基于Pathfinder的高校图书馆火灾疏散研究

阎卫东,张 瑞,刘家喜,张 野,孙 文

(1.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

图书馆作为服务大众学习工作的最佳场所,不但要为群众提供良好的学习环境,还要时刻保障人员的生命安全。现代高校图书馆特点为规模趋于扩大、功能趋于多元,人流量较大[1]。一旦发生火灾,极有可能因为疏散不及时、不快速而造成伤亡和图书资源的损失,因此对图书馆进行火灾疏散研究意义重大。

国内外专家学者针对人员安全疏散展开研究。S.L.HO等[2]考虑人员聚集、地铁延误和拥堵等疏散影响因素,基于Pathfinder软件进行疏散模拟,并提出措施。M.FARID等[3]提出疏散安全框架,可根据建筑和设施的疏散安全性进行局部优化。S.NUR等[4]对基于Agent的行人疏散文献进行调查,评估目前技术水平,确定了改进方向。阎卫东[5]通过大量调查问卷和应急疏散演习,发现火灾时人员行为特征并提出性别、消防培训和消防演练对疏散时间影响最为显著。王建国等[6]通过调查问卷的方式收集信息,采用Logistic回归方法对各变量进行编码取值,对样本数据进行量化分析,探讨各因素对人员疏散影响。叶继红等[7]建立了一种基于BIM的新型元胞自动机路径规划智慧模型,可以实现高效精准救援以及智慧消防。晋良海等[8]通过构建极端负荷流线的拓扑解析模型,探析了公共建筑人群疏散流线拥堵特征。李伟等[9]将社会力模型运行规则引入元胞自动机模型,建立了一种考虑个体行为的改进CA模型。

目前研究主要针对人员安全疏散中的疏散时间、疏散路径、疏散影响因素及疏散行为等方面,而关于火灾情况下图书馆建筑疏散研究较少。基于此,笔者以沈阳建筑大学图书馆为例,通过BIM模型轻量化技术,利用Pathfinder软件对人员火灾疏散进行模拟,观察人员行为特征、疏散路径,计算了疏散时间,最终提出应急疏散优化方案,为图书馆安全管理及应急疏散提供理论基础和技术支撑。

1 建筑物疏散模型建立

1.1 研究对象建筑结构

笔者选取沈阳建筑大学图书馆为研究对象,图书馆共7层,地下1层,地上6层,层高3.8 m,东西长104.8 m,南北宽48 m,占地面积约为4 154 m2。地下1层主要为休闲区,第一层至第五层各设有自习室和阅览室,第六层为图书馆办公人员办公位置,共有1 244个阅览座位。考虑到人员主要分布情况与聚集程度,笔者主要研究图书馆第一层至第六层。图书馆一楼共设有六个出口,以便紧急情况使用。东西方向各设置两部步行楼梯和一部电梯,共四部楼梯和两部电梯供人员平常使用,本次模拟场景为火灾,因此不考虑电梯使用情况。通过视频监控识别方法,得到图书馆平均日流动量约为1 030人。利用BIM技术构建沈阳建筑大学图书馆建筑信息模型如图1所示。

图1 图书馆实体建筑模型

1.2 Pathfinder人员疏散模型

Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的一个基于人员运动的模拟器,广泛应用于火灾人员疏散模拟。软件支持SFPF模式和Steering模式两种运动模拟方式[10]。SFPF模式中行人不会相互影响,即互不避让并可互相穿透;Steering模式使用路径规划、指导机制和碰撞处理相结合的手段来控制行人运动,在发生拥堵时会自动选择其他的路线。由于Steering模式更接近现实,因此其更适合于公众聚集场所的应急疏散的仿真。

目前,有部分专家学者[11-13]将BIM建筑信息模型与Pathfinder人员疏散仿真模型结合使用,不仅可以提高模拟效率,还可构建真实、准确的模拟场景。笔者将采用此方法构建图书馆模型。

1.3 BIM模型的轻量化处理

目前,Pathfinder软件不支持将Revit的RVT模型文件直接导入,需要将模型导出为DXF或DWG格式文件后,再导入至Pathfinder软件中。由于研究内容为疏散过程中人员的运动情况,因此对图书馆模型进行轻量化处理,仅提取楼板、楼梯以及墙体等建筑构件。同时通过三维激光扫描仪对图书馆进行扫描,得到点云数据,为构建桌椅和障碍物等提供数据支持。并根据软件中的提示信息,进行模型的修正与完善。

在完成基本的模型构建后,添加人员信息,设定人员参数,可得到不同房间人员疏散情况图和不同疏散出口的通过率过程线图,其中全尺寸图书馆疏散模型见图2。

图2 Pathfinder软件中全尺寸模型

2 人员行为特征及参数选择

2.1 人员行为特征

人员在发生火灾事故时的行为特征是影响疏散的重要因素,直接决定了疏散时间与疏散效率。因此,基于人员行为特征的参数选择,决定了疏散模拟结果的准确性与真实性。

(1)人群聚集,疏散困难

高校图书馆为大众提供大量的阅览座位以供学习,且各个阅览室布局面积较大,因此人员密度大,人群十分聚集,尤其是考试周时间,为快速且安全的疏散工作增加了困难性。

(2)人员构成相对简单

出入高校图书馆人员多数为学生,因此笔者仅将人群类别分为成年男性和成年女性。研究表明,性别的差异体现在面对火灾时的行为不同,比如男性会更加理性的判断并主动帮助其他人员,而女性心理承受能力较弱,首先进行疏散路线的选择[2]。

(3)行动能力强,逃生速度快

成年男性与成年女性的行动能力较强,且他们受教育程度较高,多数经历过疏散逃生演习与培训,一旦发生火灾,人员疏散迅速,疏散效率较高。

2.2 人员参数选择

2.2.1疏散人员数量的设定

为了保证模拟的可靠性和真实性,通过实际调研和视频监控识别方法,确定人员位置和分布密度情况。选取四种不同的时间段,对平常工作日、双休日以及考试周三种情况进行调研,结果分别如表1、表2、表3所示。

表1 工作日不同时间段各层人员数量

表2 双休日不同时间段各层人员数量

表3 考试周不同时间段各层人员数量

笔者仅考虑地上六层人员疏散情况,通过调研数据可以发现考试周的20时至21时人员数量较多,流动量较大,上座率达到了85%。同时考虑图书占座的情况以及最不利的模拟情况,最终得到考试周的上座率为84%,因此根据图书馆各层阅览室的座位数量,设定模拟人员数量共计1 050人,第一层至第六层人员数量分别为101人、417人、231人、144人、151人和6人。

笔者仅将人群类别分为成年男性和成年女性。由于图书馆第二层阅览座位最多,人员最为密集,因此选取第二层阅览室为调研场所,通过视频监控识别方法,统计考试周不同时间段的人员性别,结果见表4。

表4 二层阅览室人员性别统计

从表4可知,图书馆的男女比例大约是0.98～1.19,基于沈阳建筑大学官方数据统计,2019年沈阳建筑大学的男女比例为2.44。同时由于女性疏散能力较弱,女性数量的增多导致疏散时间的增加,考虑最不利模拟情况,因此男女比例选取0.98。

2.2.2 疏散人员运动参数

根据美国消防工程师协会SFPE的消防工程手册《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》[14]以及实际测算,可以得到紧急情况下的成年男性运动速度为1.5m/s,成年女性运动速度为成年男性运动速度的85%,即1.28 m/s[15]。

依据《中国成年人人体尺寸》(GB10000—1988)[16]规定,可以得到成年男性肩宽为50 cm,成年女性肩宽为45 cm。

3 火灾疏散结果分析

3.1 楼梯利用率和堵塞位置分析

疏散模拟可实时观测图书馆第一层至第六层全部人员的疏散过程以及分布情况。由于第二层阅览座位数量较多,相比其他楼层人员比较密集,在火灾疏散时难度最大,因此选取第二层为研究对象,观察其在不同时间下的人员分布情况,结果如图3～图6所示。

图3 0 s时第二层人员分布情况

图4 60 s时第二层人员分布情况

图5 120 s时第二层人员分布情况

图6 200 s时第二层人员分布情况

观察实时疏散情况,在第60 s时,人员集中于楼梯口,且楼梯2转角处的拥挤和堵塞现象最为严重,其余楼梯较为畅通。有2.9%人员发现楼梯出现堵塞情况后,及时重新选择疏散路径,提高了疏散效率。第120 s和200 s时,除楼梯2和楼梯3,其余楼梯已经完成疏散。经过分析得到,楼梯1利用率最低,楼梯2利用率最高。

3.2 疏散出口通过率分析

图书馆共有6个疏散出口,分别为出口A、B、C、D、E和F(见图7)。不同疏散出口的通过率过程曲线如图8所示。

图7 一层出口平面图

图8 不同疏散出口的通过率过程图

从图8可以看出,出口F利用率最低,在疏散前期,由于出口B作为日常主出入口且通道宽度较大,其通过率最高,达到了2.97 人/s。疏散后期,由于楼梯2利用率较高,影响人员疏散出口的选择,出口C利用率及平均人员通过率最高。

疏散总时间为298 s,在第27 s时,出口F率先完成人员疏散,其次是出口B疏散时间为118 s,出口A疏散时间为130 s、出口E疏散时间为153 s、出口D疏散时间为278 s,直至第298 s时,出口C疏散完毕。

3.3 人员疏散时间分析

为保证人员可以安全疏散,疏散设计应满足综合判定标准:人员可用疏散时间tASET大于人员必要疏散时间tRSET。人员必要疏散时间包括火灾报警时间tdet、人员响应时间tresp以及人员疏散运动时间tmove。安全余量为人员可用时间与人员必要疏散时间的差,其值越大,人员疏散的安全性越高。人员疏散所需时间计算如下:

tRSET=tdet+tresp+tmove×1.1.

(1)

根据文献[17]得tdet=10 s，tresp=10 s。Pathfinder软件得到疏散运动时间tmove=298 s,考虑到实际疏散与软件模拟存在部分差异,因此增加一个安全系数,基于美国消防工程师协会SFPE的消防工程手册《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》[14],安全系数取1.1,因此人员疏散所需时间为tRSET=10+10+298×1.1=347.8 s。

同理可得在工作日和双休日时,人员疏散所需时间分别为336.8 s和311.5 s。图书馆为一级耐火等级公共建筑物,根据《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)[18]中规定,一、二耐火等级公共建筑物的允许疏散时间为6 min,可见文中的tRSET符合规定。

4 结 论

(1)基于软件模拟结果和实际调研,工作日、双休日和考试周时,人员疏散所需时间分别为347.8 s、336.8 s和311.5 s,符合《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)规定。

(2)图书馆楼梯2利用率最高,楼梯1利用率最低;出口C利用率最高,出口F利用率最低。在楼梯2和楼梯3转角处出现堵塞情况,建议完善疏散引导因素并增加引流管理,比如增加明确的指示标志,添加实时的广播指引以及增加引导员管理等措施。