基于Pathfinder的购物中心防火疏散研究

田冬梅,马欣悦,姚 建

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

据2022年市场调查表明,国内顶级购物中心(北京SKP、上海恒隆、成都太古里等)的日均客流量远超3.5万人,这些购物中心的特点为建筑结构复杂、人流量密集、人员比例多样化。一旦发生火灾,在短时期内可能聚集大量人流,如果仅依靠疏散楼梯,无法在火灾初期快速安全地疏散人群,必须引入其他疏散工具,相互配合才能达到安全疏散的要求[1]。目前在国内的各类大型建筑中,内部设置自动扶梯和消防电梯的居多,其中尤以购物中心为代表,是购物中心层与层之间的重要交通设施,一般位于中心位置,醒目易见,多被消费者所熟悉,这对火灾疏散而言是有利的一面。

国内外相关学者在大型购物中心的防火疏散进行了大量的研究,例如,国外学者Bazjanac[2]打破了人们不能采用电梯、自动扶梯疏散的惯有思维,初步探索采用电梯进行防火疏散的可能性;Klote[3]用理论和实践证明在高层建筑发生火灾时,自动扶梯和电梯可在疏散时间上节约一半;E Ronchi等[4]提出电梯、楼梯耦合电梯、转换楼层和天桥组合的方式疏散效率最高,但存在局限性;国内学者黄哲[5]探讨了自动扶梯在疏散方面的潜在功能及辅助作用;岳芙蓉等[6]建立了自动扶梯行人运动行为的微观元胞自动机(CA)仿真模型,研究了不同行人运动模式下的实际自动扶梯容量。姚斌等[7]研究了自动扶梯在不同工况条件下对地铁人员疏散的影响;杨海明等[1]提出了高层建筑楼梯与电梯耦合的安全疏散策略;梁骁等[8]通过大量实验对大客流紧急疏散进行分析,得出自动扶梯与固定楼梯共同运行时的安全疏散效果;许晓元等[9]在满足相关防排烟、排水、供电技术要求的基础上,证明了电梯疏散的可行性。而在实际生活中,也有自动扶梯和电梯用于火灾疏散的案例,同济大学将电梯、楼梯耦合疏散技术用于上海最高建筑“上海中心大厦”,取得了理想的疏散效果[10]。

前人已经探索了自动扶梯和电梯疏散的可行性和潜在辅助作用,基于此,将采用Pathfinder软件对人员防火疏散进行仿真模拟,全程设定了5个疏散模式[11],通过分析计算不同模式下的疏散耗时、疏散出口利用率和疏散工具利用率情况,判断出哪种疏散模式最优,为购物中心安全消防管理提供设计方案和理论依据。

1 Pathfinder仿真模拟软件

1.1 Pathfinder仿真模拟软件简介及原理

Pathfinder软件是美国Thunderhead Engineering公司研发的智能人员紧急疏散逃生评估系统,主要应用于火灾条件下的人员疏散。它支持SFPE和Steering两种模式[12],其中Steering模式更符合现实需求,可在2D平面内自行设置人员可活动的区域、楼梯与安全通道、人员类型分布,还能设置人员的身高、肩宽和行动速度,通过三维空间层面的视图,对建筑物内部人员疏散的过程进行展示,每个人的运动都被计算在结果之内,然后得出每个个体匹配的参数,以便准确确定个体在火灾发生时的最佳疏散时间和疏散路径。因此其更适合人员密集场所的应急疏散仿真。

1.2 人员疏散时间

安全疏散是指火灾等紧急事件在危害到疏散人员生命安全之前,人员能够快速撤离到安全区域的行为。早期的人员疏散时间计算时基于理论分析和实地监测总结的经验公式,例如:Puals经验公式[13]、Togawa经验公式、Melinek和Booth经验公式[14]。

目前国际公认的安全疏散时间计算标准为:人员必要疏散时间trest小于人员可用疏散时间taset。而人员必要疏散时间与人员可用疏散时间的差为安全余量。紧急事件人员疏散过程如图1所示。

由图1可知人员疏散时间为:

trest=tdet+tresp+tmove

(1)

式中,tdet为火灾探测报警时间;tresp为人员响应时间;tmove为人员疏散运动时间。

2 数值建模

2.1 商场建筑概况

本文将选取某购物中心为研究对象,该购物中心共6层,地下2层,地上4层,建筑总面积约为47021m2。地下1层为停车场,共有262个停车位,在停车场南面和北面分别设有一个出口;地下2层为超市,由室外楼梯可直接进入;地上第1层至第4层各设有家电家具卖场区、服装区等7个区域。考虑到人员聚集程度和人流量分布情况,将主要研究购物中心的第1层至第4层。购物中心一层共设有4个疏散出口,分别为出口door595、door597、door589和door600;整体设有五部疏散楼梯、六部自动扶梯和五部消防电梯,紧急情况下全部开放使用。购物中心建筑平面图、疏散出口位置和疏散工具分布如图2、图3所示,主要工程概况见表1。

图2 建筑平面图

图3 疏散出口和疏散工具位置分布图

2.2 人员参数设定

2.2.1 疏散人员特征的设定

人员的疏散行为特征对于最终的疏散效果影响重大,应最大的程度还原实际情况。本案例购物中心人员结构较为复杂,为了保证仿真模拟的真实性和准确性,最大程度确定了不同类型人员体宽、步行速度和人员反应特性等情况[15]。结果见表2。

表2 不同类型疏散人员特征参数

根据美国消防工程师协会SFPE的消防工程手册《SFPE Hand book of Fire Protection Engineering》以及实际测量,可以得到紧急情况下的儿童运动速度为0.72m/s,青年人运动速度为1.02m/s,老年人运动速度为0.87m/s。

2.2.2 疏散人员楼层分布参数

购物中心第1层至第4层各设有家电家具卖场区、服装区、珠宝首饰化妆品区、儿童娱乐区、KTV和餐饮区。第4层的疏散人数最多,流动量较大,主要人员为青年女性,比例达到了48%。其次是第1层的珠宝首饰化妆品区,疏散人数达到900人。具体疏散人数和分布情况见表3。

表3 疏散人员楼层分布情况

2.3 模式设计

按照最新修订的GB50016-2014《建筑设计防火规范》[16]规定,超过5层的商业建筑应设封闭楼梯间,即5层以下的商业建筑均可采用开敞式疏散楼梯,本研究的购物中心地上4层,引入自动扶梯是完全满足开敞式疏散楼梯的消防安全条件的,不将自动扶梯作为疏散工具是考虑到烟气的侵袭,但开敞式疏散则没有这样的考虑和要求。一般而言,普通电梯不应作为疏散工具使用,参照GB50016-2014《建筑设计防火规范》的附录条文,即总建筑面积大于20000m2的商店(商场)建筑需要设置消防电梯。

考虑到购物中心的整体布局和消防规定,疏散工具将以疏散楼梯和自动扶梯为主,辅以电梯,本研究设置了5个疏散模式,模拟验证各个模式下的疏散效果。

模式1:使用疏散楼梯进行模拟;

模式2:在疏散楼梯的基础上,上行与下行自动扶梯均停运,等效为疏散楼梯;

模式3:在疏散楼梯的基础上,上行自动扶梯停运,等效为疏散楼梯,下行自动扶梯正常运行;

模式4:在疏散楼梯的基础上,上行自动扶梯反转,调整为下行,下行自动扶梯正常运行;

模式5:选择模式1～4中疏散效果最佳的模式,再辅以消防电梯,按照规定要求消防电梯仅用于消防队员救援或老人和儿童等行动缓慢人员的疏散。

3 数值模拟及结果分析

3.1 疏散耗时分析

对5个模式的仿真模拟,分别得出了各模式疏散耗时记录。该购物中心的模拟疏散数据见表4、表5。

表4 模拟疏散耗时

根据前4个模式的模拟数据可以看出,模式1的疏散耗时最长,为556.5 s;模式4的疏散耗时最短,为466 s,模式2和模式3的疏散耗时分别为528.5 s和517 s。模式4相比模式1在耗时上足足缩短了16%,而模式2和模式3的疏散人员几乎同时到达一层疏散出口。

模式2在模式1的基础上相当于增加了六部疏散楼梯,最晚到达一层疏散出口的时间为528.425 s,有效缩短了疏散耗时,符合预期值。模式3和模式4在模式1的基础上又进行了调整,可以看出模式1的疏散距离最短为87.979 m,模式3和模式4的疏散距离持平,均为112 m,但在同等距离下,模式4的耗时明显较其他3个时间缩短。

随后将选取模式4作为疏散效果最佳的模式,辅以五部消防电梯,因消防电梯具有局限性,最终模式5的疏散耗时为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,根据模拟运行结果统计各模式下疏散出口利用率情况(如图4所示)。出口Door600在不同模式下人流量峰值均大于其他出口,且达到人流量峰值时间也均早于其他出口,并作为主要疏散出口持续疏散人员至结束,出口Door589距离疏散楼梯相对较远导致选择该出口的疏散人员较少,人员流量峰值在不同模式下均晚于其他出口,人员疏散时间相对较短。模式1中由于仅开放疏散楼梯,出口Door595和出口Door597人员疏散出口利用率时间大致相同,模式2、3、4中增加了疏散工具,出口Door597人员疏散利用率得到了大幅度提高,模式2、3人员整体疏散时间集中在200 s以内,而模式4人员整体疏散时间集中在150s以内,整体疏散效率得到提升。模式4中,出口Door600疏散时间大幅度降低,相反出口Door589疏散时间得到了提升,缓解了出口Door600人员疏散压力。结果表明模式4情况下购物中心人员疏散出口利用率得到大幅度优化。选取最优疏散模式辅以消防电梯模拟发现模式5情况下主要疏散出口的人流量分布趋势有所平缓,说明人员疏散情况稳定,且总疏散时间有所减少,疏散效果最佳。

图4 疏散出口利用率情况

3.3 疏散工具利用率分析

统计不同模式下疏散楼梯、自动扶梯和消防电梯的人流量,根据人流量判断疏散工具在各模式中的使用情况。在楼梯疏散利用率方面(如图5所示),疏散人群趋于恐慌心理的作用,火灾发生时会潜意识地选择距离逃生出口最近的疏散楼梯进行安全疏散,而出口Door600作为购物中心正门口,周围分布了Stair51、Stair57、Stair58三部疏散楼梯,图中可以看出模式1中持续人流量最大、疏散时间最长的楼梯为 Stair51,说明该模式Stair51疏散楼梯处拥堵情况较为严重,人员疏散速度减缓,在疏散到300 s的时候人流量激增,在实际人员疏散的情况中可能会造成严重后果。模式2、3、4、5情况下对疏散工具做出优化,结合自动扶梯不同运行方式有效降低了疏散时间,提高了疏散效率。

图5 疏散楼梯利用率分析

模式2开始将添加自动扶梯,选取了部分自动扶梯数据,如图6所示。据图3(a)出口位置,Ramp15和Ramp16位于购物中心东南角,距离Elevator01和Elevator02较近,疏散过程中,Elevator01和Elevator02疏散人数之和远小于Ramp15和Ramp16,除了消防电梯的限制规定外,疏散人员更乐于选择自动扶梯。其次Ramp21、Ramp22和Ramp22在4种模式下,耗时均控制在100 s,对比疏散楼梯,疏散效率达到最高值。无论是疏散耗时方面还是人流量方面,自动扶梯比疏散楼梯整体提升,利用率最高,说明选择自动扶梯进行安全疏散可有效提高疏散效率。

图6 自动扶梯利用率分析

由图7所示,消防电梯Elevator00利用率最高,Elevator01次之。由于消防电梯是在模式4的基础上添加的,适用于含有老人儿童等行动不便人员,通过消防电梯疏散行动不便人员能够有效提高人员疏散效率。但受电梯启闭时间、运行加速度和分离层等多因素的制约,消防电梯无法成为加快疏散效率的主流工具。根据不同疏散人员类型选取不同防火安全疏散方案,了解大型商业综合体火灾与疏散的相关特点,做好科学设计,才能够有效预防火灾,减少人们生命财产损失。

图7 消防电梯利用率分析

4 结论

(1) 在设定的5个模式中,疏散耗时分别为556.5 s、528.5 s、517 s、466 s、455.5 s,其中疏散楼梯基础上并用上行反转、下行正常运行的自动扶梯模式效率在大众人群疏散方式中相对更高,能够有利于尽快完成疏散。

(2) 相对于其他出口,出口Door600的人流量一直是最高的,而出口Door597利用率最低,为减轻疏散压力,在日常生活中工作人员应该设置明显的出口指示牌,并加强顾客对该购物中心疏散出口的熟悉,发生火灾时进行专业引导,避免人员疏散集中拥堵,进而提高火灾疏散效率。

(3) 与传统的主要采用疏散楼梯作为疏散工具相比,自动扶梯通常具有较大的运输能力,在此次模拟中自动电梯的充分利用,加之行动缓慢人群辅以消防电梯进行疏散,高效缩短了疏散耗时,超出预期值。