基于pathfinder的新冠疫情常态化防控期商场应急疏散模拟探究

2020-10-29 09:14:05 来源:西安科技大学安全科学与工程学院西安科技大学理学院作者:徐睿锟李英浩杨漪阅读：次【打印本页】

摘要：新冠疫情防控时期，各大室内人员密集场所尤其是商场防控的人员限流缩控制度以及检疫制度已成为新常态。由于商场人员结构复杂且人数众多，当地震、火灾等应急情况发生时解决人员疏散问题是减少和避免安全事故的重中之重。本文利用Pathfinder软件通过导入建筑图纸以及设置人员参数建立仿真模型，并在Steering模式以及SFPE模式下对应急情况时的人群疏散行为进行模拟，探究了不同安全出口锁闭时的疏散时间以及安全出口利用率的变化，分析出入口的改变对疏散效率的影响。模拟结果表明：某些疏散出入口随时间的改变会有安全出口拥堵或者长时间空置现象，安全出口流通率的降低以及拥挤度的提高会导致疏散效率的降低。在疫情常态化防控下有必要在安全人员疏散的同时减少出入口的数量来降低防疫工作的难度。本文给出的数条疫情新常态下商场的应急疏散策略，可为防疫工作和安全疏散提供参考以实现平衡，文中对于安全出口疏散效率的研究也具有普遍性意义。

关键词：消防疫情防控应急疏散仿真模拟

1 引言

新冠疫情的新常态下，全国各地、各部门都进行了全面的防控部署，商场的出入作为基本防控工作中的一环对其实施严格的管控。为了保证安全检测的效率和有序性，一般建筑都选择了特定的出入口，使人员流动具有方向性，在入口处安排检测人员。当人民群众进入商场区域时，需扫描健康码，在规定的入口检测体温正常后方可入内。

部分欧美发达国家^[⁶^]对于大型商业综合体的设计会以本国规范和性能化设计作为共同依据。上个世纪八十年代，火灾中人的行为研究进入计算机模拟阶段，针对超出规范规定的内容国外学者已开发了多种疏散模型及响应的计算软件进行模拟。计算机直接模拟并记录不同时刻几何位置上人员在建筑内的疏散时间，并动态显示人员疏散移动的全过程。美国的Francis开发的预测最小理论疏散时间网络模型EVACNET＋、由Stahl开发的火灾行为模型BFIRES-Ⅱ，BGREF、AEA EGRESS等。

在我国，大型商业综合体主要是依据《建筑防火设计规范》（GB50016-2014（2018版））、《商店建筑设计规范》(JGJ48-2014)进行设计。现代商业综合体建筑结构复杂，性能化防火设计尚欠缺。

香港城市大学建立SGE M模型，在几何空间上将建筑物划分成反应能人员具体位置细网络，数值模化对实际工程疏散，取得良好实践效果。虽然绝大多数建筑防火设计中安全出口数量按规范设计，但由于新老规范要求不同、建筑使用性质改变、违规投入使用等现象，仍存在有人员密集场所安全出口数量不足，宽度不够的现象。特别是疫情防控时期，为方便人员管理，多数安全出口锁闭，只留一个安全出口，可能会在紧急情况出现疏散效率降低的危险。而目前针对新冠疫情常态化的应急疏散却尚少有研究。

本文意在根据性能化设计探究新冠疫情常态化防控时期的应急疏散策略，从最大化疏散效率的角度，利用Pathfinder软件建立模型，通过设置人员的人数、运动模式以及逃生出口的数量及状态等，对商场的人员疏散进行仿真。从疏散时间、安全出口的通过率、疏散路径等方面探索疫情期间人员疏散的模式，研究不同安全出口锁闭时对疏散时间以及效率的影响并且从安全出口的利用率的角度探究更为有效的安全出口的设置来提高疏散的效率。

2 建筑概况

模型来自西安市某综合性商城见图1，东西南北四邻街道。该商城建筑高度为16.3m，占地面积为4112.62㎡，总建筑面积为12338.86㎡。

本建筑共3层，每层进深约42.4m，开间约79.2m，2层有一处小错层高度高于第2层不与3层连接。1层有商场主入口、次入口、东门、西门、西小门、东小门、北小门和消防控制室（一般为关闭状态）一共8个门以及12个独立的沿街商铺。总疏散宽度为94.8m。

3 仿真实现方法

3.1 建立模型

根据建筑图纸上的参数设置楼层分别为0m、6.0m、7.7m(第二层的错层)、11.1m、总计三层。参照导入的CAD文件作为模板，定义地板、门（内门和出口）、墙、楼梯等。为了近乎真实模拟疏散情况，地板仅定义人群可活动的区域，电梯、内墙障碍物等在模型中不给予定义。各房间的墙、各房间的面积大小、门的宽度以及楼梯的设置完全依照建筑设计图建立。考虑到真实性，第二层和顶层的错层也设定了不同的相对高度，并用楼梯连接相连楼层。

（1）一层及其安全出口见图2

其中1层有商场主入口、次入口、东门、西门、西小门、东小门和北小门7个门可作为疏散的安全出口，同时利用1-7的数字对7个安全出口进行编号。12个独立的沿街商铺的门不能连通建筑主体故不作为模拟对象。

（2）商场二三层见图3

3.2 人员参数设定

考虑到商场人员类型复杂，我们设定四个类型老年人、儿童、成年男性和成年女性。以某市全国普查人口数量为基准^[⁴^]，在考虑到商场高峰期期人员分布的前提下进行预测，对于该疏散模拟人员类型的疏散比例见表1。

对于不同人员类型疏散时的行走速度我们参考同为疏散仿真软件Simulex的分布。速度分布使用正态分布，为了反应较大的离散程度，标准差采用软件自带的系数1。见表2。

3.3 楼层结构及人数设置安排

商店的疏散人数应按每层营业厅建筑面积乘以疏散值和确定的，地上商店的面积折算值应在50％-70％，地下商店的折算面积不应小于70％。

根据《建筑设计防火规范》^[³^]GB50016-2014(2018年版)第5.5.20条第7项人员密度由表3确定

表3商店营业厅人员密度表（人/㎡）

根据《商店建筑设计规范》 ^[³^]JGJ48-2014第3.1.2条：

商业建筑的建筑、仓储的辅助三个部分的建筑面积分配笔记可参照表4

本建筑的一层、二层、三层建筑面积分别为3332平方米，（其中一层包括1547㎡的与主体建筑相连的内部面积和1785㎡的办公大厅、临街独立商铺建筑），3674㎡，3650㎡。

故取：业厅商店的疏散人数应按每层营建筑面积的折算值为0.7，一二层疏散人数密度为0.6，三层为0.5，营业面积占每层商店建筑面积的比值取0.5。

于是有：商城一层的标准容量为1547×0.7×0.6×0.5≈332人；二层的标准容量为3674×0.7×0.6×0.5≈772人，三层的标准容量为3650×0.7×0.5×0.5≈640人

参考网络数据统计，疫情期间综合商业体人数占总人数的65％。

故每层的设计人数由下表5所示：

3.4 安全出口全开时的模拟

3.4.1 Steering模式下的模拟

在Steering模式里，门不会限制人群的流动，人与人之间会保持一个合理的间距。

根据人员疏散时间的计算公式:trest=tdet+tresp+tmove

其中tdet表示火灾报警时间,tresp表示人员响应时间,tmove表示人员疏散运动时间。由参考文献设定tdet+tresp=20s。基于SFPE的《防火工程手册》的推荐，安全系数为1.1。Steering模式下，在Pathfinder中进行模拟，该写字楼人员疏散运动时间为380.53秒，则：

trest=tdet+tresp+1.1tmove=438.583s

图4为疏散时间与人数的分布曲线：

图4 Steering模式下疏散人数时间变化曲线图

由于在Steering模式里，门不会限制人群的流动，人与人之间会保持一个合理的间距。考虑到疏散时真实拥挤的情况，以及门实际流通的人流量，需要进行更为贴近于紧急情况的模拟。

3.4.2 SFPE模式（安全逃生模式）下的模拟

在SFPE模式里，人们并不会试图去避开对方，并且会互相拥挤，但是门会限制人群的流动，人员的流动是由空间中的人员密度控制的，与慌乱状态下的人群的疏散模式更为贴合。

在SFPE模式下模拟中，疏散运动时间为276.53秒，时间与人数的分布可得到曲线分布图5

图5 SFPE模式下疏散人数时间变化曲线图

根据人员疏散时间的计算公式:

trest=tdet+tresp+1.1tmove=324.183s

4 对安全出口通过率和拥挤度的分析

由于商城中人员密度大，疏散速度与路径和门的大小有较大关系，因此我们用Pathfinder提供的出入口流通率的数据进行研究。

图6为各个安全出口的通过情况：

图6各安全出口人员疏散利用率汇总图

通过安全出口的利用率的数据可以分析得到：商场西门和商场次入口这两个安全出口的使用率和通过率很低，结合模拟动画分析其原因在于这两个安全出口离楼梯较远，在最近距离的选择上人们会排除这些路线。见图7

图7 商场次入口和商场西门的通过率

考虑到新冠期间因检疫需要在出入口处设立测温点，为了降低检疫工作的难度，许多商场会在适当情况下关闭一些安全出口。通过数据发现商场西门和次入口的拥挤程度高，最拥挤时平均每秒有3人堵在门口处不利于人群的疏散，且都在50秒左右不再有人经过，安全出口的利用率低。所以考虑将这两个安全出口关闭后再次进行疏散模拟。

模拟得关闭商场次入口和西门后模拟的疏散时间为284.32s。见图8

图8 改变参数后的疏散人数变化图

通过人员疏散时间的计算公式:

trest=tdet+tresp+1.1tmove=332.752s

安全出口全开和关闭两个安全出口时的通过率的对比分析：

首先对其余安全出口进行编号：1.商场主入口 2.商场西小门 3.商场东小门 4.商场东门 5.商场北小门，可得到5个安全出口参数改变前后的利用率变化曲线。

图9商场主入口改变参数的前后利用率变化图

观察安全出口1参数的变化前后数据可发现，当参数改变后安全出口1在前期50秒前整体的拥挤程度明显降低，25s处通过人数的峰值从5降到了2.5左右，并且曲线更加缓和说明了安全出口的通过也有明显提高。而中期50s-150s期间安全出口的通过率也有明显增加。

图10商场西小门改变参数的前后利用率变化图

观察安全出口2参数的变化前后数据可发现，当参数改变后安全出口2在50s-100s期间的通过率有明显提高，并且其拥挤程度也较低，可发现曲线围成的面积增加意味着该安全出口最终的疏散人数增加，达到了很好的分流效果。

图11商场东小门改变参数的前后利用率变化图

观察安全出口3参数的变化前后数据可发现，参数改变后该安全出口的曲线无明显变化，通过率和拥挤度均无明显变化，意味参数的改变几乎不影响此安全出口的疏散。

图12商场东门改变参数的前后利用率变化图

观察安全出口4参数的变化前后数据可发现，参数改变后曲线上移，尤其在100s前通过率有明显增加，说明该安全出口改变参数后在前期起到了很好的分流作用，提高了疏散的效率。

图13商场北小门改变参数的前后变化图

观察安全出口4参数的变化前后数据可发现，参数改变后该安全出口的曲线无明显变化，通过率和拥挤度均无明显变化，意味参数的改变几乎不影响此安全出口的疏散。

分析：在模型中关闭次入口和西门两个安全出口后发现通过率低且拥挤度高的安全出口的减少几乎不改变疏散时间反而会增加了疏散效率。其原因在于：某些安全出口的数量虽然减少，但是疏散人群的分流会提高一些安全出口的利用率并且降低了一些安全出口的拥挤度，最终导致疏散效率的极大提高。

从消防角度来讲，紧急情况的发生不可预测，但是在新冠疫情的新常态下为了有利于安检工作的进行确有锁闭一些安全出口的需要，应选择暂时关闭利用率较低的安全出口。并且安排专门的安全人员随时进行监督，即时打开逃生通道。通过绘制路线图或者设置相关人员进行引导的方式，也能减少拥堵，从而加快疏散速度。

5 结论

（1）商场的出入口作为火灾发生时的重要逃生出口，应保证“随时可出”的状态。尽管是在疫情期间对“出入”商场有将严格的限制，但是切不可忽视“门”是紧急情况发生时，应急疏散的重要逃生通道。商场的负责人应单独安排人员负责，在紧急情况发生时打开商场的安全出口，保证人员疏散的顺畅。

（2）通过模拟疏散动画发现人员会选择距离疏散楼梯和安全出口最近的路线进行逃生，从而安全出口出现拥挤，并且会出现低用率的安全出口，这类安全出口前期拥挤，而后期少有人会选择，出现闲置的情况。面对这种情况，我们建议高层的管理人员再进行疏散时可以委派人员在拥挤的安全出口处和楼梯处进行分流工作，从而尽快完成疏散

（3）若在安全状态下确有闭锁出入口的需要，可以选择暂时性关闭人员疏散利用率较低的安全出口。若紧急情况发生，安全员无法打开大门，可使不可控危害造成最低。这类低利用率的安全出口，常常位于一层远离疏散楼梯的位置，特点为前期人员疏散会出现拥挤情况，后期少有使用。

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