高校宿舍闸机对人员疏散影响的数值模拟研究

郝宇杭

(中国人民警察大学 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

根据教育部在2021年11月15日发布的2020年全国教育事业发展情况文件可知，2020年，全国共有普通高等学校2 738所，其中普通本科院校1 270所，高职(专科)院校1 468所。2020年，全国各类高等教育在学总规模达4 183万人，比2019年增加181万人；高等教育毛入学率达到54.4%，比2019年提高2.8个百分点[1]。在接受高等教育人数不断增长的今天，消防安全问题越来越不可忽视。

为保证宿舍安全，部分高校选择在宿舍入口安装闸机，通过校园卡或人脸识别进入宿舍[2]。而无论哪种方式的闸机都会引发一个问题，那就是在紧急情况下闸机是否会影响学生疏散。针对闸机对人员疏散影响的数值模拟，国内学者做了一定研究。田娟荣等[3]利用计算机仿真技术建立地铁站疏散模型，分别对地铁站有无闸机、闸机是否及时开启等几种情况进行疏散模拟并进行对比分析；杨利强[4]通过设计仿真实验，对比研究不同类型闸机的疏散能力对疏散时间的影响；孙亚杰[5]利用Pathfinder软件建立地铁站疏散模型，发现在闸机总数不变的情况下，闸机的位置对人员疏散有较大影响；马辉等[6]研究闸机引导栏杆对人员疏散造成的影响，认为设置闸机引导栏杆能有效提升疏散效率；姚远等[7]以某地铁站为例，运用Anylogic软件模拟不同影响因素干扰下的人员疏散，发现闸机刷卡环节对疏散效率的影响较为明显。

目前有关闸机对人员疏散影响的研究大多还集中在地铁领域，而关于高校宿舍楼闸机对人员疏散影响的研究还较少。高校宿舍是学生长期居住的场所，属于人员密集场所，同时也属于消防安全重点单位，但最近几年高校宿舍火灾事故屡有发生(见表1)，造成不同程度的损失，因此研究在紧急情况下学生能否及时逃生，对高校学生宿舍的消防安全工作具有重要意义[8]。

表1 近年高校宿舍火灾事故案例

基于上述原因，本文以某高校宿舍楼为研究对象，通过Pathfinder模拟有无闸机时典型宿舍楼的疏散，研究宿舍楼设置的闸机对学生疏散的影响程度。

1 Pathfinder宿舍模型建立

1.1 宿舍楼模型建立

本文以某高校学生宿舍楼为例，该宿舍楼共有6层，层高3m；除一层外每层28个房间，共计164个房间，每个房间长9m，宽4m；宿舍楼每层两侧各设一个自习室，宿舍楼设有2个安全出口，每个出口净宽度为3m，左右各设一部楼梯，楼梯净宽度为1.5m。

(1)无闸机宿舍楼模型建立。该宿舍楼Pathfinder平面图，如图1。

图1 无闸机宿舍楼模型

(2)有闸机宿舍楼模型建立。在宿舍楼一楼东西大厅内设置闸机，其余部分同图1。通过Pathfinder的Rectangular Rooms功能模拟闸机，每个出口各设置4个闸机，有闸机宿舍楼模型，如图2。以人脸识别闸机为例，正常情况下学生通过闸机会有一个人脸识别的时间，但在本文中假设紧急情况下，闸机通道全部打开，仅研究闸机宽度限制逃生的情况下对人员疏散时间的影响。

图2 有闸机宿舍楼一层模型

1.2 疏散场景参数设置

设定该宿舍楼内居住学生全为男性，共计164个房间，每间宿舍学生人数为6人，疏散人数共计984人。

根据美国消防工程师协会SFPE发布的消防工程手册《SFPE Hand Book of Fire Protection Engineering》，设定紧急情况下的成年男性运动速度为1.5m/s[9]。

根据《中国成年人人体尺寸》(GB/T 10000-1988)[10]规定，设定学生肩宽为45cm。

Pathfinder软件有2个主要的行为模式：SFPE和Steering。SFPE模式为一个流动模型，它根据模型中每个房间的人员密度来确定人员的疏散行为与运动速度；而Steering模式行人会根据算法自动规划路径，更加贴近实际疏散情况[11-12]，所以本次模拟选择Steering模式。

将疏散场景分为4种，场景一不设置闸机，另外3种场景设置闸机。根据实地测量，设定2个闸机之间的宽度一般为0.5m左右，具体场景设置，见表2。

表2 疏散场景设置

2 人员疏散模拟

2.1 安全疏散时间评估

为保证学生能够安全疏散，疏散设计应满足相关标准，人员疏散评估就是考查建筑结构及其各消防子系统保证人员疏散的安全性能[13]，根据现行国家标准，其流程图，如图3。

从图3可以看出，为保证人员可以安全疏散，疏散设计应满足判定标准，所以可用疏散时间tASET需要大于必需疏散时间tRSET，而人员必需疏散时间包括探测时间tdec、报警时间twarn、预动作时间tpre和运动时间ttrav，而安全裕量越大，则人员安全性越高。人员所需安全疏散时间计算公式如下：

图3 疏散评估流程图

tRSET=tdec+twarn+tpre+S·ttrav

(1)

其中，S为安全系数，因为Pathfinder对人员疏散进行模拟与人实际疏散可能会存在差异，比如实际疏散时疏散人员可能会出现结伴或小团体等现象，所以需要考虑安全系数，而本文将安全系数设定为1.1[14]。

根据相关研究及标准[13，15]，将探测时间、报警时间合计设定为30s；由于学生长期居住在宿舍楼，对宿舍内部结构较为熟悉[13]，在突发状况下学生能够快速疏散，所以将预动作时间设定为30s；可用疏散时间tASET根据《建筑防火》[16]教材相关内容设定为6min。

2.2 疏散结果分析

通过Pathfinder模拟每种场景5次，最终结果取5次结果的平均值，得到4种场景下学生疏散的运动时间与必需疏散时间，见表3。

表3 宿舍不同疏散场景的疏散结果

2.2.1 有无闸机对人员疏散的影响

由于场景二的相邻闸机宽度与实际情况接近，因此以场景一与场景二作对比，通过疏散结果可知在无闸机的情况下，学生的运动时间ttrav为251s，根据式(1)得到学生的必需疏散时间为337s，必需疏散时间小于6min，疏散安全。有闸机的情况下学生的运动时间ttrav为306s，根据式(1)得到学生的必需疏散时间为397秒，必须疏散时间超过了6min，疏散不安全，并且有闸机的情况下学生的运动时间和必需疏散时间比无闸机情况下分别增加了21.9%和17.8%。对于疏散时间增加的原因，选取2种场景左侧大厅的出口流量进行分析，如图4。通过分析可以知道，由于闸机对出口的宽度限制，导致一层学生无法快速疏散，随后其他楼层的学生相继到达一层，造成拥挤情况，而出口宽度固定，所以出口流量基本保持稳定，如图5。无闸机的情况下，一层的学生能够在40s内及时疏散，几乎不会与其他楼层的学生相遇造成拥挤，这也是造成无闸机情况下前40s的出口流量大于有闸机情况的原因。并且场景二中由于出口处拥挤较为严重，在一定程度上造成学生运动时间延长，从而导致必须疏散时间超过可用疏散时间，紧急情况下有可能引发疏散事故，对学生的生命安全造成威胁。可见，闸机对宿舍楼的人员疏散有很大影响。

图4 宿舍楼左侧出口流量图

图5 有闸机宿舍楼一层大厅拥挤情况

2.2.2 闸机宽度对人员疏散的影响

通过场景二、三和四的疏散结果可知，相邻闸机之间的距离每增加0.25m，学生疏散所需的运动时间能够减少8.3%左右；必需疏散时间能够减少7.5%左右。对于疏散时间减少的原因，选取3种场景左侧大厅出口的疏散场景进行分析。经过计算，疏散前30s，场景二左侧出口处流量约为2人/s，学生无法快速疏散，在出口处造成拥挤，导致闸机处人员密度较大，如图6(a)。

随着相邻闸机之间的宽度增加，闸机的通行效率随之增加，疏散前30s场景三左侧出口处流量能达到约3人/s，当左侧出口学生疏散之后，右侧的学生能够前往左侧闸机逃生，在一定程度上减轻右侧出口的拥挤程度，人员密度有小幅降低，如图6(b)。

图6 3种场景同一时刻密度图

当相邻闸机之间距离变为1m时，左侧出口处前30s流量能达到约3.5人/s。因此左侧出口的学生能够快速通过闸机，从而让右侧出口原本拥挤的人群能够从左侧出口疏散，大大减轻出口处的拥挤程度，人员密度也因此大幅降低，如图6(c)。

综上所述，可以发现相邻闸机之间的距离变化会对学生疏散造成影响，较小距离会造成出口处人员聚集，人群密度增大，从而可能引发安全事故。而距离如果设置适宜(例如场景四)，疏散时间与不设置闸机的情况相差无几，这样不仅能够达到校方方便管理宿舍的目的，也能满足紧急情况下学生的安全疏散。

3 结论

(1)本文通过Pathfinder软件分别模拟高校宿舍在不同闸机设置场景下的疏散过程与差异，并通过流量图和密度图分析造成差异的原因。分析之后发现由于闸机对出口宽度的限制，会造成出口处的拥挤，增大人群密度，在一定程度上会对人员疏散造成影响，但通过改变相邻闸机之间的宽度能够减少这种影响。

(2)高校在出口处设置闸机时，可以考虑在设置之前进行疏散评估，验证在有闸机的情况下学生能否及时逃生，以此确定相邻闸机之间的距离是否合适；同时应定期展开消防演习，提升学生的消防安全意识与面对突发事件的应急处置能力。

(3)由于研究时间有限，本文的模拟方法还存在诸多不足，例如还未考虑不同闸机类型和闸机识别时间等因素对疏散是否会造成影响。因此在后续研究中，还需要针对这些问题进行进一步的探究。