劉萬保，艾晴雪，尹小波，王福生，董憲偉

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

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高?；馂?zāi)預(yù)防人員疏散研究

劉萬保，艾晴雪，尹小波，王福生，董憲偉

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

校園安全；人員疏散；地理信息系統(tǒng)

高校校園內(nèi)除了普遍存在于學(xué)生宿舍的火災(zāi)危險源外，一些化學(xué)實驗室、儀器設(shè)備也存在風(fēng)險。學(xué)生宿舍多為老舊宿舍，一些電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，建筑材料耐火能力較差，一旦發(fā)生火災(zāi)，就很難控制火勢蔓延。利用Arc GIS技術(shù)，可以將消防狀況通報給全校師生，對師生進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排，從而進一步組織救援疏散工作；還可以報告給相關(guān)的消防部門，提前告知火場情況，利于救災(zāi)工作的進行。

校園建筑的特點是人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫火煙沿各種通道(如走廊、樓梯間、電梯井和垃圾井等通道)，自起火層向其上下部空間蔓延擴散，危害巨大[1]。長期以來大量學(xué)者對建筑人員疏散做了許多研究。Helbin[2]等進行了教室疏散的實驗及隨機行人的格子氣模型仿真，發(fā)現(xiàn)人群從教室外出數(shù)量達到某值就飽和，這與出口前面的隊形有密切關(guān)系，出口能力決定了疏散過程的動力學(xué)。而我國對人員疏散的研究起步較晚。中國科技大學(xué)陳濤、宋衛(wèi)國等研究人員利用模型模擬了擁堵、間歇性人流等疏散中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象[3]。中國科技大學(xué)火災(zāi)國家重點實驗室建立了應(yīng)用于教學(xué)樓疏散研究的SafeGo人員疏散軟件[4]。朱江、余雪永等建立了具有教學(xué)樓自身特點的人員疏散模型，提出了穿越煙氣時間的理論[5]。該項目以華北理工大學(xué)為例對高校校園人員疏散加以研究，提出切實有效的辦法，預(yù)防減少師生在火災(zāi)中的傷亡事故發(fā)生。

1 校園內(nèi)安全疏散

1.1 校園現(xiàn)狀

華北理工大學(xué)校園內(nèi)除了普遍存在于學(xué)生宿舍的火災(zāi)危險源外，一些化學(xué)實驗室、儀器設(shè)備也都存在風(fēng)險。學(xué)生宿舍多為老舊宿舍，一些電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，建筑材料耐火能力較差，一旦發(fā)生火災(zāi)，就很難控制火勢蔓延；宿舍多為6人間和8人間，人員密集，不利于突發(fā)狀況下的緊急疏散；學(xué)校存在定時斷電現(xiàn)象，個別學(xué)生私接電線；學(xué)校處于北方，冬天較冷，存在使用電熱毯的現(xiàn)象?；W(xué)院的實驗室里常貯存易燃易爆化學(xué)危險品，如未按要求保存，就很可能會造成火災(zāi)。電氣工程學(xué)院的設(shè)備裝置比較繁多，用電過程中也易引起火災(zāi)。

1.2 安全疏散系統(tǒng)及設(shè)施

為了在發(fā)生火災(zāi)等緊急狀況下人員能夠及時、有效地撤離到安全區(qū)域，建筑內(nèi)往往設(shè)置了很多系統(tǒng)設(shè)施，包括：(1)疏散指示系統(tǒng)；(2)防排煙系統(tǒng)；(3)自動報警系統(tǒng)；(4)滅火系統(tǒng)；(5)應(yīng)急通訊；(6)救生器材。這些系統(tǒng)為人員救援、撲滅火災(zāi)起到巨大作用[6]。為人員疏散能夠得到有效的保障措施，需合理設(shè)置安全疏散設(shè)施，其中有：疏散樓梯、疏散走道、消防電梯和臨時避難場所等。

圖1 防煙樓梯

由于樓梯間煙囪作用的影響及人員心理的傾逃性，越處于高層的人員受到的威脅就越大，因此所有人員都有需要通過樓梯間達到底層出口，尤其是在出口較小的情況下，各層涌入樓梯間的人數(shù)明顯大于出樓人數(shù)，人員會在樓梯間內(nèi)不斷積壓，并保持向出口處移動，這樣整個人群將遇到“疏散瓶頸”處于堵塞狀態(tài)，并且隨著人數(shù)的積壓以及樓梯間傾斜的特點，后面的人員勢必會向前方施加壓力，而這種力的積累和傳遞將對整個疏散人群造成非常大的影響[7]。以華北理工大學(xué)第五教學(xué)樓為例，教學(xué)樓東西兩側(cè)可視為消防疏散樓梯，結(jié)構(gòu)同中央樓梯間相同，當(dāng)教學(xué)樓兩側(cè)出口關(guān)閉時，東西兩側(cè)疏散樓梯失去作用，當(dāng)兩側(cè)出口開啟時，等同于3條疏散通道同時疏散。根據(jù)實地對教學(xué)樓人流量的觀察，五教西側(cè)最大人流量為3 500人，平均上課人數(shù)約為3 000人。各樓層容量雖有不同，且不同時間內(nèi)人員分布差別較大，隨學(xué)期上課、考試情況不同變化明顯，且存在兩側(cè)樓梯疏導(dǎo)人群，各樓層中廳出口處流量無特定規(guī)律可循，但在緊急情況時，個體往往尋找遠離事發(fā)地點并且人員密度小、不擁擠的出口逃生，在熟悉環(huán)境及出口位置的情況下，人群通常會較為平均地分散在各個出口處。

圖2 第五教學(xué)樓A區(qū)示意圖

影響樓梯單元疏散時間長短的客觀因素主要有：發(fā)生事故時整個教學(xué)樓內(nèi)的個體密度、個體的逃生能力差距、個體在疏散時的逃生速度。主觀因素主要有：樓梯間的寬度、疏散通道的開啟狀態(tài)、人員疏散順序的合理性、發(fā)現(xiàn)火災(zāi)延遲時間的長短等。這些主觀因素盡管對疏散時間的長短影響很大，但是因現(xiàn)實中各種條件的制約，很難得到快速的改善。若要有效縮短疏散時間，必須要從制約疏散時間的客觀因素入手，調(diào)整和改進教學(xué)樓內(nèi)消防疏散設(shè)施，提前綜合考慮發(fā)生事故后的各種情況及相應(yīng)的對策，制定出完整的應(yīng)急預(yù)案，做到有備無患，才能從根本上消除危險源，提高疏散效率。

2 典型建筑物內(nèi)的人員疏散

2.1 建筑內(nèi)人員的疏散

已知人員疏散達到標(biāo)準(zhǔn)為可用安全疏散時間要大于必需安全疏散時間。以華北理工大學(xué)(主校區(qū))6號女生宿舍樓為例建立模型，如圖3、圖4所示。該宿舍樓共有在校女大學(xué)生960人，每層有192人，共5層，每間房間都為6人間。設(shè)定樓內(nèi)走廊和疏散樓梯無雜物阻礙，無人員被困或踩踏等特殊情況。

圖3 6號女生宿舍樓在Arc GIS的平面圖

圖4 樓內(nèi)人員疏散路線圖

(1)人員非高峰期時的疏散

設(shè)定白天非高峰期時該宿舍樓內(nèi)只有一半數(shù)量的人員，即每層96人，共480人平均分布在樓內(nèi)。設(shè)定人員感知時間taram為10 s。由于該宿舍樓為舊式宿舍樓，樓內(nèi)沒有廣播等報警或探測系統(tǒng)，此情景為人員清醒狀態(tài)，根據(jù)表1中人員響應(yīng)時間trsep為180 s。非高峰期時疏散的各參數(shù)如表1所示。

表1 模擬人員非高峰期疏散參數(shù)表

行動時間tmove可以按如下公式進行計算：發(fā)生火災(zāi)時人員疏散路線如圖4所示，東、西出口的疏散人員各240人。人員密集場所人流密度為1.2人/m2，行走速度取1.0 m/s，則人流系數(shù)F根據(jù)式(1)，得1.2人/(m·s)

(1)

東、西安全出口必需安全疏散時間RSET=RSET=taram+trsep+tmove=300s

由于發(fā)生火災(zāi)的情形各不相同且不易進行建模分析，所以國內(nèi)外對可用疏散時間的研究較少。一般情況下可以認(rèn)為學(xué)校宿舍(非高層)的可用疏散時間為7～10min。

則RSET

(2)人員高峰期時的疏散

如果晚上人們可能處在睡眠狀態(tài)時發(fā)生火災(zāi)，那么，960人都在宿舍樓當(dāng)中。設(shè)定人員感知時間taram為20 s，響應(yīng)時間為trsep240 s。行走速度取1.0 m/s。人流密度取1.3人/m2。則tmove=205 s。高峰期疏散各參數(shù)如表2所示。

表2 模擬人員高峰期疏散參數(shù)表

由表2可以看出，兩側(cè)出口都存在不能安全疏散的風(fēng)險。宿舍樓內(nèi)沒有報警、廣播等裝置，這大大增加了人員的響應(yīng)時間trsep，嚴(yán)重影響到了總疏散時間，若設(shè)置此類消防設(shè)施，使其響應(yīng)時間控制在2 min以內(nèi)，就能達到安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)，可見其重要性。在不改變宿舍樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，還可以減少人流密度，如把6人間安排成4人間或5人間，也將有利于人員的安全疏散。

(3)實際中存在的問題

為了管理上的便捷，宿舍管理人員往往只開一個東出口，這將大大增加人員疏散的行動時間，從而增大總的疏散時間。同樣研究非高峰期時只開東出口的人員疏散情況，設(shè)有480人需要疏散，取感知時間為10 s，響應(yīng)時間為180 s，取人員行走速度為0.8 m/s，人流密度取1.4人/m2，則tmove=238 s。表3所示為只開東出口時人員非高峰期參數(shù)。

表3 只開東出口時人員非高峰期參數(shù)

夜間人員都聚集在宿舍內(nèi)，為高峰期，此時宿舍內(nèi)有960人，取感知時間為20 s，響應(yīng)時間為240 s，行走速度取0.8 m/s，人流密度1.5人/m2，則tmove=444 s。表4所示為只開東出口時人員高峰期參數(shù)。

表4 只開東出口時人員高峰期參數(shù)

由表4可以看出，宿舍關(guān)閉一個安全出口時，白天人員非高峰期發(fā)生火災(zāi)，可能導(dǎo)致人員不能全部及時疏散撤離；晚上人員高峰期發(fā)生火災(zāi)，必將造成人員的傷亡。所以，在平時的管理中也一定要對疏散設(shè)施引起重視。

2.2 建筑物外人員的疏散

發(fā)生緊急突發(fā)狀況時，往往需要疏散人員的集合來統(tǒng)計人數(shù)、傷亡和被困情況等。用Arc GIS模擬校園圖，制定出最優(yōu)路徑的選擇，以此來統(tǒng)一疏散路線，達到迅速、有序的疏散目的。圖5為6號宿舍樓人員建筑外的疏散路線圖。

圖5 6號樓安全疏散路線圖

安全區(qū)域是指危險觸及不到，人員撤離到此區(qū)域就會得到安全的區(qū)域。學(xué)校的安全區(qū)域一般為操場等空曠地帶。離6號宿舍樓最近的安全區(qū)域為科技樓與辦公樓之間的空曠區(qū)域，科技樓和辦公樓內(nèi)有大量教師職工，保衛(wèi)處也在辦公樓內(nèi)，如發(fā)生火災(zāi)撤離至此，更有利于組織人員的疏散救援工作。此處北臨唐山市新華道，也更有利于外部力量進行救援工作的開展。

3 結(jié)論

(1)以華北理工大學(xué)為例，以建筑教學(xué)樓和宿舍為研究對象，針對疏散方面的構(gòu)造設(shè)計和疏散系統(tǒng)予以說明，并提出安全疏散的條件與措施。

(2)應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的ArcGIS軟件，運用GIS對具體的假想火災(zāi)進行模擬，定性定量加以分析，給予人員提供安全疏散及整改措施。

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Research on Personnel Evacuation for Fire Prevention in North China University of Science and Technology

LIU Wang-bao,AI Qing-xue,YIN Xiao-bo,WANG Fu-sheng,DONG Xian-wei

(College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

campus security; evacuation; geographic information system

In addition to the students' dormitory fire hazards,there are a lot of risks about some chemical laboratories and equipments in North China University of Science and Technology.Student dormitories are mostly old buildings,some electrical equipments are seriously aging and the fire resistance of construction materials is poor.It is difficult to control the spread of fire when firebreaks out.It can inform the accident situation to the teachers and students by using Arc GIS,the teachers and students can carry out a unified and coordinated arrangement and organize evacuation.It can also report to the relevant fire department,the fire situation is informed in advance,so as to provide fire disaster relief.

2095-2716(2017)03-0046-06

2016-12-29

2017-05-03

X928.03

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