高层住宅楼社区燃气泄漏事故应急疏散模拟

杜 华，徐 哲，刘永滨，张季娜，石建成，胡瑾秋

(1.中石油昆仑燃气有限公司燃气技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150000；
2.中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院 应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室, 北京 102249)

随着我国城市管道燃气事业迅速发展，燃气管道大量进入社区及居民家中。由于燃气供气范围不断扩大、用户数量不断增长，与燃气有关的各类风险因素也不断增加。社区燃气管道属于中低压燃气管道，其布局密集、错综复杂，布局深入人群居住密集区，燃气应急事件易发、多发。2020年，全国共计发生燃气事故278起，其中社区燃气管道泄漏事故有147起，占比达52.88%；

2021年全国共计发生燃气事故455起，其中社区燃气管道泄漏事故有336起，占比达73.85%。社区燃气管道泄漏事故已成为燃气事故中高频率事故类型，其中主要是第三方施工破坏导致燃气管道破裂、发生泄漏。燃气属于甲类易燃易爆气体，当发生燃气泄漏时，波及范围会随着燃气泄漏时间增长而扩大，危险性也随之增加。当社区发生燃气管道泄漏事故时，应急处置人员需要对现场情况进行研判，如泄漏情况严重则需要疏散周边住宅楼居民，以防止燃气聚积达到爆炸极限，遇点火源发生火灾或者爆炸，威胁社区居民的生命和财产安全。

国外学者关于社区疏散方面，在森林火灾、飓风威胁、agent决策支持工具等方向做相关研究[1-3]。文献[4]根据可能影响疏散的潜在因素计算人群疏散率及疏散时间，评估台风灾害过程中社区疏散能力。文献[5]研究紧急情况下行人特征，为描述行人恐慌心理对疏散过程的影响，提出恐慌系数概念，并定义相应规则。目前，国内学者研究疏散主要针对的场景多数为地铁站、机场航站楼和商业综合体等大型公共场所[6-7]。对社区疏散的研究，文献[8]采用GIS空间分析技术，从需求分布和空间可达性等方面出发构建居民避震区划方法，优化城市避难设施布局。文献[9]在分析商务型社区基本特征的基础上，从总体防灾空间、应急救援疏散网络等方面探讨商务型社区应急防灾空间设计优化策略。

综上可知，国外学者考虑了火灾、飓风和恐慌等因素对社区疏散和决策的影响[10-11]，取得了一定的研究成果，然而我国社区与人口特点与国外居民社区布局具有显著差异，国外理论方法成果无法直接应用，我国社区燃气管道泄漏事故应急疏散需结合我国国情特点。国内学者在人员应急疏散方面，针对多种公共场所进行了许多相关研究[12-13]，在宏观层面上对社区疏散进行优化布局分析，但城市社区燃气管道泄漏事故的住宅楼内人员应急疏散研究比较匮乏。因此有必要对城市社区住宅楼，综合考虑社区燃气泄漏事故场景，基于PyroSim软件和Pathfinder软件对社区燃气管道泄漏事故和住宅楼内人员进行疏散模拟，充分利用疏散资源，保障居民生命安全。

① 步骤1：明确社区周边燃气泄漏事故和建筑类型

建立某住宅楼外燃气泄漏事故情景，该住宅楼南侧由于市政工程施工发生第三方施工破坏，导致燃气管道发生泄漏。

住宅楼共19层，层高3 m。该住宅楼第1层是2户，第2～19层是4户，共74户，楼梯为剪刀型楼梯，配备2部电梯。平时2个后门均关闭，1个正门常开。当社区燃气管道泄漏事故发生时，经应急处置人员研判，需对该住宅楼的居民进行撤离疏散，且判断燃气不会在电梯井聚积，允许使用电梯辅助人员疏散。

② 步骤2：收集住宅楼建模所需数据

住宅楼建模所需数据见表1。

③ 步骤3：构建PyroSim模型与参数设定

a.构建PyroSim模型

PyroSim软件侧重模拟燃气泄漏到住宅楼的时间及燃气体积分数变化。根据步骤2采集住宅楼数据构建PyroSim模型，住宅楼PyroSim模型见图1。原点位于一层地面计算面右下角，计算域右下角最低点坐标为(-5 m,-5 m,-1 m)，左上角最高点坐标为(25 m,30 m,58 m)。事故描述：第三方施工地下作业坑的长×宽×深为2.0 m×1.4 m×1.0 m，作业坑内有1根公称直径为100 mm的燃气管道，埋深为1 m。施工导致管道发生全管径断裂。建模时，泄漏孔的中心坐标为(7.05 m,24.05 m,-1.00 m)，泄漏孔用0.1 m的正方形表示。住宅楼建筑方向正门面向南方。除第1层的2个后门外，其他各层的门窗均开启。不考虑门窗缝隙。

表1 住宅楼建模所需数据

b.参数设定

初始环境温度为20 ℃，压力为101.325 kPa，风速为2 m/s，风向为南风。模拟时间设为850 s。泄漏天然气设置为纯甲烷，温度与环境温度相同，压力为0.15 MPa，泄漏质量流量为0.8 kg/s，该流量考虑调压器通过能力和管道阻力后是合理的。

采用气体探测器监测甲烷体积分数，住宅楼PyroSim模型第5层气体探测器分布见图2。每层6处，每层设置位置均相同，共114处。测点高度为2 m。由于事故场景为住宅楼外燃气泄漏，不考虑火灾等因素，将模型表面设置为惰性表面。为了更加真实准确模拟燃气泄漏场景，边界条件为开放边界。

图1 住宅楼PyroSim模型(软件截图)

④ 步骤4：确定人员可用疏散时间

天然气的爆炸极限为5%～15%，设定从泄漏孔开始泄漏到住宅楼内任意1个气体探测器监测到天然气体积分数达到5%且不会大幅下降的时间为人员可用疏散时间tASET。

⑤ 步骤5：构建Pathfinder模型与人员参数确定

a.构建Pathfinder模型

Pathfinder软件侧重模拟住宅楼内人员疏散等。该模型的人员行为是寻找最优路径，人员前面畅通无阻时按照规定的疏散速度疏散，前面发生拥堵时，根据碰撞机制，人员会停止，直到前方畅通时人员会再次以设定的疏散速度进行疏散。根据步骤2采集的数据构建Pathfinder模型，户内家具摆放位置和户型都相同。住宅楼Pathfinder模型见图3，住宅楼平面布局见图4。图4中的矩形代表床、沙发、桌子、衣柜等影响人员疏散的障碍物，黄色短线代表房间门口，绿色短线代表安全出口。

图2 住宅楼PyroSim模型第5层气体探测器分布(软件截图)

图3 住宅楼Pathfinder模型(软件截图)

图4 住宅楼平面布局(软件截图)

b.人员参数确定

将每户设置4 人。将人员分为4类：成年男性、成年女性、儿童、老人，各类人员所占比例均为25%，该住宅楼内共296 人。住宅楼人员基本属性参数[14]见表2，其他属性参数见表3。表3中，人员加速时间指人员从静止到达到疏散速度所需时间。人员碰撞响应时间指人员发生碰撞到下一个行为的时间。人员设计为圆柱形状。

表2 住宅楼人员基本属性参数

表3 住宅楼人员其他属性参数

⑥ 步骤6:确定人员所需安全疏散时间tRSET

设定从燃气泄漏到居民接收到疏散指令的时间为t1,人员疏散准备的时间为t2，人员通过安全出口视为疏散成功，从开始疏散到最后一个人员通过安全出口的时间(记为疏散时间)为t3,则人员所需安全疏散时间tRSET为t1、t2、t3之和。

本部分讨论自行疏散方案，疏散方式是楼梯与电梯，安全出口1个正门开启、2个后门关闭，人员乘坐电梯的楼层随机。

① PyroSim软件模拟结果

通过气体探测器数据发现，5层房间位置GAS5-03气体探测器(位置见图2)处天然气体积分数最先达到爆炸下限，时间tASET为498 s。

② Pathfinder模拟结果

住宅楼人员从开始疏散到最后一个人员通过安全出口的时间t3为847.8 s，疏散296人，人员疏散方式是楼梯与电梯，安全出口1个正门开、2个后门关。设定从燃气泄漏到居民接收到疏散指令的时间t1为15 s；
人员疏散准备的时间t2为15 s，人员所需安全疏散时间tRSET为877.8 s。

③ 结果分析

分析比较tASET与tRSET。当tASET>tRSET时，表示住宅楼内人员在自行疏散情况下(疏散方式是楼梯与电梯，安全出口1个正门开启、2个后门关闭)能够安全疏散；
当tASET

根据上文分析，tASET

④ 人流量分析

根据Pathfinder模拟正门人流量结果，当人流量小于等于1 人/s时，正门可以进行人员正常疏散；
当大于1 人/s时，易造成楼梯间与正门拥堵。住宅楼正门人流量变化见图5，疏散过程中，正门的人流量曲线呈波浪形。正门人流量峰值在121 s时，人流量为1.1 人/s，超过1 人/s，可以判断为在人流量峰值时，正门疏散能力不足。由图5还可以看出，正门在332、482 s等时刻人流量都为0，表明正门没有得到有效利用。

图5 住宅楼正门人流量变化

Pathfinder软件模拟住宅楼在400 s时疏散情况见图6(图中红框为电梯门)。可以看出，部分人员在1层正门聚集，另外大部分人员在中部停留。出现这种情况，原因是Pathfinder软件的疏散行为是使人员按最快路线从首发位置移动到各自楼层出口，每个人员都有一条最快的疏散路线，当路线拥堵无法前行时人员会原地等待，直到不再拥堵，人员可再次进行疏散，符合实际疏散情况。

住宅楼高层为9～16层，中层为8～15层，低层为1～7层。一般情况中、高层人员选择乘坐电梯，低层人员选择走楼梯，该模型人员行为符合实际。但电梯优先级从高层到中低层，中层人员不能立刻乘坐上电梯进行疏散，需要等电梯将全部高层人员运送到1层后，中层人员才能乘坐电梯，这段时间未有效疏散。当等待乘坐电梯人员与高层走楼梯人员在楼梯间相遇，会造成拥堵，导致人员疏散速度降低或停滞不前，从而影响整体的疏散效率。

图6 Pathfinder软件模拟住宅楼在400 s时疏散情况(软件截图)

综上所述，在高层住宅楼中，由于住户多、楼层高，疏散时会导致有些人员还未至电梯间内就已经排起长队，疏散资源不能得到充分利用。为降低t3，提高疏散效率，对模型进行改进。

国内外对紧急情况下电梯疏散合理性及有效性已进行研究论证[15-16]，结果表明，电梯疏散在一定程度上可行、可用，但需结合具体研究对象制定出可靠、可控、可操作的方案。比较以下3种改进方案，得出最优方案。

① 方案设计

a.方案1：疏散方式是楼梯，安全出口(1个正门、2个后门)全部开启。

b.方案2：疏散方式是楼梯与电梯，安全出口(1个正门、2个后门)全部开启，人员乘坐电梯的楼层随机。

c.方案3：疏散方式是楼梯与电梯，安全出口(1个正门、2个后门)全部开启。此方案仅8～15层电梯开启，16～19层老人儿童先走楼梯再乘坐电梯，8～15层老人儿童直接乘坐电梯，1～19层成人走楼梯。

② 方案模拟结果

通过Pathfinder软件模拟，得出3种方案模拟结果，见表4。

表4 3种方案模拟结果

方案1全部人员仅使用楼梯进行疏散，是一个理想化的过程，未考虑老人儿童在行走过程中的疲惫因素，也未考虑楼梯间人员密度过大会带来拥堵踩踏。结果显示，从开始疏散到最后一个人员通过安全出口的时间t3为359 s。

方案2的模拟结果可以看出，600 s之前疏散了80%的人员，而剩余20%的人员疏散时间占总疏散时间的35.5%。方案2疏散时间600 s时疏散情况见图7，可以看出，由于所有人员可以采用电梯方式疏散，这样会造成低层人员花大量时间等待电梯，造成疏散资源浪费，因此有必要对低层人员使用电梯进行限制。结果显示，从开始疏散到最后一个人员通过安全出口的时间t3为930.5 s。

图7 方案2疏散时间600 s时疏散情况(软件截图)

方案3考虑了方案1、2存在的问题，充分利用楼梯、电梯，通过比较使用电梯或楼梯疏散的完成时间，分析出最优策略。同时，考虑了老人、儿童、成年人在不同楼层不同的疏散方式，充分利用了疏散通道。结果显示，从开始疏散到最后一个人员通过安全出口的时间t3为436 s。

方案1、2、3人员所需安全疏散时间分别为389.0、960.5、466.0 s。考虑了方案1过于理想化，经比较，方案3最优。与自行疏散方案相比，方案3人员所需安全疏散时间缩短46.9%。

① 住宅楼内人员按自行疏散方案不能够安全疏散。

② 住宅楼5层GAS5-03气体探测器处天然气体积分数最先达到爆炸下限。

③ 方案3最优，与自行疏散方案相比，方案3人员所需安全疏散时间缩短46.9%。