取決于門扇的安裝模式。另外，郭曉明選取的是單室，開啟方向?yàn)閮?nèi)開，而該研究的模型選取是整層建筑，開啟方向?yàn)橥忾_，進(jìn)而導(dǎo)致了研究結(jié)果的不同。

3 雙因素影響分析

3.1 開啟角度和安裝位置二者的影響

分別在3 種安裝模式下建立一系列如圖4（a）所示的疏散模型，分別設(shè)置門扇安裝位置的相對距離為0、1、3 和5 m，其疏散時(shí)間關(guān)系圖分別如圖4（b）～（d）所示。整體上講，隨著開啟角度和相對距離的增加，3 種安裝模式下的疏散時(shí)間在一定程度上隨之降低。

圖4 開啟角度和安裝位置-疏散時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between opening angle and installation position evacuation time

如圖4（b）所示，在模式1 下門的開啟角度相同時(shí)，隨著相對距離的增加改善了門扇排列布局，緩解了走廊上人群擁擠程度，整體的疏散時(shí)間也隨之降低；且相對距離相同時(shí)，隨著開啟角度的增大，教室門口的利用率在增大，疏散時(shí)間呈線性遞減趨勢，但隨著相對距離的增加，這種降低趨勢在逐漸減弱。如圖4（c）所示，在模式2 下，門的相對距離的改變很大程度上改變了整體的疏散規(guī)律。尤其在開啟角度＞45°時(shí)，隨著相對距離的增加，門扇有效的錯(cuò)開分布，使得同一地點(diǎn)處通道的利用率變大，所以使得疏散時(shí)間的整體變化趨勢較大，最終逐漸趨于平穩(wěn)。如圖4（d）所示，在模式(3)中，隨著相對距離的增加，雖然疏散時(shí)間整體在下降，但由于門扇安裝模式的影響，會(huì)使得個(gè)別教室門口對齊的情況，再加上開啟角度的變化，會(huì)使整體變化趨勢反而變得更加振蕩。

3.2 開啟角度和通道寬度二者的影響

在3 種安裝模式下分別設(shè)置通道寬度為2.3、2.6和2.9 m，進(jìn)行人員疏散仿真模擬，得到疏散時(shí)間關(guān)系圖，如圖5 所示。整體上明顯看出3 種模式下隨著通道寬度的增加，疏散時(shí)間也在隨之縮短，但門扇開啟角度的變化對疏散時(shí)間產(chǎn)生的影響有所差異。

圖5 開啟角度和通道寬度-疏散時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between opening angle and passage width evacuation time

如圖5（a）模式1 所示，同一角度下隨著通道寬度的增加，疏散時(shí)間逐漸減少。在角度在30°～90°變化過程中，部分疏散時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢，其原因是隨著角度的增大，雖然人員從教室出口疏散的效率在提升，但通道過窄會(huì)導(dǎo)致人員在通道上的擁擠程度加重，并且門扇的排列方向逐漸垂直于通道上人員的疏散方向，對疏散的阻礙作用變大，反而會(huì)降低疏散效率。而隨著開啟角度和通道寬度的同時(shí)增大，此時(shí)教室出口與走廊都能得到較為充分的利用，疏散效率得到明顯改善。如圖5（b）模式2 所示，由于通道寬度的增加，通道的可利用空間變大，所以門扇對人員疏散阻礙就越不明顯，所以相同開啟角度下疏散時(shí)間也隨之降低并且降低的趨勢也愈加明顯，尤其在90°～120°之間疏散效率的提高更加明顯。如圖5（c）模式3 所示，通道寬度的過窄或者過寬都將使得疏散時(shí)間的變化趨勢隨著開啟角度的變化更加地振蕩。通道寬度為2.3 m 時(shí)，走廊上門扇的開啟角度的變化是影響疏散的主要因素，疏散效率取決于不同角度下門扇對人員的阻礙作用。隨通道寬度的增加，門扇對人員的阻礙作用在減小，所以振蕩幅度在減小，并且疏散時(shí)間也有較明顯的下降趨勢。

4 多因素影響分析

4.1 開啟角度、安裝位置和通道寬度三者的影響

在3 種安裝模式下，分別針對開啟角度、安裝位置和通道寬度，3 種因素相互作用下的人員疏散過程進(jìn)行模擬仿真，其疏散時(shí)間關(guān)系如圖6 所示。由圖6 可見，3 種安裝模式下，隨著安裝位置的相對距離和通道寬度的增加，疏散時(shí)間整體上在逐漸下降，且隨著開啟角度的增大產(chǎn)生不同的影響。

圖6 開啟角度、安裝位置和通道寬度-疏散時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between opening angle, installation position and passage width evacuation time

如圖6（a）模式1 所示，疏散時(shí)間隨著開啟角度、相對距離和通道寬度的增加呈規(guī)律性較強(qiáng)的下降趨勢，根據(jù)章節(jié)3.1 與3.2 的交互作用下的分析，當(dāng)3 種因素交互時(shí)，會(huì)更加利于人員疏散。當(dāng)門的開啟角度超過150°時(shí)，疏散時(shí)間逐漸趨于平緩。與模式1 相比，模式2 中疏散時(shí)間只隨著相對距離和通道寬度的增加而下降，并且下降的趨勢較緩慢，如圖6（b）所示。此模式下疏散效率受開啟角度的影響較大，如當(dāng)通道寬度為2.3、2.6 m 時(shí)，受通道空間的局限與不同角度的門扇交互作用而形成的阻礙較大，90°～120°范圍內(nèi)疏散時(shí)間較長。與前2 種模式不同的是，在3 種因素交互作用下產(chǎn)生的疏散效果還是有所差異，如圖6（c）所示。在開啟角度＜60°時(shí)，教室出口得不到充分利用，再加上安裝位置的改變反而使得教室門口存在對齊的現(xiàn)象，從而不利于疏散。而當(dāng)開啟角度＞60°時(shí)，此時(shí)3 種通道寬度下隨著相對距離的增大，相應(yīng)的疏散時(shí)間也在逐漸縮短，并且其下降趨勢較明顯于門的開啟角度變化時(shí)給疏散時(shí)間帶來的影響。

4.2 開啟角度、通道寬度和開啟狀態(tài)三者的影響

設(shè)置門開啟的3 種狀態(tài)如下：①前、后門的開啟角度同時(shí)改變；②只改變后門的開啟角度，前門保持開啟180°；③只改變前門的開啟角度，后門保持開啟180°。在3 種安裝模式下，分別針對開啟角度、通道寬度和3 種開啟狀態(tài)3 種因素相互作用下的人員疏散過程進(jìn)行模擬仿真，其疏散時(shí)間關(guān)系圖如圖7 所示。雖然3 種模式下，同樣展示出隨著通道寬度的增加，其整體疏散時(shí)間會(huì)隨之下降的現(xiàn)象，但門扇開啟角度與開啟狀態(tài)的變化，也是影響疏散效率的重要因素。

圖7 開啟角度、通道寬度和開啟狀態(tài)-疏散時(shí)間關(guān)系圖Fig.7 Relationship between opening angle, channel width and opening state evacuation time

模式1 以開啟90°為界限，在只改變前門和只改變后門2 種狀態(tài)下，人員疏散方向與門扇的排列方向之間的變化分別為由相斥變得逐漸一致、由一致變得逐漸相斥。尤其在開啟角度＜90°時(shí)，與只改變后門時(shí)相比，教室只改變前門時(shí)，人員同時(shí)受到開啟角度和通道上門扇的排斥力的影響，疏散效率會(huì)更低；但開啟角度＞90°時(shí)，人員疏散主要只受通道上門扇排列方向的影響，而此時(shí)是只改變前門時(shí)疏散效率較高。整體上比較，只改變后門時(shí)較利于疏散。隨著通道寬度和開啟角度的增加，疏散時(shí)間整體上呈遞減趨勢，如圖7（a）所示。而在模式2 中，整個(gè)開啟角度變化中，3 種狀態(tài)下人員疏散方向與門扇排列方向皆為由一致逐漸相斥，所以開啟狀態(tài)的變化對疏散影響不大，變化主要集中在開啟角度與通道寬度的改變上，如圖7（b）所示。整個(gè)疏散過程中當(dāng)門的開啟角度在90°～120°時(shí)對疏散阻礙較大，但隨著通道寬度的增加，對疏散的阻礙也在逐漸減弱。如圖7（c）模式3 所示，人員疏散方向與門扇的排列方向之間的變化與模式1 相反，所以疏散效率變化規(guī)律與模式1 相反。不同的是前后門同時(shí)變化時(shí)在3 種開啟狀態(tài)下帶來的疏散效果不同，這是由于通道上整體的門扇排列方式與人員運(yùn)動(dòng)方向共同交互決定的結(jié)果，所以也是模式3 下的變化趨勢與模式1 差距較大的原因。

5 結(jié) 語

為探究門扇開啟角度對疏散效率的影響，本文結(jié)合門扇安裝模式、安裝位置、通道寬度及開啟狀態(tài)相關(guān)因素，用Massmotion 軟件建立了疏散仿真模型，總結(jié)得出如下結(jié)論：

（1） 受門扇安裝模式的影響，疏散效率隨著開啟角度的變化呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。模式1 疏散效率最低，但隨著開啟角度的增大，疏散時(shí)間下降幅度最大；模式2，90°～120°范圍內(nèi)疏散效率最低；模式3 整體疏散時(shí)間較短，且隨著開啟角度的增大，疏散時(shí)間呈線性下降趨勢。

（2） 不同安裝模式，安裝位置和通道寬度的增加有利于疏散效率的提升，但模式1 與模式2 疏散效率受開啟角度影響較大，模式3 開啟角度對疏散效率的影響較弱。

（3） 受門扇開啟角度和開啟狀態(tài)的影響，不同安裝模式下疏散效率差別較大。模式1 中，相比開啟角度而言，門扇開啟狀態(tài)對疏散效率的影響較大，而其他2 種安裝模式中，開啟角度對疏散效率的影響較明顯。

針對以上結(jié)論，可為建筑物的空間設(shè)計(jì)及人員安全疏散提供相關(guān)參考意見：①充分考慮門扇開啟角度和安裝模式對安全疏散的影響，從疏散效率最大化角度出發(fā)，門扇應(yīng)該采取模式3 的安裝模式；②建議在安裝模式3 下，適當(dāng)把門扇安裝位置之間的相對距離和通道寬度分別增大到3～5 m、2.6～2.9 m，從而提高疏散效率；③門扇的開啟狀態(tài)也是疏散中不容忽視的因素，建議安全管理者根據(jù)建筑實(shí)際的空間結(jié)構(gòu)提前做好疏散仿真規(guī)劃，以備緊急情況下做好應(yīng)急疏散的空間布局轉(zhuǎn)化。