教学楼门扇开启角度对人员疏散的影响分析

崔慧敏， 赵道亮， 谢欣彧， 耿 聪

（上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院, 上海 201418）

人群踩踏事故给群众的人身安全和社会稳定带来影响，其中人群所处建筑空间的出口条件直接影响着疏散的路径、移动距离和时间，不少学者也针对建筑结构对疏散的影响展开了一系列研究，分析了教室内桌椅在不同布局下的疏散效率[1-2]。研究者基于元胞自动机模型探究障碍物空间布局对人员疏散的影响机理，针对公共建筑的空间组合模式，开展了关于疏散效率贡献差异的研究[3-4]。并对火车车厢、电影厅内的空间布局进行分析，探索对疏散的影响[5-6]。李若菲等[7]利用改进的社会力模型分析了不同楼梯梯形下的人员疏散效果。研究人员对不同的走廊转角进行了疏散模拟[8-9]。郭晓明[10]分析了单、双扇门内开时，从90°到180°对疏散的影响，发现单、双扇门分别在开启角度在105°～135°之间时最利于人员疏散。Ma 等[11]对常见的3 个出口类别进行研究，发现当2 个出口平行时对疏散最有利。Li 等[12]发现出口宽度为1.1 m 时，对疏散时间最有利，同时对比开门方向发现，向内开门比向外开门时在疏散效率、面积密度和空间利用率方面优势更加明显。也有一部分学者从不同的角度设计了有趣的疏散实验，如刘天扬[13]对90 只小白鼠进行训练，用来研究不同出口位置和不同出口形式条件下小白鼠非理性逃生实验；Wang 等[14]重点考虑人与障碍物的相互作用，探究了人员越过、推动障碍物对疏散的影响；Zang 等[15]通过构建有、无障碍物模型进行对比分析，发现规律的布置障碍物对疏散有积极的影响。

大多学者重点考虑了空间布局、楼梯结构、过道及出口的宽度等对疏散的影响，从而忽视了一些细节结构上对疏散的影响，如门的开启角度等。虽然郭晓明学者对门扇开启角度进行了相关研究，但研究较单一，本文重点系统分析了门扇开启角度与安装模式、安装位置、通道宽度和开启状态多重因素影响下的疏散规律，为建筑出口条件的结构设计和人员疏散管理提供相应参考。

1 软件模型建立

为探讨门扇对疏散的影响，对多栋教学楼进行实地调研，并建立基础的疏散模型，如图1（a）所示。建筑长61 m、宽20 m，从左至右3 个教室的规模依次为101、92、122 m2，其中通道宽度为2.6 m、教室出口宽度为0.85 m。将整层建筑包含的人数最大化，共有疏散人数510 人，平均分配到各个教室。通过调节障碍物的旋转角度来代替门的开启角度，并确定其3 种安装模式如图1（b）～（d）所示。根据SFPE 手册的研究数据设置人员速度范围最小为0.65 m/s，最大为2.05 m/s，设置人员按照最短路径运动[16]。

图1 建筑疏散模型图及3 种门扇安装模式Fig.1 Building evacuation model diagram and three door leaf installation modes

2 单因素影响分析

设置门扇的开启角度分别为30°、60°、90°、120°、150°和180°（考虑门完全开启时的极限状态），分别在3 种安装模式下进行疏散模拟，其开启角度与疏散时间关系图，如图2 所示。

图2 3 种模式下开启角度-疏散时间关系Fig.2 Relationship between opening angle and evacuation time under three modes

由图2 可知，不同安装模式下，疏散时间受开启角度的影响呈现不同的变化规律。模式1 下的整体疏散时间都偏高，是最不利疏散的一种模式。尤其在开启角度＜90°时，大多数门扇开启时的排列方向与教室出口处、通道上人群的疏散的方向相斥，所以对疏散的阻碍作用更为明显，如图3（a）所示。但随着前门开启角度＞90°时，大多数门扇开启时的排列方向与人群的疏散的方向逐渐趋于一致，反而对人群的疏散有引流作用，疏散时间开始迅速下降，直至开启角度为150°时疏散时间最短，甚至略低于门扇开启角度为180°时的疏散时间，此现象可由诸多学者的研究来解释，即距离出口处适当距离、适当尺寸的障碍物能促进人员疏散[3,8,17]。在模式2 中，所有开启角度下门扇的排列方向皆为一致，在门扇开启角度＜90°时，门扇漏斗形的排列方向与人群运动方向相协调，以30°为例如图3（b）所示。开启角度＞90°时，则与人员运动方向相斥，但阻碍疏散的开启角度主要集中于90°～120°，此时门的排列方向与人群运动方向几乎呈垂直状态，所以疏散效率偏低，疏散时间偏长。与模式1 不同的是，模式3 门扇开启时的排列方向不与教室出口处的人员运动方向相斥，且随开启角度增大反而有利于教室出口处人员的疏散，所以模式3 随着开启角度的增加，疏散时间基本处于逐渐下降的状态。

图3 3 种模式下人员疏散运行图Fig.3 Operation diagram of evacuation in three modes

综上所述，与郭晓明[10]的研究对比发现，并不是门扇开启角度越大越有利于疏散，不同之处在于郭的研究中指出单扇门的内开角度在135°时最利于疏散，而该研究具体有利于疏散的开启角度取决于门扇的安装模式。另外，郭晓明选取的是单室，开启方向为内开，而该研究的模型选取是整层建筑，开启方向为外开，进而导致了研究结果的不同。

3 双因素影响分析

3.1 开启角度和安装位置二者的影响

分别在3 种安装模式下建立一系列如图4（a）所示的疏散模型，分别设置门扇安装位置的相对距离为0、1、3 和5 m，其疏散时间关系图分别如图4（b）～（d）所示。整体上讲，随着开启角度和相对距离的增加，3 种安装模式下的疏散时间在一定程度上随之降低。

图4 开启角度和安装位置-疏散时间关系Fig.4 Relationship between opening angle and installation position evacuation time

如图4（b）所示，在模式1 下门的开启角度相同时，随着相对距离的增加改善了门扇排列布局，缓解了走廊上人群拥挤程度，整体的疏散时间也随之降低；且相对距离相同时，随着开启角度的增大，教室门口的利用率在增大，疏散时间呈线性递减趋势，但随着相对距离的增加，这种降低趋势在逐渐减弱。如图4（c）所示，在模式2 下，门的相对距离的改变很大程度上改变了整体的疏散规律。尤其在开启角度＞45°时，随着相对距离的增加，门扇有效的错开分布，使得同一地点处通道的利用率变大，所以使得疏散时间的整体变化趋势较大，最终逐渐趋于平稳。如图4（d）所示，在模式(3)中，随着相对距离的增加，虽然疏散时间整体在下降，但由于门扇安装模式的影响，会使得个别教室门口对齐的情况，再加上开启角度的变化，会使整体变化趋势反而变得更加振荡。

3.2 开启角度和通道宽度二者的影响

在3 种安装模式下分别设置通道宽度为2.3、2.6和2.9 m，进行人员疏散仿真模拟，得到疏散时间关系图，如图5 所示。整体上明显看出3 种模式下随着通道宽度的增加，疏散时间也在随之缩短，但门扇开启角度的变化对疏散时间产生的影响有所差异。

图5 开启角度和通道宽度-疏散时间关系Fig.5 Relationship between opening angle and passage width evacuation time

如图5（a）模式1 所示，同一角度下随着通道宽度的增加，疏散时间逐渐减少。在角度在30°～90°变化过程中，部分疏散时间呈现上升趋势，其原因是随着角度的增大，虽然人员从教室出口疏散的效率在提升，但通道过窄会导致人员在通道上的拥挤程度加重，并且门扇的排列方向逐渐垂直于通道上人员的疏散方向，对疏散的阻碍作用变大，反而会降低疏散效率。而随着开启角度和通道宽度的同时增大，此时教室出口与走廊都能得到较为充分的利用，疏散效率得到明显改善。如图5（b）模式2 所示，由于通道宽度的增加，通道的可利用空间变大，所以门扇对人员疏散阻碍就越不明显，所以相同开启角度下疏散时间也随之降低并且降低的趋势也愈加明显，尤其在90°～120°之间疏散效率的提高更加明显。如图5（c）模式3 所示，通道宽度的过窄或者过宽都将使得疏散时间的变化趋势随着开启角度的变化更加地振荡。通道宽度为2.3 m 时，走廊上门扇的开启角度的变化是影响疏散的主要因素，疏散效率取决于不同角度下门扇对人员的阻碍作用。随通道宽度的增加，门扇对人员的阻碍作用在减小，所以振荡幅度在减小，并且疏散时间也有较明显的下降趋势。

4 多因素影响分析

4.1 开启角度、安装位置和通道宽度三者的影响

在3 种安装模式下，分别针对开启角度、安装位置和通道宽度，3 种因素相互作用下的人员疏散过程进行模拟仿真，其疏散时间关系如图6 所示。由图6 可见，3 种安装模式下，随着安装位置的相对距离和通道宽度的增加，疏散时间整体上在逐渐下降，且随着开启角度的增大产生不同的影响。

图6 开启角度、安装位置和通道宽度-疏散时间关系Fig.6 Relationship between opening angle, installation position and passage width evacuation time

如图6（a）模式1 所示，疏散时间随着开启角度、相对距离和通道宽度的增加呈规律性较强的下降趋势，根据章节3.1 与3.2 的交互作用下的分析，当3 种因素交互时，会更加利于人员疏散。当门的开启角度超过150°时，疏散时间逐渐趋于平缓。与模式1 相比，模式2 中疏散时间只随着相对距离和通道宽度的增加而下降，并且下降的趋势较缓慢，如图6（b）所示。此模式下疏散效率受开启角度的影响较大，如当通道宽度为2.3、2.6 m 时，受通道空间的局限与不同角度的门扇交互作用而形成的阻碍较大，90°～120°范围内疏散时间较长。与前2 种模式不同的是，在3 种因素交互作用下产生的疏散效果还是有所差异，如图6（c）所示。在开启角度＜60°时，教室出口得不到充分利用，再加上安装位置的改变反而使得教室门口存在对齐的现象，从而不利于疏散。而当开启角度＞60°时，此时3 种通道宽度下随着相对距离的增大，相应的疏散时间也在逐渐缩短，并且其下降趋势较明显于门的开启角度变化时给疏散时间带来的影响。

4.2 开启角度、通道宽度和开启状态三者的影响

设置门开启的3 种状态如下：①前、后门的开启角度同时改变；②只改变后门的开启角度，前门保持开启180°；③只改变前门的开启角度，后门保持开启180°。在3 种安装模式下，分别针对开启角度、通道宽度和3 种开启状态3 种因素相互作用下的人员疏散过程进行模拟仿真，其疏散时间关系图如图7 所示。虽然3 种模式下，同样展示出随着通道宽度的增加，其整体疏散时间会随之下降的现象，但门扇开启角度与开启状态的变化，也是影响疏散效率的重要因素。

图7 开启角度、通道宽度和开启状态-疏散时间关系图Fig.7 Relationship between opening angle, channel width and opening state evacuation time

模式1 以开启90°为界限，在只改变前门和只改变后门2 种状态下，人员疏散方向与门扇的排列方向之间的变化分别为由相斥变得逐渐一致、由一致变得逐渐相斥。尤其在开启角度＜90°时，与只改变后门时相比，教室只改变前门时，人员同时受到开启角度和通道上门扇的排斥力的影响，疏散效率会更低；但开启角度＞90°时，人员疏散主要只受通道上门扇排列方向的影响，而此时是只改变前门时疏散效率较高。整体上比较，只改变后门时较利于疏散。随着通道宽度和开启角度的增加，疏散时间整体上呈递减趋势，如图7（a）所示。而在模式2 中，整个开启角度变化中，3 种状态下人员疏散方向与门扇排列方向皆为由一致逐渐相斥，所以开启状态的变化对疏散影响不大，变化主要集中在开启角度与通道宽度的改变上，如图7（b）所示。整个疏散过程中当门的开启角度在90°～120°时对疏散阻碍较大，但随着通道宽度的增加，对疏散的阻碍也在逐渐减弱。如图7（c）模式3 所示，人员疏散方向与门扇的排列方向之间的变化与模式1 相反，所以疏散效率变化规律与模式1 相反。不同的是前后门同时变化时在3 种开启状态下带来的疏散效果不同，这是由于通道上整体的门扇排列方式与人员运动方向共同交互决定的结果，所以也是模式3 下的变化趋势与模式1 差距较大的原因。

5 结 语

为探究门扇开启角度对疏散效率的影响，本文结合门扇安装模式、安装位置、通道宽度及开启状态相关因素，用Massmotion 软件建立了疏散仿真模型，总结得出如下结论：

（1） 受门扇安装模式的影响，疏散效率随着开启角度的变化呈现出不同的规律。模式1 疏散效率最低，但随着开启角度的增大，疏散时间下降幅度最大；模式2，90°～120°范围内疏散效率最低；模式3 整体疏散时间较短，且随着开启角度的增大，疏散时间呈线性下降趋势。

（2） 不同安装模式，安装位置和通道宽度的增加有利于疏散效率的提升，但模式1 与模式2 疏散效率受开启角度影响较大，模式3 开启角度对疏散效率的影响较弱。

（3） 受门扇开启角度和开启状态的影响，不同安装模式下疏散效率差别较大。模式1 中，相比开启角度而言，门扇开启状态对疏散效率的影响较大，而其他2 种安装模式中，开启角度对疏散效率的影响较明显。

针对以上结论，可为建筑物的空间设计及人员安全疏散提供相关参考意见：①充分考虑门扇开启角度和安装模式对安全疏散的影响，从疏散效率最大化角度出发，门扇应该采取模式3 的安装模式；②建议在安装模式3 下，适当把门扇安装位置之间的相对距离和通道宽度分别增大到3～5 m、2.6～2.9 m，从而提高疏散效率；③门扇的开启状态也是疏散中不容忽视的因素，建议安全管理者根据建筑实际的空间结构提前做好疏散仿真规划，以备紧急情况下做好应急疏散的空间布局转化。