姜　璐，朱　杰

(1.四川師范大學(xué) 工學(xué)院； 2.四川省高校公共火災(zāi)防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都　610101)

0　引言

公交車作為城市公共交通運(yùn)輸?shù)闹饕M成部分之一，因其載客量大、方便、快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已成為各大中小城市居民出行的重要交通工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京、深圳、上海等地的城市公交車規(guī)模已達(dá)到10 000輛以上，且日均運(yùn)客量平均達(dá)幾百萬(wàn)人次[1]。然而近年來，公交車火災(zāi)事故造成群死群傷的現(xiàn)象屢見不鮮,根據(jù)消防統(tǒng)計(jì)年鑒，我國(guó)2014年約有3 300起公交車火災(zāi)事故發(fā)生[2]。2009年6月5日，成都一公交車火災(zāi)事故造成27人死亡，74人受傷；2013年7月6日，廈門BRT公交發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致47人死亡，37人受傷；2014年2月27日，貴陽(yáng)市237路公交車發(fā)生燃燒，造成6人死亡，35人受傷。值得注意的是，公交車發(fā)生火災(zāi)概率較私家車、貨車等更高。一旦發(fā)生火災(zāi)，大多數(shù)公交車在10～20 min內(nèi)完全損毀或車輛報(bào)廢。

國(guó)內(nèi)外眾多研究者采用數(shù)值模擬等方法研究小汽車火災(zāi)，程遠(yuǎn)平等[3]采用試驗(yàn)方法，研究了小汽車火災(zāi)熱釋放速率和火場(chǎng)溫度等變化規(guī)律，得出了汽車起火后4 min是人員安全逃生和滅火救援的最佳時(shí)機(jī)；畢昆等[4]通過數(shù)值模擬重現(xiàn)了2009年6月成都市公交車起火情況，為火災(zāi)調(diào)查提供了依據(jù)；祝飛、畢昆[5]利用數(shù)值模擬方法構(gòu)建公交車模型，通過比較數(shù)值模擬結(jié)果和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，預(yù)測(cè)了公交車火勢(shì)發(fā)展和煙氣運(yùn)動(dòng)過程，分析得到公交車火勢(shì)迅速增長(zhǎng)的重要因素是車窗破碎導(dǎo)致大量新鮮空氣補(bǔ)入，而造成人員死亡的主要原因是高溫和過度擁擠。目前，針對(duì)公交車、地鐵等交通工具火災(zāi)的研究多數(shù)基于火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律數(shù)值模擬，且針對(duì)火災(zāi)事故人員疏散的研究主要以建筑物為研究對(duì)象，對(duì)交通工具，特別是公交車火災(zāi)事故的人員疏散研究十分有限。與傳統(tǒng)建筑不同，公交車內(nèi)部空間受限，且人員密度往往大于建筑物內(nèi)部，加之各類不確定因素，使得公交車人員疏散相當(dāng)困難。如何提高人員疏散效率，確保火災(zāi)場(chǎng)景下人員安全，已成為亟待解決的問題。

本文首先對(duì)公交車火災(zāi)事故和人員疏散特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，以城市典型單層公交車為研究對(duì)象，在公交車內(nèi)部設(shè)置不同火源位置，分析其對(duì)人員疏散的影響。再采用Pyrosim軟件對(duì)車內(nèi)人員疏散情況進(jìn)行模擬，提出公交車車門優(yōu)化方案，為公交車車廂設(shè)計(jì)和人員安全疏散提供參考。

1　公交車火災(zāi)事故

1.1公交車火災(zāi)事故分析

據(jù)調(diào)查，公交車火災(zāi)事故致使大量人員傷亡的原因多種多樣，但主要?dú)w于三方面，即高溫有毒有害煙氣、人員疏散不及時(shí)、二次事故。(1)高溫有毒有害煙氣。公交車內(nèi)部屬封閉受限空間，人員密集且可燃物眾多，加之當(dāng)下客車輕量化趨勢(shì)明顯，各類復(fù)合材料如塑料，更多用于公交車構(gòu)件。一旦發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的大量煙霧將迅速降低車廂能見度。隨著火勢(shì)蔓延，各類材料燃燒裂解出的高溫有毒有害煙氣聚集，氧氣含量降低，極易導(dǎo)致人中毒窒息，影響人員疏散，也增大了公交車火災(zāi)危險(xiǎn)性[6]。(2)人員疏散不及時(shí)。通常導(dǎo)致人員疏散不及時(shí)的原因除高溫有毒煙氣影響外，還有逃生自救裝置失效或障礙。公交車上主要逃生自救裝置，如車門、車窗、安全錘，車門未及時(shí)開啟或開啟面積較小、車窗卡住或開啟面積小、安全錘丟失或放置位置不明顯等。(3)二次事故。由于公交車車廂內(nèi)部空間狹小，在火災(zāi)等緊急情況下，大量乘客會(huì)造成通道和出口擁擠，加之乘客因恐慌忙于逃生，易因推搡引發(fā)踩踏等二次事故。

因公交車上人員流動(dòng)性大，難以阻止乘客攜帶易燃易爆物品上車，且車內(nèi)設(shè)施只能采用難燃、阻燃材料以延長(zhǎng)可燃物達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)間，阻止火災(zāi)蔓延的影響因素較多，實(shí)際操作具有一定困難。所以，對(duì)煙氣進(jìn)行有效控制的方案較難實(shí)現(xiàn)。比較而言，改進(jìn)公交車逃生裝置對(duì)避免和減少公交車火災(zāi)傷亡事故損失可行性強(qiáng)，特別是對(duì)公交車最主要疏散通道——車門的改進(jìn)，能有效提高疏散效率，同時(shí)降低二次事故的發(fā)生概率。

1.2公交車人員疏散特點(diǎn)

公交車人員疏散特點(diǎn)主要包括：(1)不確定因素眾多。公交車內(nèi)人員密度大，內(nèi)部通道極易發(fā)生擁擠甚至堵塞。乘客的生理、心理狀態(tài)存在較大差異，緊急疏散會(huì)受到乘客與乘客、乘客與周邊環(huán)境相互作用的影響，例如心理素質(zhì)較差乘客易產(chǎn)生恐慌心理而驚慌逃跑，造成車門堵塞；緊急疏散過程中，乘客間推拉擠讓易造成踩踏等二次事故。(2)安全逃生出口少且窄。據(jù)調(diào)查，公交車前后門為主要安全逃生出口，設(shè)置數(shù)量少，且寬度較窄，通常設(shè)置為0.8～1.5 m，內(nèi)部通道寬0.5～0.7 m[7]。公交車滿載時(shí)人員密度可達(dá)8人·m-2，在緊急情況下，該設(shè)置難以保證安全疏散。因此，改進(jìn)公交車車門對(duì)乘客安全疏散十分必要。

2　不同火源位置人員疏散模擬

2.1Pyrosim簡(jiǎn)介

Pyrosim是由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的，專用于消防動(dòng)態(tài)仿真模擬的軟件，它是在FDS(Fire Dynamic Simulation)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。軟件以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為依據(jù)，可模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)中的煙氣、CO等毒氣的運(yùn)動(dòng)、溫度以及濃度等情況。Pyrosim中的FDS+Evac功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)建模型的人員疏散模擬，通過設(shè)置人員屬性，如性別、年齡、行走速度、反應(yīng)速度等，對(duì)模型中的人員隨機(jī)分布，真實(shí)地反映模型內(nèi)部火源燃燒時(shí)煙氣蔓延以及人員疏散逃生情況。

2.2確定模擬參數(shù)

2.2.1公交車模型參數(shù)

本文以成都市常見的單層公交車為模擬對(duì)象，對(duì)公交車內(nèi)部物理模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了外部尺寸、內(nèi)部細(xì)小部件，如扶手、扶桿。公交車車廂長(zhǎng)×寬×高為11.0 m×2.5 m×3.0 m，座椅尺寸為0.4 m×0.4 m，共36個(gè)座位。公交車前門開門寬度為0.8 m，后門開門寬度為1.1 m。應(yīng)用Pyrosim軟件構(gòu)建單層公交車模型，以FDS+Evac功能對(duì)不同火源位置的公交車車廂火災(zāi)人員疏散情景進(jìn)行模擬。

2.2.2人數(shù)確定

根據(jù)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行技術(shù)條件》(GB 7258—2012)4.5.3.2條“設(shè)有乘客站立的公共汽車，按站立乘客的有效面積計(jì)算，每0.125 m2站立核定乘客1人[7]”，該公交車乘客站立區(qū)域面積為7.5 m2，則車內(nèi)滿載人員為97人(司機(jī)1人)。公交車平面布置圖如圖1所示。

圖1　公交車平面布置圖

2.2.3人員屬性設(shè)定

模擬中人員統(tǒng)一設(shè)定為成年人，不分男女。由于不同場(chǎng)景下人員行走速度存在較大差異，在座椅密集的禮堂內(nèi)人行走速度為0.2～0.5 m·s-1[8]?？紤]公交車內(nèi)人員密集且障礙物較多，因此乘客行走速度取0.3 m·s-1。

2.2.4疏散場(chǎng)景設(shè)定

為真實(shí)模擬人員疏散，火源所在處附近出口不作為疏散通道。根據(jù)單層公交車火災(zāi)特點(diǎn)以及對(duì)車內(nèi)人員疏散最不利情況，考慮設(shè)置三種火災(zāi)工況：(1)火源位于車廂前部，前門關(guān)閉、后門打開；(2)火源位于車廂中部，前門打開、后門關(guān)閉；(3)火源位于車廂尾部，前門打開、后門打開。

2.3疏散模擬及結(jié)果分析

2.3.1疏散場(chǎng)景1

該場(chǎng)景設(shè)定在公交車車廂前部發(fā)生火災(zāi)，乘客只能通過后門疏散至安全區(qū)域。運(yùn)用消防動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能進(jìn)行模擬，如圖2～圖6所示。

根據(jù)疏散場(chǎng)景1結(jié)果可知：當(dāng)公交車車廂前部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該場(chǎng)景人員全部安全疏散共需200 s。由于火源距離前門較近，乘客只能通過后門進(jìn)行疏散，而公交車內(nèi)部通道和后門均較窄，后門僅1.1 m寬，使疏散時(shí)間較長(zhǎng)。從圖3和圖4可知，后門處只通過了單股人流，疏散效率較低。由圖5可知，火災(zāi)發(fā)生第150 s時(shí)，公交車前半截的乘客已經(jīng)全部疏散，后半截車廂的乘客還剩下小部分未成功疏散。這是因?yàn)楣卉囓噹蟛孔惠^多，障礙物偏多，且通道相對(duì)前部窄，大量乘客集中于后部車廂，該區(qū)域的疏散時(shí)間會(huì)相對(duì)長(zhǎng)一些。因此，建議將后門加寬。

圖2　0 s疏散場(chǎng)景1人員疏散情況圖

圖3　50 s疏散場(chǎng)景1人員疏散情況圖

圖4　100 s疏散場(chǎng)景1人員疏散情況圖

圖5　150 s疏散場(chǎng)景1人員疏散情況圖

圖6　200 s疏散場(chǎng)景1人員疏散情況圖

2.3.2疏散場(chǎng)景2

該場(chǎng)景設(shè)定在公交車車廂中部發(fā)生火災(zāi)，由于火源距離后門較近，乘客只能通過前門疏散至安全區(qū)域。運(yùn)用消防動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能進(jìn)行模擬，如圖7～圖12所示。

根據(jù)疏散場(chǎng)景2結(jié)果可知：當(dāng)公交車車廂中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員全部疏散共需440 s，比疏散場(chǎng)景1多240 s。由于火源距離后門較近，車廂全部乘客只能通過前門進(jìn)行疏散。由圖8可知，公交車車廂通常后半截座位布置較前半截密集，障礙物分布多，加之大量乘客集中于車廂后部，導(dǎo)致通道擁擠。而前門寬度0.8 m，比后門窄0.3 m，僅允許乘客以單股人流形式通過，疏散困難。在約350 s時(shí)，車廂前半部乘客已經(jīng)全部疏散。剩下小部分位于車廂后半截的乘客還未成功疏散，這是因?yàn)樵搮^(qū)域乘客疏散時(shí)所通過的距離較長(zhǎng)，在人員擁擠情況下，需從車廂后部走至車廂前部，疏散變得更為困難。由圖12可知，在第440 s時(shí)，乘客才全部疏散完畢。通過以上分析，建議將前門寬度加寬。

圖7　0 s 疏散場(chǎng)景2人員疏散情況圖

圖8　100 s 疏散場(chǎng)景2人員疏散情況圖

圖9　200 s 疏散場(chǎng)景2人員疏散情況圖

圖10　350 s 疏散場(chǎng)景2人員疏散情況圖

圖11　430 s 疏散場(chǎng)景2人員疏散情況圖

圖12　440 s 疏散場(chǎng)景2人員疏散情況圖

2.3.3疏散場(chǎng)景3

該場(chǎng)景設(shè)定在公交車車廂尾部發(fā)生火災(zāi)，乘客能通過前門和后門疏散至安全區(qū)域。運(yùn)用消防動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能進(jìn)行模擬，如圖13～16圖所示。

根據(jù)疏散場(chǎng)景3結(jié)果可知：當(dāng)公交車車廂尾部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員全部疏散共需155 s，比疏散場(chǎng)景1少45 s，比場(chǎng)景2少285 s。由于火源位于車廂尾部，前門和后門能同時(shí)作為安全出口，車廂乘客可選擇就近出口進(jìn)行逃生。由圖15可知，第100 s時(shí)，前半截車廂和后半截車廂的乘客大部分已安全逃生。在約155 s時(shí)，車廂內(nèi)乘客全部完成疏散，此時(shí)車廂內(nèi)溫度大致為70 ℃。因此，為確保乘客安全，建議將前、后門均加寬，以進(jìn)一步縮短疏散時(shí)間。

圖13　0 s疏散場(chǎng)景3人員疏散情況圖

圖14　50 s疏散場(chǎng)景3人員疏散情況圖

圖15　100 s疏散場(chǎng)景3人員疏散情況圖

圖16　155 s疏散場(chǎng)景3人員疏散情況圖

3　優(yōu)化方案及結(jié)果

3.1優(yōu)化方案

前后門是公交車最主要的疏散出口，但前門寬度僅0.8 m，后門僅1.1 m，只能保證以單股人流形式通過，增大了疏散中乘客推搡、擁擠的概率，使疏散變得困難。我國(guó)單層公交車車門寬度一般為0.8～1.5 m，因此提出以下公交車前后門優(yōu)化方案：(1)前門寬度不變，后門加寬至1.3 m；(2)前門寬度不變，后門加寬至1.5 m；(3)前門加寬至1.1 m，后門寬度不變；(4)前門加寬至1.1 m，后門加寬至1.3 m；(5)前門加寬至1.1 m，后門加寬至1.5 m。優(yōu)化后，除公交車前后車門寬度改變外，其余車門位置、車體尺寸、疏散場(chǎng)景等均不改變，模擬疏散人數(shù)不變，疏散場(chǎng)景設(shè)置如表1所示。

表1　優(yōu)化后的疏散場(chǎng)景設(shè)置

3.2優(yōu)化方案結(jié)果及分析

運(yùn)用消防動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能對(duì)優(yōu)化后疏散場(chǎng)景進(jìn)行模擬，并將各優(yōu)化方案與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2　各疏散場(chǎng)景設(shè)置及疏散時(shí)間

由表2可知，當(dāng)火源位于公交車前部時(shí)，后門寬度由1.1 m增至1.3 m，疏散時(shí)間減少39 s，增至1.5 m時(shí)減少49 s，表明增加后門寬度可一定程度增大疏散效率；當(dāng)火源位于公交車中部時(shí)，前門寬度由0.8 m增至1.1 m，疏散時(shí)間大幅度下降，減少了240 s；當(dāng)火源位于公交車尾部時(shí)，前門寬度增至1.1 m，后門寬度增至1.3 m，疏散時(shí)間減少26 s，后門寬度增至1.5 m時(shí)，疏散時(shí)間減少了48 s。除此之外，還可得出火源處于不同位置時(shí)，由于車門開閉情況不同，中部火源的疏散時(shí)間最長(zhǎng)，前部火源次之，尾部火源最短。

4　結(jié)論

4.1通過在公交車車廂前部、中部和尾部設(shè)置火災(zāi)場(chǎng)景，利用消防動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件Pyrosim的FDS+Evac功能對(duì)乘客疏散過程進(jìn)行模擬，得出車廂三種不同火源位置時(shí)的疏散時(shí)間，找到疏散出口的不足，并進(jìn)行優(yōu)化。

4.2對(duì)公交車前門和后門寬度進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)火源位于公交車車廂中部時(shí)，若公交車前門寬度增加至1.1 m，疏散時(shí)間減少十分顯著，用時(shí)縮短了240 s；當(dāng)火源位于車廂前部時(shí)，若公交車后門寬度增加至1.3 m和1.5 m時(shí)，疏散時(shí)間將分別減少39 s和49 s；當(dāng)火源位于公交車車廂尾部時(shí)，若公交車前門寬度增加至1.1 m，后門寬度增加至1.3 m和1.5 m，疏散時(shí)間將分別減少26 s和48 s。

4.3當(dāng)火源處于不同位置時(shí)，由于車門開閉情況不同，中部火源的疏散時(shí)間最長(zhǎng)，前部火源次之，尾部火源最短。

綜上所述，從安全和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度看，建議將公交車前門寬度增加至1.1 m，后門寬度增加至1.5 m，以保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)乘客能及時(shí)安全地疏散。