超高层建筑多模式人员疏散模拟研究

为了研究超高层建筑发生火灾时的人员疏散，运用了Pathfinder疏散模拟软件对超高层建筑进行建模，针对超高层建筑单一楼梯疏散、“电梯+楼梯”疏散、“电梯+楼梯+避难层”疏散三种不同疏散模式分别进行了上百次模拟。分析对比模拟结果得出结论：三种模式中疏散总时间最少的是“电梯+樓梯”疏散模式，在该模式下电梯辅助疏散的最佳人员分摊比例是50%，电梯的辅助疏散能有效减少超高层建筑内人员疏散总时间；避难层对于人员的疏散具有缓冲作用，为分段疏散提供了条件，但是避难层的缓冲作用并不能减少人员整体疏散时间。关键词：超高层建筑；火灾；人员疏散；Pathfinder建模；多模式一、超高层建筑火灾特点（一）起火因素多，容易形成火灾超高层建筑大多是集办公、餐饮、休闲娱乐、宾馆、商场、超市等于一体的多功能建筑，内部结构复杂，用电量大、用电设备多。一方面，各用电设备在使用过程中容易发生路线故障诱发火灾；另一方面，超高层建筑内存在大量可燃物和助燃物，为火灾的扩散提供了帮助。（二）火灾蔓延快，蔓延途径多超高层建筑内竖向管井较多，一旦发生火灾，火势会顺着电梯井、楼梯间、通风井等竖向管道迅速蔓延，这些竖向管道就像一个巨大的烟囱，在建筑内容易形成“烟囱效应”，且楼层越多“烟囱效应”越明显。（三）疏散难度大超高层建筑一旦发生火灾，要使内部人员全部疏散至安全区域十分困难，原因主要有建筑内人员密集、疏散人流拥挤、疏散设施少、疏散时间长。（四）救援难度高超高层建筑在满足城市化进程对土地空间高度利用、综合开发的同时，也因其内部结构复杂，给消防安全带来了巨大挑战。以现有的技术手段和装备设施来说，超高层建筑火灾时的救援工作面临着登高难、排烟难、供剂难的问题，三大难题急需解决。[1-3]二、超高层建筑电梯辅助疏散的必要性楼梯作为传统也是目前唯一倡导的疏散方式，一直是建筑内发生火灾时人员进行疏散的首选。随着建筑物高度的不断增加，楼梯作为传统疏散方式已经不能满足超高层建筑的人员疏散。首先，超高层建筑内楼层较多、垂直距离长，使用楼梯进行疏散所需时间长；其次，楼梯不利于老弱病残幼等疏散能力较弱的人员逃生，若这部分人员也通过楼梯下行，在楼梯间内容易形成“瓶颈效应”而降低疏散效率，甚至造成踩踏等群死群伤事件；最后，若超高层建筑内人员采用楼梯进行疏散，对人员的体力也是一个重大考验。三、超高层建筑人员疏散模拟（一）疏散模型设置本文以某超高层建筑为研究背景，参考各类建筑设计规范，根据图纸以及实地调研，运用Pathfinder疏散模拟软件进行建模。该建筑为超高层写字楼，共55层，每层楼高4.5m，共247.5m；每层楼面积为2256m2，55层共126336m2，所有楼层均为地上建筑；建筑内有4个安全出口、2部步行楼梯、24部直行电梯。我国《高层民用建筑设计防火规范》（GB5004595-2005）要求：建筑高度超过100m的民用建筑，应设置避难层（间），且避难层间的距离不宜超过45m，根据规范要求，该建筑内每10层（45m）设有一个避难层，即11楼为避难层1、21楼为避难层2，以此类推。根据《办公建筑设计规范》中的要求以及实地调研，考虑最不利情况设置写字楼内每层305人，除去避难层，该超高层建筑内共有15250人。基于所研究建筑为超高层写字楼，参照国家一些通用数据，为方便研究将建筑内人员组成简化为两种：成年男性（占50%）、成年女性（占50%）。参照《消防工程手册》以及实地考察，设置建筑内成年男性、成年女性的疏散速度都为1.2m/s。图1是运用Pathfinder建模后整个建筑的俯视图。（二）模式一：单一楼梯疏散考虑传统的疏散方式，即建筑内1楼至55楼15250人全部通过楼梯疏散至建筑外安全区域。模拟结果显示：在单一楼梯疏散模式下，疏散总时间为5364.5s（约89min）。观察该模式人员疏散过程中发现：疏散过程中人员会选择距离更近的安全出口进行逃生，致使左下、右下两个安全出口未得到充分利用。为研究安全出口的选择对疏散总时间的影响，现将模式一中人员对安全出口的选择进行设置：人为设置建筑内50%人员选择左上、右上两个安全出口进行疏散，50%人员选择左下、右下两个安全出口进行疏散。对模拟结果进行分析比对得知：对安全出口的选择进行设置后的疏散总时间为5384.5s，与未设置的疏散总时间5364.5s相差不大。由此可以得出：在超高层建筑安全疏散过程中人员会选择距离更近的安全出口进行逃生；安全出口的选择对于疏散总时间基本无影响。（三）模式二：“电梯+楼梯”疏散将电梯考虑在内作为一种辅助疏散方式，分摊不同比例的建筑人员，寻找电梯分摊人员的最佳比例。在该模式下电梯只停靠在呼叫进行疏散的最高楼层，在将人员输送至最底层过程中电梯不停。模式二中电梯的各项运行参数为：电梯最大速度为6.0m/s、加速度为1.5m/s2、荷载为20人、开关门时间为5.0s。1.疏散方案设置为寻找电梯作为辅助疏散的最佳分摊比，分别模拟了电梯分摊比例为36%、44%、62%、80%四种疏散情况，观察不同方案的疏散过程，并将统计结果汇总成表1。方案中F1-F10代表1楼至10楼内人员，F12-F55代表12楼至55楼内人员，以此类推。由表可以看出：随着电梯分摊比例的增加，疏散总时间先减少后增大；四种疏散方案中，当电梯分摊比例为44%时，疏散总时间最少（为2967.8s），在该电梯分摊比例下，楼梯疏散完成时刻（T=2967.8s）与电梯完成时刻（T=2493.9s）相差473.9s，在四种疏散方案中也是最小的。但观察方案三人员疏散过程发现，在电梯完成疏散后，楼梯内仍有很多人员未完成疏散，基于此，对方案三进行优化，以找到电梯辅助疏散的最佳分摊比例。2.優化方案（1）优化方案设置为进一步寻找电梯介入疏散的最佳分摊比例，分别模拟了电梯分摊比例为46%、48%、50%、52%四种疏散情况，观察四种优化方案的人员疏散过程，进行统计。由表可以看出：随着电梯分摊比例的增加，疏散总时间先减小后增大；当电梯分摊比例为50%时，疏散总时间最少（为2677.4s）。当电梯分摊比例为50%时，楼梯疏散完成时刻（T=2652.6s）与电梯完成时刻（T=2677.4s）相差仅24.8s。综上可以得出：在此超高层建筑内，当电梯最大速度为6m/s、加速度为1.5m/s2、荷载为20人、开关门时间为5.0s时，电梯辅助疏散的最佳分摊比例是50%；此时疏散总时间为2677.4s（约45min）。（四）模式三：“电梯+楼梯+避难层”疏散采用“电梯+楼梯+避难层”的方式进行疏散模拟。在该模式下电梯只停靠在避难层，电梯运行参数与模式二一样。模式三方案一为1楼至20楼内人员通过楼梯向下疏散至建筑外，22楼至55楼内人员先向下疏散至最近避难层，等待这部分人都到达最近避难层后，整体通过电梯疏散至建筑外（比如52楼至55楼内人员先向下疏散至51楼避难层，等52楼至55楼内所有人员到达51楼避难层后，整体搭乘电梯疏散至建筑外），方案二、方案三以此类推。分析对比模拟结果可知：方案二1楼至30楼内人员通过楼梯向下疏散至建筑外，32楼至55楼内人员先向下疏散至最近避难层完后，整体通过电梯疏散至建筑外的疏散总时间最少，为2973.0s。在此方案中楼梯疏散完成时刻是2973.0s，电梯疏散完成时刻是2511.5s，两者相差461.5s，电梯未得到充分利用。（五）不同模式下人员疏散分析对比为方便比较，将以上三种不同模式下人员疏散的最优方案及在此最优方案下的疏散总时间进行汇总。由表4可知：在三种模式下疏散总时间最少的是“电梯+楼梯”疏散模式，为2677.4s，在此模式下的最优疏散方案是1楼至27楼内人员通过楼梯疏散至建筑外，28楼至55楼内人员通过电梯疏散至建筑外，电梯分摊比例为50%。对比模式一与模式二可以看出：电梯辅助疏散大大减少了疏散总时间，减少了2687.1s。对比模式二与模式三可以看出：避难层的缓冲作用并没有减少人员整体疏散总时间，但是避难层的设计为分段疏散提供了条件，减少了疏散过程中的人流量，能有效避免疏散过程中因拥挤发生的踩踏事件。结语在超高层建筑安全疏散过程中人员会选择距离更近的安全出口进行逃生，安全出口的选择对于疏散总时间基本无影响。单一楼梯疏散、“电梯+楼梯”疏散、“电梯+楼梯+避难层”三种疏散模式中，