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基于Pathfinder的商業綜合體 安全疏散仿真研究

2021-05-11
來源:中國安全生產 作者:北京市應急管理科學技術研究院 楊建博

 

   本文以商業綜合體為研究對象,運用Pathfinder軟件進行仿真模擬,對比分析了SFPEsteering兩種疏散模式,分析了模擬過程中發現的問題并進行了加寬樓梯、增加安全出口、加外部樓梯三種優化設計。結果表明,steering模式所用時間更短,也更符合實際情況;并通過優化設計減少所需安全疏散時間,提高人們的疏散效率。

 

工程項目概況以及模型建立

 

  本文以某市新時代商業中心為研究對象,來進行此次研究。新時代商業中心是一種大型商業綜合體,其樓層高約為54m,占地面積約為4000m2,樓層數為地下兩層,地上四層。具體分布如表1所示。

本文以CAD平面圖為基礎,再結合Pathfinder軟件構建基礎模型。







安全疏散模擬的基本參數確定

 

  在建模之后,便要考慮模型中的疏散人數。疏散人數的確定,有多方面的影響因素,本文便是根據不同的劃分區域、不同的肩寬和不同的人員類型等多種因素綜合分析得出結果。根據相關標準,各劃分區域的人員數量取決于該區域面積、人員密度和身高肩寬等方面。人員密度具體引用的數據有:西安市某大型商業綜合體進行人員密度現場調研數據,地上四層取0.22/m2;地上三層取0.31/m2;地上二層取0.34/m2;地上一層取0.32/m2;地下一層取0.28/m2;地下二層和一層一樣取0.28/m2。對大型超市賣場的客流密度調研取0.2/m2。對餐飲店人員密度調研取0.051/m2。綜合上述的數據和所建立模型各區域的分布面積得出具體人員分布結果如表2所示。

  通過查找相關資料,確定得出不同區域的人員配比。由于人員速度受到多方面影響,所以在本文中參考了國外的一些標準的估值,具體有男人1.35m/s、女人1.15m/s、兒童0.9m/s、老人0.8m/s。

 

兩種疏散模式對比分析

 

  SFPE疏散模式是使用了消防工程的SFPE手冊中提出的假設組,并能給出與其相似的答案,其控制機制是門隊列,人員會自動轉移至最近的出口。通常情況下來看,SFPE模式的CPU運行時間比steering更快。steering疏散模式中存在防撞和人員的交互作用,其中包含有路徑規劃指導機制。在這種模式下,人員能夠自由選擇自己所需要的路徑。通過基礎模型和上述安全疏散模擬的基本參數,添加人員,開始模擬,模擬過程中電梯禁用。

  通過模擬結果可知,SFPE模型所需安全疏散時間為1396.3s,即23.16min;steering模式所需安全疏散時間為1171.8s,即19.31min。綜合兩種疏散模式的結果,發現steering模式所用時間更短,也更符合實際情況,所以后面所做的優化等工作都是以steering模式進行。

 

模擬結果分析

 

  通過模擬發現了以下幾個問題:一是疏散人員數量巨大,樓梯口會出現擁擠行為,導致人員密度過大;二是初始模擬時,由人員的疏散軌跡及軟件圖表分析可以看出各樓梯利用率高低不同;三是位于地上一層的兩個大型出口供不應求,因為通向地下兩層的樓梯較少,地下兩層亦沒有設置出口,所以最后導致整體疏散時間過長的反而是地下兩層人員擁堵,使得整體疏散效率變慢。

 

優化設計

 

  綜合上述情況,結合2018版《建筑設計防火規范》筆者對本文的模型做了如下優化。

  規范規定公共建筑安全疏散出口(包括門)的凈寬度不應小于0.9m,疏散走道和樓梯的凈寬度不應該小于1.1m。而本文所做的初始模型中,樓梯寬度最小凈寬度為1.2m,疏散門的最小凈寬度為1m。兩者全部符合規范規定。但由于商業綜合體屬于人員密集場所的公共建筑,由初始的模型模擬可知,其在樓梯處滯留時間過長,疏散效率太低。為了使人員疏散效率提升,本文將把樓梯進行加寬。由1.2m加寬至1.35m,亦符合建筑設計防火規范。

  本文所做的初始模型在地上一層設有兩個大型安全出口,符合規范規定。但由于模擬時將地下停車場的安全出口禁用,嚴重影響人員的疏散效率,所以在地下一層加一個大型安全出口,以緩解地下停車場由于出口禁用而增大的人流。此層出口為斜坡式安全出口,直通地面,和現實大型地下超市所設計的安全出口類似。其出口設置在正北方,兩個小型辦公室的中間。

  由于此模型都設置為封閉樓梯,但一般的商業綜合體都設有外部樓梯和電梯(本文電梯禁用),故為了提升人員疏散效率,可仿照現實商業綜合體加設外部樓梯,可在火災發生緊急疏散時使用。外部樓梯設置在兩邊的樓梯中間,樓梯寬度和改進后樓梯寬度相同均為1.35m,一眼看去感覺像三個“口”字連接,貫穿一到四層,看起來也很美觀,如圖所示。

 

驗證分析

 

  通過優化設計再次模擬,其結果如下:

  加寬樓梯后疏散時間為1051.5s,疏散時間減少了120.3s。

  地下一層加一個大型安全出口后疏散時間為1007s,疏散時間減少了164.8s。

  在地上一層到四層加外部樓梯后疏散時間為1081.8s,疏散時間減少了90s。

  現在在原模型的基礎上,先加寬樓梯,接著在地下一層加一大型安全出口,最后加一至四層的外部樓梯,然后進行模擬。結果為:加寬樓梯的模擬時間為1051.5s,疏散時間減少了120.3s;在加寬樓梯的基礎上增加安全出口的模擬時間為896.8s,疏散時間共減少了275s;在前兩者的基礎上加外部電梯的模擬時間為759.5s,疏散時間共減少了412.3s。經過三步優化,把此模型所需的疏散時間由初始的1171.8s降到759.5s,共減少疏散時間412.3s,使模型得到了優化,明顯提升了人員的疏散效率。

 

結論

 

  本文通過優化設計減少了所需安全疏散時間,提高人們的疏散效率。

  不管怎么優化,商業綜合體的人流量巨大是個不爭的事實。這也是Pathfinder軟件本身的缺陷,無論做何種優化,樓梯口的人員擁堵是無法解決的問題。

  上述文中的三步優化沒有誰優誰劣,他們都是為了減少模型所需疏散時間而服務。三步優化共同作用所減少的疏散時間,肯定和三步單獨對原模型優化時間的機械相加不同。也就是說三步優化之間有作用力,雖然三步優化最終減少了所需安全疏散時間,但是每兩種疏散優化有時會抵消一部分對方的積極作用,有時反而會促進對方的優化。

  優化雖然減少了所需安全疏散時間,但是也凸顯了樓梯利用率的問題。在初始模擬時,雖然樓梯利用率不同,但模型中所有樓梯都在使用;在優化模型后,側邊角的樓梯使用率大大降低,也可以通過軟件圖表分析發現有十個樓梯在疏散過程中根本沒有使用,利用率為0。


【責任編輯:cheng】
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