疏散门特性对人员疏散的影响

杜学胜，李凤琴

(河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191)

目前，一些建筑结构复杂、人员众多，疏散门和安全出口等疏散设施由于各种原因锁闭、损坏或堆放物品，紧急疏散时容易出现拥堵状况。疏散门是房间直接通向疏散走道的门[1]，火灾发生时房间内的人员需要经过疏散门逃生至走道，然后进入楼梯间、避难间、室外等安全区域，故疏散门的数量、宽度、间距、夹角等特性对人员安全疏散会产生一定影响。杨立中[2]采用数值模拟方法对出口密度、出口间距、出口结构对人员水平疏散的影响进行了较为细致的研究，田水承等[3]分析了民机客舱中部应急出口对人员疏散的影响，万展志等[4]对会展建筑展厅布置对人员疏散效率的影响进行了研究。本研究采用疏散实验和数值模拟方法对疏散门各项特性对人员疏散的影响进行分析。

1 教室疏散实验

1.1 教室基本情况

选择河南工程学院6号楼402教室作为实验房间，该教室位于一栋高20 m、耐火等级一级的5层教学楼的4层。该教室长15 m，宽9 m，使用面积125 m2，座位153个，教室南侧两端各有一樘双扇平开门作为疏散门，两樘门最近边缘距离为11.1 m，单扇门宽0.65 m，总的疏散净宽度为0.65 m×4=2.60 m，疏散门向教室内开启。根据现行国家标准GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[1]的规定，该教室总的疏散净宽度不应小于1.68 m，疏散门不应少于2个，疏散门应向疏散方向开启。因此，该教室疏散门数量和宽度符合要求，但疏散门开启方向与现行规范要求不一致。

1.2 实验安排

参加实验的人员为在校大一学生，共130人，其中男生93人、女生37人。根据前、后疏散门开闭状态的不同进行了3次实验，每次实验全体人员均坐在固定座位，实验引导人员发出疏散指令后，全体人员开始疏散，记录开始时间，当实验人员全部离开教室时，记录结束时间，并分别在教室前、教室后和教室外拍摄疏散过程。

1.3 结果与分析

3次实验的过程和结果分别见图1和表1。随着疏散门开闭状态的改变，教室的疏散总宽度发生变化，疏散时间也随之变化。总体而言，疏散时间随着疏散门总宽度的增大而减少，但疏散时间还受到疏散距离的影响，不会无限制减少。当疏散门总宽度过小时，门口会出现阻塞现象。图1(c)是实验3在前门出现拥堵的情形，此时疏散门总宽度仅有0.65 m。我国现行《建筑设计防火规范》规定疏散门的净宽度不应小于0.90 m，美国消防标准《生命安全准则》[5]规定疏散门的最小净宽度为0.915 m。实验1中前后两个疏散门均开启，从前门通过的人多于后门，因为前门位于视线前方，平时使用率就比较高，疏散时人们会习惯性选择平时经常使用的路径。

图1 疏散实验过程Fig.1 The process of evacuation

表1 疏散实验结果Tab.1 Experimental results of evacuation

2 教室疏散数值模拟

为了比较疏散实验与疏散数值模拟的差异，采用Pathfinder软件，依据疏散实验数据建立模型并进行疏散数值模拟。

2.1 模型设定

将教室内的课桌和讲台设置为长条形障碍物，去掉椅子后形成教室的空间模型。男生的肩宽统一设置为0.48 m，行走速度统一设置为1.26 m/s；女生的肩宽统一设置为0.42 m，行走速度统一设置为1.20 m/s。人员行为模式采用操纵模式(steering mode)，操纵模式基于逆向操纵行为方式，可以模拟更复杂的自然行为[6]。

2.2 模拟结果与分析

模拟过程和结果分别见图2和表2。对比1.3节的3次实验数据发现，计算机模拟实验时间明显长于上述实验的疏散时间(表1)，但整体变化规律相同。观察计算机模拟过程，发现人员的疏散策略较为单一，如位于中间座椅的人只会选择从靠近门口的纵向走道(与黑板垂直)疏散，导致其在横向走道(与黑板平行)处停滞，而疏散实验中人员的选择比较灵活，位于中间的人会选择距离较近的纵向走道，在横向走道处停滞时间较短。疏散实验因提前制定了实验方案，参与实验人员对教室环境非常熟悉，听到指令立即疏散，反应时间和预动时间可忽略不计[7- 8]，而计算机模拟时会考虑这些因素，所以造成了实验与模拟之间较大的偏差。

图2 疏散模拟过程Fig.2 The process of evacuation simulation

表2 疏散模拟结果Tab.2 The results of evacuation simulation

公共建筑中经常出现厅、室使用时疏散门没有全部开启的现象，例如会议室、教室只打开经常使用的前门，这时该房间的实际总疏散宽度小于设计的疏散总宽度，疏散时间会随之增加，故人员密集的厅、室在使用过程中应确保所有疏散门都打开。

3 疏散门夹角对人员疏散的影响

两个疏散门间最近边缘水平距离不应小于5 m，美国消防标准《生命安全准则》还规定最近两个疏散出口与室内最远点的夹角不应小于45°，两个疏散门间的水平距离和夹角相互关联。以疏散实验使用的402教室为例，对两者关系进行分析，将402教室简化为图3。

图3 402教室简化图Fig.3 The simplified map of classroom 402

图3中疏散门1和疏散门2最近边缘距离为d，P为教室内距离两个门的最远点，点P与这两个门边缘的夹角为θ，教室进深为w，则三者关系可用下面的公式表示：

(1)

公式(1)中没有教室长度参数，教室长度影响疏散门数量，但对疏散门间的夹角没有影响。如果教室进深过大，使疏散门与北侧墙壁距离超过最大允许的疏散距离，则教室北侧也需要设置疏散门，以保证室内任意一点疏散距离符合相关规范的要求。该教室进深为9 m，当两个疏散门水平距离为5 m时，教室最远点与这两个门的夹角为31.05°，而当这个夹角为45°时，水平距离为7.46 m，教室两个疏散门的实际夹角为63.32°。

根据疏散门夹角的不同，进行了3次模拟实验，模拟过程和结果分别见图4和表3。当夹角为20°时，疏散门距离只有3.17 m，低于规范要求的5 m，由于两个疏散门距离过近，两股疏散人群相互交叉，导致疏散效率降低，疏散时间最长；当夹角为45°时，疏散门距离为7.46 m，满足规范要求，两股疏散人群相互独立，疏散效率提升，疏散时间最短；当夹角为60°时，疏散门与两端墙壁的距离过近，由于两端墙壁对人群有阻碍作用，故疏散效率降低，疏散时间居中。

图4 不同夹角时疏散模拟过程Fig.4 The evacuation simulation process at different included angles

表3 不同夹角时疏散模拟结果Tab.3 The simulation results of evacuation at different included angles

在对建筑物进行疏散设计时，除需要保证相邻两个疏散门之间的水平距离不小于5 m外，还需要考虑它们与房间最远点的夹角不应小于45°，目的是尽可能将疏散门分散布置，以形成相互独立的疏散路径，避免疏散人群相互干扰。

4 障碍物对人员疏散的影响

保持疏散通道通畅是人员安全疏散的保障，但在疏散通道放置物品的现象比较常见，为了分析疏散通道中障碍物对人员疏散的影响，进行了模拟实验。模拟实验7中两个疏散门均保持通畅，而模拟实验8中左侧疏散门附近设置了一处长1.77 m、水平倾角为31.62°的障碍物。两次模拟实验均采用均一分布确定人员的初始位置，实验过程和结果分别见图5和表4。模拟实验7中两个疏散门附近没有障碍物，人员疏散比较通畅，全部疏散时间为32.3 s，左右两个疏散门通过人数差别不大；模拟实验8中由于左侧疏散门前设置了障碍物，人员主动采取绕开障碍物的行为[9]，导致左侧疏散门前出现了明显拥堵，一些原来距左侧疏散门较近的人选择从右侧疏散门疏散，故疏散时间比模拟实验7有所延迟，而且左侧疏散门的疏散人数比右侧疏散门少了很多。

图5 障碍物条件下疏散模拟过程Fig.5 The evacuation simulation process under obstacle condition

表4 障碍物条件下疏散模拟结果Tab.4 The simulation results of evacuation under obstacle conditions

因此，建筑物内疏散通道必须保持通畅，禁止堆放各类物品，以免在紧急情况下影响人员安全疏散，可通过宣传培训、张贴标志、定期清理等方式加强对疏散通道的管理。

5 结论

(1)在单扇疏散门宽度不变的情况下，随着疏散门开启数量的增加，房间疏散门总宽度随之增大，疏散时间随之减少；疏散时间还受到疏散距离和疏散人数等条件的制约，不能无限制减少；疏散门宽度过小时，在门口会出现阻塞现象。

(2)相邻两个疏散门与房间最远点构成一个夹角，此夹角与两个疏散门水平距离线性相关，当夹角过小时，两个疏散门距离较近，导致疏散人群相互交叉，疏散效率下降，疏散时间延长。

(3)疏散门附近的障碍物减少了疏散门总宽度，易造成疏散门前人员拥堵，降低了疏散门的利用率，增加了疏散时间。