教学楼火灾疏散模型计算及模拟研究

矫磊　张丹丹　荆信茂

摘要： 学校属于人员密集度较高的公共场所。以教学楼为研究对象，实际调查其布局与人员流动情况，建立了相应的火灾疏散模型，考虑最不利原则的基础上结合两种经验公式及Pathfinder 模拟，计算了其必需疏散时间。计算所得结果为探测报警时间为20 s，人员反应时间为40 s，计算得出最不利条件下教室滞留时间为161.61 s，教室门口疏散时间为57.34 s，楼道疏散时间为101.95 s，必需疏散时间为380.9 s。最后对必需疏散时间的占比进行了分析，得出了减少疏散时间的建议。

关键词： 火灾疏散 疏散模型 教学楼火灾 数值模拟

中图分类号： TU998.1 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0195-03

学校作为人员密集的公共场所，研究其火灾疏散情况具有重要意义。孟文涛等人［1］以火疏散特征参数试验得到了楼梯出口流量及人员密度的变化规律。田文青等人［2］以高校图书馆为研究对象用FDS 分析了火灾烟气流动情况，用Pathfinder 模拟了人員疏散情况。易玉枚等人［3］以调查问卷的形式统计并分析了大学生在突发火灾时的心理及行为反应。张景钢等人［4］通过Pathfinder 研究了不同楼层、安全门不同启闭状态下的人员疏散情况。吴培红等人［5］以PyroSim 分析了图书阅览室的火灾发展情况得到了可用疏散时间，通过Pathfinder 模拟了人员疏散情况得到了必需疏散时间。

鉴于学校火灾疏散的重要性，本文以教学楼为研究对象，通过对教学楼布局及人流情况的调查，建立教学楼火灾疏散模型，考虑最不利原则并通过多种方式求算火灾疏散时间，对疏散时间的分析得出减少疏散时间的建议。

1 现场情况调查

某学校教学楼集合上课与办公两个区域为一体，建筑总面积达60 000 m2。设置近30个出入口，但由于学生寝室以及食堂方位的影响，常用的出口仅有3个，按人流量顺序依次为西北屏风门、正西门和正北门。在对人流量调查后发现在日常开启的16个门中，正西门、西北屏风门、正北门3个门的人流量占教学楼全部流量的85%以上。统计发现，西北屏风门在中午11∶50—12∶10时间段内的人流量最高，可以达到1 116人次。

调研发现教学楼内教室主要分为3 种类型，分别是普通教室、方形阶梯教室和梯形阶梯教室，其容量分别为117 人、198 人及248 人。教室模型进行简化后其布局如图1 所示。

2 火灾疏散时间计算

必需疏散时间（TR）是通过将全体逃生疏散人员作为一个整体提出的概念，它包括探测报警时间Ta、人员响应时间Tr、人员疏散运动时间Tm，必需疏散时间等于其三者之和［6］。

TR = Ta + Tr + Tm （1）

探测报警时间自火灾发生开始计时，直到处于火灾现场的人发觉火灾发生为止。考虑实际情况，本文将探测报警时间定为20 s。

人员响应时间自人们发觉火灾的发生开始计时，直到人员开始做出逃生准备为止。考虑到教学楼里多为青年学生，我们将其人员响应时间确定为40 s。

对于人员疏散运动时间，将其分为两部分：人员从教室疏散至楼道的时间、人员从楼道疏散到外部的时间。下面依次求解这两个时间。

2.1 教室疏散时间

为确保计算的准确性，本文采用两种不同的经验公式以及Pathfinder 模拟3 种方法分别求算3 种不同教室疏散到走廊的时间。研究中默认在校大学生均是熟悉建筑物内通道出口的健康人。

（1）Togawa 经验公式［7］。

式（2）中：Ntol为等待疏散的总人数，3间教室分别为120人、200人、250人；Weff为疏散出口的有效总宽度，单位为m，3间教室分别为0.86 m、1.09 m、1.09 m；C 为疏散出口的疏散能力，单位为人（/ m·s），3种教室均为1.6人/（m·s）；Lmin为疏散人员中距离疏散出口的最近距离，单位为m，3种教室分别为0.5 m、3.35 m、1.2 m；V 为疏散时人员的平均速度，单位为m/s，取1.2 m/s。

计算得到3 种教室的疏散时间分别为87.63 s、117.47 s、144.35 s。

（2）疏散时间经验公式。

教室中人员通过教室阶梯所需要的时间由下式计算：

式（3）中：P 为人员数量，分别为120 人、200 人、250人；WL 为阶梯的有效宽度，单位为m，分别为1 m、1 m、1.3 m。

人员通过门需要的时间为：

式（4）中：r 为单位时间单位门宽度通过的人数，均为1.6；n 为门的数量，分别为2 个、2 个、4 个；WD为门的有效宽度，单位：m，分别为0.86 m、0.19 m、1.09 m。

求得3 间教室阶梯疏散时间分别为150.81 s、218.95 s、212.78 s，通过门时间分别为43.60 s、57.34 s、35.84 s。计算发现，人员通过教室内阶梯所需的时间远大于通过门所需的时间。说明出现了人员在阶梯滞留导致疏散时间增加的现象。通过两时间做差可求得教室滞留时间，分别为107.21 s、161.61 s 和176.94 s。

（3）Pathfinder 模拟。

对于Pathfinder模拟，取人员平均步行速度为1.2 m/s，舒适距离为0.2 m。模拟时假定人员在得到疏散命令后开始行动且默认人员选择距离最近的出口进行疏散。由于篇幅限制，本文只展示普通教室的疏散模拟图，具体见图2。

从模拟结果来看3 种教室疏散时间分别为47.3 s、94.5 s 和45.5 s。

将上文计算的疏散时间汇总并整理后得到结果见图3。从图中可以看出：方形阶梯教室在第二种经验公式下的疏散时间最长。因此，选择该疏散时间为教室疏散时间。

2.2 楼道疏散时间

根据最不利原则，假設着火点所在教室除正西门与西北屏风门外无其他出口，则距离该教室最近的逃生出口为西北屏风门。

该路径直线距离约为113.68 m。其中水平路径为105 m，楼梯路径长8.68 m，取熟悉建筑物内通道出口的健康人平均步行速度为1.2 m/s（平地）、0.6 m/s（楼梯），求得疏散人员成功到达楼外时间为101.95 s。

3 疏散时间分析及建议

综合上述计算可以求得必需疏散时间为

TR = Ta + Tr + TC + TD + TS = 380.9（s） （5）

由式（5）可知教学楼必需疏散时间为380.9 s，将教学楼视为一级耐火建筑，查阅资料［8］得知其允许疏散时间为5～7 min。因此即使在最不利条件下教学楼的必需疏散时间仍能满足相应要求。

同时，由式（5）可以得到各时间占疏散时间的比例如图4 所示。教室内的滞留时间占比最大，为42%；其次是走廊疏散时间，为27%；再次是教室门口疏散时间，为15%；最后分别是人员响应时间和探测报警时间，分别为11% 和5%。通过分析各时间的占比，提出以下建议。

（1）合理控制教室内人员密度，减少教室人员满载的情况，避免或减少因拥挤出现的滞留时间和门口疏散时间。（2）教学楼各出口常开，减少人员必需疏散时间中的走廊疏散时间所占的比例。（3）定期人员进行疏散演练，提高学生的反应能力与处置能力，减少人员响应时间。（4）定期检查教学楼内消防报警设备的运行情况，确保其在出现火情时及时正确地发出警报。

4 结论

（1）本文以高校教学楼为研究对象，详细调研了教学楼的布局、出口及楼梯情况，统计了教学楼人员流量情况，为后续计算疏散时间提供了基础。（2）经分析本文确定的探测报警时间为20 s，人员反应时间为40 s，计算得出最不利条件下教室滞留时间为161.61 s，教室门口疏散时间为57.34 s，楼道疏散时间为101.95 s，教学楼必需疏散时间为380.9 s。（3）对必需疏散时间分析发现占比较大的有教室滞留时间、楼道疏散时间和教室门口疏散时间，针对此情况提出了相应的建议以减少必需疏散时间。

参考文献

[1] 孟文涛，祖宏权. 校园火灾疏散特性分析与研究[J].技术与市场，2023，30（2）：89-91.

[2] 田文青，安笑蕊，张继友，等. 高校图书馆火灾应急疏散模拟方法研究[J]. 建筑安全，2023，38（1）：70-75.

[3] 易玉枚，武甜恬，杨梓杰，等. 突发火灾高校大学生疏散行为及心理调查研究[J]. 安全，2021，42（10）：12-17.

[4] 张景钢，尹宜辰，何鑫.基于Pathfinder模拟高校图书馆火灾疏散[J].华北科技学院学报，2022，19（6）：24-30.

[5] 吴培红，蒋军成，吴凡，等. 期刊阅览室火灾烟气蔓延及人员疏散[J]. 消防科学与技术，2018，37（10）：1316-1320.

[6] 彭俊豪. 基于数值模拟的城乡结合部“多合一”建筑火灾风险评估研究[D]. 湘潭：湖南科技大学，2023.

[7] 向健宇，茅靳丰，余南田. 地下狭长空间排烟性能化设计[J]. 消防科学与技术，2020，39（2）：208-212.

[8] 张蒙. 基于BIM 的高层建筑消防应急疏散仿真研究[D]. 西安：西安理工大学，2021.