高校典型建筑物学生群体应急疏散研究

2021-07-19都恩源陈心如韩祥临

湖州师范学院学报 2021年4期

都恩源，陈心如，韩祥临，宋涛

(湖州师范学院理学院，浙江湖州 313000)

0 引言

随着社会经济的发展，我国高校规模不断扩大，高校已成为人群聚集场所，这在一定程度上增加了突发事故的人群疏散难度和二次事故发生率.高校人群聚集的典型建筑物主要为宿舍楼、教学楼、图书馆和实验楼等，而突发事故中火灾最为普遍，这给广大师生的人身和财产安全造成了极大的威胁.据央视网统计[1]，近5年全国共发生学生宿舍火灾2 314起，平均每天都有学生宿舍着火.在火灾事件中，学生群体的消防安全意识薄弱，消防知识和逃生技能缺乏，造成大多数火灾伴有人员伤亡；由于学校建筑物内人员密集，极易诱发二次事故(如踩踏)而造成二次伤害[2].特别是高校宿舍楼作为学生主要的活动和休憩场所，因建筑布局狭窄和人员集中，成为了研究高校安全事故中人群应急疏散的重点.

国内外学者已对高校建筑物内人群疏散进行了一些研究，其中以社会力模型为基础进行推广应用和仿真分析是较为典型的有效方法[3-4].龙圣杰等研究了多层宿舍学生群体疏散的撤离时间[5].周文科等改进社会力模型中的行人速度变化公式，用于研究人群疏散速度演化及路线选择策略[6].郑丹等引入蒙特卡洛法对比研究人群疏散时间，重点观察人群折返滞留现象[7].何怡婧等采用问卷调查方法分析人群疏散行为的特征参数，模拟了男女生宿舍发生火灾时的疏散情况[8].Wei等改进社会力模型，使得模拟产生的行人流基本图与实测数据一致[9].本文基于社会力模型构建宿舍楼学生群体应急疏散模型，利用Anylogic软件模拟研究宿舍布局对学生疏散的影响，最后对比2019年湖州师范学院学生应急疏散演练结果，对高校学生宿舍楼消防安全提出建议.

1 社会力模型原理

1995年，Helbing等提出社会力模型，指出在逃生过程中行人主要受3个作用力影响：驱动力、人与人间的作用力、障碍物和边界排斥力[3].

(1) 驱动力来源于突发事故下人员的逃生意识，表示人员以期望速度朝着目标移动的力，疏散过程中的目标即为逃生出口，其方程为：

其中：FDi为行人i与目标D之间的驱动力；mi为行人i的质量；vdi为期望速度；vi为行人i的实际速度；τ为弛豫时间；xd-xi为行人i与目标d之间的距离.该方程表明，在同等作用时间内，由于人流量过大造成实际速度减慢，驱动力就会增加，进而促使人员产生急躁、恐慌心理，也易发生拥堵现象.

(2) 人与人之间的作用力主要是个体对其他行人的排斥力和吸引力.排斥力表现为在逃生时人们往往会选择空间较大的地方前行；吸引力主要表现为结伴而行和跟随效应.人与人之间的作用力可用以下动力学方程描述：

Fij=-dijVij[bij(dij)],dij=xi-xj,

其中：Fij为行人i与行人j之间的相互作用力；Vij为行人i与行人j相互作用力的函数关系式；bij为行人i与行人j椭圆等势线的半长轴.在社会力模型中，行人形态常用圆或椭圆表示.圆或椭圆的大小即为行人的占地范围.相较于驱动力，人与人之间的作用力除受两人之间的距离因素影响外，还受半长轴bij的影响.

(3) 障碍物和边界排斥力表现为行人在紧急疏散时会绕开障碍物向空旷地方逃生，而当靠近墙壁时行人会远离躲避.其动力学方程描述如下：

其中：Fiw为行人i与障碍物和边界w的排斥力；Uiw为行人i与障碍物和边界w排斥力的函数关系式.显然，障碍物和边界排斥力受行人与障碍物之间的距离影响.

由上述3种力合成的行人运动计算公式为：

F总=FDi+∑Fij+∑Fiw.

经多年发展，社会力模型应用广泛且改进众多，被公认为描述人群运动最好的模型之一[4].

2 人群应急疏散模型

2.1 Anylogic行人仿真方法

Anylogic是一款针对主体建模，可在离散、连续和混合系统中使用的建模仿真软件.该软件对人群运动的仿真主要通过行人库来实现，其核心优势是能将以社会力模型为算法构建的行人流模型涉及的模拟区域和初始边界条件分解成全局参数设置对象、环境对象和行人对象等.Anylogic软件拥有较便利的图形操作界面和数据分析工具，对人群运动的模拟效果非常逼真.本文构建以Anylogic 7.0为平台的高校宿舍人群应急疏散模型，并进行仿真研究.

2.2 环境场景分析

高校宿舍楼布局简单、人员密集，平面组织方式以旅馆式为主.以湖州师范学院中校区学生宿舍楼为例，宿舍楼为内廊式布局，每层的南面有11个宿舍，北面有12个宿舍，共6层.每间宿舍长为6 m，宽为3.6 m.走廊宽为2 m，寝室门宽为1 m.宿舍楼共有两部楼梯，分布在楼幢两侧，楼梯梯段宽为1.2 m，梯井宽为0.1 m，层高为4 m；西侧楼梯为主要出口，出口宽为2.3 m，东侧楼梯为紧急出口，出口宽为1.5 m.每间宿舍可住4人.图1为学生宿舍楼布局平面图.

图1 学生宿舍楼布局Fig.1 Student dormitory building layout

2.3 行人参数与指标设定

(1) 逃生速度：逃生行为研究显示[8]，行人较快的步行速度为1.49 m/s，放松状态下的步行速度为1.1 m/s，整体平均步行速度为1.24 m/s.根据本研究设置的问卷调查显示，学生属于青壮年，其逃生速度较快，但内廊式布局的宿舍楼道狭长，空间封闭，在人群密集时人员移动速度较慢，且男女生在逃生过程中存在速度差异，男生步幅更大,因此在模型中将女生移动的速度设置为0.9～1.3 m/s，将男生移动的速度设置为0.9～1.5 m/s.

(2) 人体空间：参考成年人体尺寸[10]，男大学生体宽约为0.43～0.49 m，女大学生体宽约为0.40～0.46 m，因此在模型中将人体空间范围圈半径设置为0.4～0.5 m.

(3) 3个基本作用力参数：根据人体工程学中的论述[11]，中国成年男性在第5和第95百分位的体重分别为48 kg和75 kg，成年女性分别为42 kg和66 kg.综合体重数据和大学生年龄特征，并结合问卷调查数据，在模型中将男生的平均体重设置为60 kg，将女生的平均体重设置为50 kg.一般默认的人体反应时间即弛豫时间为0.5 s，期望速度即最大逃生速度已设定，实际速度平均为1.24 m/s，故计算可得女生驱动力为6 N，男生驱动力为31.2 N；人与人间的作用力和障碍物与边界对人的排斥力随位置关系实时变化.

(4) 逃生出口选择：根据调查结果和心理行为参数量化，发现学生在群体疏散过程中会优先选择较近的出口，再选择人较少的出口.

(5) 行人通行情况：根据建筑布局分析[10-11]，宿舍门每次可通行1人，主楼梯和主出口可通行2～3人，紧急楼梯和紧急出口可通行1～2人.

2.4 火灾场景设置

火灾突发性较强，若能在人员饱和的状态下达到高效率的紧急疏散，对学生的安全具有一定的保障性.因此，本文将火灾发生时间选择为凌晨，此时所有学生还在安寝，共计552人；高校宿舍楼均有门禁措施，在凌晨时段宿舍楼出口门均处于关闭状态.假设火灾点靠近一楼宿舍管理员就寝区，但不影响两个出口的疏散，火点布局如图2所示.

图2 火点布局Fig.2 Fire point layout

火灾发生后，宿舍管理员在第一时间内察觉知晓，并在30 s内打开主出口和紧急出口，通知学生应急疏散需要30 s.30 s后，所有学生开始疏散，逃出宿舍一楼两个出口的任意一个即可脱离危险.疏散过程以安全为准则，以应急疏散时间为指标，减少人员在烟气中的停留时间，提高疏散效率是紧急疏散的关键要素.

3 模拟结果与分析

3.1 女生疏散过程特性

(1) 模拟结果与实际演练结果相符.模拟过程中，利用时间与人数关系表，记录每次疏散时间，取30次的平均值，得到女生宿舍楼疏散总时间为626 s，如图3所示.2019年11月8日，湖州师范学院组织2019级学生在中校区15～21幢宿舍楼进行灭火和应急疏散演练，由于只有一个年级的学生参与演练，每幢宿舍楼的人数均未达到最大值，约占总数的40%～60%，且学生对应急疏散均有心理准备，女生宿舍楼实际疏散总时间约为270 s.对比图3可知，模拟结果与实际演练结果相符.

图3 女生宿舍楼疏散时间关系图Fig.3 The relationship diagram of crowd evacuation time in female dormitory building

(2) 堵塞严重，疏散效率较低.图4为当火灾发生400 s后宿舍楼一楼出口处附近的撤离场景.由图4可见，两个出口处均出现明显因人员拥挤造成的堵塞情况.从图3可以看出，360 s后学生疏散速度减慢，这是由于出口处通行能力固定，大量学生短时间内的集中造成了宿舍出口处人员排队撤离.但此时如果个别学生因心理恐慌而推搡他人，就会极易造成踩踏事件等二次事故，且此时间段救援人员也无法通过出入口进入宿舍楼开展救援.

图4 一楼出口处人群堵塞场景Fig.4 Scene of crowd jam at the exit of the first floor

(3) 紧急出口使用效率不佳.图5为当火灾发生后611 s和620 s时宿舍楼一楼出口处人员疏散情况.由图5可见，此时主要出口处已无学生撤离，而紧急出口处直至模拟过程结束都有学生在逃生.由此表明，两个出口在应急疏散时使用不平衡，没有发挥出人群疏散所需要的最佳效果.结合问卷调查统计结果和现场建筑布局分析可知，造成上述情况的原因主要有两个：一是紧急出口宽度比主要出口小，通行能力较低；二是学生疏散时会优先选择较近楼梯和较少人走的出口.由此造成短时间内紧急出口处人员疏散负荷较大而无法及时向外疏散学生的现象.

图5 一楼出口使用场景Fig.5 Poor use of the first floor exit

3.2 男生疏散过程特性

总体而言，男生宿舍楼疏散时间较短，疏散过程较顺畅，在宿舍楼建筑布局相同的条件下，显然与男生有较强的逃生能力有关.

男生宿舍楼疏散总时间为540 s，比女生宿舍楼疏散时间短，说明男生疏散效率较高.模拟结果显示，紧急出口出现拥堵，显然是由出口宽度狭窄与短时间内所承载的疏散人数需求不匹配造成的.图6的紧急出口处人数较多，且出口宽度仅为1.5 m，因此造成了人群堵塞.图7的主要出口较宽，不会造成明显的人群拥堵，因此可以保证楼内人群持续有序地撤离.

图6 男生宿舍楼主要出口场景Fig.6 Main exit scenes of male dormitory building

图7 男生宿舍楼紧急出口堵塞场景Fig.7 Scene of emergency exit blocking in male dormitory building

3.3 男女生疏散过程共性

(1) 疏散时间不受火点位置影响.多次模拟结果表明，无论是女生宿舍楼还是男生宿舍楼，火点位置不论在哪层走廊，均不影响学生疏散的总体时间.如图3和图8所示，女生疏散总时间约为626 s，男生疏散总时间约为540 s.可见，男生逃生能力较强，6 min内就能疏散95%的人数，而女生疏散时间需要8 min；疏散后期的疏散人数下降缓慢，这是因为楼梯和出口处拥堵,导致学生的疏散速度降低.

图8 男生宿舍楼疏散时间关系图Fig.8 The relationship diagram of crowd evacuation time in male dormitory building

(2) 疏散过程中无人员伤亡.根据多次模拟结果显示，在上述疏散时间内，学生宿舍楼发生火灾后未造成人员伤亡.根据问卷调查结果、现场建筑布局勘验和行人参数设定三方面综合考虑模型模拟显示，由于宿舍楼布局简单、学生有序逃生、次第撤离、没有因推搡他人等造成二次安全事故，一般不会发生大规模人员伤亡惨剧.

(3) 出口堵塞时出现成拱现象.由于出入口宽度较窄，当通行人员过多，特别是在应急疏散时人群互相挤压则会发生拥堵，在出口处易形成拱形.疏散演练和模拟中均会产生此现象，如图9所示.

图9 堵塞成拱现象Fig.9 Blocking arching phenomenon

(4) 从众行为明显.在应急疏散过程中，男女生均表现出跟随大部分人群行动的行为.模拟中发现，当紧急出口处楼梯畅通时，即使主要出口处楼梯人群拥挤，大部分学生还是选择跟随大众继续前行，只有少部分学生看到另一侧楼梯畅通而转变逃生方向，更改逃生路线.如图10所示，在出现危险后，部分学生会跑向另一个出口寻找同伴，随后也会有部分人员跟从，表现出从众心理.

图10 从众行为Fig.10 Conformity behavior

(5) 结伴逃生行为.结伴行为在大学生中表现得十分常见，无论是男大学生还是女大学生多有结伴出行的心理，即在紧急疏散时，会叫上室友一起逃生.图11为结伴行为的模拟表现.

图11 结伴行为Fig.11 Association behavior

3.4 不利场景疏散过程模拟

选择不利场景，即紧急出口关闭导致学生无法撤离，这种场景具有现实性.如果火灾在紧急出口附近发生，此时紧急出口无法成为逃生出口.由于应急疏散时消息不能及时传递，部分学生从右侧楼梯下到二楼后发现无法通过紧急出口撤离，就会通过二层内廊前往主要出口逃生；另一部分学生则知晓紧急出口无法逃生，也会优先选择左侧楼梯从主要出口撤离.模拟结果显示，女生宿舍楼疏散总时间为1 697 s，男生宿舍楼疏散总时间为1 592 s.

由此可见，不利场景下的学生疏散时间几乎是安全场景下疏散时间的3倍.如图12所示，疏散过程中人群拥堵、折返跑动、滞留等现象明显.在紧急出口的二层楼梯处，学生因无法及时撤离而多次折返，在楼道内来回跑动，表现出恐慌效应，此时极易出现推搡他人或体力不支晕倒等情况，从而造成踩踏等二次事故.由此可见，紧急疏散通道对应急疏散起着至关重要的作用，一旦关闭，则会因无法安全撤离而造成人员伤亡.

图12 疏散现象Fig.12 Phenomenon in evacuation

3.5 建筑布局改进后疏散过程模拟

在模拟过程中发现，宿舍楼两侧楼梯和出口处的人群拥挤现象影响了应急疏散效率，且女生疏散效率比男生低.因此，模拟增加女生宿舍楼出口宽度和楼梯宽度，以对比分析女生疏散效率情况.

(1) 仅模拟增加紧急出口宽度，使之与主要出口宽度一致.模拟结果显示，女生疏散总时间为583 s.将紧急出口加宽至可通行2～3人，相较于只能通过1～2人的情形，可减少43 s，疏散效率提高7%，效果明显.

(2) 将紧急出口与主要出口宽度保持一致后，再将东侧楼梯宽度增加至西侧楼梯宽度，这样东西两侧的楼梯和出口宽度均可同时通行3～4人，模拟的女生疏散时间为565 s，比仅增加紧急出口宽度减少约18 s.

图13 两边均可通行3～4人模型Fig.13 Both sides can pass 3～4 person model

如果继续增加楼梯和出口的宽度，疏散效率会不断提升，但当宽度增加至可通行4～5人时，疏散时间降低得并不明显，且对宿舍楼而言，过宽的楼梯和出口需要改动建筑设计和增加成本.因此，综合上述两种建筑布局改动情况可知，在宿舍楼不做大幅度环境改造的情况下，仅增加紧急出口宽度即可有效减少疏散总时间，从而提升逃生效率.