高层建筑电梯楼梯协同疏散的仿真实验研究

李 倩，鲁祥友，景艳阳，李德辉，方 武

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥230601，E-mail：1073022310@qq.com）

随着人类社会物质水平的不断提升，城市化进程不断加快，土地资源短缺问题日渐凸显，越来越多的高层建筑崛地而起。竖向空间的利用有效缓解了城市资源不足，但也带来了很多问题。高层建筑开发费用高，防震能力低，逃生路线长，火灾危险性大。尤其是发生火灾进行人员疏散时，存在巨大风险[1]。

为了减小高层建筑火灾发生概率和降低高层建筑火灾发生后的事故严重程度，20 世纪70 年代起，许多学者开始针对高层建筑火灾中使用电梯疏散的可行性进行研究[2，3]。Yutae Lee 等[4]对电梯系统进行建模和分析，研究了高峰期的往返时间，并推导出了大厅中疏散人员排队长度、往返时间、等待时间、乘电梯时间和行程时间的分布函数。Yuanchun Ding 等[5]通过Pathfinder 建模仿真研究了结合楼梯和电梯的高层建筑疏散策略。N.Cai 等[6]认为超高层建筑中疏散时长是主要的安全隐患，电梯在火灾疏散中起了关键作用，通过分析烟气扩散和压力分布，对电梯采用不同的加压系统排烟设计来解决火灾时烟气扩散到电梯系统中的问题。张鸿武[7]对上海中心大厦作为研究对象，研究了使用电梯作为辅助疏散技术，对使用消防疏散的电梯提出了防火、防烟、防排水、供电等一系列辅助消防电梯运行安全的措施。宋文华等[8]阐述了高层建筑在火灾情况下人员疏散的复杂性，指明了高层建筑传统的疏散方式及其存在的主要问题，提出了使用电梯疏散的可行性并指出对消防电梯不足的改进措施。胡传平等[9]采用电梯疏散ELVAC 模型和楼梯疏散SIMULEX 模型，分析了电梯数量、人员分布等对电梯疏散的影响。张鹏等[10]研究了高层建筑的疏散电梯系统EEES，通过风险评估得出电梯是比楼梯更加安全的逃生工具。以上研究分析了高层建筑在火灾中利用电梯疏散的可行性，为高层建筑在火灾中使用电梯楼梯协同疏散提供了一些理论依据。

Andree 等[11]认为，在高层建筑中仅使用疏散楼梯向下移动会有明显的疲劳感，对于一些老人和行动不便者更是难上加难，当他们使用楼梯沿着高楼层向下移动时，需要停下来休息。因此，为了协助行动不便的人，已经确定在高层建筑中使用撤离电梯作为撤离楼梯的补充是一种可能的解决方案。在911 事件中，世界贸易中心第二座大楼的疏散电梯仅72s 就救出了31 名世贸中心工作人员[12]。许多著名的高层建筑，例如哈利法塔，双子塔和尤里卡塔，都已经采用了电梯疏散策略[13]。研究表明，在高层建筑发生火灾的情况下，使用电梯撤离是可行的。但是，有关电梯在高层建筑火灾中的疏散理论和模型尚未成熟，仍有许多问题（如最佳疏散策略、总疏散时间的控制及电梯楼梯协同疏散等）对高层建筑的可行性需要进一步探讨[14]。因此，为了研究高层建筑中使用电梯/楼梯协同疏散的最佳策略，本文利用疏散仿真软件Pathfinder 对某医院的行政办公楼人员疏散进行了仿真疏散模拟。

1 仿真方法

Pathfinder 是由美国公司开发的一款利用计算机技术图形仿真并加入游戏角色领域技术的人员紧急疏散逃生评估系统。Pathfinder 作为一个以人物为基础的模拟器，通过对人员参数如人员数量、人员密度、人员特征、运动速率等，进行定义来实现模拟过程中不同人员参数下，其逃生路径与疏散时间的不同。该软件除了自身建模以外还支持CAD文件、FDS 文件的导入，对于BIM 模型，可以经过数据转换导入该软件，提升了研究人员的工作效率。

Pathfinder 软件在对人员进行疏散仿真时有两种基本的人员运动方式可供选择：SFPE 模式和Steering 模式。SFPE 模式顾名思义遵循SFPE 准则，即密度决定速度，宽度决定流量，它考虑具体的人的运动行为，当疏散对象遇到较为拥堵的疏散出口时，例如在即将通过的楼梯或是门的人员密度过大，疏散人员就会忽略即将通过的疏散出口走向附近的其他疏散门；Steering 模式是一种疏散人员只会选择离自己最近的疏散门的就近法则疏散模式，无论这个疏散出口多么拥挤，有多少人在排队等候，疏散人员都不会去考虑其他疏散口。相比较SFPE 模式，疏散人员选用Steering 模式更为真实，当人员间距与最近点路径超过系统预设值时，系统就会重新规划新的路径，此时，每个疏散人员的运动轨迹都会发生一些改变。考虑到人群在紧急情况下的疏散逃生容易因为害怕、恐惧、跟风的心理会出现某一疏散出口的拥堵现象，因此本文仿真模拟均采用Steering 模式。

2 仿真实验参数设置及疏散方案设置

2.1 模型制作过程

首先将本实验的Revit 模型导入Pathfinder，方法如下：

第一步，将Revit 模型调整为三维视图并隐藏除去建筑和结构以外的族。

第二步，处理好的三维模型导出成CAD 选项中的DWG 或者DWF 格式，如图1 所示。

图1 Revit 模型格式转换

第三步，打开Pathfinder，点击Import，导入DWG 格式文件，如图2 所示。

图2 导入Pathfinder 中的Revit 模型

第四步，设置楼层高度，隐藏楼板，进行房间的绘制或利用软件中自动生成房间功能完成房间创建。

第五步，房间创建结束，设置疏散出口，楼梯。最后隐藏导入模型，得到如图3 所示疏散模型。

图3 转化后的疏散模型

图2 是将转换好格式的Revit 模型导入到Pathfinder 软件之后的三维模型，图3 为实验用医院行政办公楼应急疏散模型，共15 层，1~4 层为裙楼，5~15 为标准层，每层层高为4.0m。实验要求目标：发生紧急情况时需尽快将所有被困人员疏散至地面安全区域。

2.2 电梯参数

（1）电梯疏散的优先级顺序从上往下，为方便比对，电梯不停靠非标准层。

（2）电梯的释放层为一层，在模拟开始阶段，电梯在释放层开始运行。

（3）一旦电梯已经接载了人员，在人员出电梯之前它将只前往释放楼层，而不前往任何其他楼层去接任何人，也就是说即使非满员也不会停靠释放层以外的楼层。

2.3 人员参数

图4 为Pathfinder 人员密度分布。本实验中，总计疏散1280 人，其中老人10%，小孩10%，成年人80%。具体分布为：一层大厅不设人，二、三层会议室设置280 人，4~15 层设置每层60 人。为了方便实验数据的比对，1~4 层有单独疏散出口，不影响5~15 层疏散结果。表1 为人员行进速度及体形参数。

图4 Pathfinder 人员密度分布

表1 人员行进速度及体形参数

2.4 疏散方案设置

考虑处于高层的人员，一是没有足够的体力进行长距离的下行疏散；二是长距离的下行疏散人员速度会逐渐变慢，降低疏散效率，而电梯在垂直方向上的疏散速度快的特点使得处于高层的人员适合使用电梯疏散。为了得到最佳疏散策略，不仅要考虑疏散时间还要考虑疏散效果，疏散过程中应避免楼梯间产生长时间的拥堵现象[15]。本文提出以下疏散策略，并对其疏散效果进行比较分析，以期找到最佳疏散方案。

方案一：设置所有人员都使用楼梯疏散或都使用电梯进行疏散。其中使用电梯疏散策略设置了3种不同参数，L1 为设置一部电梯荷载为20 人，加速度1.5m/s2，最大运行速度2.5m/s；L2 为设置两部电梯，电梯1 荷载为20 人，电梯2 荷载为13 人，加速度1.5m/s2，最大运行速度2.5m/s；L3 为设置一部电梯荷载为20 人，加速度1.5m/s2，最大运行速度5m/s。

方案二：设置5~15 层总人数的10%、20%、30%、40%、50%比例使用电梯进行向下疏散，与方案一进行比对。

方案三：设置n 层及n 层以上每层总人数的10%、20%、30%、40%、50%比例使用电梯进行向下疏散，找到最佳疏散楼层以及最佳疏散比例。

3 高层建筑电梯楼梯协同疏散结果分析

3 种方案实验仿真结果如下：

（1）方案一仿真结果及分析。从图5 以及表2中可以看出，全部使用楼梯的疏散时间为616.775s；全部使用电梯进行疏散，其中L1 的疏散时间为2149.375s；L2 的疏散时间为1711.525s；L3 的疏散时间为2145.575s。可以得出结论：一是全部使用楼梯的疏散时间比全部使用电梯策略中L1 全部使用电梯进行疏散会大大增加疏散时间，电梯只能作为辅助疏散的工具；二是通过L1，L2，L3 的数据比较可以得出提高电梯最大运行速度可以减少总疏散时间，但是增加一部电梯比单纯增加电梯最大运行速度要更加有效。

图5 L1，L2，L3 情况下疏散时间和疏散人数关系图

表2 全部使用楼梯进行疏散

（2）方案二仿真结果及分析。考虑到电梯只能作为辅助疏散的工具，设置不同比例的人数乘坐电梯进行疏散。以10%为间隔，设置每层总人数的10%、20%、30%、40%、50%乘坐电梯进行疏散。不同比例下的疏散总时长如表3 所示。

表3 不同比例下的疏散总时长

通过分析图6，在0~150s 时P1、P2、P3、P4、P5 疏散效率基本一致，此时大约有600 人已经成功疏散完毕，在大约150s 之后曲线出现差异，其中P1、P2、P3 较为契合，P2 疏散效率最佳，疏散时间最短，P4、P5 疏散效率显著降低。出现这种情况的一部分原因是，大约在150s 左右，1~4 层的人员通过专用疏散通道已疏散完毕，另外一个原因是，电梯荷载有限，造成很多人拥堵在疏散电梯门口排队等待。在150s~350s 时，观察P4、P5 两条曲线，P5 疏散效率明显优于P4，但在350s 之后，P5 疏散效率骤降，结合仿真动画观察到，通过楼梯进行疏散的人员已经疏散完毕，但处于5~7 层的人员仍然在疏散电梯门口进行排队等待，造成了疏散时间的浪费，P5 比P4 等待电梯的人员比例更多，这就解释了在350s 之后P5 疏散效率明显低于P4。分析表3 可知。当取5~15 层总人数20%的人员乘坐电梯进行疏散，疏散时间为665.5s，疏散时长最短。但仍比全部通过楼梯进行疏散多了48.7s，说明楼梯资源没有被充分利用，每一层都按比例使用电梯进行疏散会造成疏散资源的浪费和疏散时间的增加。

图6 疏散时间与疏散人数关系图

（3）方案三仿真结果及分析。为了得出最佳疏散结果，在方案二结果的基础上，以第n 层为基准，令n 层及第n 层以上不同比例人员利用电梯进行疏散，其余人员通过楼梯进行疏散。疏散比例以10%为间隔，最高疏散比例为50%。第n 层及n 层以上使用电梯的人员比例为X%，记为Nn-X%。例如，第5 层及5 层以上（5~15 层）使用电梯进行疏散的人员比例为10%，记为N5-10%。不同疏散策略下疏散总时长如表4 所示。

表4 不同疏散策略下疏散总时长（方案三）

仿真结果如图7 所示。分析图7（a）可知，在高层中某几层使用电梯进行疏散会大大缩短总疏散时间，n 大于等于11 时最为明显。当n 值取11时，N11-10%，也就是11 层以上人员的10%使用电梯进行疏散，总疏散时长为456.5s，比仅通过楼梯进行疏散的时间缩短了160.3s，疏散时间减少了26.0%，最后一个通过电梯疏散完毕与最后一个通过楼梯疏散完毕的人员相差74.4s；当n 取12 时，N12-10%，总疏散时长为407.8s，疏散时间最短。比仅通过楼梯进行疏散的时间缩短了209s，疏散时间减少了33.9%，最后一个通过电梯疏散完毕与最后一个通过楼梯疏散完毕的人员相差97.7s。得出结论：当n 值取12 时疏散时间最短，当n 取11 时疏散时差相对较短。也就是12~15 层有10%的人员通过电梯进行疏散，其余人通过楼梯进行疏散，可得到最短疏散时长，11~15 层有10%的人员通过电梯进行疏散，其余人通过楼梯进行疏散，疏散效果相对较好。

分析图7（b）20%比例，可以得到和10%几乎相似的结论，其中N11-20%整体疏散时间为386.0s，比仅通过楼梯进行疏散的时间缩短了230.8s，疏散时间减少了37.4%，最后一个通过电梯疏散完毕与最后一个通过楼梯疏散完毕的人员仅相差2.7s，此时楼梯资源和电梯资源可以得到充分利用。虽然N12-20%整体疏散时间为398.5s，比N11-20%只多了12.5s，但该组数据的楼梯电梯疏散时间差为84.6s，疏散效果不佳。

如图7（c）、（d）、（e），最佳疏散楼层也集中在n 大于等于11 的几种策略里，并且各种比例的最佳疏散策略的总疏散时长并无明显差距，分析原因可能与电梯荷载相关，两部电梯总荷载数33人，而标准层每层有60 名疏散人员，也就是说即使通过电梯的疏散比例为50%，电梯的工作总次数也无明显差异，所以不同比例下最后一个通过电梯进行疏散完毕的时间总是相似。对比图6 分析图7，几种不同疏散策略仿真结果，同时结合逃生个体数量随时间的变化图可以得出结论，最初，几种比例逃生状态和逃生效率差别不大，在180s 之后，疏散曲线开始明显分层，更加验证了电梯楼梯协同疏散的重要性，每一层都使用电梯进行疏散在疏散后期疏散效率会大打折扣，其遗留逃生个体数量也明显大于最佳疏散策略，不仅造成了疏散时间上的浪费还会造成人员拥堵。综上，对比不同比例的疏散策略，不同比例的最佳疏散策略在疏散总时长上并无较大差异，但是其疏散效果存在很大差异，其中N11-20%总疏散时间最短，疏散效果也最佳，是方案三众多疏散策略里的最佳疏散策略。

图7 不同比例下疏散时间与疏散人数关系图（方案三）

部分疏散策略楼梯、电梯疏散时间如表5 所示。

表5 部分疏散策略楼梯、电梯疏散时间

4 结语

本文对某医院行政办公楼进行了楼梯/电梯协同疏散模拟。结果表明：对于高层建筑电梯可以作为协同疏散的辅助工具，提高电梯最大运行速度可以减少总疏散时间，但是增加一部电梯比单纯增加电梯最大运行速度要更加有效。设置每层电梯都使用总人数的固定比例（10%、20%、30%、40%、50%）进行疏散的时候，楼梯资源不易被充分利用，同时每一层都使用电梯进行疏散会造成疏散资源的浪费和疏散时间的增加。当设置n 层及n 层以上每层总人数的10%、20%、30%、40%、50%比例使用电梯进行向下疏散，存在最佳疏散楼层N11 及最佳疏散比例20%，最后一个通过电梯疏散完毕与最后一个通过楼梯疏散完毕的人员仅相差2.7s，此时楼梯资源和电梯资源都得到充分利用，此方法可以为相关高层建筑火灾疏散策略决策提供一定参考依据。