基于Pathfinder的某综合楼疏散模拟研究

张兆金 张永旭

作者简介：

张兆金（1994- ），男，汉族，甘肃陇西人，本科，助理工程师，研究方向：安全管理、工程建设。

摘要：

为了提高办公楼等人员聚集场所的人员快速疏散能力，防止发生拥堵踩踏等安全问题。利用Pathfinder软件对某综合办公楼进行疏散模拟研究，根据楼内人员分布情况，研究不同楼层不同比例楼梯和电梯混合疏散的疏散时间，分析疏散过程中容易产生拥堵、踩踏等事故的情况。研究结果显示，采用楼梯和电梯混合疏散模式可以缩短疏散时间。某综合楼疏散容易产生拥堵的区域为一楼电梯厅与楼梯交汇处；主出入口疏散效率不高，在疏散过程中应设置疏散引导员，为综合办公楼日常管理和疏散安全管理提供借鉴。

关键词：疏散模拟；Pathfinder软件；安全管理

引言

商场、办公楼等大型场所人员聚集度高，潜在危险隐患较多，遇到突发状况时人员疏散难度大，在拥挤环境下极易引发踩踏事件。踩踏、拥挤等二次事故在一定程度上提高了突发事件的影响程度。[1]研究人员疏散的行为规律，对避免踩踏伤亡事故有着重要作用[2]。高效组织疏散是减少突发情况下人员伤亡的重要保障[3，4]，人员疏散过程中会受到较多因素的影响，传统的实验研究方法耗资巨大、周期长，难以取得有价值的成果[5]。使用计算机仿真软件模拟人员疏散过程，可以得到大量数据，具有直观、可重复使用等特点[6]，可以实时观察人员疏散情况，设置不同条件，减少疏散时间，计算机模拟仿真逐渐成为疏散研究的重要手段[7]。通过对比常用疏散模拟软件的特点和适用范围，本文选择Pathfinder软件对某综合楼人员疏散进行模拟研究。

已有很多学者针对人员疏散模拟进行研究。汤煜[8]等利用Pathfinder软件模拟研究了商场建筑防火疏散，提出疏散优化方案。肖木峰[9]等利用Pathfinder软件模拟研究了装配式建筑施工安全应急疏散，优化了场地内部障碍物布局。邹馨捷等利用Pathfinder软件模拟分析了高校宿舍不同火灾场景下的人员安全疏散，并提出安全管理的相关措施。陈娟等利用Pathfinder软件对医疗建筑疏散策略进行了对比分析，得出合理设定人员使用电梯比例、开展冲突礼让行为管控可以有效减少疏散时间。阎卫东[10]等利用Pathfinder软件模拟研究了高校图书馆火灾人员疏散，确定了图书馆疏散性能符合有关规定，并得出了楼梯和出入口的利用率。王莉利用Pathfinder软件对公共场所人员疏散行为规律进行仿真分析，得出人群在疏散中具有从众效应，出口处容易产生拥堵。

疏散模拟运算需要设置大量参数，不同的建筑结构也会产生不同的疏散效果，本文通过Pathfinder软件分析某综合楼内人员疏散过程，为预防或减少踩踏、拥挤等二次事故，人员快速安全疏散提供参考。

一、疏散模型的建立

（一）Pathfinder软件简介

本文的疏散模拟使用Pathfinder软件，该软件提供了仿真模拟设计和运行的图形用户界面以及可用于运行结果分析的可视化工具，具有简单、直观、易用等特点。该软件利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，可以对群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，可以指定每个个体的位置、尺寸、速度等的参数以及特定的行为。

Pathfinder软件支持两种人员运动模拟模式：Steering运用了路径规划和碰撞处理机制，SFPE模式使用《火灾中人类行为工程指南》中定义的一组假设和手工计算，在SFPE模式下，人员不会试图相互躲避，允许相互穿透，但门会施加流量限制。

（二）某综合楼概况

某综合楼由西侧主楼、南北两侧裙楼组成，共三部分，无地下室，西侧主楼共7层，主要功能为办公、会议和接待场所。南侧裙楼共3层，功能为餐饮服务场所，北侧裙楼3层，功能为办公、展览场所。总建筑面积7354m2，主楼高度31.75m，裙楼高度15m。该工程西主楼设置4部封闭楼梯间，3部电梯，南裙楼设3部封闭楼梯间，1部室外疏散楼梯，3部电梯，北裙楼设3部封闭楼梯间，2部电梯，南侧裙楼2楼餐饮区的室外疏散楼梯可供2楼、3楼人员直接疏散至室外，避免与1楼人员产生拥挤，除室外疏散楼梯10#楼梯宽度为3.2m外，其余楼梯宽度均为1.6m，楼梯和电梯的分布位置如图1所示。南侧裙楼与主楼在3楼、北侧裙楼与主楼在1楼有门可供人员通行。北侧裙楼1楼展览大厅除9#楼梯可用人员疏散外，在1楼还有东西2个门可供人员疏散。

（三）疏散模型与人员配置

将某综合楼图纸CAD文件导入Pathfinder软件，建立综合楼疏散模型，对人员疏散过程中的桌椅等障碍物进行简化处理，以尽可能与实际疏散情况相一致。模拟开始前，每部电梯都是空的，电梯搭载人员后不再运行至其他楼层搭载更多成员，只前往释放层，电梯的开、关门延时时间均为5s，楼层优先级为从上至下，1-3號电梯为7层，其余电梯均为3层，除6号电梯载人26人外，其余均18人，加速度均为12m·s-1，除6号电梯速度05m·s-1外，其余电梯速度175m·s-1；楼梯参数设置为踏面宽度017m，踢面高度028m，除10号楼梯宽3.2m外，其余楼梯1.6m。

人员数量依据实际情况进行估算。办公区人数一般按照每人8～10m2办公有效面积估算，餐饮服务场所的人员按照一般娱乐公共场所推荐的人员比例构成来确定，老年和未成年人各占10%，青年和中年男女各占20%，人员密度为0.6人·m2，结合各区域面积，设置模型中总人数为2904人。忽略人员的高度，因为在Pathfinder软件中，高度仅用于避免在建模过程中距离较近的不同楼层人员可能发生的碰撞。折减系数用于指定乘客在紧张情况下挤过其他乘客的程度，设为默认值0.7。

二、疏散模拟及效果分析

进行楼内人员的自由疏散模拟，在此基础上进行人为干预，控制使用电梯疏散的人数。

（一）自由疏散

自由疏散情况下，人员可以自由选择使用电梯或楼梯，楼内人员数量为2904人，忽略疏散报警和人员响应时间，在Steering模式下，整体疏散时间为408.9s，在SFPE模式下，整体疏散时间为477.5s。Steering模式的疏散更接近于人员实际疏散情况。Steering模式通过路径规划、引导机制、碰撞处理相结合等方式控制人员疏散。本文的疏散模拟采用Steering模式。通过观察疏散过程，北侧裙楼116.4s首先疏散完毕，南侧裙楼194.9s疏散完毕。194.9s后，主楼各层剩余人员均等待电梯多次往返进行疏散，造成疏散时间延长。

（二）受控疏散

从前文分析可以看出造成疏散时间延长的主要因素是人员等待乘坐电梯。下面进行仅使用楼梯疏散和楼梯、电梯不同人员比例混合疏散效果分析。

1.僅使用楼梯进行人员疏散。设置电梯运行状态为不可用，仅使用楼梯进行疏散，总疏散时间为220.8s，总的疏散时间要小于自由疏散时间。

2.楼梯和电梯混合疏散。采用楼梯和电梯混合疏散，合理设定人员使用电梯比例可以缩短疏散时间，现设定不同楼层、不同比例人员使用电梯和楼梯进行混合疏散策略，寻求适合本综合楼最短疏散时间的混合疏散方案。通过电梯和楼梯混合疏散人员的比例参考已有研究成果，分别设置为总人数的5%、10%、15%、20%、25%采用电梯疏散，模拟结果显示疏散策略为仅7楼进行楼梯和电梯混合疏散，1至6楼均采用楼梯疏散时，总体疏散时间最少。现分析仅7楼进行混合疏散时，乘坐电梯人员比例与总疏散时间有关。如此可知，仅7楼进行混合疏散，7楼总人数为112人，3部电梯最大承载总人数76人，乘坐电梯人员比例在5%-45%之间时，人员疏散时间均为不超过200s，最快疏散时间与最慢疏散时间之差为4.6s。此后随着乘坐电梯人员比例的增加，疏散时间整体增加。

3.混合疏散中的出口人员利用率分析。以仅7楼进行混合疏散，乘坐电梯人数为25%为例，结合3D疏散模拟视频分析主楼各出口人员疏散利用率，可以看出人员在疏散过程中具有明显的从众现象，距离出口越近的门疏散利用率越高，且容易发生拥堵。作为日常出入最常用的正门（Door56、57、58），总疏散人数较少，疏散利用率不高。

结语

Steering模式下疏散模拟研究，在忽略报警时间和人员响应时间的情况下，自由疏散过

程中存在低楼层人员等待电梯疏散，造成电梯多次往返且不满载情况，造成疏散时间延长。

通过不同楼层不同比例乘坐电梯疏散模拟运算，在某综合楼疏散过程中，当最高层7楼采用楼梯电梯混合疏散且疏散人员不超过45%时，疏散时间相对较短，在疏散过程中低楼层应尽量通过楼梯疏散。疏散过程中存在明显的从众效应，造成主出入口利用效率不高，在次要疏散出口容易产生拥堵，建议在1楼主出入口设置明显的疏散标志，避免人群拥堵发生踩踏等安全问题。

参考文献

[1]邢国新，赵海龙，任丹彤.地铁车站安全疏散模型综述[J/OL].安全与环境学报，2022：1-11.

[2]王莉.基于PATHFINDER的公共场所人员疏散行为规律及仿真模拟[J].西安科技大学学报，2017，37（03）：358-364.

[3]陈娟，汪静，马剑，林鹏.基于模拟仿真的医疗建筑疏散策略对比研究[J/OL].安全与环境学报，2022：1-12.

[4]邹馨捷，萨木哈尔·波拉提，郝明，等.基于Pyrosim和Pathfinder的高校学生宿舍火灾人员疏散安全性模拟分析[J].安全与环境工，2020，27（04）：195-200.

[5]董书衡，刘诗飞，岳佳淦，等.基于pathfinder的大型集会场所疏散模拟[J].消防界（电子版），2016（03）：69-70.

[6]陆峰，朱国庆，高云骥.常用疏散模拟软件对比分析[C].2015中国消防协会科学技术年会论文集，2015.

[7]林辰.常用人员疏散模拟软件疏散策略及适用性对比研究[D].安徽理工大学，2020.

[8]汤煜，表秀峰，马福生.基于Pathfinder的商场建筑防火疏散研究[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2019，35（05）：858-866.

[9]肖木峰，周西华，白刚，等.基于Pathfinder的装配式建筑施工安全应急疏散研究[J].中国安全生产科学技术，2021，17（07）：124-129.

[10]阎卫东，张瑞，刘家喜，等.基于Pathfinder的高校图书馆火灾疏散研究[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2021，37（04）：627-633.