閻衛(wèi)東,張 瑞,劉家喜,張 野,孫 文

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

圖書館作為服務(wù)大眾學(xué)習(xí)工作的最佳場(chǎng)所,不但要為群眾提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境,還要時(shí)刻保障人員的生命安全?，F(xiàn)代高校圖書館特點(diǎn)為規(guī)模趨于擴(kuò)大、功能趨于多元,人流量較大[1]。一旦發(fā)生火災(zāi),極有可能因?yàn)槭枭⒉患皶r(shí)、不快速而造成傷亡和圖書資源的損失,因此對(duì)圖書館進(jìn)行火災(zāi)疏散研究意義重大。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)人員安全疏散展開研究。S.L.HO等[2]考慮人員聚集、地鐵延誤和擁堵等疏散影響因素,基于Pathfinder軟件進(jìn)行疏散模擬,并提出措施。M.FARID等[3]提出疏散安全框架,可根據(jù)建筑和設(shè)施的疏散安全性進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。S.NUR等[4]對(duì)基于Agent的行人疏散文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)查,評(píng)估目前技術(shù)水平,確定了改進(jìn)方向。閻衛(wèi)東[5]通過大量調(diào)查問卷和應(yīng)急疏散演習(xí),發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)人員行為特征并提出性別、消防培訓(xùn)和消防演練對(duì)疏散時(shí)間影響最為顯著。王建國等[6]通過調(diào)查問卷的方式收集信息,采用Logistic回歸方法對(duì)各變量進(jìn)行編碼取值,對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析,探討各因素對(duì)人員疏散影響。葉繼紅等[7]建立了一種基于BIM的新型元胞自動(dòng)機(jī)路徑規(guī)劃智慧模型,可以實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)救援以及智慧消防。晉良海等[8]通過構(gòu)建極端負(fù)荷流線的拓?fù)浣馕瞿Ｐ?探析了公共建筑人群疏散流線擁堵特征。李偉等[9]將社會(huì)力模型運(yùn)行規(guī)則引入元胞自動(dòng)機(jī)模型,建立了一種考慮個(gè)體行為的改進(jìn)CA模型。

目前研究主要針對(duì)人員安全疏散中的疏散時(shí)間、疏散路徑、疏散影響因素及疏散行為等方面,而關(guān)于火災(zāi)情況下圖書館建筑疏散研究較少。基于此,筆者以沈陽建筑大學(xué)圖書館為例,通過BIM模型輕量化技術(shù),利用Pathfinder軟件對(duì)人員火災(zāi)疏散進(jìn)行模擬,觀察人員行為特征、疏散路徑,計(jì)算了疏散時(shí)間,最終提出應(yīng)急疏散優(yōu)化方案,為圖書館安全管理及應(yīng)急疏散提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 建筑物疏散模型建立

1.1 研究對(duì)象建筑結(jié)構(gòu)

筆者選取沈陽建筑大學(xué)圖書館為研究對(duì)象,圖書館共7層,地下1層,地上6層,層高3.8 m,東西長(zhǎng)104.8 m,南北寬48 m,占地面積約為4 154 m2。地下1層主要為休閑區(qū),第一層至第五層各設(shè)有自習(xí)室和閱覽室,第六層為圖書館辦公人員辦公位置,共有1 244個(gè)閱覽座位?？紤]到人員主要分布情況與聚集程度,筆者主要研究圖書館第一層至第六層。圖書館一樓共設(shè)有六個(gè)出口,以便緊急情況使用。東西方向各設(shè)置兩部步行樓梯和一部電梯,共四部樓梯和兩部電梯供人員平常使用,本次模擬場(chǎng)景為火災(zāi),因此不考慮電梯使用情況。通過視頻監(jiān)控識(shí)別方法,得到圖書館平均日流動(dòng)量約為1 030人。利用BIM技術(shù)構(gòu)建沈陽建筑大學(xué)圖書館建筑信息模型如圖1所示。

圖1 圖書館實(shí)體建筑模型

1.2 Pathfinder人員疏散模型

Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的一個(gè)基于人員運(yùn)動(dòng)的模擬器,廣泛應(yīng)用于火災(zāi)人員疏散模擬。軟件支持SFPF模式和Steering模式兩種運(yùn)動(dòng)模擬方式[10]。SFPF模式中行人不會(huì)相互影響,即互不避讓并可互相穿透;Steering模式使用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制和碰撞處理相結(jié)合的手段來控制行人運(yùn)動(dòng),在發(fā)生擁堵時(shí)會(huì)自動(dòng)選擇其他的路線。由于Steering模式更接近現(xiàn)實(shí),因此其更適合于公眾聚集場(chǎng)所的應(yīng)急疏散的仿真。

目前,有部分專家學(xué)者[11-13]將BIM建筑信息模型與Pathfinder人員疏散仿真模型結(jié)合使用,不僅可以提高模擬效率,還可構(gòu)建真實(shí)、準(zhǔn)確的模擬場(chǎng)景。筆者將采用此方法構(gòu)建圖書館模型。

1.3 BIM模型的輕量化處理

目前,Pathfinder軟件不支持將Revit的RVT模型文件直接導(dǎo)入,需要將模型導(dǎo)出為DXF或DWG格式文件后,再導(dǎo)入至Pathfinder軟件中。由于研究?jī)?nèi)容為疏散過程中人員的運(yùn)動(dòng)情況,因此對(duì)圖書館模型進(jìn)行輕量化處理,僅提取樓板、樓梯以及墻體等建筑構(gòu)件。同時(shí)通過三維激光掃描儀對(duì)圖書館進(jìn)行掃描,得到點(diǎn)云數(shù)據(jù),為構(gòu)建桌椅和障礙物等提供數(shù)據(jù)支持。并根據(jù)軟件中的提示信息,進(jìn)行模型的修正與完善。

在完成基本的模型構(gòu)建后,添加人員信息,設(shè)定人員參數(shù),可得到不同房間人員疏散情況圖和不同疏散出口的通過率過程線圖,其中全尺寸圖書館疏散模型見圖2。

圖2 Pathfinder軟件中全尺寸模型

2 人員行為特征及參數(shù)選擇

2.1 人員行為特征

人員在發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)的行為特征是影響疏散的重要因素,直接決定了疏散時(shí)間與疏散效率。因此,基于人員行為特征的參數(shù)選擇,決定了疏散模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性。

(1)人群聚集,疏散困難

高校圖書館為大眾提供大量的閱覽座位以供學(xué)習(xí),且各個(gè)閱覽室布局面積較大,因此人員密度大,人群十分聚集,尤其是考試周時(shí)間,為快速且安全的疏散工作增加了困難性。

(2)人員構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單

出入高校圖書館人員多數(shù)為學(xué)生,因此筆者僅將人群類別分為成年男性和成年女性。研究表明,性別的差異體現(xiàn)在面對(duì)火災(zāi)時(shí)的行為不同,比如男性會(huì)更加理性的判斷并主動(dòng)幫助其他人員,而女性心理承受能力較弱,首先進(jìn)行疏散路線的選擇[2]。

(3)行動(dòng)能力強(qiáng),逃生速度快

成年男性與成年女性的行動(dòng)能力較強(qiáng),且他們受教育程度較高,多數(shù)經(jīng)歷過疏散逃生演習(xí)與培訓(xùn),一旦發(fā)生火災(zāi),人員疏散迅速,疏散效率較高。

2.2 人員參數(shù)選擇

2.2.1疏散人員數(shù)量的設(shè)定

為了保證模擬的可靠性和真實(shí)性,通過實(shí)際調(diào)研和視頻監(jiān)控識(shí)別方法,確定人員位置和分布密度情況。選取四種不同的時(shí)間段,對(duì)平常工作日、雙休日以及考試周三種情況進(jìn)行調(diào)研,結(jié)果分別如表1、表2、表3所示。

表1 工作日不同時(shí)間段各層人員數(shù)量

表2 雙休日不同時(shí)間段各層人員數(shù)量

表3 考試周不同時(shí)間段各層人員數(shù)量

筆者僅考慮地上六層人員疏散情況,通過調(diào)研數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)考試周的20時(shí)至21時(shí)人員數(shù)量較多,流動(dòng)量較大,上座率達(dá)到了85%。同時(shí)考慮圖書占座的情況以及最不利的模擬情況,最終得到考試周的上座率為84%,因此根據(jù)圖書館各層閱覽室的座位數(shù)量,設(shè)定模擬人員數(shù)量共計(jì)1 050人,第一層至第六層人員數(shù)量分別為101人、417人、231人、144人、151人和6人。

筆者僅將人群類別分為成年男性和成年女性。由于圖書館第二層閱覽座位最多,人員最為密集,因此選取第二層閱覽室為調(diào)研場(chǎng)所,通過視頻監(jiān)控識(shí)別方法,統(tǒng)計(jì)考試周不同時(shí)間段的人員性別,結(jié)果見表4。

表4 二層閱覽室人員性別統(tǒng)計(jì)

從表4可知,圖書館的男女比例大約是0.98～1.19,基于沈陽建筑大學(xué)官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年沈陽建筑大學(xué)的男女比例為2.44。同時(shí)由于女性疏散能力較弱,女性數(shù)量的增多導(dǎo)致疏散時(shí)間的增加,考慮最不利模擬情況,因此男女比例選取0.98。

2.2.2 疏散人員運(yùn)動(dòng)參數(shù)

根據(jù)美國消防工程師協(xié)會(huì)SFPE的消防工程手冊(cè)《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》[14]以及實(shí)際測(cè)算,可以得到緊急情況下的成年男性運(yùn)動(dòng)速度為1.5m/s,成年女性運(yùn)動(dòng)速度為成年男性運(yùn)動(dòng)速度的85%,即1.28 m/s[15]。

依據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB10000—1988)[16]規(guī)定,可以得到成年男性肩寬為50 cm,成年女性肩寬為45 cm。

3 火災(zāi)疏散結(jié)果分析

3.1 樓梯利用率和堵塞位置分析

疏散模擬可實(shí)時(shí)觀測(cè)圖書館第一層至第六層全部人員的疏散過程以及分布情況。由于第二層閱覽座位數(shù)量較多,相比其他樓層人員比較密集,在火災(zāi)疏散時(shí)難度最大,因此選取第二層為研究對(duì)象,觀察其在不同時(shí)間下的人員分布情況,結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 0 s時(shí)第二層人員分布情況

圖4 60 s時(shí)第二層人員分布情況

圖5 120 s時(shí)第二層人員分布情況

圖6 200 s時(shí)第二層人員分布情況

觀察實(shí)時(shí)疏散情況,在第60 s時(shí),人員集中于樓梯口,且樓梯2轉(zhuǎn)角處的擁擠和堵塞現(xiàn)象最為嚴(yán)重,其余樓梯較為暢通。有2.9%人員發(fā)現(xiàn)樓梯出現(xiàn)堵塞情況后,及時(shí)重新選擇疏散路徑,提高了疏散效率。第120 s和200 s時(shí),除樓梯2和樓梯3,其余樓梯已經(jīng)完成疏散。經(jīng)過分析得到,樓梯1利用率最低,樓梯2利用率最高。

3.2 疏散出口通過率分析

圖書館共有6個(gè)疏散出口,分別為出口A、B、C、D、E和F(見圖7)。不同疏散出口的通過率過程曲線如圖8所示。

圖7 一層出口平面圖

圖8 不同疏散出口的通過率過程圖

從圖8可以看出,出口F利用率最低,在疏散前期,由于出口B作為日常主出入口且通道寬度較大,其通過率最高,達(dá)到了2.97 人/s。疏散后期,由于樓梯2利用率較高,影響人員疏散出口的選擇,出口C利用率及平均人員通過率最高。

疏散總時(shí)間為298 s,在第27 s時(shí),出口F率先完成人員疏散,其次是出口B疏散時(shí)間為118 s,出口A疏散時(shí)間為130 s、出口E疏散時(shí)間為153 s、出口D疏散時(shí)間為278 s,直至第298 s時(shí),出口C疏散完畢。

3.3 人員疏散時(shí)間分析

為保證人員可以安全疏散,疏散設(shè)計(jì)應(yīng)滿足綜合判定標(biāo)準(zhǔn):人員可用疏散時(shí)間tASET大于人員必要疏散時(shí)間tRSET。人員必要疏散時(shí)間包括火災(zāi)報(bào)警時(shí)間tdet、人員響應(yīng)時(shí)間tresp以及人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間tmove。安全余量為人員可用時(shí)間與人員必要疏散時(shí)間的差,其值越大,人員疏散的安全性越高。人員疏散所需時(shí)間計(jì)算如下:

tRSET=tdet+tresp+tmove×1.1.

(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[17]得tdet=10 s，tresp=10 s。Pathfinder軟件得到疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間tmove=298 s,考慮到實(shí)際疏散與軟件模擬存在部分差異,因此增加一個(gè)安全系數(shù),基于美國消防工程師協(xié)會(huì)SFPE的消防工程手冊(cè)《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》[14],安全系數(shù)取1.1,因此人員疏散所需時(shí)間為tRSET=10+10+298×1.1=347.8 s。

同理可得在工作日和雙休日時(shí),人員疏散所需時(shí)間分別為336.8 s和311.5 s。圖書館為一級(jí)耐火等級(jí)公共建筑物,根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016—2014)[18]中規(guī)定,一、二耐火等級(jí)公共建筑物的允許疏散時(shí)間為6 min,可見文中的tRSET符合規(guī)定。

4 結(jié) 論

(1)基于軟件模擬結(jié)果和實(shí)際調(diào)研,工作日、雙休日和考試周時(shí),人員疏散所需時(shí)間分別為347.8 s、336.8 s和311.5 s,符合《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016—2014)規(guī)定。

(2)圖書館樓梯2利用率最高,樓梯1利用率最低;出口C利用率最高,出口F利用率最低。在樓梯2和樓梯3轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)堵塞情況,建議完善疏散引導(dǎo)因素并增加引流管理,比如增加明確的指示標(biāo)志,添加實(shí)時(shí)的廣播指引以及增加引導(dǎo)員管理等措施。