王 剛

地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散問(wèn)題的研究

王 剛

本文從單多層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，研究人員安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)和疏散的空間過(guò)程，建立單多層建筑的簡(jiǎn)化模型，運(yùn)用軟件仿真模擬人員緊急疏散，得到時(shí)間與人員行為數(shù)據(jù)，并對(duì)地震環(huán)境下單多層建筑人員的疏散進(jìn)行分析與優(yōu)化。

地震 人員疏散 數(shù)值模擬

引言

近幾年來(lái)，我國(guó)各地區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā)，破壞建筑物，造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)國(guó)家公共安全造成極大危害[1]。據(jù)大量有效案例與資料顯示，造成地震中人員傷亡的主要原因在于地震發(fā)生時(shí)人員來(lái)不及疏散，因此，對(duì)地震時(shí)人員的應(yīng)急疏散研究顯得尤為必要。及時(shí)而有效地進(jìn)行人員疏散不僅對(duì)減少人員傷亡、減輕生命財(cái)產(chǎn)損失、安定民心等方面有巨大幫助，還有利于震后的救援工作及保障工作的展開(kāi)[2]。目前，對(duì)于火災(zāi)環(huán)境下的疏散模擬研究較多，對(duì)于大型開(kāi)放空間的人員安全疏散也有研究，但專(zhuān)門(mén)針對(duì)地震環(huán)境下的人員疏散問(wèn)題的研究還不多[3]。

本文從單多層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)并根據(jù)建筑物的用途，研究其在地震中的疏散危險(xiǎn)性。研究人員安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)和疏散的空間過(guò)程，建立單多層建筑的簡(jiǎn)化模型，運(yùn)用軟件仿真模擬人員緊急疏散，設(shè)置不同工況及人員條件，得到時(shí)間與人員行為數(shù)據(jù)，制定地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散的初步方案與優(yōu)化分析。

1 地震時(shí)單多層建筑人員疏散的研究背景與意義

目前，雖然我國(guó)高層與超高層建筑如雨后春筍般展現(xiàn)，但由于中國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重不平衡，單多層建筑還是占據(jù)我國(guó)建筑的大多數(shù)。而在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，人員的安全疏散與其生命更是密切相關(guān)，如何有效地提高地震時(shí)人員的疏散效率、減少傷亡，已經(jīng)成為我國(guó)地震搶險(xiǎn)救援領(lǐng)域中的重點(diǎn)。

單多層建筑的用途極為廣泛，被普遍應(yīng)用于多層住宅、公寓樓、學(xué)校、辦公、醫(yī)院、中小型賓館招待所等歌舞娛樂(lè)放映場(chǎng)所、甚至體育場(chǎng)館等民用和公共建筑中[4]，且建筑樣式靈活多變、建筑材料種類(lèi)眾多，因此，對(duì)于地震環(huán)境下單多層建筑人員疏散問(wèn)題的研究具有一定社會(huì)價(jià)值和研究意義。

自唐山大地震、汶川地震、玉樹(shù)地震和最近的九寨溝地震后，國(guó)內(nèi)對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)與規(guī)范投入大量精力，進(jìn)行反復(fù)修改，但相對(duì)地人員對(duì)地震的反應(yīng)研究卻極為稀少，只能以國(guó)外的研究資料作為參考，其合理性大大降低。國(guó)外的研究資料顯然不能有效地解決我國(guó)人員安全疏散的具體問(wèn)題，故對(duì)于地震的人員疏散的深入研究已經(jīng)刻不容緩[3]。

地震災(zāi)害時(shí)的歷史經(jīng)驗(yàn)與大量資料表明，即使人員在面對(duì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)的情況千差萬(wàn)別，但其心理狀況、疏散行為等卻有跡可循，存在一定規(guī)律。由此，通過(guò)研究具有代表性的單多層建筑人員疏散的行為規(guī)律并建立地震疏散模型體系是有一定理論價(jià)值的。

2 研究對(duì)象的概況與人員疏散理論基礎(chǔ)

2.1 研究對(duì)象的概況

地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散問(wèn)題的研究，由于建筑構(gòu)造較復(fù)雜，受其用途及內(nèi)部裝修、設(shè)施及人員行為等因素的影響，挑戰(zhàn)性和難度較大，經(jīng)參考資料并總結(jié)單多層建筑構(gòu)造及特點(diǎn)后[1,3,5]并結(jié)合軟件功能，選擇典型建筑某教學(xué)樓作為研究對(duì)象。學(xué)生是國(guó)家的未來(lái)，是社會(huì)的希望，而且教學(xué)樓是學(xué)生一天中停留時(shí)間最長(zhǎng)的場(chǎng)所之一，且屬于典型的人員密集場(chǎng)所，對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行地震疏散模擬研究可有效保障學(xué)生與教師的日常學(xué)習(xí)生活和工作，為其營(yíng)造安全、放松的學(xué)習(xí)環(huán)境，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，能迅速安全地疏散至室外安全區(qū)域。

教學(xué)樓建筑的地震危險(xiǎn)性相對(duì)較高，首先，教學(xué)樓屬于典型的人員密集場(chǎng)所之一，人員數(shù)量多、密度大，且學(xué)生大多數(shù)屬于未成年人，心理和生理狀況都較為不穩(wěn)定，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí)，極容易在教室門(mén)口、樓梯出入口處發(fā)生擁擠，這會(huì)大大增加疏散時(shí)間，降低人員疏散的效率，還會(huì)引起人員的踩踏和傷亡事故。

經(jīng)大量資料顯示，地震從開(kāi)始時(shí)至建筑破壞時(shí)間僅有12s，對(duì)于多層建筑，這段時(shí)間顯然是不夠的，如果再加上人員的擁堵和滯留時(shí)間，人員安全性將大大降低，后果十分嚴(yán)重。教學(xué)樓建筑的各個(gè)教室內(nèi)放置有大量桌椅，這對(duì)疏散又是另一影響因素。

圖1 建筑物中人員疏散過(guò)程圖

2.2 疏散基礎(chǔ)理論

地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，人員想要成功疏散到安全區(qū)域，需要滿足一定的條件即：所需安全疏散時(shí)間需小于可利用的安全疏散時(shí)間（required safety time ＜available safety time）。所需安全疏散時(shí)間（RSET）為地震時(shí)建筑物內(nèi)人員疏散至安全區(qū)域所需花費(fèi)的時(shí)間，可利用的安全疏散時(shí)間（ASET）為地震發(fā)生時(shí)至地震對(duì)人員的生命安全產(chǎn)生危險(xiǎn)時(shí)即疏散失效時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

按照地震發(fā)生時(shí)人員在疏散過(guò)程中所處的位置不同，大體來(lái)說(shuō)，人員的安全疏散過(guò)程大致包括三個(gè)階段：第一階段為人員處于建筑物的某個(gè)房間內(nèi)，需通過(guò)該房間的疏散門(mén)到達(dá)疏散通道；第二階段為人員位于疏散通道內(nèi)，需通過(guò)走道和樓梯出入口到達(dá)疏散樓梯；第三階段為人員位于疏散樓梯中，需通過(guò)疏散樓梯到達(dá)建筑物的首層，經(jīng)過(guò)首層直通室外的安全出口到達(dá)室外，并疏散至安全區(qū)域。建筑物中人員疏散的過(guò)程如圖1。

3 人員疏散仿真模型的建立與運(yùn)行

目前，有一些程序可實(shí)現(xiàn)災(zāi)難情況下人員疏散的模擬，如Building EXODUS、FDS+EVAC等20多種軟件。本文中選擇運(yùn)用了Building EXODUS人員疏散仿真軟件。

3.1 地震疏散軟件介紹

Building EXODUS軟件模擬人與人、人與災(zāi)難、人與構(gòu)造物的相互作用，追尋受到熱、煙、有毒煤氣影響后，從室內(nèi)逃出的每個(gè)人的避難路徑的人員疏散避難模型模擬不同危險(xiǎn)情況下，人員疏散的逃生時(shí)間、逃生路徑等情況，經(jīng)由模擬得出的疏散數(shù)據(jù)作為人員應(yīng)急疏散的依據(jù)。Building EXODUS軟件的應(yīng)用對(duì)象及其廣泛，該軟件可充分利用建筑內(nèi)逃生空間，定義不同人群情況、出口屬性、邊界、隔間、障礙物屬性、設(shè)置警報(bào)設(shè)備等情況進(jìn)行人員安全疏散模擬。

Building EXODUS軟件的開(kāi)發(fā)并不只針對(duì)物理現(xiàn)象，還對(duì)人員的身體素質(zhì)、反應(yīng)心理、文化差異、個(gè)人行為特點(diǎn)、群體行為影響等屬性和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而得出每一位疏散人員疏散模擬開(kāi)始時(shí)的位置、疏散避難路徑、人群擁擠情況、疏散時(shí)間、應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)情況的反應(yīng)時(shí)間、到達(dá)安全出口的時(shí)間、出口使用人數(shù)、出口流量等信息數(shù)據(jù)，而其他未考慮的因素，Building EXODUS軟件將自動(dòng)以最壞情況開(kāi)展模擬。

3.2 地震仿真模型的建立

本文選取的教學(xué)樓為多層公用建筑，建筑面積2516.96m2，建筑耐火等級(jí)二級(jí)，建筑總高21.5m，地震設(shè)防烈度7度，五層，鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)。

按照?qǐng)D紙，該教學(xué)樓建筑中的每個(gè)教室、辦公室、設(shè)備間、廁所都是相互獨(dú)立的，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，其中人員需先通過(guò)房間出口，經(jīng)疏散通道至樓梯疏散至建筑的首層，再利用首層的安全出口疏散至室外安全區(qū)域。

因此，在Building EXODUS軟件中可將圖紙適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立該教學(xué)樓的人員疏散仿真模型。

3.3 人員疏散的模擬

本文利用Building EXODUS疏散模擬軟件建立模型后，設(shè)置人群及心理參數(shù)，對(duì)教學(xué)樓內(nèi)人員疏散行動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)而測(cè)量人員疏散的行動(dòng)時(shí)間。根據(jù)模擬結(jié)果得到的疏散行動(dòng)時(shí)間（TMOVE）,即可計(jì)算得到人員所需要的安全疏散時(shí)間（RSET）。模擬疏散結(jié)果如表1、表2所示。

4 地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散的模擬分析與優(yōu)化

經(jīng)對(duì)教學(xué)樓簡(jiǎn)化模型的人員疏散進(jìn)行多次模擬，全部疏散到室外的時(shí)間大約在520s左右，即8.7分鐘左右，所耗時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法保障地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，人員能夠全部疏散至安全區(qū)域。

4.1 地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散的模擬分析

對(duì)于上述情況，本文分析如下：

首先，由仿真疏散模擬的動(dòng)畫(huà)來(lái)看，人員擁堵主要集中于疏散樓梯出入口、教學(xué)樓首層的出口等處，人員在這幾處徘徊擁擠行為較多，尤其擁擠隊(duì)伍后部人員反復(fù)躊躇行為加強(qiáng)，影響了正常疏散的秩序，人員不能依次順序通過(guò)出口，導(dǎo)致出口的人員疏散不規(guī)律。教室門(mén)有效寬度較小，約0.9m，僅能允許一人通過(guò)，故教室門(mén)口也存在滯留，但人員基本上能依次通過(guò)，擁堵情況較輕。

其次，人員疏散具有自覺(jué)就近性，學(xué)生與教師都默認(rèn)選擇離自己最近的出口疏散，即使距離稍遠(yuǎn)的出口通暢，也只有很少一部分人員選擇多行一段距離至較遠(yuǎn)出口，對(duì)樓梯的使用不太合理。結(jié)合以上兩點(diǎn)，地震災(zāi)害發(fā)生，人員自行疏散時(shí)，人員疏散極不均勻，一旦產(chǎn)生擁擠和滯留情況，人員心理波動(dòng)較大，且在后方等待時(shí)間一長(zhǎng)，數(shù)據(jù)顯示等待人員會(huì)產(chǎn)生左右躊躇、反復(fù)徘徊的行為，嚴(yán)重影響疏散時(shí)間。

4.2 地震環(huán)境下單多層建筑人員應(yīng)急疏散的優(yōu)化

為改善人員疏散時(shí)的擁堵滯留狀況，減少疏散時(shí)間，保證教師和學(xué)生的生命安全，本文提出改善建議如下：

4.2.1 適當(dāng)擴(kuò)大建筑構(gòu)件的寬度

因教學(xué)建筑內(nèi)常駐人員數(shù)量大，時(shí)間長(zhǎng)，行動(dòng)的時(shí)間和位置都相對(duì)集中，為加速人員疏散速度，減少擁堵，應(yīng)適當(dāng)增加教室的門(mén)、樓梯間入口與首層的安全出口等的數(shù)量或是有效寬度。

4.2.2 指定專(zhuān)人組織引導(dǎo)疏散

提前規(guī)劃疏散路徑甚至指派專(zhuān)人組織疏散對(duì)地震的人員疏散是非常有必要的，發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，人員通常存在“從眾”與“就近”心理，在關(guān)鍵通道處可有效疏通和分流滯留、擁堵的人群，盡量將所有的安全出口和疏散樓梯都應(yīng)用起來(lái)，可提高安全出口的利用率，穩(wěn)定教師和學(xué)生的心理狀態(tài)，減少擁堵時(shí)間，提高疏散效率。

4.2.3 適當(dāng)增加疏散樓梯數(shù)量或設(shè)置室外樓梯

表1 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 具體結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

在常駐人員最多的樓層、部位適當(dāng)設(shè)置室外樓梯，可有效減少室內(nèi)疏散樓梯的疏散壓力，緩解人員擁堵和徘徊的狀況，并且為受困人員可提供更多應(yīng)急疏散方案甚至救援途徑。

5 結(jié)論與展望

本文以近年頻發(fā)的地震災(zāi)害為研究背景，從單多層建筑的地震危險(xiǎn)性與建筑構(gòu)造特點(diǎn)入手，以減少疏散時(shí)間、增高疏散效率為出發(fā)點(diǎn)，建立了人員疏散仿真模型，進(jìn)行運(yùn)行模擬，探討分析了模擬疏散結(jié)果的原因以及其人員疏散規(guī)律等問(wèn)題。

經(jīng)對(duì)教學(xué)樓簡(jiǎn)化模型的人員疏散進(jìn)行多次模擬，全部疏散到室外的時(shí)間大約在520s左右，即8.7分鐘左右，所耗時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法保障地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，人員能夠全部疏散至安全區(qū)域。人員擁堵情況不僅對(duì)疏散時(shí)間有影響，對(duì)人群的心理情況也有影響。易使人群產(chǎn)生恐慌情緒和不當(dāng)人員行為，疏散狀況更加混亂，導(dǎo)致疏散時(shí)間延長(zhǎng)，降低疏散效果。

適當(dāng)擴(kuò)大建筑構(gòu)件的寬度；指定專(zhuān)人組織引導(dǎo)疏散；適當(dāng)增加疏散樓梯數(shù)量或設(shè)置室外樓梯，可有效提高安全出口的利用率，穩(wěn)定教師和學(xué)生的心理狀態(tài)，減少擁堵時(shí)間，提高疏散效率，且為受困人員提供了更多應(yīng)急疏散方案甚至救援途徑。

人員疏散時(shí)間實(shí)際上是一個(gè)隨機(jī)變量，會(huì)因各種情況的變化而變化。在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，存在許多隨機(jī)性很大的因素影響著疏散時(shí)間，如人員行為不可能每次完全一致，恐慌混亂程度每次皆有不同，反應(yīng)時(shí)間、疏散路徑都會(huì)有變化，導(dǎo)致同一工況設(shè)置條件下疏散時(shí)間也有不同。

[1] 呂志明, 王婷婷, 張付有. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地震逃生游戲的設(shè)計(jì)—以地震緊急疏散為例[J]. 計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù), 2015, 11(11): 208-209.

[2] 嚴(yán)銘姣, 楊旸, 陳楊. 地震時(shí)建筑中人員行為的研究[J]. 重慶建筑, 2015, 14(143): 20-22.

[3] 姜云昭, 朱萬(wàn)紅, 邱國(guó)慶等. 地震次生災(zāi)害影響條件下人員疏散問(wèn)題的研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2008, 4(1): 38-41.

[4] 住宅和城鄉(xiāng)建設(shè)部抗震救災(zāi)應(yīng)急評(píng)估專(zhuān)家第一組：姚秋來(lái), 薛彥濤, 曾德民等. 5.12汶川特大地震都江堰災(zāi)區(qū)震害調(diào)查[D]. 工程抗震與加固改造,2008.30(4): 12-23.

作者單位：北京市昌平區(qū)公安消防支隊(duì)