基于Pathfinder的購物中心防火疏散研究

田冬梅,馬欣悅,姚 建

(華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

據2022年市場調查表明,國內頂級購物中心(北京SKP、上海恒隆、成都太古里等)的日均客流量遠超3.5萬人,這些購物中心的特點為建筑結構復雜、人流量密集、人員比例多樣化。一旦發生火災,在短時期內可能聚集大量人流,如果僅依靠疏散樓梯,無法在火災初期快速安全地疏散人群,必須引入其他疏散工具,相互配合才能達到安全疏散的要求[1]。目前在國內的各類大型建筑中,內部設置自動扶梯和消防電梯的居多,其中尤以購物中心為代表,是購物中心層與層之間的重要交通設施,一般位于中心位置,醒目易見,多被消費者所熟悉,這對火災疏散而言是有利的一面。

國內外相關學者在大型購物中心的防火疏散進行了大量的研究,例如,國外學者Bazjanac[2]打破了人們不能采用電梯、自動扶梯疏散的慣有思維,初步探索采用電梯進行防火疏散的可能性;Klote[3]用理論和實踐證明在高層建筑發生火災時,自動扶梯和電梯可在疏散時間上節約一半;E Ronchi等[4]提出電梯、樓梯耦合電梯、轉換樓層和天橋組合的方式疏散效率最高,但存在局限性;國內學者黃哲[5]探討了自動扶梯在疏散方面的潛在功能及輔助作用;岳芙蓉等[6]建立了自動扶梯行人運動行為的微觀元胞自動機(CA)仿真模型,研究了不同行人運動模式下的實際自動扶梯容量。姚斌等[7]研究了自動扶梯在不同工況條件下對地鐵人員疏散的影響;楊海明等[1]提出了高層建筑樓梯與電梯耦合的安全疏散策略;梁驍等[8]通過大量實驗對大客流緊急疏散進行分析,得出自動扶梯與固定樓梯共同運行時的安全疏散效果;許曉元等[9]在滿足相關防排煙、排水、供電技術要求的基礎上,證明了電梯疏散的可行性。而在實際生活中,也有自動扶梯和電梯用于火災疏散的案例,同濟大學將電梯、樓梯耦合疏散技術用于上海最高建筑“上海中心大廈”,取得了理想的疏散效果[10]。

前人已經探索了自動扶梯和電梯疏散的可行性和潛在輔助作用,基于此,將采用Pathfinder軟件對人員防火疏散進行仿真模擬,全程設定了5個疏散模式[11],通過分析計算不同模式下的疏散耗時、疏散出口利用率和疏散工具利用率情況,判斷出哪種疏散模式最優,為購物中心安全消防管理提供設計方案和理論依據。

1 Pathfinder仿真模擬軟件

1.1 Pathfinder仿真模擬軟件簡介及原理

Pathfinder軟件是美國Thunderhead Engineering公司研發的智能人員緊急疏散逃生評估系統,主要應用于火災條件下的人員疏散。它支持SFPE和Steering兩種模式[12],其中Steering模式更符合現實需求,可在2D平面內自行設置人員可活動的區域、樓梯與安全通道、人員類型分布,還能設置人員的身高、肩寬和行動速度,通過三維空間層面的視圖,對建筑物內部人員疏散的過程進行展示,每個人的運動都被計算在結果之內,然后得出每個個體匹配的參數,以便準確確定個體在火災發生時的最佳疏散時間和疏散路徑。因此其更適合人員密集場所的應急疏散仿真。

1.2 人員疏散時間

安全疏散是指火災等緊急事件在危害到疏散人員生命安全之前,人員能夠快速撤離到安全區域的行為。早期的人員疏散時間計算時基于理論分析和實地監測總結的經驗公式,例如:Puals經驗公式[13]、Togawa經驗公式、Melinek和Booth經驗公式[14]。

目前國際公認的安全疏散時間計算標準為:人員必要疏散時間trest小于人員可用疏散時間taset。而人員必要疏散時間與人員可用疏散時間的差為安全余量。緊急事件人員疏散過程如圖1所示。

由圖1可知人員疏散時間為:

trest=tdet+tresp+tmove

(1)

式中,tdet為火災探測報警時間;tresp為人員響應時間;tmove為人員疏散運動時間。

2 數值建模

2.1 商場建筑概況

本文將選取某購物中心為研究對象,該購物中心共6層,地下2層,地上4層,建筑總面積約為47021m2。地下1層為停車場,共有262個停車位,在停車場南面和北面分別設有一個出口;地下2層為超市,由室外樓梯可直接進入;地上第1層至第4層各設有家電家具賣場區、服裝區等7個區域?？紤]到人員聚集程度和人流量分布情況,將主要研究購物中心的第1層至第4層。購物中心一層共設有4個疏散出口,分別為出口door595、door597、door589和door600;整體設有五部疏散樓梯、六部自動扶梯和五部消防電梯,緊急情況下全部開放使用。購物中心建筑平面圖、疏散出口位置和疏散工具分布如圖2、圖3所示,主要工程概況見表1。

圖2 建筑平面圖

圖3 疏散出口和疏散工具位置分布圖

2.2 人員參數設定

2.2.1 疏散人員特征的設定

人員的疏散行為特征對于最終的疏散效果影響重大,應最大的程度還原實際情況。本案例購物中心人員結構較為復雜,為了保證仿真模擬的真實性和準確性,最大程度確定了不同類型人員體寬、步行速度和人員反應特性等情況[15]。結果見表2。

表2 不同類型疏散人員特征參數

根據美國消防工程師協會SFPE的消防工程手冊《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》以及實際測量,可以得到緊急情況下的兒童運動速度為0.72m/s,青年人運動速度為1.02m/s,老年人運動速度為0.87m/s。

2.2.2 疏散人員樓層分布參數

購物中心第1層至第4層各設有家電家具賣場區、服裝區、珠寶首飾化妝品區、兒童娛樂區、KTV和餐飲區。第4層的疏散人數最多,流動量較大,主要人員為青年女性,比例達到了48%。其次是第1層的珠寶首飾化妝品區,疏散人數達到900人。具體疏散人數和分布情況見表3。

表3 疏散人員樓層分布情況

2.3 模式設計

按照最新修訂的GB50016-2014《建筑設計防火規范》[16]規定,超過5層的商業建筑應設封閉樓梯間,即5層以下的商業建筑均可采用開敞式疏散樓梯,本研究的購物中心地上4層,引入自動扶梯是完全滿足開敞式疏散樓梯的消防安全條件的,不將自動扶梯作為疏散工具是考慮到煙氣的侵襲,但開敞式疏散則沒有這樣的考慮和要求。一般而言,普通電梯不應作為疏散工具使用,參照GB50016-2014《建筑設計防火規范》的附錄條文,即總建筑面積大于20000m2的商店(商場)建筑需要設置消防電梯。

考慮到購物中心的整體布局和消防規定,疏散工具將以疏散樓梯和自動扶梯為主,輔以電梯,本研究設置了5個疏散模式,模擬驗證各個模式下的疏散效果。

模式1:使用疏散樓梯進行模擬;

模式2:在疏散樓梯的基礎上,上行與下行自動扶梯均停運,等效為疏散樓梯;

模式3:在疏散樓梯的基礎上,上行自動扶梯停運,等效為疏散樓梯,下行自動扶梯正常運行;

模式4:在疏散樓梯的基礎上,上行自動扶梯反轉,調整為下行,下行自動扶梯正常運行;

模式5:選擇模式1～4中疏散效果最佳的模式,再輔以消防電梯,按照規定要求消防電梯僅用于消防隊員救援或老人和兒童等行動緩慢人員的疏散。

3 數值模擬及結果分析

3.1 疏散耗時分析

對5個模式的仿真模擬,分別得出了各模式疏散耗時記錄。該購物中心的模擬疏散數據見表4、表5。

表4 模擬疏散耗時

根據前4個模式的模擬數據可以看出,模式1的疏散耗時最長,為556.5 s;模式4的疏散耗時最短,為466 s,模式2和模式3的疏散耗時分別為528.5 s和517 s。模式4相比模式1在耗時上足足縮短了16%,而模式2和模式3的疏散人員幾乎同時到達一層疏散出口。

模式2在模式1的基礎上相當于增加了六部疏散樓梯,最晚到達一層疏散出口的時間為528.425 s,有效縮短了疏散耗時,符合預期值。模式3和模式4在模式1的基礎上又進行了調整,可以看出模式1的疏散距離最短為87.979 m,模式3和模式4的疏散距離持平,均為112 m,但在同等距離下,模式4的耗時明顯較其他3個時間縮短。

隨后將選取模式4作為疏散效果最佳的模式,輔以五部消防電梯,因消防電梯具有局限性,最終模式5的疏散耗時為455.5 s,比模式4提前11 s完成疏散。

3.2 疏散出口利用率分析

疏散出口利用率由人流量所反映,根據模擬運行結果統計各模式下疏散出口利用率情況(如圖4所示)。出口Door600在不同模式下人流量峰值均大于其他出口,且達到人流量峰值時間也均早于其他出口,并作為主要疏散出口持續疏散人員至結束,出口Door589距離疏散樓梯相對較遠導致選擇該出口的疏散人員較少,人員流量峰值在不同模式下均晚于其他出口,人員疏散時間相對較短。模式1中由于僅開放疏散樓梯,出口Door595和出口Door597人員疏散出口利用率時間大致相同,模式2、3、4中增加了疏散工具,出口Door597人員疏散利用率得到了大幅度提高,模式2、3人員整體疏散時間集中在200 s以內,而模式4人員整體疏散時間集中在150s以內,整體疏散效率得到提升。模式4中,出口Door600疏散時間大幅度降低,相反出口Door589疏散時間得到了提升,緩解了出口Door600人員疏散壓力。結果表明模式4情況下購物中心人員疏散出口利用率得到大幅度優化。選取最優疏散模式輔以消防電梯模擬發現模式5情況下主要疏散出口的人流量分布趨勢有所平緩,說明人員疏散情況穩定,且總疏散時間有所減少,疏散效果最佳。

圖4 疏散出口利用率情況

3.3 疏散工具利用率分析

統計不同模式下疏散樓梯、自動扶梯和消防電梯的人流量,根據人流量判斷疏散工具在各模式中的使用情況。在樓梯疏散利用率方面(如圖5所示),疏散人群趨于恐慌心理的作用,火災發生時會潛意識地選擇距離逃生出口最近的疏散樓梯進行安全疏散,而出口Door600作為購物中心正門口,周圍分布了Stair51、Stair57、Stair58三部疏散樓梯,圖中可以看出模式1中持續人流量最大、疏散時間最長的樓梯為 Stair51,說明該模式Stair51疏散樓梯處擁堵情況較為嚴重,人員疏散速度減緩,在疏散到300 s的時候人流量激增,在實際人員疏散的情況中可能會造成嚴重后果。模式2、3、4、5情況下對疏散工具做出優化,結合自動扶梯不同運行方式有效降低了疏散時間,提高了疏散效率。

圖5 疏散樓梯利用率分析

模式2開始將添加自動扶梯,選取了部分自動扶梯數據,如圖6所示。據圖3(a)出口位置,Ramp15和Ramp16位于購物中心東南角,距離Elevator01和Elevator02較近,疏散過程中,Elevator01和Elevator02疏散人數之和遠小于Ramp15和Ramp16,除了消防電梯的限制規定外,疏散人員更樂于選擇自動扶梯。其次Ramp21、Ramp22和Ramp22在4種模式下,耗時均控制在100 s,對比疏散樓梯,疏散效率達到最高值。無論是疏散耗時方面還是人流量方面,自動扶梯比疏散樓梯整體提升,利用率最高,說明選擇自動扶梯進行安全疏散可有效提高疏散效率。

圖6 自動扶梯利用率分析

由圖7所示,消防電梯Elevator00利用率最高,Elevator01次之。由于消防電梯是在模式4的基礎上添加的,適用于含有老人兒童等行動不便人員,通過消防電梯疏散行動不便人員能夠有效提高人員疏散效率。但受電梯啟閉時間、運行加速度和分離層等多因素的制約,消防電梯無法成為加快疏散效率的主流工具。根據不同疏散人員類型選取不同防火安全疏散方案,了解大型商業綜合體火災與疏散的相關特點,做好科學設計,才能夠有效預防火災,減少人們生命財產損失。

圖7 消防電梯利用率分析

4 結論

(1) 在設定的5個模式中,疏散耗時分別為556.5 s、528.5 s、517 s、466 s、455.5 s,其中疏散樓梯基礎上并用上行反轉、下行正常運行的自動扶梯模式效率在大眾人群疏散方式中相對更高,能夠有利于盡快完成疏散。

(2) 相對于其他出口,出口Door600的人流量一直是最高的,而出口Door597利用率最低,為減輕疏散壓力,在日常生活中工作人員應該設置明顯的出口指示牌,并加強顧客對該購物中心疏散出口的熟悉,發生火災時進行專業引導,避免人員疏散集中擁堵,進而提高火災疏散效率。

(3) 與傳統的主要采用疏散樓梯作為疏散工具相比,自動扶梯通常具有較大的運輸能力,在此次模擬中自動電梯的充分利用,加之行動緩慢人群輔以消防電梯進行疏散,高效縮短了疏散耗時,超出預期值。