顶层含有摩天轮的特殊建筑人员应急疏散能力分析
摘要：为确保屋顶层具有摩天轮的商业综合楼在紧急情况下的人员疏散安全性，基于Agent-based社会力模型，采用仿真工具Pathfinder，开展某屋顶层含摩天轮的商业综合体人员疏散模拟。根据规范和建成建筑信息，设置各区域的人员参数与数量，开展应急疏散模拟。研究得出，摩天轮区域设置单独的疏散通道逃生，可以有效缓解整个建筑的疏散压力，各层人员可在限定时间内到达安全区域，因摩天轮乘坐人员需等轿厢到达登梯平台，人员疏散用时最长为973s。
随着建筑功能及美学设计的多样性发展，单体建筑综合楼的结构越来越复杂，不仅丰富了城市生活，也给火灾、地震等紧急事故状态下的人员疏散带来更大挑战[1]。在此背景下，研究屋顶层具有摩天轮的商业综合楼在紧急情况下的人员应急疏散效率，并探索有效措施以缩短疏散时间，成为重要的研究方向。
对于复杂建筑人员疏散影响因素，李晨旭等人[2]提出疏散时间随高层人员居住密度的降低而降低。朱前坤等人[3]研究得出教学楼人员疏散最重要的影响因素是通道口处堵塞。王梓楠等人[4]也得出同样的结果，在紧急疏散过程中，应该增加疏散楼梯宽度，加强寻路标识等。张兴忠[5]通过对高层建筑的消防灭火救援难点进行重点研究。张明振等人[6]研究了超高层建筑人员紧急疏散特征，分为抢占、逆行、冲动、惯性、侥幸共五种行为。常悦等人[7]通过研究学生宿舍人员紧急疏散分析，得出楼梯应分布在标准层和防火分区，并且要分散布置。基于以上疏散研究结果，主要针对的是单一传统建筑人员紧急疏散策略，对于屋顶层具有摩天轮游览设施的商业综合楼紧急疏散的研究分析较少。
因此，本文基于Agent-based社会力模型，采用三维动态仿真软件Pathfinder，构建了某顶层具有摩天轮的商业综合体人员疏散模型。鉴于火灾是应急疏散中出现概率较大且危险的情况，本研究考虑火灾状态下的疏散模拟，旨在分析紧急疏散的复杂情况下，人员安全疏散时间是否能够得到保障，并对比其疏散结果，给出优化措施。
1模型建立
1.1 建筑概况
某已建成屋顶层含摩天轮的综合楼占地面积5007.28m2，总建筑面积64252.43m2，地上建筑面积46486.15m2，建筑高度为49.55m，属于一类高层民用建筑。地上共10层，为商业功能，其中1层层高为5.1m，2～10层层高为4.9m，机房层层高3.3m。摩天轮登梯平台位于9层楼面，9层屋外单独设置有一处摩天轮登梯平台，见图1。
1.2 疏散场景
因地下和地上具有单独的疏散出口，火灾情况下的人员紧急疏散，只考虑地上部分的10层商业区和顶层摩天轮区。地上10层商业部分内设有自动喷水灭火系统，每层楼设置两个防火分区，每个防火分区至少设2 个出口，出口之间的距离均超过5m，满足疏散距离要求，其中1层具有多个直通室外的出口，满足疏散宽度的要求。2～3层疏散出口在各层的相对位置一致，每个防火分区均设置三处疏散出口，4～10层疏散出口在各层的相对位置一致，每个防火分区分别设有两个疏散出口。顶层摩天轮功能区具有独立的疏散楼梯的特殊情况，每个防火分区最远点至最近安全出口的距离小于37.5m。通过对综合楼和摩天轮的人数设计，根据最不利原则，地上10层商业区域的疏散总人数为15433 人，9层设置摩天轮登梯平台，摩天轮转一圈所需时间为12min，摩天轮轿厢数为30，运载定员为6×30=180 人，因此，在设置疏散时考虑为满员的情况，因此全楼疏散的总人数为15613人，见表1。考虑以上特殊情况，选择人员负荷最大的情况模拟。
2基于Pathfnder的疏散人员安全性分析
Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering 公司开发的一款基于Agent-based的智能人员紧急疏散逃生评估仿真系统，主要用于建筑防灾系统优化设计、灾难逃生科学研究、人员灾难疏散模拟训练。在软件中建立的3D模型还原了建筑的几何结构，包括房间、门、楼梯、出口等，由于人员密度会对人群的拥挤状态有影响，进而动态调整人员在不同位置的行走速度。通过定义每个模拟人员的个体参数来实现模拟过程中的各自独特的逃生路径和时间预测，适用于大型复杂建筑物的逃生分析。
2.1 人员参数确定
由于不同年龄段的人员类型行走速度不同，最终导致疏散时间变化。因此，本项目中依据人员类型设定人员的行走速度，见表2。
2.2 人员疏散安全时间确定
本研究人员疏散场景考虑为火灾紧急疏散，根据GB51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》第4.6.7 条规定，火源最大热释放速率为1.5MW，确定为t2快速增长火源，达到最大热释放速率的时间为185s。探测与报警时间取60s；通过打开实时引导的应急广播系统，疏散人员处于清醒状态，易于识别火灾报警并找到最近的安全疏散路线，人员识别火灾时间取90s，本商业区通过严格管理，及时组织人员疏散，取反应时间30s，疏散开始时间合计为180s。每一层楼的火源分别考虑机械排烟和不利条件导致机械排烟失效使用自然排烟的情况，同时考虑最不利条件，设置一层发生火灾，各层防火卷帘失效的情况，分析人员安全疏散时间。
最后考虑到发生火情疏散过程中的不确定性，增加安全余量时间（Ts），通常取不小于0.1倍的疏散行动时间。必需疏散时间RSET=疏散至楼梯前室时间+Ts。火灾时人员紧急疏散过程与火灾发展过程的关系见图2。
2.3 模拟结果分析
考虑人数最多的L1层进行模拟分析。疏散开始，疏散人员选择就近的安全出口进行疏散。疏散行动时间
30s时，L1层第一防火分区人员集中在楼梯前室窄口处，第二防火分区由于面积过大，还有一部分人员未疏散至楼梯前室。疏散行动时间60s时，第一防火分区仍有部分人员拥挤在楼梯前室，第二防火分区人员已经全部进入安全出口区域。疏散行动时间80s时，第一防火分区仍然有部分人员未进入安全出口区域。疏散行动时间89.7s时，L1层所有人员均进入安全出口区域，见图3。可知模拟计算得到L1疏散行动时间为89.7s。疏散时间计算时，行动时间乘以1.1倍安全系数。因此L1 层的疏散时间RSET=89.7×1.1+180=278.67s。
考虑到该建筑顶层存在摩天轮，紧急情况下，摩天轮需旋转到登梯台位置，人员才能离开轿厢向安全区域疏散，见图4。疏散行动时间200.7s时，摩天轮平台独立疏散楼梯进行紧急疏散的人员已经到达L1层安全出口区域。由于摩天轮旋转一圈需要12min，所以仍有大量的人员拥挤在平台区域。疏散行动时间600s时，摩天轮平台仍有少数滞留人员，一直到疏散行动时间720.9s时，摩天轮区域所有人员均离开平台，进入疏散楼梯安全区域。可知模拟计算得到摩天轮区域疏散行动时间为720.9s。考虑安全余量，摩天轮区域的疏散时间为RSET=720.9×1.1+180=972.99s。
针对表1中工况的设置，得到各楼层的疏散行动时间，见图5。顶层所有人员疏散至楼梯前室的时间为314.8s，主要原因是顶层楼梯疏散区域以上不存在向下人员的挤占，向下楼层因需要等待较低层人员进入楼梯间，所以除开顶层区域，楼层越高，人员疏散至楼梯前室时间越长。摩天轮疏散至楼梯前室时间720.9s，主要原因是摩天轮共有轿厢30个，其旋转一圈所需时间为12min，当轿厢旋转至最低处时，疏散人员才能离开轿厢到达摩天轮平台进入到疏散楼梯区域。最后一个轿厢人员到达登梯台时间较晚，所以摩天轮区域人员疏散至楼梯前室时间最长，但摩天轮人员疏散时间小于全楼疏散时间。
3结束语
本文通过顶层含有摩天轮的特殊建筑，进行人员紧急疏散模拟分析，得出以下主要结论和建议，为今后顶层含有摩天轮的特殊建筑综合楼制定消防安全管理措施提供参考。
在消防系统有效作用下，考虑疏散开始时间为180s，考虑人员疏散安全余量至少为行动时间的0.1 倍，各楼层分别布置人员。除顶层外其他楼层中，楼层位置越高，人员疏散至室内安全区域所需时间越长，顶层因不受上部人员拥挤影响，疏散至安全区域的时间较短。
摩天轮登梯平台具有独立的疏散楼梯，虽然摩天轮乘客开始疏散时间会延迟，但是利用单独疏散楼梯能够减缓楼梯内的拥堵，摩天轮满载情况下所有人员进入室内安全区域的时间最长，因为摩天轮轿厢旋转时间较久，该区域所有人员疏散至室外的时间小于全楼其他区域疏散时间，因此整体上摩天轮不会造成全楼的疏散延时。
须确保疏散通道无堵塞，防火卷帘、疏散楼梯安全可用，疏散指示标志清晰醒目。定期组织商户参加大型联合紧急疏散演练，提高疏散效率。
