地铁四线换乘枢纽高峰客流火灾疏散模拟研究*

李丹辰，刘 畅，周志杰，田向亮，陈俊沣，钟茂华

(1.清华大学 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084； 2.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

随着我国地铁建设规模的迅速发展，逐渐形成了网络化运营格局[1]，作为多条线路汇聚的枢纽车站，其内部建筑结构复杂，乘客进出站及换乘线路较长，站内客流密度较高且分布不均，火灾时需要疏散的人员数量远高于普通车站。

相关学者围绕扶梯[2]、闸机[3]、导流栏杆[4]、楼梯[5]及出口[6]等车站设施或行人心理因素[7]对于疏散时间的影响进行研究。Tsukahara等[8]基于大型地铁站火灾烟气扩散特征的研究，提出了在站台下部设置疏散层的方法，火灾时利用通风系统控制烟气沉降，同时执行引导乘客向下部空间疏散的策略；张茜[9]以杭州地铁武林广场站为对象，分析了客流量和恐慌情绪对群体疏散效率的影响,构建了多出口群体疏散综合模型；彭磊[10]分析了地铁站火灾预警机制，针对地铁站内不同起火部位提出了相应的人员疏散模式；Lee等[11]利用Pathfinder软件研究列车延误及拥堵对疏散时间的影响，发现列车延误可导致人员疏散时间增加119%～133%；Srikukenthiran等[12]利用传统二元模型和混合对数模型，对多伦多地铁换乘车站乘客选择楼梯或扶梯的倾向性进行研究，发现混合对数模型的预测精度能够达到90%；Yoon等[13]通过在地铁站内组织292人参与人群疏散实验和问卷调查，对列车火灾时不同特征人群的疏散行为进行分析；Kadokura等[14]考虑深埋地铁车站中扶梯的广泛使用导致疏散出口利用率降低的情况，利用停止运行的自动扶梯开展人群疏散实验，分析了自动扶梯用于疏散的可行性和对疏散效率的提高效果；Anastasios等[15]采用NFPA设计指南和Pathfinder软件模拟，对希腊某地铁车站进行安全评估，并对2种评估方法的优劣程度进行了研究。

本文主要研究四线换乘枢纽CGM站火灾场景下的人员疏散，该车站建筑面积较大、结构较为复杂，且存在较多的楼扶梯、出入口和闸机组，火灾情况下客流组织难度较大，通过分析楼梯组、电梯、出入口或闸机组无法使用的情况对乘客疏散的影响，提出了火灾疏散策略，研究结果能够为此类大型枢纽车站的大客流疏散方案制订、现场客流组织模式选取提供支撑。

1 CGM站简介

CGM站是四条地铁线路交汇的大型换乘枢纽站，地下共3层，如图1所示。其中，地下1层为站厅；地下2层为1号线、11号线的站台和7/9号线的换乘夹层；地下3层为7/9号线的站台。1号线与11号线平行布置，通过站厅换乘；7号线与9号线平行布置，2条线路之间可以同站台换乘、通过7/9号线的换乘夹层换乘或是通过换乘大厅换乘；1/11号线与7/9号线车站呈L形布置，通过换乘大厅换乘。CGM站的出入口和闸机组如图2所示，其中A，B，D1，D2，J，F出入口连接地面；A，B，C，D2出入口连接物业区；按照就近原则将车站内的闸机及栅栏门编号为17个闸机组。图3(a)为计算模型中1号线和11号线的站台部位，1号线采用6A编组列车，站台乘客可达区域长140 m，宽10 m；站台设有3组楼扶梯，提升高度为5.1 m，其中1，2号楼梯组由1个电梯与1个楼梯组成，电梯方向均为上行；3号楼梯组由2个上行的电梯组成。11号线采用8A编组，站台乘客可达区域长184 m，宽13 m；站台设有4组楼扶梯，提升高度为5.1 m，其中4，7号楼梯组均包含上下行自动扶梯；5，6号楼梯组均由1部电梯与1条楼梯组成。

图1 CGM站换乘结构示意Fig.1 Schematic diagram of transfer structure in CGM station

图2 CGM站出入口及闸机组分布Fig.2 Distribution of passageways and gate

图3(b)为计算模型中7号线和9号线的站台部位，7，9号线的列车采用6A编组，7/9号线站台乘客可达区域长140 m，宽11 m；站台各设有4组楼扶梯，其中8，11，12，15号楼梯组由2个直接通向地下1层换乘大厅的电梯组成，提升高度为14 m，每个楼梯组均包含上下行的2部电梯；9，10，13，14号楼梯组由1部上行电梯与1条楼梯组成，与地下2层7/9号线换乘夹层相连接，提升高度为7.5 m。图4为7/9号线换乘站厅计算模型，7/9号线换乘站厅南北两侧各有1个楼梯组，每个楼梯组包括：1条楼梯，1部上行电梯和1部下行电梯，提升高度为6.5 m。

图3 站台计算模型Fig.3 Simulation model of platform

图4 7/9号线换乘站厅计算模型Fig.4 Simulation model of transit hall between Line 7 and 9

2 模拟仿真设计

2.1 人员参数设置

通过调研实际客流数据获得车站内各区域的乘客数量，如表1所示，人群的年龄、性别及比例的分布参考问卷调查结果，受访乘客中男性和女性分别占比51%和49%，年龄分布以中青年为主，约87%的乘客年龄小于45岁，乘客受教育程度普遍较高，受访乘客以通勤客流为主，60%的乘客每周至少经过CGM站5次。各类人群的移动速度如表2[16]所示。buildingEXODUS软件将计算区域划分为大量二维网格节点，每个节点默认设置为0.5 m×0.5 m的正方形，代表1名待疏散人员占据的空间区域，人员在疏散过程中沿疏散路径向相邻节点移动。

表1 站内人数设置Table 1 Setting of passenger numbers in station

注：/ 表示该区域无人员滞留。

表2 乘客的比例和速度Table 2 Proportions and speeds of passengers

2.2 工况设置

模拟工况如表3所示，2辆列车的乘客同时参与疏散时，由于1/11号线为平行换乘，7/9号线为同站台换乘和夹层换乘，1/11号线与7/9号线换乘距离较远，乘客疏散时相互影响较小，因此只研究1/11号线各1辆列车的乘客同时参与疏散与7/9号线站台A、站台B各1辆列车的乘客同时参与疏散这2种场景。

当疏散所需时间RSET(Required Safe Egress Time)小于可用疏散时间ASET(Available Safe Egress Time)时，人群能够安全疏散。RSET包括反应时间和疏散行动时间，前者通常为1 min，后者通过模拟得到。站台火灾时，站厅或7/9号线的换乘夹层为临时安全区，车站外为最终安全区；7/9号线的换乘夹层火灾时，站厅为临时安全区，车站外为最终安全区；站厅火灾时，车站外为最终安全区。Thall代表乘客到达临时安全区所需要的时间，Tout代表乘客到达车站外所需要的时间。

模拟过程中，所有闸机、栅栏门处于开启状态，与疏散方向一致的自动扶梯保持运行状态，与疏散方向相反的自动扶梯停止运行。根据车站的结构，预设1号线车站人员主要从A1，B出入口疏散；7/9号线车站人员从F，J出入口疏散；11号线车站人员从A2，C，D1，D2出入口疏散；出入口发生拥堵时，假设工作人员可以指挥乘客使用其他的出入口。

3 模拟结果与分析

3.1 楼梯组对疏散过程的影响

表4为1辆列车的乘客参与疏散时，各个工况下不同的楼梯组不可使用时乘客所需的疏散时间。1号线的1个楼梯组无法使用时，3种工况下乘客都无法在6 min内到达站厅，其中1号楼梯组对于疏散时间的影响最大，这是由于1号线站台西侧的乘客疏散主要依赖于1号楼梯组，而东侧的乘客可以通过2，3号楼梯组到达站厅。其他线路的站台均有4个楼梯组，而1号线仅有3个，加之1号线乘客数量相对较多，相较于其他线路而言，1号线1个楼梯组不可使用时对乘客到达站厅所需时间的影响更大。

表3 模拟方案Table 3 Simulation scheme

11号线的1个楼梯组无法使用时，4种工况下乘客无法在6 min内到达站厅，其中5号楼梯组对于疏散时间的影响最大。在站台楼梯组呈对称分布的情况下，5号与6号楼梯组对疏散时间的影响产生差异，这是由于11号线最西侧楼梯组邻近商务车厢，早高峰期间乘客密度远小于普通车厢，当5号楼梯组无法使用时，乘客通过4，6或7号楼梯组离开站台，按照距离最短原则，使用6号楼梯组的乘客数量较多，使用4号楼梯组的乘客数量较少，客流分布的不均匀延长了疏散所需要的时间。

7/9号线站台A、站台B的1个楼梯组无法使用时，多种工况下乘客都可以在6 min内到达安全区，但无法在6 min内到达站外，这是由于7/9号线列车上的乘客数量较少，站台楼梯组数量相对充足，但是站台位于地下3层，距离站厅出入口较远。换乘夹层的16，17号楼梯组无法使用时，RSET有小幅度的增加，这是由于乘客在夹层的滞留，降低了通行效率。由于1号线、11号线中间有防火卷帘门，因此2条线路的乘客疏散相互之间没有影响。

3.2 电梯检修对疏散过程的影响

表5和表6为1辆列车的乘客参与疏散和2辆列车的乘客参与疏散的场景下，所有楼梯组可用、1个楼梯组不可用与1部电梯不可用对于疏散时间的影响，由表可见，电梯检修对于疏散时间的影响小于楼梯组无法使用对于疏散时间的影响，电梯检修将疏散时间最多延长了约1 min，而1个楼梯组无法使用将疏散时间最多延长了约4 min。5号楼梯组的不同状态下，2 min时站台乘客的密度分布如图5所示。

表4 楼梯组受火灾影响时RSET统计(1辆列车乘客参与疏散)Table 4 Summary of RSET with stairs group influenced by fire (passengers in one train participated in evacuation)

注：/表示该设施未受影响或不存在该取值；ΔRSET和ΔTout表示与楼梯组未受影响时疏散时间的差值。

表5 同一楼梯组不同状态下乘客疏散时间(1辆列车的乘客参与疏散)Table 5 Evacuation time of passengers under different conditions of same stairs group (passengers in one train participated in evacuation)

表6 同一楼梯组不同状态下乘客疏散时间(2辆列车的乘客参与疏散)Table 6 Evacuation time of passengers under different conditions of same stairs group (passengers in two trains participated in evacuation)

图5 5号楼梯组不同状态下2 min时站台乘客的密度分布Fig.5 Distribution of passengers’ density on platform at 2 min under different conditions of No. 5 stairs group

3.3 站厅出入口对疏散过程的影响

由于车站内、出入口附近和出入口外的商业区火灾都可能导致出入口的防火卷帘门自动关闭，因此考虑站厅乘客的疏散、站台上和列车上所有乘客通过站厅出入口疏散这2种情况，研究出入口无法使用对疏散时间的影响。表7为仅考虑站厅乘客时，各个工况下不同的出入口不可使用时乘客所需的疏散时间，所有工况下乘客都可以在6 min内到达站外，其中F出入口对于疏散时间的影响最大，其次是C，D出入口。

表7 出入口受火灾影响时RSET(仅考虑站厅乘客)Table 7 RSET with passageways influenced by fire (only considering passengers in station hall)

注：/表示该设施未受影响或不存在该取值；ΔRSET表示与出入口未受影响时疏散时间的差值。

表8为1辆列车的乘客参与疏散时，不同出入口不可使用时所需的疏散时间，所有工况下乘客都无法在6 min内到达站外，A1出入口对于疏散时间的影响最大，其次是B，F出入口。按照车站既有应急疏散指引，疏散乘客时1号线车站人员从A口、B口出站；7/9号线车站人员从F口、J1口出站；11号线车站人员从A口、C口、D1口、D2口出站。图6为J出入口无法使用情况下，3 min时乘客在站厅的密度分布。模拟过程中，由于1号线站厅与站厅其他部分独立，当A1出入口或B出入口受火灾影响不能使用时，在1/11号线换乘通道口防火卷帘关闭的情况下，1号线的乘客仅能通过另1个出入口到达站外，因此较多地延长了疏散时间。11号线的列车乘客进行疏散而A2，C，D中的1个出入口无法使用时，乘客通过其他2个出入口到达站外。F，J出入口无法使用时，假如7/9号线乘客仅使用另1个出入口，那么将在该出入口滞留较多人员，极大地延长疏散时间，根据问卷调查，乘客在拥堵时会寻找其他疏散出口，因此乘客将会就近使用A2出入口和D1，D2出入口。

表8 出入口受火灾影响时RSET(1辆列车的乘客参与疏散)Table 8 RSET with passageways influenced by fire (passengers in one train participated in evacuation)

注：/表示该设施未受影响或不存在该取值；ΔRSET表示与出入口未受影响时疏散时间的差值。

图6 J出入口无法使用情况下3 min时站厅乘客的密度分布Fig.6 Distribution of passengers’ density in station hall at 3 min with passageway J disabled

3.4 站厅闸机组对疏散过程的影响

考虑站厅乘客疏散、站台上的所有乘客和1或2辆列车上的乘客通过站厅出入口疏散时这2种情况下，闸机组不可以使用的情况对乘客疏散时间的影响。表9为仅考虑站厅乘客时，不同的闸机组不可使用时乘客所需的疏散时间，所有工况下乘客都可以在6 min内到达站外，闸机组对于疏散时间的影响较小。

表9 闸机组受火灾影响时RSET(仅站厅乘客参数疏散)Table 9 RSET with gate group influenced by fire (only passengers in station hall participated in evacuation)

注：/表示该设施未受影响。

结合出入口对于疏散时间的影响和仅考虑站厅乘客疏散时闸机组对于疏散时间的影响，选取4，6，12号闸机组(分别对应于A1，C，J出入口)研究1辆或2辆列车的乘客参与疏散时，闸机组的状态对于疏散时间的影响，及其与出入口对于疏散时间影响的对比，结果如表10所示。相对于出入口而言，闸机组对于疏散时间的影响较小。

表10 闸机组受火灾影响时RSET(列车乘客参与疏散)Table 10 RSET with gate group influenced by fire (passengers in trains participated in evacuation)

3.5 疏散方案优化

CGM站1/11号线换乘通道设有防火卷帘门，火灾情况下，卷帘门将会自动关闭。表11为考虑站厅乘客、1辆和2辆列车的乘客参与疏散这3种人员设置，卷帘门关闭和开启对乘客疏散至站外所需的时间。

表11 防火卷帘门不同状态时的RSETTable 11 RSET under different conditions of fire shutter doors

所有出入口可以使用时，打开防火卷帘门后乘客疏散路径产生变化，如仅考虑站厅乘客时，打开防火卷帘门后，使用C，D1，D2出入口的乘客数量减少，使用A1出入口的乘客数量增加；卷帘门的状态对于疏散时间的影响较小，2辆列车的乘客参与疏散时，打开防火卷帘门反而延长了疏散时间。

1个出入口无法使用时，打开防火卷帘门可以有效缩短疏散时间，3种人员设置条件下，1辆列车的乘客参与疏散时打开防火卷帘门提高了疏散效率；打开防火卷帘门后乘客在单个出入口的滞留程度下降，在各出入口的分布更加均匀，1号线1辆列车的乘客参与疏散，A1出入口无法使用时，打开卷帘门后疏散时间减少了2 min。

由于本文主要考虑火灾场景对站内设备设施的不同影响下，人员疏散时间的计算和疏散路径的选择。因此本文提出的疏散优化方案是指火灾初期或火灾其他阶段有效控制烟气扩散情况下的人员疏散时间和疏散路径，即火灾仅对站内设备设施(出入口、电梯和闸机组)造成影响，但烟气尚未威胁到人员疏散的火灾场景，重点针对站内所有人员如何选择路径全部快速地疏散至站外，在该情况下，根据模拟结果，打开站内换乘通道的防火卷帘门能够增加疏散路径，降低疏散时间。

4 结论

1)地铁四线换乘枢纽CGM站火灾人员疏散过程中，楼梯组、电梯、出入口和闸机组这4类设施的运行状态均能影响乘客疏散时间，其中出入口不可使用的情况对于疏散时间的影响较大；楼梯组次之；电梯和闸机组的影响明显小于前2者。

2)车站同类设施中，由于不同设施的位置及几何特征存在差异，对疏散时间的影响也有所不同，其中A1，C，F和J出入口相对于其他出入口而言对疏散时间的影响更大；1号楼梯组受站台楼梯组不对称的影响；5号楼梯组受商务车厢客流密度低的影响，相对于该站台的其他楼梯组而言对疏散时间的影响更大。

3) 所有出入口均可使用时，各线路独立疏散时效率较高；出入口附近发生火灾时，引导乘客使用其他线路的出入口可以提升疏散效率；1号线、11号线出入口无法使用时，打开线路间换乘通道的防火卷帘门可以降低所需疏散时间。