地震环境下单多层建筑人员疏散问题的研究

王 刚

地震环境下单多层建筑人员疏散问题的研究

王 刚

本文从单多层建筑的结构特点出发，研究人员安全疏散的标准和疏散的空间过程，建立单多层建筑的简化模型，运用软件仿真模拟人员紧急疏散，得到时间与人员行为数据，并对地震环境下单多层建筑人员的疏散进行分析与优化。

地震 人员疏散 数值模拟

引言

近几年来，我国各地区地震灾害频发，破坏建筑物，造成人员伤亡与财产损失，对国家公共安全造成极大危害[1]。据大量有效案例与资料显示，造成地震中人员伤亡的主要原因在于地震发生时人员来不及疏散，因此，对地震时人员的应急疏散研究显得尤为必要。及时而有效地进行人员疏散不仅对减少人员伤亡、减轻生命财产损失、安定民心等方面有巨大帮助，还有利于震后的救援工作及保障工作的展开[2]。目前，对于火灾环境下的疏散模拟研究较多，对于大型开放空间的人员安全疏散也有研究，但专门针对地震环境下的人员疏散问题的研究还不多[3]。

本文从单多层建筑的结构特点出发并根据建筑物的用途，研究其在地震中的疏散危险性。研究人员安全疏散的标准和疏散的空间过程，建立单多层建筑的简化模型，运用软件仿真模拟人员紧急疏散，设置不同工况及人员条件，得到时间与人员行为数据，制定地震环境下单多层建筑人员疏散的初步方案与优化分析。

1 地震时单多层建筑人员疏散的研究背景与意义

目前，虽然我国高层与超高层建筑如雨后春笋般展现，但由于中国地域辽阔，地形复杂，经济发展严重不平衡，单多层建筑还是占据我国建筑的大多数。而在地震灾害发生时，人员的安全疏散与其生命更是密切相关，如何有效地提高地震时人员的疏散效率、减少伤亡，已经成为我国地震抢险救援领域中的重点。

单多层建筑的用途极为广泛，被普遍应用于多层住宅、公寓楼、学校、办公、医院、中小型宾馆招待所等歌舞娱乐放映场所、甚至体育场馆等民用和公共建筑中[4]，且建筑样式灵活多变、建筑材料种类众多，因此，对于地震环境下单多层建筑人员疏散问题的研究具有一定社会价值和研究意义。

自唐山大地震、汶川地震、玉树地震和最近的九寨沟地震后，国内对建筑抗震设计与规范投入大量精力，进行反复修改，但相对地人员对地震的反应研究却极为稀少，只能以国外的研究资料作为参考，其合理性大大降低。国外的研究资料显然不能有效地解决我国人员安全疏散的具体问题，故对于地震的人员疏散的深入研究已经刻不容缓[3]。

地震灾害时的历史经验与大量资料表明，即使人员在面对灾害发生时的情况千差万别，但其心理状况、疏散行为等却有迹可循，存在一定规律。由此，通过研究具有代表性的单多层建筑人员疏散的行为规律并建立地震疏散模型体系是有一定理论价值的。

2 研究对象的概况与人员疏散理论基础

2.1 研究对象的概况

地震环境下单多层建筑人员应急疏散问题的研究，由于建筑构造较复杂，受其用途及内部装修、设施及人员行为等因素的影响，挑战性和难度较大，经参考资料并总结单多层建筑构造及特点后[1,3,5]并结合软件功能，选择典型建筑某教学楼作为研究对象。学生是国家的未来，是社会的希望，而且教学楼是学生一天中停留时间最长的场所之一，且属于典型的人员密集场所，对教学楼进行地震疏散模拟研究可有效保障学生与教师的日常学习生活和工作，为其营造安全、放松的学习环境，一旦发生地震灾害，能迅速安全地疏散至室外安全区域。

教学楼建筑的地震危险性相对较高，首先，教学楼属于典型的人员密集场所之一，人员数量多、密度大，且学生大多数属于未成年人，心理和生理状况都较为不稳定，当地震灾害发生时，极容易在教室门口、楼梯出入口处发生拥挤，这会大大增加疏散时间，降低人员疏散的效率，还会引起人员的踩踏和伤亡事故。

经大量资料显示，地震从开始时至建筑破坏时间仅有12s，对于多层建筑，这段时间显然是不够的，如果再加上人员的拥堵和滞留时间，人员安全性将大大降低，后果十分严重。教学楼建筑的各个教室内放置有大量桌椅，这对疏散又是另一影响因素。

图1 建筑物中人员疏散过程图

2.2 疏散基础理论

地震灾害发生时，人员想要成功疏散到安全区域，需要满足一定的条件即：所需安全疏散时间需小于可利用的安全疏散时间（required safety time ＜available safety time）。所需安全疏散时间（RSET）为地震时建筑物内人员疏散至安全区域所需花费的时间，可利用的安全疏散时间（ASET）为地震发生时至地震对人员的生命安全产生危险时即疏散失效时所经历的时间。

按照地震发生时人员在疏散过程中所处的位置不同，大体来说，人员的安全疏散过程大致包括三个阶段：第一阶段为人员处于建筑物的某个房间内，需通过该房间的疏散门到达疏散通道；第二阶段为人员位于疏散通道内，需通过走道和楼梯出入口到达疏散楼梯；第三阶段为人员位于疏散楼梯中，需通过疏散楼梯到达建筑物的首层，经过首层直通室外的安全出口到达室外，并疏散至安全区域。建筑物中人员疏散的过程如图1。

3 人员疏散仿真模型的建立与运行

目前，有一些程序可实现灾难情况下人员疏散的模拟，如Building EXODUS、FDS+EVAC等20多种软件。本文中选择运用了Building EXODUS人员疏散仿真软件。

3.1 地震疏散软件介绍

Building EXODUS软件模拟人与人、人与灾难、人与构造物的相互作用，追寻受到热、烟、有毒煤气影响后，从室内逃出的每个人的避难路径的人员疏散避难模型模拟不同危险情况下，人员疏散的逃生时间、逃生路径等情况，经由模拟得出的疏散数据作为人员应急疏散的依据。Building EXODUS软件的应用对象及其广泛，该软件可充分利用建筑内逃生空间，定义不同人群情况、出口属性、边界、隔间、障碍物属性、设置警报设备等情况进行人员安全疏散模拟。

Building EXODUS软件的开发并不只针对物理现象，还对人员的身体素质、反应心理、文化差异、个人行为特点、群体行为影响等属性和参数进行实时分析，从而得出每一位疏散人员疏散模拟开始时的位置、疏散避难路径、人群拥挤情况、疏散时间、应对危险情况的反应时间、到达安全出口的时间、出口使用人数、出口流量等信息数据，而其他未考虑的因素，Building EXODUS软件将自动以最坏情况开展模拟。

3.2 地震仿真模型的建立

本文选取的教学楼为多层公用建筑，建筑面积2516.96m2，建筑耐火等级二级，建筑总高21.5m，地震设防烈度7度，五层，钢筋混凝土框架建筑结构。

按照图纸，该教学楼建筑中的每个教室、办公室、设备间、厕所都是相互独立的，当发生地震灾害时，其中人员需先通过房间出口，经疏散通道至楼梯疏散至建筑的首层，再利用首层的安全出口疏散至室外安全区域。

因此，在Building EXODUS软件中可将图纸适当简化，建立该教学楼的人员疏散仿真模型。

3.3 人员疏散的模拟

本文利用Building EXODUS疏散模拟软件建立模型后，设置人群及心理参数，对教学楼内人员疏散行动过程进行模拟，进而测量人员疏散的行动时间。根据模拟结果得到的疏散行动时间（TMOVE）,即可计算得到人员所需要的安全疏散时间（RSET）。模拟疏散结果如表1、表2所示。

4 地震环境下单多层建筑人员应急疏散的模拟分析与优化

经对教学楼简化模型的人员疏散进行多次模拟，全部疏散到室外的时间大约在520s左右，即8.7分钟左右，所耗时间较长，无法保障地震灾害发生时，人员能够全部疏散至安全区域。

4.1 地震环境下单多层建筑人员应急疏散的模拟分析

对于上述情况，本文分析如下：

首先，由仿真疏散模拟的动画来看，人员拥堵主要集中于疏散楼梯出入口、教学楼首层的出口等处，人员在这几处徘徊拥挤行为较多，尤其拥挤队伍后部人员反复踌躇行为加强，影响了正常疏散的秩序，人员不能依次顺序通过出口，导致出口的人员疏散不规律。教室门有效宽度较小，约0.9m，仅能允许一人通过，故教室门口也存在滞留，但人员基本上能依次通过，拥堵情况较轻。

其次，人员疏散具有自觉就近性，学生与教师都默认选择离自己最近的出口疏散，即使距离稍远的出口通畅，也只有很少一部分人员选择多行一段距离至较远出口，对楼梯的使用不太合理。结合以上两点，地震灾害发生，人员自行疏散时，人员疏散极不均匀，一旦产生拥挤和滞留情况，人员心理波动较大，且在后方等待时间一长，数据显示等待人员会产生左右踌躇、反复徘徊的行为，严重影响疏散时间。

4.2 地震环境下单多层建筑人员应急疏散的优化

为改善人员疏散时的拥堵滞留状况，减少疏散时间，保证教师和学生的生命安全，本文提出改善建议如下：

4.2.1 适当扩大建筑构件的宽度

因教学建筑内常驻人员数量大，时间长，行动的时间和位置都相对集中，为加速人员疏散速度，减少拥堵，应适当增加教室的门、楼梯间入口与首层的安全出口等的数量或是有效宽度。

4.2.2 指定专人组织引导疏散

提前规划疏散路径甚至指派专人组织疏散对地震的人员疏散是非常有必要的，发生地震灾害时，人员通常存在“从众”与“就近”心理，在关键通道处可有效疏通和分流滞留、拥堵的人群，尽量将所有的安全出口和疏散楼梯都应用起来，可提高安全出口的利用率，稳定教师和学生的心理状态，减少拥堵时间，提高疏散效率。

4.2.3 适当增加疏散楼梯数量或设置室外楼梯

表1 模拟结果统计表

表2 具体结果统计表

在常驻人员最多的楼层、部位适当设置室外楼梯，可有效减少室内疏散楼梯的疏散压力，缓解人员拥堵和徘徊的状况，并且为受困人员可提供更多应急疏散方案甚至救援途径。

5 结论与展望

本文以近年频发的地震灾害为研究背景，从单多层建筑的地震危险性与建筑构造特点入手，以减少疏散时间、增高疏散效率为出发点，建立了人员疏散仿真模型，进行运行模拟，探讨分析了模拟疏散结果的原因以及其人员疏散规律等问题。

经对教学楼简化模型的人员疏散进行多次模拟，全部疏散到室外的时间大约在520s左右，即8.7分钟左右，所耗时间较长，无法保障地震灾害发生时，人员能够全部疏散至安全区域。人员拥堵情况不仅对疏散时间有影响，对人群的心理情况也有影响。易使人群产生恐慌情绪和不当人员行为，疏散状况更加混乱，导致疏散时间延长，降低疏散效果。

适当扩大建筑构件的宽度；指定专人组织引导疏散；适当增加疏散楼梯数量或设置室外楼梯，可有效提高安全出口的利用率，稳定教师和学生的心理状态，减少拥堵时间，提高疏散效率，且为受困人员提供了更多应急疏散方案甚至救援途径。

人员疏散时间实际上是一个随机变量，会因各种情况的变化而变化。在进行模拟的过程中，存在许多随机性很大的因素影响着疏散时间，如人员行为不可能每次完全一致，恐慌混乱程度每次皆有不同，反应时间、疏散路径都会有变化，导致同一工况设置条件下疏散时间也有不同。

[1] 吕志明, 王婷婷, 张付有. 基于虚拟现实技术的地震逃生游戏的设计—以地震紧急疏散为例[J]. 计算机工程应用技术, 2015, 11(11): 208-209.

[2] 严铭姣, 杨旸, 陈杨. 地震时建筑中人员行为的研究[J]. 重庆建筑, 2015, 14(143): 20-22.

[3] 姜云昭, 朱万红, 邱国庆等. 地震次生灾害影响条件下人员疏散问题的研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2008, 4(1): 38-41.

[4] 住宅和城乡建设部抗震救灾应急评估专家第一组：姚秋来, 薛彦涛, 曾德民等. 5.12汶川特大地震都江堰灾区震害调查[D]. 工程抗震与加固改造,2008.30(4): 12-23.

作者单位：北京市昌平区公安消防支队