基于pathfinder的新冠疫情常態化防控期商場應急疏散模擬探究

2020-10-29 09:14:05 來源:西安科技大學安全科學與工程學院西安科技大學理學院作者:徐睿錕李英浩楊漪閱讀：次【打印本頁】

摘要：新冠疫情防控時期，各大室內人員密集場所尤其是商場防控的人員限流縮控制度以及檢疫制度已成為新常態。由于商場人員結構復雜且人數眾多，當地震、火災等應急情況發生時解決人員疏散問題是減少和避免安全事故的重中之重。本文利用Pathfinder軟件通過導入建筑圖紙以及設置人員參數建立仿真模型，并在Steering模式以及SFPE模式下對應急情況時的人群疏散行為進行模擬，探究了不同安全出口鎖閉時的疏散時間以及安全出口利用率的變化，分析出入口的改變對疏散效率的影響。模擬結果表明：某些疏散出入口隨時間的改變會有安全出口擁堵或者長時間空置現象，安全出口流通率的降低以及擁擠度的提高會導致疏散效率的降低。在疫情常態化防控下有必要在安全人員疏散的同時減少出入口的數量來降低防疫工作的難度。本文給出的數條疫情新常態下商場的應急疏散策略，可為防疫工作和安全疏散提供參考以實現平衡，文中對于安全出口疏散效率的研究也具有普遍性意義。

關鍵詞：消防疫情防控應急疏散仿真模擬

1 引言

新冠疫情的新常態下，全國各地、各部門都進行了全面的防控部署，商場的出入作為基本防控工作中的一環對其實施嚴格的管控。為了保證安全檢測的效率和有序性，一般建筑都選擇了特定的出入口，使人員流動具有方向性，在入口處安排檢測人員。當人民群眾進入商場區域時，需掃描健康碼，在規定的入口檢測體溫正常后方可入內。

部分歐美發達國家^[⁶^]對于大型商業綜合體的設計會以本國規范和性能化設計作為共同依據。上個世紀八十年代，火災中人的行為研究進入計算機模擬階段，針對超出規范規定的內容國外學者已開發了多種疏散模型及響應的計算軟件進行模擬。計算機直接模擬并記錄不同時刻幾何位置上人員在建筑內的疏散時間，并動態顯示人員疏散移動的全過程。美國的Francis開發的預測最小理論疏散時間網絡模型EVACNET＋、由Stahl開發的火災行為模型BFIRES-Ⅱ，BGREF、AEA EGRESS等。

在我國，大型商業綜合體主要是依據《建筑防火設計規范》（GB50016-2014（2018版））、《商店建筑設計規范》(JGJ48-2014)進行設計?，F代商業綜合體建筑結構復雜，性能化防火設計尚欠缺。

香港城市大學建立SGE M模型，在幾何空間上將建筑物劃分成反應能人員具體位置細網絡，數值?；瘜嶋H工程疏散，取得良好實踐效果。雖然絕大多數建筑防火設計中安全出口數量按規范設計，但由于新老規范要求不同、建筑使用性質改變、違規投入使用等現象，仍存在有人員密集場所安全出口數量不足，寬度不夠的現象。特別是疫情防控時期，為方便人員管理，多數安全出口鎖閉，只留一個安全出口，可能會在緊急情況出現疏散效率降低的危險。而目前針對新冠疫情常態化的應急疏散卻尚少有研究。

本文意在根據性能化設計探究新冠疫情常態化防控時期的應急疏散策略，從最大化疏散效率的角度，利用Pathfinder軟件建立模型，通過設置人員的人數、運動模式以及逃生出口的數量及狀態等，對商場的人員疏散進行仿真。從疏散時間、安全出口的通過率、疏散路徑等方面探索疫情期間人員疏散的模式，研究不同安全出口鎖閉時對疏散時間以及效率的影響并且從安全出口的利用率的角度探究更為有效的安全出口的設置來提高疏散的效率。

2 建筑概況

模型來自西安市某綜合性商城見圖1，東西南北四鄰街道。該商城建筑高度為16.3m，占地面積為4112.62㎡，總建筑面積為12338.86㎡。

本建筑共3層，每層進深約42.4m，開間約79.2m，2層有一處小錯層高度高于第2層不與3層連接。1層有商場主入口、次入口、東門、西門、西小門、東小門、北小門和消防控制室（一般為關閉狀態）一共8個門以及12個獨立的沿街商鋪?？偸枭挾葹?4.8m。

3 仿真實現方法

3.1 建立模型

根據建筑圖紙上的參數設置樓層分別為0m、6.0m、7.7m(第二層的錯層)、11.1m、總計三層。參照導入的CAD文件作為模板，定義地板、門（內門和出口）、墻、樓梯等。為了近乎真實模擬疏散情況，地板僅定義人群可活動的區域，電梯、內墻障礙物等在模型中不給予定義。各房間的墻、各房間的面積大小、門的寬度以及樓梯的設置完全依照建筑設計圖建立?？紤]到真實性，第二層和頂層的錯層也設定了不同的相對高度，并用樓梯連接相連樓層。

（1）一層及其安全出口見圖2

其中1層有商場主入口、次入口、東門、西門、西小門、東小門和北小門7個門可作為疏散的安全出口，同時利用1-7的數字對7個安全出口進行編號。12個獨立的沿街商鋪的門不能連通建筑主體故不作為模擬對象。

（2）商場二三層見圖3

3.2 人員參數設定

考慮到商場人員類型復雜，我們設定四個類型老年人、兒童、成年男性和成年女性。以某市全國普查人口數量為基準^[⁴^]，在考慮到商場高峰期期人員分布的前提下進行預測，對于該疏散模擬人員類型的疏散比例見表1。

對于不同人員類型疏散時的行走速度我們參考同為疏散仿真軟件Simulex的分布。速度分布使用正態分布，為了反應較大的離散程度，標準差采用軟件自帶的系數1。見表2。

3.3 樓層結構及人數設置安排

商店的疏散人數應按每層營業廳建筑面積乘以疏散值和確定的，地上商店的面積折算值應在50％-70％，地下商店的折算面積不應小于70％。

根據《建筑設計防火規范》^[³^]GB50016-2014(2018年版)第5.5.20條第7項人員密度由表3確定

表3商店營業廳人員密度表（人/㎡）

根據《商店建筑設計規范》 ^[³^]JGJ48-2014第3.1.2條：

商業建筑的建筑、倉儲的輔助三個部分的建筑面積分配筆記可參照表4

本建筑的一層、二層、三層建筑面積分別為3332平方米，（其中一層包括1547㎡的與主體建筑相連的內部面積和1785㎡的辦公大廳、臨街獨立商鋪建筑），3674㎡，3650㎡。

故?。簶I廳商店的疏散人數應按每層營建筑面積的折算值為0.7，一二層疏散人數密度為0.6，三層為0.5，營業面積占每層商店建筑面積的比值取0.5。

于是有：商城一層的標準容量為1547×0.7×0.6×0.5≈332人；二層的標準容量為3674×0.7×0.6×0.5≈772人，三層的標準容量為3650×0.7×0.5×0.5≈640人

參考網絡數據統計，疫情期間綜合商業體人數占總人數的65％。

故每層的設計人數由下表5所示：

3.4 安全出口全開時的模擬

3.4.1 Steering模式下的模擬

在Steering模式里，門不會限制人群的流動，人與人之間會保持一個合理的間距。

根據人員疏散時間的計算公式:trest=tdet+tresp+tmove

其中tdet表示火災報警時間,tresp表示人員響應時間,tmove表示人員疏散運動時間。由參考文獻設定tdet+tresp=20s?；赟FPE的《防火工程手冊》的推薦，安全系數為1.1。Steering模式下，在Pathfinder中進行模擬，該寫字樓人員疏散運動時間為380.53秒，則：

trest=tdet+tresp+1.1tmove=438.583s

圖4為疏散時間與人數的分布曲線：

圖4 Steering模式下疏散人數時間變化曲線圖

由于在Steering模式里，門不會限制人群的流動，人與人之間會保持一個合理的間距?？紤]到疏散時真實擁擠的情況，以及門實際流通的人流量，需要進行更為貼近于緊急情況的模擬。

3.4.2 SFPE模式（安全逃生模式）下的模擬

在SFPE模式里，人們并不會試圖去避開對方，并且會互相擁擠，但是門會限制人群的流動，人員的流動是由空間中的人員密度控制的，與慌亂狀態下的人群的疏散模式更為貼合。

在SFPE模式下模擬中，疏散運動時間為276.53秒，時間與人數的分布可得到曲線分布圖5

圖5 SFPE模式下疏散人數時間變化曲線圖

根據人員疏散時間的計算公式:

trest=tdet+tresp+1.1tmove=324.183s

4 對安全出口通過率和擁擠度的分析

由于商城中人員密度大，疏散速度與路徑和門的大小有較大關系，因此我們用Pathfinder提供的出入口流通率的數據進行研究。

圖6為各個安全出口的通過情況：

圖6各安全出口人員疏散利用率匯總圖

通過安全出口的利用率的數據可以分析得到：商場西門和商場次入口這兩個安全出口的使用率和通過率很低，結合模擬動畫分析其原因在于這兩個安全出口離樓梯較遠，在最近距離的選擇上人們會排除這些路線。見圖7

圖7 商場次入口和商場西門的通過率

考慮到新冠期間因檢疫需要在出入口處設立測溫點，為了降低檢疫工作的難度，許多商場會在適當情況下關閉一些安全出口。通過數據發現商場西門和次入口的擁擠程度高，最擁擠時平均每秒有3人堵在門口處不利于人群的疏散，且都在50秒左右不再有人經過，安全出口的利用率低。所以考慮將這兩個安全出口關閉后再次進行疏散模擬。

模擬得關閉商場次入口和西門后模擬的疏散時間為284.32s。見圖8

圖8 改變參數后的疏散人數變化圖

通過人員疏散時間的計算公式:

trest=tdet+tresp+1.1tmove=332.752s

安全出口全開和關閉兩個安全出口時的通過率的對比分析：

首先對其余安全出口進行編號：1.商場主入口 2.商場西小門 3.商場東小門 4.商場東門 5.商場北小門，可得到5個安全出口參數改變前后的利用率變化曲線。

圖9商場主入口改變參數的前后利用率變化圖

觀察安全出口1參數的變化前后數據可發現，當參數改變后安全出口1在前期50秒前整體的擁擠程度明顯降低，25s處通過人數的峰值從5降到了2.5左右，并且曲線更加緩和說明了安全出口的通過也有明顯提高。而中期50s-150s期間安全出口的通過率也有明顯增加。

圖10商場西小門改變參數的前后利用率變化圖

觀察安全出口2參數的變化前后數據可發現，當參數改變后安全出口2在50s-100s期間的通過率有明顯提高，并且其擁擠程度也較低，可發現曲線圍成的面積增加意味著該安全出口最終的疏散人數增加，達到了很好的分流效果。

圖11商場東小門改變參數的前后利用率變化圖

觀察安全出口3參數的變化前后數據可發現，參數改變后該安全出口的曲線無明顯變化，通過率和擁擠度均無明顯變化，意味參數的改變幾乎不影響此安全出口的疏散。

圖12商場東門改變參數的前后利用率變化圖

觀察安全出口4參數的變化前后數據可發現，參數改變后曲線上移，尤其在100s前通過率有明顯增加，說明該安全出口改變參數后在前期起到了很好的分流作用，提高了疏散的效率。

圖13商場北小門改變參數的前后變化圖

觀察安全出口4參數的變化前后數據可發現，參數改變后該安全出口的曲線無明顯變化，通過率和擁擠度均無明顯變化，意味參數的改變幾乎不影響此安全出口的疏散。

分析：在模型中關閉次入口和西門兩個安全出口后發現通過率低且擁擠度高的安全出口的減少幾乎不改變疏散時間反而會增加了疏散效率。其原因在于：某些安全出口的數量雖然減少，但是疏散人群的分流會提高一些安全出口的利用率并且降低了一些安全出口的擁擠度，最終導致疏散效率的極大提高。

從消防角度來講，緊急情況的發生不可預測，但是在新冠疫情的新常態下為了有利于安檢工作的進行確有鎖閉一些安全出口的需要，應選擇暫時關閉利用率較低的安全出口。并且安排專門的安全人員隨時進行監督，即時打開逃生通道。通過繪制路線圖或者設置相關人員進行引導的方式，也能減少擁堵，從而加快疏散速度。

5 結論

（1）商場的出入口作為火災發生時的重要逃生出口，應保證“隨時可出”的狀態。盡管是在疫情期間對“出入”商場有將嚴格的限制，但是切不可忽視“門”是緊急情況發生時，應急疏散的重要逃生通道。商場的負責人應單獨安排人員負責，在緊急情況發生時打開商場的安全出口，保證人員疏散的順暢。

（2）通過模擬疏散動畫發現人員會選擇距離疏散樓梯和安全出口最近的路線進行逃生，從而安全出口出現擁擠，并且會出現低用率的安全出口，這類安全出口前期擁擠，而后期少有人會選擇，出現閑置的情況。面對這種情況，我們建議高層的管理人員再進行疏散時可以委派人員在擁擠的安全出口處和樓梯處進行分流工作，從而盡快完成疏散

（3）若在安全狀態下確有閉鎖出入口的需要，可以選擇暫時性關閉人員疏散利用率較低的安全出口。若緊急情況發生，安全員無法打開大門，可使不可控危害造成最低。這類低利用率的安全出口，常常位于一層遠離疏散樓梯的位置，特點為前期人員疏散會出現擁擠情況，后期少有使用。

參考文獻

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