高层教学楼人员疏散仿真分析

杨舒婷 高靖尧

(1.辽东学院城市建设学院，辽宁 丹东 118000; 2.国家电网丹东供电公司，辽宁 丹东 118000)

0 引言

在高等学校建筑中，因高层教学楼的内部结构复杂、人员密度高，且学生在建筑物内留存时间一致，一旦发生如地震、火灾、爆炸等的突发事件，极易发生踩踏等安全事故，引起严重的人员伤亡和经济损失。因此，高校高层教学楼的人员疏散仿真分析问题的研究至关重要。Helbing和Molnar[1]通过提出的社会力模型再现了人员疏散中的自组织现象，田玉敏[2]研究了人员在发生火灾时的行为理论和模拟原理等，Guesta等[3]利用人员疏散时的数据分析了教学楼的疏散性能，叶俊等[4]建立了火灾初期情况下高层建筑的垂直疏散模型，李静等[5]利用改进的精细网格网络复合模型优化了人员紧急疏散的路径。

1 模拟场景参数的确定

1.1 高层教学楼的特征

学校的高层教学楼通常采用通廊式建筑，由共用楼梯、电梯经由走廊到达各个教室，走廊的长度通常在30 m以上，建筑层数一般在10层左右或者更高。高层教学楼走廊两边各个教室紧密连接，在上课期间人员密度达到顶峰，且每个教室所能容纳的最大人员数量是固定的。在发生紧急事故时，处于高层教学楼内的学生往往会产生恐慌心理，加之缺乏安全意识、疏散路线不明确等因素，会造成大量的人员伤亡。因此，在现有高层教学楼的结构基础上，如何提高人员疏散效率的问题至关重要。

1.2 疏散高层教学楼概况

选取某高校一栋高层教学楼作为人员疏散仿真分析的研究对象。建筑物内的人员可以通过应急照明系统和紧急疏散路线图进行疏散。人员紧急疏散路线为：从教室出发通过走廊到达楼梯或电梯，由楼梯或电梯抵达出口层从而疏散到安全区域。由于建筑美观性该教学楼的2楼为出口层，1楼的人员需先抵达2楼后才可疏散到安全区域。建筑物内共拥有电梯2台，位于建筑物中心位置，疏散楼梯5处，分别位于电梯旁和建筑物两侧的位置。

2 高层教学楼安全疏散模型

2.1 人员安全疏散理论

人群移动速度vb是基于人群密度、所处地形和运动速度的曲线函数，它由式(1)～式(3)分步计算得出[6]:

vb=vmax·vf(D)·vft

(1)

vf(D)=1,D≤0.55人/m2

(2)

(3)

其中,vmax为设定的人员移动最高速度；vf(D)为速度的分步函数；vfmin为设定的最小速度参数(通常取值0.15)；D为疏散模拟区域内的人群密度；vft为根据人员疏散地形所确定的速度参数；对于坡道、水平地形，k=1.40 m/s。

采用Steering模式进行人员疏散仿真[7]，把疏散中人员的基本碰撞、规划疏散路径、疏散指导机制相结合来模拟人员疏散行为。在疏散人员间的距离和疏散人员到达最近出口的路径超过设定的阈值，疏散人员会重新规划疏散路径，按照疏散效率更高的路线前进，在此过程中疏散人员不断循环进行最优路径的规划，直到抵达安全区域。

2.2 建立高层教学楼疏散模型

选取的高层教学楼共9层，每层层高3.1 m，每层楼包含22间小教室、2间大的阶梯教室、4个公共卫生间。其中，每间小教室最多可容纳学生30人，每个阶梯教室最多可容纳学生120人。教学楼的中心位置设有两部电梯和两个楼梯，在教室走廊两侧尽端各设有一个楼梯，阶梯教室旁设有一个楼梯，共有7个安全逃生通道可以抵达出口层，如图1所示。疏散楼梯宽度为1.6 m，电梯每次运行可容纳10人。在发生紧急事故时，疏散人员利用逃生通道抵达出口层后通过出口走出教学楼视为安全。

2.3 安全疏散参数设置

在教学楼内随机分布初始疏散人群。整个疏散过程中，设定人员疏散均按照“就近原则、最优路径”进行安全疏散，所有出口的方向均设置为单向，人员只出不进，避免人员往返同一房间，提高疏散仿真效果。当所有人员通过任意出口疏散到教学楼外即为疏散结束。根据上述人员疏散理论和教学楼内所能容纳最多人员数量特点，运用Pathfinder模拟教学楼内人员紧急疏散仿真情况，人员疏散行为为基本碰撞、通往任一疏散出口、只通过楼梯疏散，设定表1模拟参数。

2.4 安全疏散模拟分析

通常高校的标志性教学楼会设计一个2楼平台，而为了方便教学楼的日常管理，只打开2楼常用的出口1，2，3作为主要进出口，图2为2层出口层俯视图。

表1 人员疏散仿真运行参数设置

按照常态下教学楼实际情况进行疏散模拟，安全疏散出口未与事故警报设备关联，使用教学楼所打开的出口1，2，3进行疏散，不同出口疏散人数结果见表2。

表2 各可用安全出口人员撤离流量情况

由上述结果可知：疏散时中部的楼梯离出口1，3更近，所以出口1和出口3疏散的人员数量相对较多。出口3这一侧由于有阶梯教室，较出口1那一侧要疏散更多的人员，其疏散效率最高。在45 s时，离出口较近的两侧楼梯，开始发生拥堵，人员聚集在各楼梯拐角处等候离开，对人员疏散效率具有影响，如图3所示。最终在当前建筑布局情况下，人员疏散总耗时为635.0 s。

3 突发事故情况下疏散场景的优化分析

在现有学校应急预案的基础上，根据高层教学楼内部基础设施较易于更改的特点，研究模拟布局优化的方式对人员疏散的影响，以及使用电梯进行人员疏散对疏散效率的影响。选取的高层教学楼一楼东西两侧有2处出口，四楼东西两侧有通往其他教学楼的通道，可用作紧急疏散时的安全出口，具体疏散结果见表3。各疏散出口使用情况见图4。

表3 各优化方式下的疏散时间和出口流速情况

由表3的疏散结果和图4的各出口使用情况可见，在发生突发状况时，联动打开教学楼现有的所有安全出口，并利用电梯进行辅助疏散，对提高人员疏散效率是十分有效的。从疏散时间可以看出，在紧急状况下及时打开教学楼所有出口可以大大提高疏散效率，其中打开4楼出口较打开1楼出口疏散时间更快；当高层教学楼配备相关报警设备，在发生突发状况时，应急报警设备立即触动，然后立刻开启锁闭的所有出口进行疏散，与未联动开启所有门需人工开启相比，疏散效率普遍提高12%；在同样的优化方式下，使用电梯进行辅助疏散，可以普遍提高疏散效率达到14%。

4 结论

1)在现有建筑结构基础上，完善各疏散出口警报联动机制功能，保证各出口在突发状况时能快速打开，在楼内各显示屏实时播报各出口使用情况，使人员合理规划疏散路径，可以提高人员疏散效率。

2)根据不同的突发状况，在使用电梯疏散可行的情况下，利用电梯进行辅助疏散可提高疏散效率。如地震情况下不可使用电梯进行疏散。

3)通过高层教学楼的疏散仿真分析，可以更加直观的反映在突发事故场景下人员真实的疏散情况，为学校相关部门的应急预案的设置提供了更多的理论参考依据。