基于Pathfinder模拟高校图书馆火灾疏散

张景钢，尹宜辰，何 鑫

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

近年来火灾事故屡见不鲜。高校图书馆火灾威胁着学生们的生命财产安全，同时也会产生恶劣的社会影响[1]。因此，正确分析影响图书馆火灾疏散的影响因素，并提出相应的优化措施，以保证人员安全疏散是十分必要的。

国内外相关学者在高校相关教学环境中的人员应急疏散进行了大量的研究，例如，以Nuria Pelechanon为主的研究团队建立了相关安全疏散模型，从而论证了将人类心理和生理因素纳入模型的重要性；
湛莲香等人研究了学生宿舍不同楼层着火对学生疏散的影响，并对最不利的楼层场景进行了优化处理，使其满足安全疏散要求；
谢明峰等人将数值模拟应用于人员疏散研究从而分析了人员疏散过程中存在的拥堵问题，改进了安全出口的开放状态、数量、宽度以及疏散路线四个方面；
阎卫东等人在图书馆火灾中提出通过增加广播指引以及适当出口引流等措施，可提高疏散效率，为火灾人员安全疏散管理提供更多解决方向[2]。

本文将通过某高校图书馆为例，假定着火位置以及图书馆内部安全门开闭情况，运用pathfinder模拟软件，对此图书馆进行火灾人员疏散的模拟，根据结果对设计的合理性进行评估，并提出相应的优化措施。

Pathfinder由美国的Thunderhead Engineering公司研发，是一种的简单直观的智能人员紧急疏散逃生评估系统。该软件为大家提供先进的可视化用户界面，同时还拥有三维动画的效果等；
此外软件内置的角色素材库里面包含了许多的可设置项目，可以比相同类型的模拟器更加真实并且图形效果也更加理想，同时还拥有完整的三维三角网格设计等[3]。这些真实地人群给用户带来真实的感官，Pathfinder还支持标准的图形卡顺畅的进行成千上万人的实时动画模拟，为用户群体在建模模拟分析中提供更为科学的数据[4]。

2.1 空间概况

该图书馆共5层，建筑面积25900 m2，图书馆整体呈长方体，每层高4.5 m。1-4层的各层平面图近似“7”字形，除1层外每层各有一大型阅览室，是人员的主要聚集点；
3、4层结构相似。防火设计耐火等级为一级。

2.2 人员概况

实地调查统计其共有2200个阅览座位和400个机位。日进馆人次约为4100次/日，如表1所示。

表1 各楼层总人数及不同区域最高峰时期人数分布

Pathfinder支持两种移动仿真模式。在Steering模式里，门不会限制人群的流动，人与人之间会保持一个合理的间距。在SEPE模式里，人们并不会试图去避开对方，并且会互相拥挤，但是门会限制人群的流动，人员的流动是由空间中的人员密度控制的[5]。通过对于图书馆结构与人流量分析可知，图书馆面积较大，即使人流量在高峰阶段也较为适中，门在应急疏散时影响因素较小发生拥挤的概率较小，故可以在特定模块使用SEPE模式。但从本设计决定性方面考虑，Steering这种模式能更好模拟人员疏散时的真实场景。

此外在构建相关情景建模前，对该馆火灾、烟流蔓延特征进行分析。该馆整体呈长方形，1-4层的各层平面图近似“7”字形。易着火区域为每层阅览书库，由于长方形的构造特点使得火灾在整体蔓延上发散性强且范围较广，同时烟流散入同层其他房间的时间在没有障碍的前提下较其他场所也大量减少。故而易着火区的火灾、烟流蔓延特征有成型快、蔓延广、火势猛等特点。此外不同楼层之间发生火灾，其疏散情景建模结果差别较大。

3.1 建筑建模

首先根据某高校图书馆的建筑设计的平面图，在 Pathfinder的2D视图下构单线条仿真平面模型，如图1。在上一步骤的基础上，将全部的疏散楼层组合，为仿真模型的3D 结构构建整体框架如图2所示。

图1 单线条一层模型

图2 立体图模型

3.2 人物建模

高校图书馆人员火灾应急疏散模拟的假设条件如下：

(1) 疏散人员按图书馆各层最高峰人数布置，人物肩宽为50.0 cm，身高平均1.7 m，其余为普通默认设置。

(2) 忽略人员个体差异，假设其意识清醒，行动能力正常。人员比例分布青年男性40%，青年女性40%，中老年人20%。由于图书馆不属高层建筑，在疏散时无消防电梯，故设置人物在疏散时只能从门与楼梯逃生而不可使用普通电梯。

(3) 人物日常走路平均速度1.2 m/s，疏散时平均疏散速度为2 m/s，并设定人员反应加速时间、持续时间，且分区内人物随机分布，人员行为模式采用Streeing模式。

3.3 情景建模

针对不同的着火位置和安全门开闭情况，进行情景模拟，设置情景如下：

(1) 情景一：模拟二三楼书库着火(未开启内部楼梯安全出口与校史馆出口)

(2) 情景二：模拟四五层书库着火(未开启内部楼梯安全出口与校史馆出口)

(3) 情景三：模拟四五层书库着火(开启全部安全疏散出口)

4.1 疏散的时间时序分析

根据marchant提出的避难理论，当火灾发生时，整个行人疏散过程与火灾扩散的时序关系[6]如图3所示:

图3 marchant避难理论

Tp:行人感应火灾发生所需时间，即从火灾发生到火灾报警器发出报警时间，统计数据为60 s；
Tr:行人做出反应所需时间；
Ta:人员反应后采取行动所需时间；
Ts:行人从建筑中疏散出去达到安全地点所需时间；
Tf:可用的安全逃生时间(又称“避难允许时间”)Tr+Ta:避难前置时间，即火灾识别后人员准备疏散的响应时间，即火灾识别后到人员疏散行动开始 之前的响应时间Tc，统计数据为120 s，见公式(1)。

Tc=Tr+Ta∘Tp+Tr+Ta

(1)

为从火灾发生到人员开始疏散的疏散开始时间Tst见公式(2)。

Tst=Tp+Tc

(2)

避难逃生总时间RSET为，见公式(3)。

RSET=Tst+αTs

(3)

式中，α为安全系数．(主要考虑人员从着火点，全部疏散至供人员疏散用的封闭楼梯间、室外楼梯的入口和首层直通室外的楼梯入口或者直通室外的门的过程中的不确定性因素，对人员移动时间的影响．提出设定，α=1.5)。故图书馆内所有行人成功疏散逃生的条件为(公式4):

Tp+Tr+Ta+Ts≤Tf

(4)

即，RSET≤ASET[7]。

预计得td+tPRE=25+35=60 s

根据烟气及火灾相关知识，设定ASET为300 s[8]。

4.2 仿真疏散结果与分析

在完成以上模拟所需参数后，即可开始本次动态模拟过程。根据Pathfinder模拟分析结果，三种情况下成功疏散人数随时间变化图如图4、图6、以及图8所示，其中纵坐标为图书馆内人数，横坐标为疏散总时间。三种情况下各楼层全部人员的疏散时间统计如表2所示。

图4 疏散人数变化图一

图5 疏散门流量一

图6 疏散人数变化图二

图7 疏散门流量二

图8 疏散人数变化图三

表2 各情景人员全部疏散时间统计结果

4.2.1 情景一：模拟二三楼书库着火(未开启内部楼梯安全出口与校史馆出口)

根据模拟结果如图4，图5所示，按最高峰人数，统计疏散时间以及各门疏散人数如下：

① 五层人员全部疏散时间为31 s，四层人员全部疏散时间为104 s，三层人员全部疏散时间为132 s，二层人员全部疏散时间为145 s，一层人员也即全部人员疏散时间为196 s。

② 疏散楼梯使用分配：南侧楼梯256人，北侧楼梯315人，财务室楼梯250人，分拣室楼梯159人，内部楼梯190人，双梯230人。

③ 疏散安全出口疏散人数分布：南侧疏散安全出口222人，北侧疏散安全出口362人，图书馆正门疏散出口286人，财务室疏散出口190人，校史馆疏散出口人85人，分拣室疏散出口120人，内部疏散出口135人。

综合以上结果，在情景一条件下进行的疏散模拟，人员疏散时间253 s，加上设定的响应时间等不确定因素的60 s[9]，共计RSET共计313 s，大于ASET的300 s预计时间，此时的疏散非常危险。分拣室楼梯与内部楼梯的作用时间短，使用人数少；
而东西侧楼梯较为拥挤。

4.2.2 场景二：模拟四五层书库着火(未开启内部楼梯安全出口与校史馆出口)

根据模拟结果显示，按最高峰人数，统计疏散时间以及各门疏散人数如下：

① 五层人员全部疏散时间为40 s，四层人员全部疏散时间为125 s，三层人员全部疏散时间为140 s，二层人员全部疏散时间为162 s，一层人员也即全部人员疏散时间为176 s。

② 疏散楼梯使用分配：南侧楼梯178人，北侧楼梯299人，财务室楼梯150人，分拣室楼梯140人，内部楼梯186人。

③ 疏散安全出口疏散人数分布：南侧疏散安全出口256人，北侧疏散安全出口323人，图书馆正门疏散出口251人，财务室疏散出口182人，校史馆疏散出口人85人，分拣室疏散出口120人，内部疏散出口183人。

综合以上结果，在情景二条件下进行的疏散模拟，人员疏散时间196 s，加上设定的响应时间等不确定因素的60 s[9]，共计RSET共计256 s，小于ASET的300 s预计时间，此时的疏散较为安全，但仍有很多隐患。

4.2.3 场景三：模拟四五层书库着火(开启全部安全疏散出口)

按最高峰人数，根据模拟结果显示，按最高峰人数，统计疏散时间以及各门疏散人数如下：

① 五层人员全部疏散时间为40 s，四层人员全部疏散时间为116 s，三层人员全部疏散时间为130 s，二层人员全部疏散时间为145 s，一层人员也即全部人员疏散时间为164 s。

② 疏散楼梯使用分配：南侧楼梯190人，北侧楼梯199人，财务室楼梯146人，分拣室楼梯157人，内部楼梯180人。

③ 疏散安全出口疏散人数分布：南侧疏散安全出口229人，北侧疏散安全出口264人，图书馆正门疏散出口296人，财务室疏散出口157人，校史馆疏散出口人103人，分拣室疏散出口136人，内部疏散出口215人。

综合以上结果，在情景三条件下进行的疏散模拟，人员疏散时间164 s，加上设定的响应时间等不确定因素的60 s[9]，共计RSET共计224 s，小于300 s的预计时间，此时疏散为安全状态。由于开启了所有疏散出口，可明显看出在火灾发生前期人员撤离未发生极为拥堵的状态。且与场景一与场景二相比，之前拥挤的北侧楼梯人员流动也明显得到舒缓。二楼的大量人员分流至内部楼梯、双梯、分拣室楼梯，同时也降低了疏散引导人员的负担。场景三即是本疏散设计中所要要求的设计方案，进一步通过软件模拟的方法验证了此设计的可行及有效性。

(1) 图书馆发生火灾时影响人员疏散的主要因素为疏散通道内人员的拥挤与疏散程度。当前图书馆管理现状不能满足火灾时人员安全疏散的要求，一旦发生火灾将造成重大人员伤亡。图书馆应对管理人员进行更多安全疏散方面的培训。

图9 疏散门流量三

(2) 在日常管理中应确保全部的安全疏散出口可开启，且不堆积杂物。根据模拟场景一、二与场景三的对比可以清晰地认识到安全门的重要性。

(3) 图书馆两侧门对图书馆的安全疏散有一定影响，建议安排专人负责，确保在发生火灾时能及时打开[11]。同时定期检查各项疏散设备的可靠性，防止意外发生时。设备的好坏直接决定了RSET的大小，有时尽管撤离迅速，但门出现故障，灭火器用不了等因素而导致前期反应加长。

(4) 要建立健全管理机制和责任机制，通过有效的措施加强管理。在广大师生中要进行使用防火器材的普及教育，并要组织消防演习。