成果介绍：不同楼梯入口设置方式下人员疏散的模拟研究

     作者：李斌

    楼梯作为高层建筑中的垂直通行设施，在火灾发生后往往成为人员的主要疏散通道，《高层民用建筑设计防火规范》( GB50045—95)与《建筑设计防火规范》( GB50016-2006)中也将楼梯作为发生紧急情况时推荐使用的逃生工具。目前，大部分的疏散研究考虑的场景为建筑中的平面区域，而对于楼梯这一特殊建筑结构的疏散研究较少。紧急疏散情况下楼梯中人流的运动与水平人流运动相比具有特征性，Yang等人根据观测数据指出楼梯运动具有显著的汇流行为。楼梯疏散过程中，将要进入楼梯间的人流和楼梯上已经存在的人流在平台发生汇流行为，汇流行为是楼梯疏散过程中的重要影响因素，顺利的汇流行为可以有效地保障人员安全疏散。汇流行为过程中的人员相互作用以及人与环境作用复杂，影响因素众多。Galea等人研究指出建筑类型、平台结构、人员密度等因素均对汇流行为存在影响；Hukugo等人指出在具有相同优先权的条件下，处于楼层上的人员更容易进入楼梯。汇流行为是楼梯中人流运动的重要特征，合理的设计可以促进汇流行为的顺利进行。文章基于数值模拟分析，探讨了高层建筑楼梯间入口设置形式对汇流行为的影响，给高层建筑的人员安全设计提供一定的参考。

    1  模型构建

    1.1  疏散软件

    Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的一款基于agent的疏散仿真软件，它可以提供2D、3D和导航视图。Pathfinder采用Hart的A*运算法则和三角形导航网格生成人员运动路径。Pathfinder提供Steering模式和SFPE模式，由于Steering模式更加符合人员运动的实际情况，本次模拟研究采用Steering模式。Steering模式通过结合路径规划、指导机制和碰撞理论来控制人员运动，人员之间的距离和最近路径点超过某一阈值，算法就会生成新的路径，改变人员的运动路径。

    软件中每位人员具有最大速度（vmax），软件基于每位人员的最大速度和人员密度计算人员当前速度。

当人员密度小于0.  55 pers/m2时，人员速度：

    当人员密度大于等于0.  55 pers/m2时，人员速度：

    式中：v(D)为人员速度，In／S；k为速度系数，人员位于水平面时取1.4，人员位于楼梯时取；D为人员密度，pers/m2。

    1.2人员属性

    不同的建筑中人员组成均不一样，各种具有不同特性的人员个体在疏散过程中会表现出差异性=模型中人员的不同年龄段分布以及不同性别比例设置对疏散结果具有较大的影响，模型综合考虑了性别比例和人员年龄问题。模型中不同属性人员的最大速度和肩宽采用均匀分布，人员速度参考德国Helbin,g的研究结果，人员的具体属性设置见表1。

    人员的初始位置采用随机分布形式，5种疏散场景以及模型中各层的人员初始位置一致，模型中各层的初始人员数量为50人，密度为0.5 pers/m2，人员的疏散预动作时间设置为Os，

    1.3模拟场景设置

    模型中建筑层高为3m，建筑总共10层，模型考虑了5种不同楼梯间人口设置形式的疏散场景，这5种场景覆盖了常规的楼梯间入口设置形式，如图1和图2所示。

    各层的楼层平台连接的相邻上下梯段分别称为上段楼梯和下段楼梯，具体场景设置如下：

    ①场景1：楼梯间入口位于临近上段楼梯的楼层平台侧面；

    ②场景2：楼梯间入口位于临近下段楼梯的楼层平台侧面；

    ③场景3：楼梯间人口位于楼层平台正面正对上段楼梯的位置；

    ④场景4：楼梯间人口位于楼层平台正面正中间的位置；

    ⑤场景5：楼梯间入口位于楼层平台正面正对下段楼梯的位置。

    各层人员的初始位置位于一个lOm×lOm的房间，房间通过一个宽度为1. 2m、厚度0.2m的门与楼梯平台连接，楼梯平台尺寸为1. 6m×2.6m。楼梯宽度为1. 2m，楼梯踏步高度15cm，踏步宽度25cm。

    2  结果与分析

    通过对5种楼梯间入口设置形式的疏散场景进行模拟，模拟的时间结果见表2。可以看出，场景1中第一位人员到达出口的时间最短，其次是场景4，而场景2、场景3和场景5中第一位人员到达出口的用时最长。疏散距离会增加疏散时间，分析可以知道场景1的疏散距离最短，场景3的疏散距离大于场景4、场景5和场景2，这与第一位人员到达出口的用时并不完全一致。

    疏散时间结果表明，场景3的疏散时间最短，场景4和场景5次之，而场景1和场景2的疏散时间较长。从疏散时间可以看出，楼梯间入口位置位于楼梯对面比位于楼梯两侧更有利于人员疏散。

    各楼层人员进入楼梯间的疏散时间如图3所示。从图中可以看出,随着楼层的增加，疏散时间呈现上升趋势，但是第十层的疏散时间与第九层相比有所减少。图4是场景l下顶部楼层的人员疏散进程图，当疏散时间t=7.Os时，第十层人员未进入到第九层楼梯平台，第九层房间和第十层房间的人员疏散进程表现出一致性。当疏散时间t= 40.Os时，第十层的人员下行与第九层的人员在楼梯平台发生汇流行为，汇流行为过程中人员相互作用，导致第九

层人员进入楼梯平台的时间较长，第九层房间人员的疏散进程表现出显著滞后。对前九层的疏散时间数据进行线性拟合，相关系数R2达到0.991，结果表明各楼层的疏散时间与楼层数表现出高度的线性关系。各楼层的疏散时间显示场景3和场景4的楼梯间入口设置方式更有利于各楼层人员离开当前楼层进行疏散。

    图5为各楼层楼梯间人口的平均流量系数。随着楼层增加，楼梯间人口的流量系数不断减少，并且相邻两层的流量系数差值也逐渐降低。各场景下的前五层楼梯间人口流量系数存在显著差异，其中场景2和场景4的前五层疏散情况较好，而后五层各场景之间无明显差异。

    图5可以看出，各楼层的平均人员流量之间存在较大差异，楼层数越大则平均人员流量越小。第十层楼梯间不存在汇流行为，但平均人员流量依然较低，由此可知汇流行为并不是决定各楼层人员进入楼梯间时间的主要因素。

    根据图3可知，各楼层人员疏散时间与楼层数符合线性关系，第一层的疏散时间直接影响二层及以上楼层的疏散情况。研究重点分析第一层和第九层的人员疏散过程，如图6和图7所示。疏散开始的lOs内，5种场景的第一层疏散过程没有表现出明显差异，随着疏散的进行，场景1的第一层疏散过程开始出现显著的滞后，总疏散时间达到85s。从第一层人员疏散过程可以看出，场景2和场景4下的楼梯间人口设置方式较有利于第一层的人员疏散。

    第九层疏散过程如图7所示。疏散开始的30s内，八层及以下各层楼梯间均未发生人员堵塞，5种场景下的人员疏散较为顺利，而后疏散出现较为严重的停滞，疏散进展缓慢。疏散时间达到30s时，八层及以下各层楼梯间发生人员堵塞，与此同时第十层人员下行到第九层楼梯平台，汇流行为的发生严重妨碍了第九层人员进入楼梯间，使第九层人员积聚在楼梯入口处。当疏散进行到275s，第八层楼梯间人员堵塞消失，第十层人员离开第九层，此时第九层人员可以顺利进入楼梯间进行疏散=因此下层楼梯间入口汇流造成的堵塞是影响相邻上层人员疏散的主要因素。第九层疏散过程与疏散时间结果表现出一致性，场景3和场景4较有利于高层建筑中人员的安全疏散。

    楼梯间入口位于楼梯对面比位于楼梯两侧更有利于疏散，其中位于上段楼梯对面最有利于疏散。人员进入楼梯平台后开始发生转弯行为，转弯行为降低了人员的移动速度，楼梯间入口位于上段楼梯对面时，楼梯上人员和楼层人员的相互作用较弱，有效地促进了汇流行为的顺利进行。

    3结论

    通过采用数值模拟的方法，分析了高层建筑楼梯疏散的过程，研究考虑了5种不同楼梯间入口设置形式对人员疏散过程中汇流行为的影响。研究发现：

    1)高层建筑的各楼层人员疏散时间与楼层具有线性关系，但顶层人员的疏散时间比其前一楼层较短。

    2)楼梯间入口位于楼梯对面比位于楼梯两侧有利于人员疏散，当楼梯间入口位于楼梯对面时，楼梯间人口越临近上段楼梯越有利于楼梯间的人员汇流行为，可以有效地减少建筑中人员疏散时间。

    3)下层的人流堵塞是影响当前楼层人员进入楼梯疏散的主要因素，汇流行为是影响当前楼层人员进入楼梯疏散的重要因素。

研究结果对高层建筑楼梯间人口设置形式的优化提供参考。

    4摘要：

    针对高层建筑楼梯疏散过程中的汇流行为，采用数值模拟的方法研究了5种不同楼梯间人口设置方式下的人员疏散过程。结果表明：高层建筑的各楼层人员进入楼梯间的疏散时间与楼层符合线性关系；楼梯间入口临近平台上段楼梯比临近下段楼梯更有利于人员的安全疏散，楼梯间入口位于楼梯对面比位于楼梯两侧更有利于人员的安全疏散；楼梯间入口位于平台上段楼梯对面最有效地促进了人员在平台的汇流行为，减少建筑中人员的疏散时间。