基于Pathfinder模拟的教学楼出入口与楼梯优化研究

王志涛副教授 李轶杰

(1.北京工业大学 建筑与城市规划学院，北京 100124；2.北京工业大学 北京城市与工程安全减灾中心，北京 100124)

0 引言

城市公共场所人群高度聚集、流动性大，紧急状态时常发生群死群伤的拥挤踩踏事故，造成大量人员伤亡和恶劣的社会影响[1]。2008年汶川地震时中小学校受损严重，引起了社会的广泛关注，之后国家针对建筑抗震性能提升完善了相应的法律法规和技术标准，如《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)规定：“幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂的抗震设防类别应不低于重点设防类”，保障其在遭遇地震影响时主体结构不发生严重破坏[2]。教学楼作为灾后避难场所或避难建筑也引发了广泛的讨论[3-6]，但从防灾避难功能角度看，仅保障建筑结构安全还难以满足安全疏散的需求。由于教学楼属于人员密集场所，且其使用者主要为年龄小、躲避灾害经验不足的学生，灾害发生时极易造成出口和疏散通道拥堵、疏散时间延长甚至踩踏事件等发生而加剧灾害损失。因此，研究在突发事件发生时如何保障教学楼内高密度人员的安全疏散具有重要意义[7]。

由于火灾、地震等突发事件频繁发生，公共场所人群疏散问题备受关注，疏散模拟技术也在不断发展和完善[8]。张立红[9]等根据行人到出口的距离、出口行人密度两方面的因素，得出了出口选择模型；田水承[10]等对出入口形状与疏散时间之间的关系进行了研究并得出了最有利于疏散的出入口形状；袁江滢[11]等对高校宿舍楼在不同火灾场景下的人员疏散过程进行分析，提出了楼梯位置设计的建议；李勃衡[12]等对高校教学楼5种不同场景下的人员疏散情况进行模拟，并提出了高校教学楼教室布置方案以及学生课程的调整方案；王静[13]等通过对高校图书馆的疏散模拟，指出了楼梯内人员疏散速度是影响整体疏散时间的主要原因。A.Cuesta[14]研究了教学楼人员疏散情况，并对疏散数据进行了详细分析，总结了影响建筑物疏散性能的因素。

教学楼对外出入口和疏散楼梯梯段宽度是影响内部人员快速疏散的重要因素，在建筑设计时综合考虑疏散需求对其出入口和楼梯宽度进行合理优化是保障灾害时人员安全疏散的重要方面。本文选取某高中教学楼为研究对象，利用仿真软件Pathfinder建立其模型，通过变换出入口位置，改变楼梯梯段宽度等不同方式，分别进行了人员疏散仿真模拟，并对其影响进行了分析，以期为该类建筑紧急疏散设计提供参考。

1 模型建立

1.1 Pathfinder软件功能简介

Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的一款基于人员疏散和移动模拟的仿真器，可模拟在常态和紧急情况下人员的疏散情况。该软件为用户提供了仿真模拟设计和运行的图形用户界面，以及用于结果分析的2D和3D可视化工具[15]。Pathfinder在建模过程中，房间、楼梯、出口及疏散人员等均可进行仿真模拟，疏散人员会根据环境的改变做出响应。同时，Pathfinder支持两种移动仿真模拟，在Steering模式里，门不会限制人群的流动，并且人与人之间会保持一个合理的疏散间距；在SFPE模式里，人们并不会试图去避开对方，会相互拥挤，但是门会限制人群的流动，并且人员的移动速度由空间中的人员密度控制。

1.2 教学楼概况

选取某高中教学楼为研究对象(平面图布置，如图1)，该教学楼平面为“回”字形，总长度54.2m，总宽度49.2m，内部为31.5m×31.5m的中庭。教学楼共4层，层高为3.9m，每层设有8间容纳60人的普通教室，男女卫生间各两个，办公室以及多功能教室等空间。其中教室尺寸均为10.5m×7.5m，每间教室设有前后两个出入口，门洞宽度均为1m，除此之外，一层每间教室还设有两个直接对外的出入口，宽度同样为1m。一层公共出入口宽度为4m，出入口处设置门厅，门厅尺寸为12m×8.6m，廊道净宽度为2.7m，楼梯分别位于教学楼的四角位置，楼梯间红线宽度为3.7m。

1.3 基础模型与场景设计

根据上述教学楼平面图，在Pathfinder中建立相应的模型。一般情况下，教学楼内人员最密集时刻为学生集中上课时间，因此，本文将模拟学生上课时突发灾难的疏散场景，每间教室均匀设置60名学生，共计1 920人(忽略教师数量)，每名学生的肩宽为42cm，疏散速度为1.2m/s。

2 出入口对疏散时间的影响分析

2.1 疏散模型设定

疏散模型的设定基于以下假设：

(1)灾害发生时，教学楼内的人员优先选择距离对外出入口最近的路线进行逃生，在遇到过于拥挤的情况时，一些人员会选择其他路线。

(2)位于大厅处的公共出入口可供教学楼内所有人员疏散使用，而与单独教室相联系的出入口可能无法为整栋教学楼的人员提供疏散服务——如果在灾害发生时，一层教室与廊道之间的门未安全打开，那么一层教室对外出入口只能供本教室人员疏散使用，其余由楼上疏散下来的人员，只能通过大厅处的公共出入口即1号门疏散到室外,如图2。但是，如果在灾害发生时一层教室与廊道之间的门可以安全打开，那么一层教室对外出入口可作为整栋教学楼的疏散出口使用，如图3。

图2 一层教室门不可作为疏散出口Fig.2 Classroom doors on the first floor cannot be used as evacuation exits

图3 一层教室门可作为对外出口Fig.3 Classroom doors on the first floor can be used as evacuation exits

本文通过调整一层对外出入口的设置方式，建立不同的模型(见表1)，分别进行疏散实验，通过对比疏散过程以及所用疏散时间，为出入口设置方案提供参考。

表1 疏散模型介绍Tab.1 Introduction to evacuation model

2.2 模拟结果分析

模型A：疏散开始后，一层教室的所有人员通过教室对外的出入口(2号门、3号门)疏散到室外，约在疏散开始26.5s时一层教室内的人员疏散完毕；位于二、三、四层教学楼西侧教室的人员，利用疏散楼梯1、2进行疏散，位于东侧教室的人员，利用疏散楼梯3、4进行疏散，约在疏散开始后40s时，几乎所有人员离开教室，与楼梯最靠近的教室门处有少量人员未能疏散出去。这时，教学楼内的楼梯全部产生了拥堵(如图4)，各个楼层楼梯处汇聚的人员数量大致相等，拥堵时间一直持续到第186s，总疏散时间为274s。通过对疏散模拟仿真视频的观察可以发现，由疏散楼梯3、4疏散到一楼的人员，基本上通过穿越最靠近楼梯的教室2、3号门疏散到室外，而由疏散楼梯1、2疏散到一楼的人员，则通过穿越最靠近楼梯的教室或由公共出入口疏散到室外。

图4 疏散开始40s时楼梯拥堵情况Fig.4 Stair congestion at the beginning of evacuation for 40s

模型B：此模型中假定的场景为一层教室与廊道之间的门在灾害发生时处于关闭状态，并且处于教室内的人员在灾害发生后未将门开启，这时二层及以上人员无法穿越教室疏散到室外。在疏散开始后35s，所有楼梯产生拥堵，并且由于由楼梯3、4疏散的路程较长，因此较多人员选择由楼梯1、2疏散，这就使得楼梯1、2聚集大量人员(如图5)，拥堵情况较为严重。之后位于队尾的人员，又折返选择走东侧楼梯进行逃生，楼梯的总拥堵时间长达204s。由楼梯3、4疏散下来的人员需要通过一层廊道从公共主入口1号门疏散到室外，整个过程中一层廊道未出现拥堵情况，疏散过程顺畅，但是公共出入口1号门处出现了长达90s的拥堵(如图6)，整体疏散时间长达318.8s，相比模型A，延长了约44s。从疏散过程可以看出，对于学校教学楼这类人员密度大且人员分布较为固定的场所来说，应制定灾害逃生应急预案并加强平时灾害疏散演练，使得学生在灾害发生后能够第一时间选择预先制定的路线逃生，避免产生疏散楼梯使用不均匀、大量人员拥堵在一处使得疏散时间延长从而带来的伤亡可能性。

图5 疏散开始35s时拥堵情况示意图Fig.5 Schematic diagram of congestion at 35s after evacuation begins

图6 出入口拥堵示意图Fig.6 Exit congestion diagram

模型C：通过对模型C疏散过程的观察可以看出，由于由楼梯3、4疏散到一层后可以直接到达室外，大部分人员会选择从楼梯3、4疏散(如图7)，但是由于楼梯3、4较为拥挤，部分位于队尾的人员会选择转向楼梯1、2进行疏散。在疏散开始的100s内，部分一层人员以及由楼上疏散下来的人员，会选择从靠近楼梯3、4的出入口进行疏散，这段时间内产生较严重的拥堵情况(如图8)，但是在100s之后，原来位于一层的人员全部疏散完毕，之后4号门、5号门两个出入口疏散较为顺畅。公共出入口1号门在整个疏散过程中，并未产生拥堵现象。因此建议在建筑设计时，应将疏散楼梯与主要出入口相邻设置，若疏散楼梯数量较多，则可以采用部分疏散楼梯与出入口相邻设置，在其余疏散楼梯处设置次要出入口的方式，以大幅缩短灾后疏散时间。

图7 拥堵情况示意图Fig.7 Schematic diagram of congestion

模型D：疏散开始后，一层教室中的人员会有一少部分通过4号门、5号门进行疏散，其余人员由教室对外的出入口2、3号门进行疏散。二、三、四层的人员，由楼梯3、4疏散下来到达一楼后，基本会选择从楼梯处的出入口，即4号门或5号门疏散到室外(如图9)；由楼梯1、2疏散下来的人员到达一楼后，一少部分从公共出入口1号门疏散，另外的人员会选择穿越靠近楼梯的教室，由2号门或者3号门疏散到室外。在图9所示的5个门中，4号门与5号门人员通行数量最多，其次是2号门与3号门，作为公共出入口的1号门的人员通行数量最少。模型D在4个模型中门的数量最多，但是总的疏散时间与模型C相差并不大。

图8 出入口拥堵示意图Fig.8 Exit congestion diagram

图9 出入口拥堵示意图Fig.9 Exit congestion diagram

将A、B、C、D 4个模型不同疏散阶段对应的疏散时间进行统计(见表2)，可以看出，模型C与D在各个阶段的疏散时间基本重合，这表明在原教学楼基础上增设4号门、5号门两个对外出入口，一层教室对外出入口2、3号门无论是否设置，疏散过程及疏散总时间基本上保持不变。同时可以看出，模型C的疏散时间相比于模型A略短，表明在疏散楼梯3、4处设置4号门与5号门两个出入口，与在一层各教室设置对外出入口2、3号门对人员疏散起到了相同的促进作用。在模型B的场景下疏散时间最长，分析其原因是由于出入口数量较少，人员到达一层后不能够及时疏散到室外，导致人员在楼梯上的拥堵时间过长，最终使整个疏散时间延长了约50s。

表2 不同疏散阶段对应的疏散时间Tab.2 Evacuation time corresponding to different evacuation phases

3 楼梯梯段宽度对疏散时间的影响

以上在研究出入口对疏散时间的影响时，虽然模型A、C与D的出入口的总数量与总宽度均不相同，但是总疏散时间却基本保持不变，因此可以确定在这3种状态下，出入口不再是影响疏散时间的主要因素。通过观察整个疏散过程，发现楼梯处是造成人员拥堵的关键环节，并且拥堵时间较长，因此本文进一步通过调整楼梯梯段宽度来研究其对疏散时间的影响。

根据《中小学校设计规范》(GB 50099-2011)的要求：“中小学校教学用房的楼梯梯段宽度应为人流股数的整数倍。梯段宽度不应小于1.20m，并应按0.60m的整数倍增加梯段宽度。”前文中所使用的A-D 4个模型的楼梯梯段宽度均为1.8m，利用模型C作为基础模型，将梯段宽度增加0.6m后设定为模型E，即模型E的梯段宽度为2.4m。对模型E进行10次疏散仿真模拟，记录总疏散时间并计算其平均值，得出模型E的疏散总疏散时间为242.5s。

根据以上对模型C与模型E的对比分析可以看出，将楼梯梯段宽度扩大0.6m之后，总疏散时间缩短了26.5s，疏散效率提高了近10%，见表3。而模型C疏散过程中楼梯拥堵时长约为150s，模型E疏散过程中楼梯拥堵时长约为128s，相比模型C缩短了22s，与总疏散时间的缩短时间26.5s量级上基本持平。由此可以得知，在教学楼对外出入口足够的情况下，楼梯拥堵是造成疏散时间过长的主要因素，因此，当建筑物疏散时间不满足要求时，可通过适当加宽楼梯梯段宽度的方式来缩短疏散时间。

表3 不同疏散阶段对应的疏散时间Tab.3 Evacuation time corresponding to different evacuation phases

4 结论

利用Pathfinder软件可以模拟不同情境下的人员疏散情况，本文通过改变教学楼出入口和楼梯梯段宽度作为设定模型开展模拟仿真实验，并对比分析不同场景下的人员疏散过程和疏散时间，表明不同的出入口布局方式和楼梯梯段宽度均会对紧急情况下人员疏散有着重要的影响。因此，该类建筑设计时应合理考虑出入口设置方式，选择合适的楼梯梯段宽度，同时加强紧急疏散引导标识建设和应急疏散演练，以确保突发事件发生时人员的安全疏散。