基于Revit和Pathfinder的地铁车站安全疏散模拟研究

邵志国，王昕鸿，于德湖

(1.青岛理工大学 a.管理工程学院；b.土木工程学院，青岛266525；2.智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

随着中国城市经济的飞速发展，大量人口在城市集聚。然而，城市土地资源有限，运输车辆的增加和人口的大量增长造成城市交通拥堵、交通事故频发等一系列安全问题频发。为满足人们对交通出行的需求，目前我国各一线城市、新一线城市及省会城市纷纷规划与建设地铁线路。地铁的建设既为人们的出行提供便利，也有利于缓解环境问题和土地资源利用问题[1]。但是，作为城市交通运输的主要载体，地铁在方便人们出行的同时，也面临着地震、洪水等大量的自然与社会风险影响，稍有不慎，相关地铁事故将造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，如何更好地保证地铁运营安全，在突发事件发生时能够进行有效地地铁安全疏散成为当今社会亟待解决的问题。

目前，国内学者已在地铁安全疏散方面展开了较多研究，并取得一定成果。金泽人等[2]建立元胞自动机的场强模型进行了在火灾情况下的人群疏散仿真研究；王梦思等[3]提出面向人群疏散模拟的异构情绪感染模型；靳宁[4]将蚁群算法与Agent理论结合运用于安全疏散路径研究；连海涛等[5]提出多目标粒子群的拥挤人群疏散路线规划方法，建立目标函数以达到提高疏散效率，降低疏散风险和拥挤程度的目的。同时，国外学者对地铁安全疏散问题的研究也取得不少成果。KADOKURA等[6]利用停步自动扶梯进行人群步行实验，并对地铁火灾场景进行了烟气运动仿真，根据模拟结果，检验了使用自动扶梯进行疏散的可行性和存在的问题；ROH等[7]利用火灾动态模拟程序(FDS V406)预测火灾过程中烟气的扩散和安全疏散时间；KANG[8]提出了一个用于地铁车站紧急疏散模拟的随机模型，利用蒙特卡罗方法和宏观仿真技术建立了MCEVAC模型来预测疏散时间。

以上学者运用了数学模型、模拟实验、仿真软件等方式对地铁站进行了人员疏散模拟，但并未建立直观的三维模型来保证研究的实际应用性。因此，本文将Revit软件与Pathfinder软件相结合，参照工程图纸及各项指标，建立BIM三维模型，使得仿真结果更加有效，得到的模拟数据更加准确。同时，本文研究了地铁人员满负荷状态下的疏散过程，得到疏散瓶颈和极限人员密度。研究成果可为在建地铁工程提供一定指导性建议和改进措施。

1 基于Revit与Pathfinder的地铁人员安全疏散分析

地铁运营阶段是地铁项目整个生命期中时间最长的阶段，运营风险是地铁建造完成投入使用后的主要风险，受到多种不确定性因素影响。地铁事故一旦发生，对人员及社会的影响最为直接，通常会造成重大人员伤亡、经济损失及社会影响等。因此，如何做好风险应对措施，在风险发生时进行合理的安全疏散至关重要。

BIM模型在建筑行业中广泛应用，它能够准确利用三维图形描述建筑物自身构造。同时，Pathfinder疏散软件作为一款火灾疏散软件，拥有特殊人员运动模式，系统将自动进行路径规划，碰撞处理，使得仿真疏散过程更加真实有效。目前已有多位学者通过BIM模型与Pathfinder软件相结合，较好地研究大型综合类建筑(如商场)、高层住宅建筑物的火灾疏散及其优化问题。因此，本文选取实际地铁工程作为研究对象，建立BIM三维模型，利用Pathfinder疏散软件对地铁安全疏散进行具体分析。

1.1 模型假设

1) 疏散过程中，人员不受心理、生理、外界环境等因素影响；

2) 相同类别的人员具有相同的身体结构及逃生速度；

3) 人员的疏散速度仅跟其所在站层人员密度相关；

4) 不考虑在疏散过程中人员发生意外的情况。

1.2 模型建立

1.2.1 基于Revit的地铁站BIM模型

本文选取一处地下2层岛式地铁站，站台宽12 m，主长177.35 m，标准段总宽20.7 m。地下1层是站厅层，地下2层是站台层，车站总建筑面积为12 036.16 m2，车站主体建筑面积为7 718.96 m2，附属建筑面积为4 317.2 m2。站厅层共设置4个出入口，站台层共设置3个楼梯。当危险发生时，站台层人员可通过任意楼梯向站厅层疏散，人员顺利通过安全出口视为逃生成功。

根据工程图纸，利用Revit软件建立BIM模型作为模拟疏散的基础三维模型，如图1所示。

图1 地铁车站BIM模型

1.2.2 基于Pathfinder的地铁站疏散模型

Pathfinder是由Thunderhead Engineering公司开发的一款直观的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统。由于Pathfinder系统不支持Revit导出的模型文件格式，所以首先将Revit模型导入CAD软件中，将模型转成CAD格式，然后将转成的CAD模型再导入Pathfinder软件，如图2所示。

图2 导入Pathfinder软件的PTH模型

为保证模型能够简洁直观地反映人员疏散时的情景，需要对模型进行简化，仅留下疏散模拟所必需的结构。首先，将模型中妨碍观察疏散过程的墙体、柱子等构件进行删除，其次提取房间，不同颜色的模块代表不同的房间(如洗手间、电缆间、配电室等)，在房间上添加疏散所必需使用的门和楼梯，绿色门代表安全出口。简化后的疏散模型如图3所示。

图3 简化后的疏散模型

2 仿真模拟

2.1 约束参数的确定

约束参数的确定主要包括对疏散人数和疏散人员指标的确定。

1) 根据Revit模型，站厅层的实际疏散面积为975.68 m2，站台层的实际疏散面积为1128.6 m2。一般情况下，地铁站的人员密度在0.30～0.65人/m2[8]，具体参数可根据城市和车站的具体情况决定。根据地铁人员密度舒适范围可知，人员密度在0.65人/m2时，符合正常地铁人员流通标准。假设人员密度P=0.65人/m2，则站厅层参与疏散的人数为0.65×975.68=635人，站台层参与疏散的人数为0.65×1128.6=734人。由此确定各层逃生人数。此外，高峰期时地铁人流量极大，在已有研究中，学者们针对其他大型建筑(如商场)进行满负荷模拟时，将建筑最大容纳人数按照《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)进行计算，本文综合学者研究，同时以实际最坏情况为例，即早晚高峰期地铁满员时发生火灾，此时以地铁站台两侧列车同时到达作为极限状态下的人数，进行疏散模拟。

2) 疏散过程中人员的分类和移动速度均会对疏散时间造成影响。由于本文所取地铁站尚未开通，无法采集每天实际到站人数的年龄比例，所以采取类比的方法，以同类地铁作为调查对象，统计不同年龄段人员乘坐地铁的人数，通过类比进而得到本文所需参数。根据同类地铁发布的数据显示，地铁客流以中青年为主，19～60岁约占86.6%，18岁以下及60岁以上客流占比较小，分别占6.6%和6.8%。在实际疏散过程中，人员受到心理、环境等因素的影响，速度在不断地变化，本文根据密度-速度公式[9]算出人员速度，计算公式为

(1)

式中：V为人员速度；V0为人行走时的最大速度，取1.66 m/s[9]；P为人员密度，取0.65人/m2；b为速度折减系数。

将疏散人员根据年龄划分为青壮年、小孩与老年人3种群体，不同年龄段的人员因身体结构的不同，具有不同的行进速度。青壮年行走速度较快，小孩和老人则较缓慢，其速度折减系数b[9]分别为1，0.8，0.75。将各项参数带入式(1)，计算得出3种群体的速度分别为1.2100，0.9680，0.9075 m/s。

2.2 模拟疏散

2.2.1 正常人流量下的仿真疏散

按照设计参数进行仿真模拟，总疏散人数为1369人，测得总疏散时间为146.8 s，正常人流量下的疏散场景如图4所示。

图4 正常人流量下的疏散场景

2.2.2 高峰期极限状态疏散模拟

地铁站在早晚上下班高峰期时的人员流量[10]最大。对于本文而言，此时的疏散情况最为不利，应重点进行分析。目前，我国对地铁核载有明确规定，6人/m2为满员。一般情况下，地铁采取6节编组，列车有6节车厢，车厢总面积约为260 m2。假设危险发生时恰有2趟列车进站，根据这个标准计算，站台层到站人数为6×260×2=3120人，站厅层人数仍为初始假设的635人，在此条件下进行疏散模拟，2层总疏散人数为3120+635=3755人，总疏散时间为411.8 s，不同时刻的人员流量密度如图5所示。

图5所示区域颜色越红，表示地铁越拥挤，随着时间的推移可以看出，拥挤地段主要为站台层通向站厅层楼梯处和站厅层的闸机处。该疏散模拟出现拥挤的区域称为疏散“瓶颈”。

2.3 模拟结果分析与深化设计

1) 上述仿真结果表明，在人员流量最大时期，疏散所需时间大大延长，出现突发事件时不能保证人员的安全。本文综合地铁面积与人员密度计算疏散人数的方式是一种不考虑外界因素影响的简化计算方式，但在实际生活中，地铁站的人员密度会受到周边环境、交通情况、人员流动情况等外界因素的影响，并具有很强的随机性，当人员密度到达一定程度时，再增加人员将会出现人员重叠的现象，这将使结果不符合实际，所以此时，Pathfinder疏散系统会发出提示：“此疏散人数下，疏散终止”。本模拟中，站台层疏散人员临界值为3274人，疏散过程中将发生踩踏事件，疏散被迫中止，此时人员密度临界值为2.90 人/m2。

2) 由人员流量密度图可以看出，在整个疏散过程开始时，站厅层人员较多，疏散人员均需通过闸机到达安全出口，但闸机的设计宽度仅能一次通过一人，所以减缓了通行速度，造成轻度拥挤现象，如图5(a)所示。站台人员只能通过楼梯到达上层安全出口，由于站台到站人数饱和，楼梯宽度不足以满足人员疏散要求，随着时间推移，滞留在楼梯口处等待的人员越来越多，如图6所示，在楼梯口会出现明显的拥堵状况，即是本文在模拟过程中遇到的疏散“瓶颈”。这些“瓶颈”问题直接影响了疏散速度，使得疏散时间延长，同时易引发安全事故，造成站内混乱。

图5 不同时刻人员流量密度

图6 疏散时楼梯口拥挤的场景

3) 为解决上述人员滞留的危险情况，本文在站台层地铁到达其中一侧增设一个与站厅层相似的出口作为消防出口，当地铁站发出火灾警报时，消防出口自动开启，此时进行疏散模拟，总疏散时间为267.0 s，减少了144.8 s。因此，增设消防出口减轻了站台层人员过于集中的现象，减少了楼梯口处的拥挤，大大加快了整个疏散过程。

3 结论

本文结合地铁车站工程实例，应用Revit软件建立地铁三维BIM模型，利用Pathfinder仿真模拟地铁安全疏散的动态过程，验证了建模与仿真技术的实用性和可行性，并得出以下结论：

1) 通过Revit建模与Pathfinder疏散仿真相结合，可形象生动地展示地铁车站安全疏散的时空变化情况；

2) 地铁站层人员容量有限，当人员密度达到极限时，疏散将会发生踩踏事件，模拟疏散将被迫中断；

3) 通过模拟疏散过程发现，地铁疏散瓶颈主要体现在站台层与站厅层相接的楼梯口处。随着疏散的进行，此处人员数量饱和，存在严重拥挤现象；

4) 通过改变疏散条件，如在站台层合理增设消防出口或在站厅层增设安全出口等措施，疏散效果显著。

本研究是对Revit软件建模与Pathfinder人员疏散模拟相结合的较好尝试，其结果对当前地铁站建设与改造、安全运营管理、疏散方案改进具有一定的理论与实践参考价值。由于本文中的Pathfinder疏散模型是一个相对简化的模型，其仿真过程中未考虑人员遇到紧急情况时行为的多样性及最优路径选择问题，未来研究将侧重模型的深化，以及考虑复杂条件(如有无疏散引导员、有无地铁广播电视通知等)下的地铁车站安全疏散效率问题和人群对最优路径的选择问题。这些方向将是未来研究的重点。