某高校食堂发生火灾时人员安全疏散模拟

丁元春， 刘星星， 李文建， 李琦

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州341000）

0 引 言

近几年多次发生高校食堂火灾，引起社会的广泛重视， 如：2018 年12 月北京航空航天大学食堂发生火灾[1]；2019 年6 月19 日凌晨上海大学闸北和宝山两校区食堂先后发生火情；2020 年4 月7 日上午河北师范大学汇华学院南院区学生食堂发生火灾。 食堂在就餐高峰期人流量大，若发生火灾人员疏散十分不易。在火灾危险的状况下，容易发生严重的踩踏事故最终导致财产损失和人员伤亡[2]。近年来国内外不少学者针对高校食堂火灾及人员疏散进行研究，例如：文献[3]基于Pathfinder 软件对疏散的过程出口瓶颈现象进行研究，得出当疏散人员人数较多时，出口总宽度不变的情况下出口数量越少越有利于人员疏散等结论；文献[4]利用Anylogic软件考虑恐慌心理对高校食堂疏散进行仿真模拟得出，与不考虑恐慌心理相比考虑恐慌影响导致疏散时间延长1.3 倍；文献[5]以北京某高校食堂为例，利用元胞自动机研究大学食堂中每个行人的运动，对食堂在不同情况下的安全性能和效率进行了评估；文献[6]基于元胞自动机研究了紧急情况是大学食堂中的人员对出口选择行为；文献[7]研究午餐高峰期某高校食堂的人流统计特征构建模型再现高校食堂高峰时段复杂的交通现象；文献[8]利用Pathfinder 仿真模拟研究了门的开度对人群疏散的影响， 得出当门张开角度115°至135°时最有利于人员疏散；文献[9]基于Pathfinder 研究了不同楼梯形式的疏散能力，得出“双飞型楼梯”的抗障碍物性能优于“分叉型楼梯”；文献[10]利用FDS 研究了高校食堂火灾烟气扩散特性及运动规律，得出火灾发展到稳定阶段时，火场温度、能见度、烟气层高度都随窗地比呈非线性变化；文献[11]利用Pahfinder 模拟不同出口形状、群体人员构成比例、人员初始位置， 得出出口的形状对疏散效率有明显的影响，其中“V”形出口的疏散时间最短；文献[12]研究了公共场所行人运动的特点，得出公共场所人员紧急疏散时有明显的从众心理。上述研究主要考虑了单一因素如：心理因素、楼梯的形式、出口的个数及位置、出口形状以及出口处导流墙对食堂人员紧急疏散的影响， 对多因素作用的联合影响研究鲜有涉及，而且未提出有效方案以提高食堂的疏散效率。本文以合肥某高校食为研究对象， 该食堂长约56 m，宽约 32 m， 共上下两层， 就餐高峰期人数维持在1000 人左右，且经调查统计上、下两层就餐人数比约为 1∶1。 基于 Pathfinder 研究改变食堂结构、疏散人员的分布以及增加楼梯对疏散效率联合影响， 并针对食堂这类结构的建筑提出高效的疏散方案。

1 食堂火灾人员疏散仿真模型建立

1.1 食堂模型

该食堂长约 56 m，宽约 32 m，共上下两层，就餐高峰期人数维持在1000 人左右， 且经过调查上、下两层就餐人数比约为1∶1。 就餐者多为学生，及少量教师、家属和校内工作人员。 食堂共两层且结构对称，每层高4 m，东西长56 m，南北长32 m，总占地面积约 3600 m2。 内部东侧为切配间、炒菜间、蒸饭间、菜房、冷库、配电间、仓库、更衣室、打菜区等，西侧为卫生间、办公室和吧台，中间大面积为就餐大厅。建筑物有两个室内楼梯间，东侧有为方便工作人员搬运货物而设置的两个出口，南侧面朝研究生公寓仅有一个出口。 根据测量南出口2 m，北出口2 m。 经过对食堂内部布置的相对简化， 得出整体结构平面如图1。 用 Pathfinder 软件创建模型食堂二层模型图2。

图1 食堂平面视图

图2 食堂二层模型

图1 中A 区域为西北室外楼梯，B 区域为北出口，C 区域为就餐大厅，D 区域为南出口。 图 2 各功能区与图1 相对应。

1.2 人员模型

根据实地调研， 食堂内共有工作人员 60 名，年龄在25 岁到50 岁之间。食堂在就餐时间人员结构比较单一，以年轻的学生为主。 因此设置人员分为两类：青年男和青年女。

1）设置人员肩宽

由于男性和女性的体型有很大的差距，所以本文依据国家技术监督局发布的《中国成年人人体尺寸》，选用中国人的身形，表 1 和表 2 分别给出了详细数据。

表 1 18～60 岁人体尺寸（男）

表 2 18～60 岁人体尺寸（女）

男、 女最大肩宽平均值分别对应为比例为50%时的数值为：431，397 mm。

2）设置人员速度

Pathfinder 软件默认人员最大速度为1.19 m/s，但是实际上男、女的最大速度是有差别的，且该食堂内的人均属于成年人，本文将男性最高速度设置为 1.35 m/s，女性最高速度设为 1.15 m/s。

3）疏散人员数实地统计

为了得到更加精确合理的模拟人员数量和特征，在食堂早中晚三个就餐比较集中的时间段进行观察统计。 根据实地观察，发现早晨就餐人数虽多，但大多数会选择外带。 中午就餐人数最多，座位基本处于爆满的状态，并且还有大部分人在打饭区域，因此人员爆满的状态会维持很久。所以根据实际情况，模拟的人员总数设置为1000 名。 该校为理工科高校男女比例为4∶1， 因此在该模型中将男生总人数设置为800 人， 女生总人数设置为200 人。

2 疏散标准

人员安全疏散的标准[13]：在规定的时间之内将人员安全疏散到建筑物外部，并且期间也没有因为人群拥堵而造成群集事件的发生。关于人员的安全疏散涉及两个概念[14]：可用安全疏散时间tASET和必须安全疏散时间tRSET， 安全疏散判断标准是：tASET＞tRSET。

2.1 必须安全疏散时间tRSET

必须安全疏散时间[15]是指从起火时刻算到人完全疏散出去的时间，用公式来表示：

其中，ta为探测报警时间；tp为反应时间；tm为疏散时间。

探测报警时间指的是火灾发展到一定程度时，火灾环境中的一些因素引发了报警装置作用，从而使人们意识到火灾来临的这段时长。 或者人根据现象，通过听觉、嗅觉、视觉等意识到火灾来临所需要的时长。由此可以看出探测报警时间是由报警装置的灵敏程度、人的敏感度和火灾本身的发展程度而定的。 根据实际情况，本文将报警探测时间ta设为30 s。

反应时间tp的确定比较难，因为受人主体影响比较大， 表3 列出典型建筑物中人的反应时间[16]。对于本文的研究对象而言，食堂的结构简单且没有较大的遮挡物，而且就餐者多为对食堂熟悉的大学生，从接收到警报到做出反应再到准备疏散的时间很短，因此将tp设为30 s。

表3 各种典型建筑物设置的报警装置下人的反应时长 单位：s

表3 中，T1为实况的声音转播；T2为非直播声音系统或者是视觉信号传播；T3为警笛、 警铃报警装置的声音传播。

疏散时间tm的确定一些计算模型 （如 Fire-CAMTM、EXIT89、BFIRES 等）进行预测和计算。本文将用Pathfinder 软件对食堂进行仿真模拟，求得疏散时间。

2.2 可用安全疏散时间tASET

tASET是指起火时刻到火灾对人员安全构成危险极限状态的时间[17]。 主要是由火灾发展的情况（如烟气和高温）、 着火建筑物所拥有的灭火装置和建筑物自身的结构所决定的。

查阅《建筑防火设计》得知，建筑物的用途不同，诱发火灾的原因也不一样，对于有些较大型的公用建筑来讲，里面人员较为复杂，有老人也有小孩儿，所以这种建筑的耐火等级应该规定为一级或者二级；对于宾馆，可燃物较多，人员类型复杂且旅客对建筑物不太熟悉， 所以这种建筑应该定为一级或者二级；而对于就餐人员基本固定，且对环境又熟悉的高校食堂来讲，耐火等级可定为三级[18]。 查阅《安全疏散通道的要求和设施》得知人员密集的公共建筑，一、二级耐火等级人员疏散时间不应超过5 min，三级耐火等级的建筑物不应超过3 min。 本文中食堂为耐火等级为三级的人员密集公共建筑，安全疏散允许时间为3 min，因此研究对象食堂的tASET定为 180 s。

3 模拟结果及分析

根据该食堂现有的疏散条件对就餐高峰期时人员疏散进行模拟，判断该食堂容纳人数最多时的安全疏散是否符合要求，如不符合，则通过改变出口宽度、各层人员分布以及增加户外楼梯等方式使人员疏散时间最终达到要求。 各工况设置如表4。

表4 工况设置

根据调查食堂午餐就餐高峰期时一层与二层人数比约为1∶1，因此工况一中一、二两层人数均设置为500 人， 出口宽度为200 cm， 两部宽150 cm的室内楼梯。 依据男青年肩宽为42 cm，工况二在工况一的基础上将出口宽度增加50 cm， 约为一个男性青年的身位。 因为食堂一层最大容纳量为600人，因此工况三在工况二的基础上将一、二两层人数分配比调整为 6∶4，及一层 600 人，二层 400 人。为了缓解室内楼梯的疏散压力，工况四在工况三的基础上在食堂二层南侧增加一部宽150 cm 的室外楼梯。

3.1 工况一模拟结果及分析

图 3（a）和图 3（b）分别显示了工况一，一层、二层疏散的人员路径。

从图 3（a）和图 3（b）可以看出，人员在紧急疏散时优先考虑距离自己较近的出口，食堂摆放的桌椅对疏散路线的选择具有很大的影响，规则的摆放桌椅并且桌椅之间保持适当的距离有助于人员的疏散。在疏散时楼层各个出口、楼梯人员密度极大，容易发生踩踏事件。

图3 工况一人员疏散路径

图4 显示了各层人员数量随时间的变化曲线。从图4 可以看出来， 该工况疏散耗时tm为180 s，必须安全疏散时间tRSET为240 s， 大于可用安全疏散时间（tASET=180 s）。 该工况下约有 260 人没有完成疏散。

图4 工况一各层人员数量随时间变化曲线

3.2 工况二模拟结果及分析

工况二将南北出口宽增加至250 cm， 疏散完毕各层人数随时间变化曲线如图5。

图5 工况二各层人员数量随时间变化曲线

对比图4 可以看出当出口宽度增大至250 cm时，一层人员完成疏散总耗时由140 s 缩短至120 s，节约时间17%，显著提高了一层的疏散效率。 但工况二疏散耗时tm为177s, 必须安全疏散时间tRSET为237 s，与工况一相比几乎没有变化，依然达不到安全疏散的要求。 模拟结果说明，仅扩大一层出口宽度虽然提高了一层人员的疏散效率但不能有效地提高建筑整体的疏散效率。

3.3 工况三模拟结果及分析

工况一、 工况二的人员在上下两层均匀分布，工况二疏散结果表明仅改变出口宽显著提高一层人员疏散效率， 但对整体疏散效率的提高非常有限。因此工况三将在工况二的基础上对人员进行合理分配，一层布置600 人，二层400 人。工况三各层人数随时间变化曲线图如图6。

图6 工况三各层人员数量随时间变化曲线

该工况疏散总耗时为148 s，相比工况一、工况二，总耗时约减少了30 s。总疏散效率提高12%。因为一层人数的增加该工况，一层人员疏散耗时约为140 s 与工况一第一层耗时大致相同。 该工况疏散耗时tm为148 s， 必须安全疏散时间tRSET为208 s，略大于可用安全疏散时间（tASET=180 s）。 该工况下约有90 人没有完成疏散。

3.4 工况四模拟结果及分析

工况四在二楼南侧增加一部宽为150 cm 的外部楼梯。 工况四各层人数随时间变化曲线图如图7 所示。

图7 工况四各层人员数量随时间变化曲线

从图7 可以看出增加一部户外楼梯一、二层的疏散效率都明显提高了。该工况一层未疏散人数与二层未疏散人数曲线出现了交叉，因为二层大量的人员通过室外楼梯直接疏散到地面未经过一层，缓解了一层疏散时拥堵的情况，加速了一层人员的疏散。而二层人员通过楼梯疏散时的速度慢于一层人员直接通过出口疏散至安全区域， 因此在40 s 时两层未疏散人数相等图线相交。与工况三相比该工况一层人员的疏散速度有明显提高。该工况总耗时106 s，必须安全疏散时间 tRSET为 166 s，小于可用安全疏散时间（tASET=180 s）。 该工况下所有人员均完成疏散。

4 结 论

本文通过Pathfinder 模拟某高校二层食堂突发紧急情况时凭借现有的疏散条件无法达到安全疏散的要求。 通过改变一层出口宽度、在总人数不变的条件下调整两层就餐人数比例、增加室外楼梯进一步探究是否满足安全疏散条件。由不同工况对比分析得出对于该食堂仅改变出口的宽度对建筑物整体的疏散效率的提高有限。在总疏散人数不变的条件下，调整人员分配结构使得二层人数小于一层人数能有效地缩短总疏散耗时。通过室外楼梯直接将二层人员直接疏散至地面能极大提高建筑的疏散效率。

在食堂等大空间、结构简单、人员密度大的建筑设计中，可以设置多部室外楼梯使二层人员可以直接疏散至地面提高其疏散效率。