頂層含有摩天輪的特殊建筑人員應(yīng)急疏散能力分析

摘要：為確保屋頂層具有摩天輪的商業(yè)綜合樓在緊急情況下的人員疏散安全性，基于Agent-based社會(huì)力模型，采用仿真工具Pathfinder，開(kāi)展某屋頂層含摩天輪的商業(yè)綜合體人員疏散模擬。根據(jù)規(guī)范和建成建筑信息，設(shè)置各區(qū)域的人員參數(shù)與數(shù)量，開(kāi)展應(yīng)急疏散模擬。研究得出，摩天輪區(qū)域設(shè)置單獨(dú)的疏散通道逃生，可以有效緩解整個(gè)建筑的疏散壓力，各層人員可在限定時(shí)間內(nèi)到達(dá)安全區(qū)域，因摩天輪乘坐人員需等轎廂到達(dá)登梯平臺(tái)，人員疏散用時(shí)最長(zhǎng)為973s。

關(guān)鍵詞：摩天輪；疏散模擬；安全時(shí)間；優(yōu)化措施

隨著建筑功能及美學(xué)設(shè)計(jì)的多樣性發(fā)展，單體建筑綜合樓的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，不僅豐富了城市生活，也給火災(zāi)、地震等緊急事故狀態(tài)下的人員疏散帶來(lái)更大挑戰(zhàn)[1]。在此背景下，研究屋頂層具有摩天輪的商業(yè)綜合樓在緊急情況下的人員應(yīng)急疏散效率，并探索有效措施以縮短疏散時(shí)間，成為重要的研究方向。

對(duì)于復(fù)雜建筑人員疏散影響因素，李晨旭等人[2]提出疏散時(shí)間隨高層人員居住密度的降低而降低。朱前坤等人[3]研究得出教學(xué)樓人員疏散最重要的影響因素是通道口處堵塞。王梓楠等人[4]也得出同樣的結(jié)果，在緊急疏散過(guò)程中，應(yīng)該增加疏散樓梯寬度，加強(qiáng)尋路標(biāo)識(shí)等。張興忠[5]通過(guò)對(duì)高層建筑的消防滅火救援難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。張明振等人[6]研究了超高層建筑人員緊急疏散特征，分為搶占、逆行、沖動(dòng)、慣性、僥幸共五種行為。常悅等人[7]通過(guò)研究學(xué)生宿舍人員緊急疏散分析，得出樓梯應(yīng)分布在標(biāo)準(zhǔn)層和防火分區(qū)，并且要分散布置。基于以上疏散研究結(jié)果，主要針對(duì)的是單一傳統(tǒng)建筑人員緊急疏散策略，對(duì)于屋頂層具有摩天輪游覽設(shè)施的商業(yè)綜合樓緊急疏散的研究分析較少。

因此，本文基于Agent-based社會(huì)力模型，采用三維動(dòng)態(tài)仿真軟件Pathfinder，構(gòu)建了某頂層具有摩天輪的商業(yè)綜合體人員疏散模型。鑒于火災(zāi)是應(yīng)急疏散中出現(xiàn)概率較大且危險(xiǎn)的情況，本研究考慮火災(zāi)狀態(tài)下的疏散模擬，旨在分析緊急疏散的復(fù)雜情況下，人員安全疏散時(shí)間是否能夠得到保障，并對(duì)比其疏散結(jié)果，給出優(yōu)化措施。

1 模型建立

1.1 建筑概況

某已建成屋頂層含摩天輪的綜合樓占地面積5007.28m2，總建筑面積64252.43m2，地上建筑面積46486.15m2，建筑高度為49.55m，屬于一類高層民用建筑。地上共10層，為商業(yè)功能，其中1層層高為5.1m，2～10層層高為4.9m，機(jī)房層層高3.3m。摩天輪登梯平臺(tái)位于9層樓面，9層屋外單獨(dú)設(shè)置有一處摩天輪登梯平臺(tái)，見(jiàn)圖1。

1.2 疏散場(chǎng)景

因地下和地上具有單獨(dú)的疏散出口，火災(zāi)情況下的人員緊急疏散，只考慮地上部分的10層商業(yè)區(qū)和頂層摩天輪區(qū)。地上10層商業(yè)部分內(nèi)設(shè)有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，每層樓設(shè)置兩個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)至少設(shè)2個(gè)出口，出口之間的距離均超過(guò)5m，滿足疏散距離要求，其中1層具有多個(gè)直通室外的出口，滿足疏散寬度的要求。2～3層疏散出口在各層的相對(duì)位置一致，每個(gè)防火分區(qū)均設(shè)置三處疏散出口，4～10層疏散出口在各層的相對(duì)位置一致，每個(gè)防火分區(qū)分別設(shè)有兩個(gè)疏散出口。頂層摩天輪功能區(qū)具有獨(dú)立的疏散樓梯的特殊情況，每個(gè)防火分區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)至最近安全出口的距離小于37.5m。通過(guò)對(duì)綜合樓和摩天輪的人數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)最不利原則，地上10層商業(yè)區(qū)域的疏散總?cè)藬?shù)為15433人，9層設(shè)置摩天輪登梯平臺(tái)，摩天輪轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間為12min，摩天輪轎廂數(shù)為30，運(yùn)載定員為6×30=180人，因此，在設(shè)置疏散時(shí)考慮為滿員的情況，因此全樓疏散的總?cè)藬?shù)為15613人，見(jiàn)表1。考慮以上特殊情況，選擇人員負(fù)荷最大的情況模擬。

2 基于Pathfinder的疏散人員安全性分析

Pathfinder是由美國(guó)Thunderhead Engineering 公司開(kāi)發(fā)的一款基于Agent-based的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估仿真系統(tǒng)，主要用于建筑防災(zāi)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、災(zāi)難逃生科學(xué)研究、人員災(zāi)難疏散模擬訓(xùn)練。在軟件中建立的3D模型還原了建筑的幾何結(jié)構(gòu)，包括房間、門、樓梯、出口等，由于人員密度會(huì)對(duì)人群的擁擠狀態(tài)有影響，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整人員在不同位置的行走速度。通過(guò)定義每個(gè)模擬人員的個(gè)體參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程中的各自獨(dú)特的逃生路徑和時(shí)間預(yù)測(cè)，適用于大型復(fù)雜建筑物的逃生分析。

2.1 人員參數(shù)確定

由于不同年齡段的人員類型行走速度不同，最終導(dǎo)致疏散時(shí)間變化。因此，本項(xiàng)目中依據(jù)人員類型設(shè)定人員的行走速度，見(jiàn)表2。

2.2 人員疏散安全時(shí)間確定

本研究人員疏散場(chǎng)景考慮為火災(zāi)緊急疏散，根據(jù)GB51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.7條規(guī)定，火源最大熱釋放速率為1.5MW，確定為t2快速增長(zhǎng)火源，達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間為185s。探測(cè)與報(bào)警時(shí)間取60s；通過(guò)打開(kāi)實(shí)時(shí)引導(dǎo)的應(yīng)急廣播系統(tǒng)，疏散人員處于清醒狀態(tài)，易于識(shí)別火災(zāi)報(bào)警并找到最近的安全疏散路線，人員識(shí)別火災(zāi)時(shí)間取90s，本商業(yè)區(qū)通過(guò)嚴(yán)格管理，及時(shí)組織人員疏散，取反應(yīng)時(shí)間30s，疏散開(kāi)始時(shí)間合計(jì)為180s。每一層樓的火源分別考慮機(jī)械排煙和不利條件導(dǎo)致機(jī)械排煙失效使用自然排煙的情況，同時(shí)考慮最不利條件，設(shè)置一層發(fā)生火災(zāi)，各層防火卷簾失效的情況，分析人員安全疏散時(shí)間。

最后考慮到發(fā)生火情疏散過(guò)程中的不確定性，增加安全余量時(shí)間（Ts），通常取不小于0.1倍的疏散行動(dòng)時(shí)間。必需疏散時(shí)間RSET=疏散至樓梯前室時(shí)間+Ts。火災(zāi)時(shí)人員緊急疏散過(guò)程與火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的關(guān)系見(jiàn)圖2。

2.3 模擬結(jié)果分析

考慮人數(shù)最多的L1層進(jìn)行模擬分析。疏散開(kāi)始，疏散人員選擇就近的安全出口進(jìn)行疏散。疏散行動(dòng)時(shí)間30s時(shí)，L1層第一防火分區(qū)人員集中在樓梯前室窄口處，第二防火分區(qū)由于面積過(guò)大，還有一部分人員未疏散至樓梯前室。疏散行動(dòng)時(shí)間60s時(shí)，第一防火分區(qū)仍有部分人員擁擠在樓梯前室，第二防火分區(qū)人員已經(jīng)全部進(jìn)入安全出口區(qū)域。疏散行動(dòng)時(shí)間80s時(shí)，第一防火分區(qū)仍然有部分人員未進(jìn)入安全出口區(qū)域。疏散行動(dòng)時(shí)間89.7s時(shí)，L1層所有人員均進(jìn)入安全出口區(qū)域，見(jiàn)圖3。可知模擬計(jì)算得到L1疏散行動(dòng)時(shí)間為89.7s。疏散時(shí)間計(jì)算時(shí)，行動(dòng)時(shí)間乘以1.1倍安全系數(shù)。因此L1層的疏散時(shí)間RSET=89.7×1.1+180=278.67s。

考慮到該建筑頂層存在摩天輪，緊急情況下，摩天輪需旋轉(zhuǎn)到登梯臺(tái)位置，人員才能離開(kāi)轎廂向安全區(qū)域疏散，見(jiàn)圖4。疏散行動(dòng)時(shí)間200.7s時(shí)，摩天輪平臺(tái)獨(dú)立疏散樓梯進(jìn)行緊急疏散的人員已經(jīng)到達(dá)L1層安全出口區(qū)域。由于摩天輪旋轉(zhuǎn)一圈需要12min，所以仍有大量的人員擁擠在平臺(tái)區(qū)域。疏散行動(dòng)時(shí)間600s時(shí)，摩天輪平臺(tái)仍有少數(shù)滯留人員，一直到疏散行動(dòng)時(shí)間720.9s時(shí)，摩天輪區(qū)域所有人員均離開(kāi)平臺(tái)，進(jìn)入疏散樓梯安全區(qū)域。可知模擬計(jì)算得到摩天輪區(qū)域疏散行動(dòng)時(shí)間為720.9s。考慮安全余量，摩天輪區(qū)域的疏散時(shí)間為RSET=720.9×1.1+180=972.99s。

針對(duì)表1中工況的設(shè)置，得到各樓層的疏散行動(dòng)時(shí)間，見(jiàn)圖5。頂層所有人員疏散至樓梯前室的時(shí)間為314.8s，主要原因是頂層樓梯疏散區(qū)域以上不存在向下人員的擠占，向下樓層因需要等待較低層人員進(jìn)入樓梯間，所以除開(kāi)頂層區(qū)域，樓層越高，人員疏散至樓梯前室時(shí)間越長(zhǎng)。摩天輪疏散至樓梯前室時(shí)間720.9s，主要原因是摩天輪共有轎廂30個(gè)，其旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間為12min，當(dāng)轎廂旋轉(zhuǎn)至最低處時(shí)，疏散人員才能離開(kāi)轎廂到達(dá)摩天輪平臺(tái)進(jìn)入到疏散樓梯區(qū)域。最后一個(gè)轎廂人員到達(dá)登梯臺(tái)時(shí)間較晚，所以摩天輪區(qū)域人員疏散至樓梯前室時(shí)間最長(zhǎng)，但摩天輪人員疏散時(shí)間小于全樓疏散時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)頂層含有摩天輪的特殊建筑，進(jìn)行人員緊急疏散模擬分析，得出以下主要結(jié)論和建議，為今后頂層含有摩天輪的特殊建筑綜合樓制定消防安全管理措施提供參考。

在消防系統(tǒng)有效作用下，考慮疏散開(kāi)始時(shí)間為180s，考慮人員疏散安全余量至少為行動(dòng)時(shí)間的0.1倍，各樓層分別布置人員。除頂層外其他樓層中，樓層位置越高，人員疏散至室內(nèi)安全區(qū)域所需時(shí)間越長(zhǎng)，頂層因不受上部人員擁擠影響，疏散至安全區(qū)域的時(shí)間較短。

摩天輪登梯平臺(tái)具有獨(dú)立的疏散樓梯，雖然摩天輪乘客開(kāi)始疏散時(shí)間會(huì)延遲，但是利用單獨(dú)疏散樓梯能夠減緩樓梯內(nèi)的擁堵，摩天輪滿載情況下所有人員進(jìn)入室內(nèi)安全區(qū)域的時(shí)間最長(zhǎng)，因?yàn)槟μ燧嗈I廂旋轉(zhuǎn)時(shí)間較久，該區(qū)域所有人員疏散至室外的時(shí)間小于全樓其他區(qū)域疏散時(shí)間，因此整體上摩天輪不會(huì)造成全樓的疏散延時(shí)。

須確保疏散通道無(wú)堵塞，防火卷簾、疏散樓梯安全可用，疏散指示標(biāo)志清晰醒目。定期組織商戶參加大型聯(lián)合緊急疏散演練，提高疏散效率。

參考文獻(xiàn)

[1]馮成吉.密集居民住宅消防設(shè)施規(guī)劃和滅火救援的運(yùn)用[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2023（7）：64-66．

[2]李晨旭，張振波，孫孟羽，等.高校多層宿舍人員疏散時(shí)間影響因素研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2023，30（8）：84-89．

[3]朱前坤，李繼武，杜永峰.老舊教學(xué)樓火災(zāi)場(chǎng)景人員疏散仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1-11[2023-08-18]

[4]王梓楠，符皓，張雪.基于Pathfinder的醫(yī)院門診樓疏散設(shè)計(jì)優(yōu)化研究——以復(fù)興醫(yī)院門診部為例[J].中國(guó)建筑裝飾裝修，2023（14）：152-155.

[5]張興忠.高層建筑消防滅火救援難點(diǎn)與要點(diǎn)研究[J].今日消防，2023，8（5）：34-36．

[6]張明振，習(xí)樹(shù)峰，段江忠，等.突發(fā)事件中超高層建筑人員緊急疏散策略研究[J].中國(guó)應(yīng)急救援，2023（3）：21-24+29．

[7]常悅，薛利國(guó)，賈玉龍，等.基于Pathfinder高校學(xué)生公寓人員疏散模擬研究[J].呂梁學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，13（2）：46-50．