建筑出口对人员疏散影响的计算机仿真模拟及分析

丁元春， 李文健， 翁发禄， 支学艺， 林大建

（江西理工大学，a.资源与环境工程学院；b.电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000）

0 引 言

随着人们生活水平的提高，安全问题尤其是人身安全，受到越来越广泛的关注.在灾难来临之时，人类无法阻挡其发生，但却可以通过一定的手段减小灾害造成的损失[1-3].特别是一些公共建筑，灾害发生时人员较为密集，例如美国世贸大厦在发生恐怖袭击的时候，据不完全统计大致也有17560人活动在大厦里面[4].上海金茂大厦每天有4000多人在里面上班，同时每天前来的访客也可以达到数千名[5]；其他常见人员密集场所如图1所示.在意外发生过程中，如果能够对人员进行及时疏散，那么生命财产的损失将大大降低.由于疏散过程受到场所及人员行为特性限制，因此，实现高效安全的人员疏散具有一定的难度.在最近几十年来，各类场景下人员的疏散方法与疏散策略的研究一直是安全领域的热点之一.同时，在大量学者的共同努力下，已提出了大量相关的技术与方法.例如，社会动力学模型[6]、元胞自动机模型[7-8]、格子气模型[9]、地面场模型[10]、精细离散模型[11]等，均已被广泛研究并应用于紧急情况下人员疏散时间及速度的计算.

值得指出的是，随着计算机技术的发展，各类疏散软件也得到了较好的发展，如Pathfinder、FDS+Evac、 FPETool、EVACNET4、 TIMTEX、 WAYOUT、STEPS、 PedGo、 EDROUTE/PAXPORT、 Simulex、GridStream、ASERI、buildingEXODUS、EXITT、Legion等数十种仿真软件均已用于人员疏散的研究中.在众多疏散软件之中，Pathfinder具有容易实现，仿真效果好，疏散过程较真实等特点[12-14].其运用图形构建建筑物模型，并基于计算机相关技术完成疏散过程的建模.多种类的仿真模型及个体属性的可定制特点使得我们很容易实现不同情境下的疏散过程仿真，并计算疏散时间的边界值.在过去的十多年中，大量学者通过不断努力已取得许多基于Pathfinder软件的相关研究成果.例如，文献[15]基于Pathfinder研究了楼梯和电梯的耦合疏散，并实现了其优化设计；文献[16]基于Pathfinder研究了购物广场内部布局对人员疏散的影响，并提出了疏散时间较短的布局方案；文献[17]基于Pathfinder研究了人员疏散对于有效减少踩踏事故发生的重要意义，揭示大型公共场所人员密集区域人员疏散行为规律特征.更多相关研究成果可参考文献[18-20]等相关文献.

此外，杨立中等通过对人员疏散过程的观测发现，出口的拥堵情况对疏散的效率影响非常严重[21].在最近几年中，部分学者对出口对疏散的影响进行了进一步研究，并获得了一些成果，如，张立红等[22]基于元胞自动机对疏散出口距离和出口人群聚集密度对人员疏散的影响进行了数值模拟，得到了出口选择模型,实现了模型的定量化表示.文献[23]基于元胞自动机对多出口室内行人出口选择行为进行了研究，通过引入出口代价,使得模型能合理地描述多出口的室内行人疏散.文献[24]探讨了影院不同出口及走道位置对人员疏散效率的影响，得到当出口对称设置在观众前方左右两侧，走道设置在观众两侧时，此时房间布局为最佳疏散场景，疏散效率最高.更多相关研究成果，读者可参考文献[25-27]等相关文献.

本文主要基于Pathfinder研究出口位置、数量及导流墙对人员疏散的影响.主要有以下三个方面：①在出口总宽度一定的情况下，通过改变出口的数量研究其对疏散时间的影响；②在出口宽度一定的情况下，通过改变出口的放置地点研究出口位置对疏散时间的影响；③在出口数量及位置不变的情况下，通过改变在出口的两边有无导流墙研究导流墙对疏散速度的影响.以上研究成果将对建筑出口的设计、管理及紧急情况下人员疏散策略的制定与实施提供指导.

1 人员疏散模型

本文主要研究建筑出口对疏散的影响，为了减少其他不必要的干扰，在此不考虑室内布局.基于Pathfinder软件建立模型如图2所示，该建筑长13.3 m，宽6.5 m，总面积为86.45 m2.门位于建筑的一侧，为了便于讨论数量及位置等参数对疏散结果的影响，在此将门的数量、宽度和位置设定为可调整.为了消除人员属性差异对仿真结果的影响，所有人员采用统一属性：肩宽45.58 cm；高度182.88 cm；正常移动速度1.19m/s；加速时间1.1 s；碰撞响应时间1.5 s；舒适距离0.08m.

图2 平面建筑模型

2 仿真模拟及结果分析

2.1 出口数量对疏散时间的影响

出口是疏散过程中时常出现的瓶颈，其大小和数量都对疏散速度有重要的影响.为了分析出口数量对疏散时间的影响规律，在此考虑4种情景（出口总宽度均为4m，但数量不同）.情景1：出口数量为8，每个出口的宽度为0.5m，见图3（a）；情景 2：出口数量为4，每个出口的宽度为1m，见图3（b）；情景3：出口数量为2，每个出口的宽度为2 m，见图3（c）；情景4：出口数量为1，出口的宽度为4 m，见图3（d）.众所周知，被疏散人员数量的多少影响到疏散过程中是否出现拥堵现象.为了分析不同被疏散人员数量情况下，出口数量对疏散过程的影响程度.在此选择总疏散人数分别为10、50、100、150、200五种被疏散人员数量情况，为了减小人员分布对疏散过程的影响，4种情景中均采用相同的人员分布情况（图3为被疏散人数为150人时的人员分布情况）.

图3 不同出口情景示意

通过仿真实验可得，人数为200人时，情景1至情景4完成疏散所消耗的总时间分别为51.3 s、40.3 s、35.5 s及35 s，其他实验数据结果详见表1.由表1可得不同被疏散人员数量情况下完成疏散所消耗总时间的变化曲线，详见图4.从表1和图4可知，当被疏散人员数量较少时，出口数量对疏散总时间影响较小（特别是被疏散人员只有10人时，四种情景的疏散时间相同）；但是随着被疏散人数的增加，情景4表现出的疏散优势越来越明显，例如，当被疏散人员为200人数，情景1需要51.3 s，而情景4只需35 s.也就是说，被疏散人员数量较少的情况下，出口数量对疏散时间没有多大的影响；而被疏散人员数量较多的情况下，越少的出口数量疏散时间越短.通过观察疏散过程发现，当被疏散人员数量较多的情况下，在出口处会出现拥堵现象.同时，出口的宽度越窄，堵塞越厉害，进而造成出口数量越多，疏散速度越慢.

表1 不同出口数量情况下完成疏散所消耗的总时间/s

图4 不同出口情景下完成疏散所消耗的总时间曲线

2.2 出口位置对疏散的影响

目前，建筑出口位置主要有3种情况，见图5所示：位置1位于左边，位置2位于中间，位置3位于右边.其中位置1与位置3对称，属于同一种情况，因此，本文只考虑位置1和位置2两种情况.设定建筑物有2m宽的出口1个，出口位置选择图5所示的位置1和2两种情况，位置1处门离左边墙的距离为0.15 s；位置2处门位于墙的中间位置.为了分析被疏散人员不同数量情况下，出口位置对疏散过程的影响程度.在此选择总疏散人数分别为 10、20、50、100、150、200 六种被疏散人员数量情况.为了减小人员分布对疏散过程的影响，不同出口位置情况下均采用相同的人员分布情况.

图5 建筑楼面出口位置

通过实验可得，人数为200人时，位置1及位置2完成疏散所消耗的总时间分别为64.5 s及72.8 s，其他实验数据结果详见表2.由表2可得不同出口位置情况下完成疏散所消耗总时间的变化曲线，详见图6.从表2和图6可知，当被疏散人员数量较少时，位置2具有明显的疏散优势（例如被疏散人员只有10人时，位置1需要11.3 s，而位置2只需要8.0 s）；但是随着被疏散人员的增加，位置1开始由疏散劣势转变为优势，并且随人数的增加，疏散优势越来越明显，例如，当被疏散人员为200人数，位置1只需64.5 s，而位置2需要72.8 s.也就是说，被疏散人员数量较少的情况下，与位置1相比，位置2能够获得更短的疏散时间；而被疏散人员数量较多的情况下，位置1反而有利于提高疏散速度，进而获得更短的疏散时间.通过观察疏散过程发现，当被疏散人员较少的情况下，人员疏散通道畅通，总疏散时间由被疏散人员到出口的最远距离决定.图5中右上角圈中人员离位置1出口的距离明显大于位置2出口的距离，当疏散通道畅通，且移动速度相同时，该人通过位置2出口明显可以获得更短的疏散时间.随着被疏散人员数量增加，在疏散出口慢慢出现拥堵现象，且被疏散人员数量越多，拥堵越严重，疏散时间也慢慢地从由距离决定转换到由拥堵程度决定.从疏散过程可以看出，在出口宽度相同的情况下，位置1的抗拥堵性能明显优于位置2，这主要是位置1靠近左边的墙取得了一定的导流作用.在此，可以猜想如果出口的右边也有一堵墙，疏散速度可以得到更多提高.下文将继续通过实验分析导流墙的作用.

表2 不同位置出口完成疏散所消耗的总时间/s

图6 不同出口位置情况下所需的疏散时间

2.3 导流墙对疏散的影响

为了进一步研究出口对人员疏散的影响.文中在图5位置1的右边及位置2的左右两边分别加上不可跨越的导流墙（见图7中的白色线所示）.在此选择总疏散人数分别为 10、20、50、100、150、200六种被疏散人员数量情况.

图7 导流墙位置示意

通过实验可得，人数为200人时，有导流墙情况下位置1及位置2完成疏散所消耗的总时间分别为61.8 s及61.3 s，其他实验数据结果详见表3.由表3可得有导流墙情况下位置1及位置2完成疏散所消耗总时间的变化曲线，详见图8.从表2和图8可知，当被疏散人员数量较少时，导流墙对疏散有一定阻碍作用 （例如被疏散人员只有10人时，无导流墙位置1疏散时间为11.3 s；有导流墙位置1疏散时间为12.8 s）；但是随着被疏散人数的增加，导流墙对疏散速度的提升表现得越来越明显，当被疏散人员为200人数，有导流墙情况下位置1的疏散时间从64.5 s缩短到61.8 s，位置2的疏散时间从72.8 s缩短到61.3 s.也就是说，当被疏散人员在出口处出现拥堵的情况下，导流墙可以有效提高出口的通畅程度，缩短疏散时间.同时，在有导流墙情况下，疏散人数较少时位置2比位置1优势较大 （当被疏散人数为20人，疏散时间差距13.5-10.5=3（s），但是随着被疏散人员的增加，位置2与位置1的疏散时间越来越接近（当被疏散人数为200人，疏散时间差距61.8-61.3=0.5（s）.也就是说，在有导流墙情况下，疏散人员较少时，总疏散时间由疏散距离决定；而疏散人员较多时，总疏散时间由疏散出口的通畅程度决定.

表3 有导流墙时不同位置出口完成疏散所消耗的总时间/s

图8 有无导流墙情况下疏散时间曲线

3 结 论

文中基于Pathfinder软件研究了出口数量、位置及导流墙对人员疏散的影响.主要研究结果包括三个方面：①在出口总宽度一定的情况下，被疏散人员数量较少时，出口数量对疏散时间没有多大影响；被疏散人员数量较多并在出口处出现拥堵时，出口数量越少越有利于提高疏散速度，进而获得更短的疏散时间.②当被疏散人员较少且出口处疏散通畅时，总疏散时间由被疏散人员到出口的最远距离决定.当被疏散人员较多且在出口处出现拥堵（被疏散人员数量越多，拥堵越严重）时，两边的出口（见图5中的位置1和3）比中间的出口（见图5中的位置2）疏散速度更快，能够有效缩短疏散时间.③当被疏散人员数量较少时，导流墙对疏散有一定阻碍作用；当被疏散人数较多且在出口处出现拥堵时，导流墙可以有效提高出口的通畅程度，缩短疏散时间.特别是当出口位于中间（见图5中的位置2）时，导流墙的对疏散速度的提升效果最明显.以上研究方法与元胞自动机相比，明显具有操作简单，可视化强及结果更真实等特点.研究成果对建筑出口的设计、管理及紧急情况下人员疏散具有一定的指导作用.