基于疏散仿真的地铁车站公共区布置研究分析

石广银

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

0 引言

近年来，地铁建设在我国得到了前所未有的发展。截至2019年12月底，全国拥有轨道交通的城市达43座，运营线路达197条，运营总里程达6 730.27 km。随之而来的客流量也急剧增加，其中北京、上海、广州的地铁客流更为突出。2019年8月2日，北京轨道交通日客运总量达1 303.95万人、上海达1 259.6万人、广州达966.34万人。客流的增加给地铁运营带来了诸多困境，特别是给地铁防灾疏散带来了巨大挑战。地铁车站存在人流密集，设备众多，空间封闭、低矮、狭长等不利于防灾的特点，一旦发生火灾，扑救困难，社会影响大，损失不可预估[1]，如2003年韩国大邱地铁火灾事件、2010年俄罗斯地铁连环爆炸事件、2011年上海地铁列车发生追尾事故[2]。因此，在地铁车站设计时加强对地铁疏散的精细化计算研究尤为重要。

在贯彻“预防为主，防消结合”的地铁防灾方针下，结合实际工程，利用现场统计、数值模拟等手段对地铁的疏散进行多方面的研究和分析。刘栋栋等[3]对北京地区地铁运行时段乘客的组成，不同客流密度条件下不同设施的行走速度、乘客携带行李状况等方面进行了现场观察及统计，并给出了数据模型，作为模拟计算的基础数据； 王春雪等[4]对不同运行时段人群的年龄、携带行李情况、速度等特征进行观察记录，根据各时段人群特征，对地铁车站进行Pathfinder疏散仿真建模分析，并提出不同时段的差异管理及疏散设施的瓶颈点； 吴桂庆[5]利用Pathfinder仿真软件对北京地铁4号线西单站进行仿真分析，并提出优化措施； 田涛[6]从正常使用、经济等方面对6B地下3层岛式标准站公共区布置进行了研究。

以上研究对地铁疏散中人员特征、疏散行为进行了分析，为具体的站点疏散仿真分析提供了宝贵的数据和经验，而在车站公共布置的设计中，更注重了车站的正常使用性、经济性，防灾设计仅按照规范进行了相关计算。然而，对于设置相同疏散设施的情况下，仅依靠规范计算无法对各方案的优劣进行分析。本文结合12 m单柱岛式站台车站公共区布置的设计，利用Pathfinder模拟软件对不同的方案及其工况进行仿真模拟，以确定最优方案，从而在设计源头上消除防灾隐患。

1 地铁防灾疏散设计方法

1.1 设计规范计算方法

目前，现行地铁防灾疏散计算规范中，国内应用的主要规范为GB 50517—2013《地铁设计规范》[7]和GB 51298—2018《地铁设计防火标准》[8]，2个规范既有相同点，但也存在一定的差异。

1.1.1 现行规范计算公式

根据GB 50517—2013《地铁设计规范》，车站站台公共区的楼梯、自动扶梯、出入口通道，应满足当发生火灾时6 min内将远期或客流控制期超高峰小时1列进站列车所载的乘客及站台上的候车人员全部撤离站台到达安全区的要求[7]。提升高度不超过3层车站，计算公式为：

(1)

式中：Q1为远期或客流控制期超高峰小时1列车的最大客流断面流量，人；Q2为远期或客流控制期超高峰小时站台上的最大候车乘客，人；A1为1台自动扶梯的通过能力，人/(min·台)；A2为单位宽度疏散楼梯的通过能力，人/(min·m)；N为用作疏散的自动扶梯的数量，台；B为疏散楼梯的总宽度，m，每组楼梯的宽度应按0.55 m的整倍数计算。

根据GB 51298—2018《地铁设计防火标准》，车站站台至站厅或其他安全区域的疏散楼梯、自动扶梯和疏散通道的通行能力，应保证在远期或客流控制期超高峰小时最大客流量和1列进站列车所载的乘客及站台上的候车人员能在4 min内全部撤离站台，并应能在6 min内全部疏散至站厅公共区或其他安全区域[8]。计算公式为：

(2)

除了对疏散时间进行要求外，为保证乘客不在付费区滞留，对付费区和非付费区之间的自动检票机和疏散门的通过能力进行了要求，计算公式为：

A3+lA4≥0.9[A1(N-1)+A2B] 。

(3)

式中：A3为自动检票机门常开时的通过能力，人/min；A4为单位宽度疏散门的通过能力，人/(min·m)；l为疏散门的净宽，m，按0.55 m的整倍数计算。

1.1.2 疏散公式的对比分析

从使用范围、疏散客流、疏散设施能力、净疏散时间要求上对GB 50517—2013《地铁设计规范》和GB 51298—2018《地铁设计防火标准》进行对比分析，分析结果如表1所示。

表1 疏散公式对比表

分析表1可知： 从使用范围上，《地铁设计防火标准》的使用更为广泛； 从计算方法上，《地铁设计防火标准》中给出了车站设施疏散时间4 min的计算方法和在公共区付费区和非付费区之间的自动检票机和疏散门的通过能力计算公式，但未明确6 min内全部疏散至站厅公共区或其他安全区域的计算方法。综上分析，《地铁设计防火标准》对疏散时间的要求更为严格，使用范围更广，但在设计中需要借助模拟等手段对6 min进行验证。

1.2 仿真模拟方法

Pathfinder是一款基于人员疏散和移动模拟的仿真器，它为用户提供了仿真模拟设计和运行的图形用户界面，以及用于分析结果的2D和3D可视化工具[9]，可以利用工具进行楼层、楼扶梯、障碍物等的模拟。在模拟方式上，通过 SFPE模式或Steering模式的行为模型来控制人员运动。通过对行人设置不同的行为和属性参数，获取每个行人进行同步跟踪和车站设施在疏散中的应用效率等数据，从而科学地分析人员疏散的相关数据，使得探究微观层面的个体行为和宏观模式之间的联系成为可能，进而进行相关分析和研究。由于Steering 模式更接近现实，因此仿真过程中通常使用Steering模式。

2 车站公共区设置案例分析

2.1 车站基本概况

某8A地下车站的有效站台长度为186 m，公共区设置4组楼扶梯，站厅层公共长度为119 m，其中付费区长度为80 m。基于客流、功能、周边制约因素、造价等多方面的分析，车站拟采用12 m单柱、柱间距为7.5 m岛式站台形式。车站公共区4组楼扶梯的布置形式可组合为如表2所示的3种方案。经计算分析，各方案从正常使用功能上均能满足乘客需求，但由于3种方案疏散设施相同，按照《地铁设计防火标准》规范公式计算，车站站台—站厅楼扶梯疏散所需时间为3.15 min，满足规范不大于4 min的要求。

表2 各方案公共区布置形式

方案布置中，双扶并行的运行模式为上、下行并行，与楼梯并行的扶梯运行方式为上行。由于3种方案中楼扶梯设施相同，只是在站台上的布置位置不同，因此，仅从楼扶梯疏散能力上无法判断哪种方案对疏散更有利，哪种布置方式能够满足《地铁设计防火标准》规定的6 min的要求。本文采用Pathfinder仿真软件对3种方案不同火灾工况下的疏散时间、疏散路径、楼梯设施应用能力、疏散拥堵情况等进行分析，从而确定最优方案。

2.2 仿真参数的选取

2.2.1 模拟时段及反应时间

工作日客流高峰时段，乘客在站台上反应和预动作时间为30 s。

2.2.2 疏散设施数量

车站公共区内共设置4组楼扶梯，站内4组楼扶梯编号由左至右分别为第1、2、3、4组。按照规范，要求4组楼扶梯中所有楼梯均可用作疏散，即2部楼梯，每部宽2.5 m。站内疏散扶梯数量按照《地铁设计防火标准》规范要求为疏散方向运行的扶梯数量减1。本站中所有方案疏散方向的扶梯数量均为4部，扶梯宽度为1 m，运行速度为0.65 m/s。按照折减1部上行扶梯，选取3部扶梯进行模拟计算。由于上行扶梯的故障具有随机性，因此按照每种方案不同上行扶梯停运位置，则存在不同的疏散工况。车站站内无障碍电梯不参与疏散。列车火灾工况下车站屏蔽门在疏散过程中全部打开，在构造车站环境中不予考虑。站内所有闸机、平开门及安检门均可用于疏散。

2.2.3 疏散客流数量

按照《地铁设计防火标准》要求，疏散客流量为客流控制期车站候车人数+1列进站列车乘客。以某站客流为例，控制期高峰小时上、下行进站客流分别为3 344人和13 400人，车站断面客流为26 620人，控制期行车对数为30对，客流高峰系数为1.2，则本站疏散客流为[(3 344+13 400)+26 620]/30×1.2=1 735人，仿真模拟采用在站台上随机分布。

2.2.4 客流属性

根据线路特征，本线以通勤客流为主，参照文献[3-4，10]，客流相关参数选取如下。

1)性别组成。根据客流调查，本模拟采用工作日高峰时段，男性占比54.3%，女性占比45.7%。其中，青年占比60%，中年占比30%，其他占比10%。

2)行走速度。根据客流调查，青年男性的行走速度为1.35 m/s，青年女性的行走速度为1.25 m/s，中年男性的行走速度为1.28 m/s，中年女性的行走速度为1.18 m/s，其他为1.1 m/s。

3)行人肩宽。根据客流调查，男性肩宽为45 cm，女性肩宽为41 cm，均设置为正态分布。

4)出入口数量。本站站厅层设置3个出入口，每个出入口的通道疏散净宽为5 m。

2.3 仿真过程与分析

按照《地铁设计防火标准》，需考虑核减1部上行扶梯，垂直电梯不参与疏散。3种方案中，方案1和方案2均为对称布置，因此方案1和方案2均有2种工况，即减去第1组上行扶梯和减去第2组上行扶梯； 对于方案3，根据减去疏散扶梯位置的不同有4种工况。各方案模拟工况如表3—5所示，均采用Pathfinder进行模拟仿真分析。

表3 方案1模拟工况

表4 方案2模拟工况

2.3.1 方案1模拟分析

方案1公共区布置如图1所示。本方案楼扶梯为对称布置。在模拟时，工况1为第1组上行扶梯停运，根据计算，最后一名乘客撤离站台至站厅的时间为362 s； 工况2为第2组上行扶梯停运，根据计算，最后一名乘客撤离站台至站厅的时间为357 s。

根据楼扶梯在站台的布置，车站每组扶梯理论上承担疏散2节车厢范围内的客流。60 s时站台密度分布(方案1中工况1)如图2所示。工况1第1组上行扶梯折减，根据站台60 s时密度分布分析，站台左侧疏散客流需由第2组和第3组楼扶梯分担，站台上疏散点仅剩3个。站台客流向中部聚集，乘客疏散距离增加，聚集过程中受到第1组扶梯处的影响，形成瓶颈，密度增加。根据统计，从站台疏散至出入口平均拥堵时间为103.4 s，乘客拥堵最长时间为294.3 s，连续最长拥堵时间为251 s，进一步延缓了乘客的疏散速度。

60 s时站台密度分布(方案1中工况2)如图3所示。第2组中的上行扶梯折减，站台上疏散点仍为4个，客流疏散相对分散。但由于第1组中扶梯的疏散能力有限，致使大量客流在第1组扶梯处形成拥堵。根据统计，从站台疏散至出入口平均拥堵时间为111.2 s，乘客拥堵最长时间为288.6 s，连续最长拥堵时间为194.9 s，客流无法尽快分流至其他疏散楼梯处，导致疏散延缓。

从疏散时间上分析，2种工况疏散时间较长，差异不大。从拥堵时间上分析，工况1只有3个疏散点，从乘客拥堵最长时间及连续最长拥堵时间分析，工况1在站台上形成集中区。从疏散客流数量上分析，工况1中，第1组和第2组扶梯疏散总人数为769人，工况2疏散总人数为805人，疏散人数提升4.6%。综合分析疏散时间，在疏散点的分散度、疏散的距离以及楼扶梯设施的应用方面，工况1均较工况2差，因此工况1，即第1组或第4组楼扶梯中的上行扶梯疏散时出现事故，为方案1乘客疏散的控制性工况。

2.3.2 方案2模拟分析

方案2公共区布置如图4所示。本方案楼扶梯为对称布置，按照防灾计算存在如下2种工况： 工况1为第1组上行扶梯停运，最后一名乘客撤离站台至站厅的疏散时间为319 s，工况2为第2组上行扶梯停运，最后一名乘客撤离站台至站厅的疏散时间为321 s。

图1 方案1公共区布置图

图2 60 s时站台密度分布(方案1中工况1)(单位： 人/m2)

图3 60 s时站台密度分布(方案1中工况2)(单位： 人/m2)

图4 方案2公共区布置图

60 s时站台密度分布(方案2中工况1)如图5所示。可知，本工况有4个疏散点，疏散均匀，根据统计，从站台疏散至出入口平均拥堵时间为88.7 s，乘客拥堵最长时间为190.9 s，连续最长拥堵时间为264.75 s。60 s时站台密度分布(方案2中工况2)如图6所示。由于第2组上行扶梯停运，下行扶梯不参与疏散，仅剩3个疏散点，客流不得不在第1组和第3组楼扶梯间重新分布，疏散距离增加，同时在第1组楼扶梯处形成拥堵。根据统计，从站台疏散至出入口平均拥堵时间为88.4 s，乘客拥堵最长时间为197.5 s，连续最长拥堵时间为261.9 s。乘客拥堵时间较长，疏散速度下降，疏散时间略有增加。

图5 60 s时站台密度分布(方案2中工况1)(单位： 人/m2)

图6 60 s时站台密度分布(方案2中工况2)(单位： 人/m2)

方案2中工况1和工况2的楼扶梯使用云图如图7和图8所示。第1组和第4组楼扶梯处吸引了主要疏散客流，当工况2中部扶梯发生故障，由于距离第1组楼扶梯较近，中部左半边部分客流会迅速聚集到第1组。根据模拟统计，工况1第1组和第2组扶梯疏散总人数为830人(其中扶梯疏散218人)，工况2疏散总人数为820人(其中扶梯疏散250人)，疏散总人数相当。综合分析，方案2中2种不同的工况疏散时间相当，差异性较小。

2.3.3 方案3模拟分析

方案3各扶梯呈交替布置(如图9所示)，根据疏散时疏散扶梯出现故障的可能性分布，方案3存在4种工况： 工况1为第1组上行扶梯停运，工况2为第2组上行扶梯停运，工况3为第3组上行扶梯停运，工况4为第4组上行扶梯停运。对每种工况下最后一名乘客撤离站台至站厅的疏散时间进行模拟分析，模拟结果如表6所示。

图7 楼扶梯使用云图(方案2中工况1)(单位： 人)

图8 楼扶梯使用云图(方案2中工况2)(单位： 人)

图9 方案3公共区布置图

表6 方案3各工况疏散时间

从布置形式上分析，方案3是方案1和方案2的结合体。对比方案2与方案3左半部分楼扶梯布置，第1组和第2组布置完全相同，不同的是第3组和第4组相互交换了位置。从模拟结果分析，第1组和第2组扶梯停运的工况与方案2相近。对比方案3与方案1右半部分楼扶梯布置，第3组和第4组布置完全相同，对于方案3，从理论上分析，疏散时间与方案1相近。结合对方案2的分析，车站左半部采用楼扶梯+双扶的布置形式更有利于疏散。

从拥堵时间上分析，4种工况中，工况3情况下乘客的平均拥堵时间最短，乘客拥堵最长时间居中，但总的疏散时间较长。通过对站台右侧乘客疏散路径(如图10所示)的分析，由于在第4组扶梯处拥堵，致使客流自我调整，疏散路径增加，虽然拥堵较少，但疏散时间增加。

图10 疏散客流流线图

通过对以上4种工况的分析可知，采用交替布置的形式，不同工况下疏散时间最短为321 s，最长为345 s，疏散时间最大差异达7.5%，乘客拥堵最长时间差异达50 s，车站疏散方案稳定性差。

2.3.4 各方案对比分析

从疏散时间上分析，方案1最不利工况为第1组上行扶梯出现故障，疏散时间为362 s； 方案2最不利工况为第1组上行扶梯出现故障，疏散时间为321 s； 方案3最不利工况为第4组上行扶梯出现故障，疏散时间为345 s。从车站疏散时间的角度分析，方案2的疏散时间最短。

从疏散时间的差异性分析，对称布置的方案1与方案2的差异性较小，交替布置的差异性较大，最大差异达到7.5%。

从拥堵时间上分析，方案2平均拥堵时间为88.4 s，乘客拥堵最长时间为197.5 s，连续最长拥堵时间为261.9 s，在各方案中拥堵时间较短，且各工况拥堵时间差异较小。

从楼扶梯设施应用情况分析，车站的楼梯宽度较大，更利于吸引疏散客流，在疏散中发挥着巨大的作用；相反，扶梯净宽仅为1 m时，在客流极度拥挤的情况下不利于乘客疏散。

综合以上对疏散时间的差异度、乘客拥堵时间、楼梯事故状态下的使用情况等方面的模拟分析，采用方案2，即楼扶梯+双扶+垂梯+双扶+楼扶梯的布置形式为12 m单柱公共区布置的优选方案。

2.3.5 站台公共区不同着火点对疏散的影响分析

发生火灾情况下，火灾的危害性主要体现在烟气毒害、高温危害及低能见度危害3方面[11]。为进一步分析站台层公共区不同火灾地点对疏散的影响，采用FDS软件对3种方案分别进行3个不同火灾地点的烟气模拟分析，经对不同方案60 s中部着火烟气扩散对比分析，3种方案的楼扶梯布置位置基本一致，楼扶梯宽度差异较小，3种布置形式对烟气的流动影响差异较小。因此，选取最优方案2中工况2的车站三维模型[12-13](如图11所示)，对站台层公共区进行3个不同火灾地点，即位置1站台中部、位置2站台端部、位置3轨行区车辆进行模拟分析，如图12所示。其中位置1和位置2按照乘客行李着火模拟热源释放速率设定为2 MW/m2，位置3车辆火灾按照列车着火热源释放速率设定为10 MW/m2。站台层公共区为1个防烟分区，排烟量按1 m3/(m2·min)[7]，同时保证疏散楼梯的风速为1.5 m/s[14-15]。经过模拟分析，将模拟数据导入Pathfinder，模拟分析60 s内站台层公共区烟气流动分布、能见度、温度上升及扩散情况，进而分析对疏散的影响。

图11 FDS三维模型

图12 模拟火灾点

不同火灾点60 s烟气扩散见图13。站台层的纵向楼扶梯对烟气的分隔起到了较大的作用。站台中部(位置1)烟气主要受到中部楼扶梯的影响，在排烟风机的作用下，发展趋势主要控制在站台中部区域，疏散期间烟气对两端楼扶梯影响较小。同样，站台端部(位置2)发生火灾时，烟气主要受到端部1组楼梯的影响，在排烟风机及挡烟垂壁的影响下，楼扶梯口部的新风得到补给，烟气得到有效隔断。当轨行区列车(位置3)发生火灾时，烟气的传播路径主要为着火点—列车车厢—各站台门—站台，烟气扩散速度较快，对站台影响较大。

不同火灾点60 s温度扩散见图14。高温烟气的扩散致使站台层温度升高，与烟气蔓延一致的位置1和位置2处烟气分别集中在中部和端部。根据模拟，随着排烟风机的作用以及新风的引入，站台层温度升高较慢，对疏散影响较小。位置3中，由于列车及屏蔽门的影响，车站初期温度上升较慢，但发展较快，且影响整个站台，对疏散影响较大。因此，在列车火灾进站的情况下，应加大轨行区的排烟，避免烟气的快速扩散。

图13 不同火灾点60 s烟气扩散(单位： m)

图14 不同火灾点60 s温度扩散(单位： ℃)

2.3.6 闸机平开门布置仿真分析

站厅共设置闸机32组，1.2 m平开门4处，两侧各设置安检机1组。《地铁设计规范》和《地铁设计防火标准》中均对付费区与非付费区之间闸机及平开门的通行能力提出了要求，经计算，闸机及平开门的疏散能力大于各工况的楼扶梯的疏散能力，满足要求。但由于乘客在疏散中存在恐慌、从众、盲从等行为[10]，仅仅满足能力是不够的。因此，本文基于方案2的布置形式，对站厅层公共区闸机、平开门出入口的疏散进行模拟分析。

闸机平开门使用云图如图15所示。疏散客流在实际疏散时的分布并不均匀，乘客更倾向于更近的疏散路线，致使在中部设置的闸机以及偏离疏散路线的闸机使用率极低。在同样位置的闸机中，疏散乘客更倾向于宽的闸机通道。平开门与闸机相比，同样条件下乘客更倾向于使用平开门疏散。模拟中4个平开门的疏散总客流达880人，超过总疏散人数的50%。平开门疏散人员图如图16所示。由于平开门2前方疏散通道较窄，对乘客吸引较弱，以至于在图16中无法显现。

经以上模拟分析，付费区与非付费区之间的平开门在疏散中起到了至关重要的作用。平开门应尽量设置在乘客疏散流线上以及楼梯等疏散能力较强的部位，并应预留足够的乘客缓冲空间。闸机可结合正常使用状态设置，兼顾火灾疏散功能，有条件的宜多设置宽闸机，以提高站厅层公共区的疏散能力。

图15 闸机平开门使用云图(单位： 人)

图16 平开门疏散人员图

3 结论与建议

结合现行的《地铁设计防火标准》中的防灾设计要求，采用Pathfinder对12 m单柱岛式站台多种楼扶梯布置方案的不同工况进行模拟分析，并导入FDS数据分析不同火灾点烟气扩散、能见度以及温度对疏散的影响，得出以下结论和建议。

1)车站公共区设计多方案比选时，采用Pathfinder等软件模拟有利于比选决策和方案优化，但受疏散人员的行为、疏散距离、人流密度等多方面的影响，模拟时间比规范计算时间偏长。

2)经模拟对比分析，12 m单柱布置采用楼扶梯+双扶+垂梯+双扶+楼扶梯的布置形式，在满足正常使用状态的情况下，疏散时间较短，且疏散方案稳定。

3)从不同火灾位置分析，站台楼扶梯对烟气流动、温度上升有较大的阻隔作用，可为远离火灾点的楼扶梯提供宝贵的疏散时机。

4)从疏散中乘客使用设施分析，乘客更倾向于使用楼梯疏散，在设计有条件的情况下应增加楼梯的宽度和数量。

5)站厅层公共区疏散平开门在疏散中起到重要的作用，疏散乘客比例大，在设计时应充分分析疏散流线，将其设置在乘客疏散流线上，便于乘客疏散。

在仿真分析中，火灾模型及参与疏散人员的特征参数缺乏实际疏散验证，为保证仿真分析更贴合实际，建议通过典型火灾试验建立适合轨道交通的火灾模型数据库。同时，通过疏散演练等对疏散人员的行为、疏散特征参数进行深入研究统计分析，以期为后续仿真分析提供更准确的数据资料。