某地震中典型住宅的逃生分析

严铭姣

（山西工商学院 建筑工程学院，山西太原 030062）

0 引言

云南省鲁甸县地处小江断裂带，近年已多次遭受地震侵害，据统计，2003年以来发生了3次5级以上地震。如2014.08.03的6.5级地震造成617人死亡，3000多人受伤。这主要是由于鲁甸地区人口密集，房屋抗震性能差，地震来临时房屋倒塌，人员来不及疏散而造成。可见，人员的安全疏散与人员的生命安全直接相关。

通过大量的人员演习来寻找应急疏散规律不但会耗费巨大的人力、物力和财力，而且难以得到与地震来临时相似的结果。相比之下，系统仿真是一种较为直接且行之有效的方法。目前用于行人仿真的模型主要有离散化模型和连续性模型两大类。本文主要以利用Anylogic为代表的连续型社会力模型，选取鲁甸县重灾害区龙头山镇的典型土坯房结构布局，分析其在08.03地震时逃生时间的影响因素。

1 社会力模型及关键参数的确定

1.1 社会力模型

社会力模型（ Social Force Model，SF）最早由Helbing等人提出，它是连续性模型的代表，考虑了行人流的离散特征，假设行人流的动态特征是在个体相互之间的作用力下产生的，是基于物理力的行人行为模型。它将行人看作满足牛顿力学运动定律的质点，用力矢量来描述行人的真实受力以及内在动机。其表达式为：

式中m代表行人的质量，代表行人的期望速度代表期望速度的方向，νi(t)代表行人i的速度，τ代表步长。该模型由3部分力组成，即等式（1）右边的3项，第一项代表自驱动力，第二项代表人与人（i、j）之间的作用力第三项代表人与障碍物（i、w）之间的作用力

1.2 关键参数的确定

1.2.1 疏散时间

建筑物遭遇地震作用后，其中的人员能否安全疏散主要取决于两个特征时间，一个是建筑破坏到对人构成危险所需的时间，或称可用安全疏散时间（Available Safety Egress Time，ASET）；另一个是人员疏散到达安全区域所需要的时间，或称所需安全疏散时间（Require Safety Egress Time，RSET）[3]。

考虑到鲁甸县龙头山镇土坯房的特点：抗震性能极差，据报道，本次地震发生15s，全部倒塌，文中的安全疏散时间，是指全部人员抵达出口的时间，定为15s，即ASET=15s，暂未考虑人员反应时间。如果人员能在建筑达到危险状态之前即15s内全部疏散到安全区域，便可认为该建筑物的布局设计对于地震中的人员疏散是安全的。

1.2.2 疏散速度

Helbing等人认为行人在放松时的自我期望速度为0.6m/s，常态时为1m/s，紧张时为1.5m/s[2]。Fruin通过实验统计也得出人在正常情况下的行走速度为1.2m/s，在紧张状态下人员疏散可达1.5m/s[4]。由于本文是针对普通家庭而言，有成年人，也有不同年龄小孩，综合各种因素，如考虑成年人携带小孩、家人互相照应等，对模型进行简化，在成人紧张状态下1.5m/s的逃生速度的基础上乘以系数0.7，为1.05m/s，取1.0m/s作为平面上的平均逃生速度。但为了覆盖其他未考虑的情况，减少简化模型对结果的可靠性造成的影响，笔者在建模时还分别考虑了逃生速度为0.5～1.5m/s之间均匀分布的不同情况。

对于地震来临时，处于二层楼上的人员，在楼梯梯段上的逃生速度，笔者借鉴了吕雷[5]等人通过试验统计得出的楼梯等效长度为3.6m，疏散人数少于5人的人员疏散速度0.6m/s，由于龙头山镇的土坯房层高为2.7m左右，本文中采用楼梯段疏散速度0.7m/s。

2 实例建模与结果分析

2.1 实例建模

2.1.1 环境空间及疏散对象

为了分析鲁甸县龙头山镇房屋在本次08.03地震中建筑布局对人员逃生的影响情况，本文以该地方典型土坯房结构为例构造疏散空间，如图1所示。

图1 龙头山镇土坯房典型平面布局

建筑用地面积约72m2，总建筑面积144m2，功能布局如图1所示。由于地震发生具有不可预知性，人员的分布应该具有随机性，本文考虑到建模的简化，仿真开始时，在室内指定不同路径进行逃生疏散，但这些指定路径中也考虑了最不利的位置。由于当地五口之家居多，则疏散对象取五人。分别分析地震来临时，人员处于一层跟二层两种不同位置的逃生情况，并对结构布局进行改进，再次进行逃生分析。

2.1.2 仿真模型的建立

分析图1所示建筑布局，采用Anylogic提供的行人库中的相应对象模块建立仿真流程图，并按照上述分析数据设置相应的参数。以二楼为起点的流程图如图2所示。

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图2 仿真流程图

2.1.3 仿真动画设计

利用Presentation中的Image直接读取AutoCAD平面图，按照图底中的房间布置绘制墙壁以及其他障碍物，添加出入口和行人行走路径，并将动画中的图像与流程图中的模块进行相应的匹配。如图3所示。

图3 行人疏散动态图

2.2 仿真结果与分析

2.2.1 逃生路线和疏散时间及疏散速度的关系

整理Anylogic的仿真结果，可以得到地震来临时处于不同楼层人员在不同速度及路径情况下的疏散时间，如图4和图5。

图4 一楼的行人逃生速度对时间的影响

图5 二楼的行人逃生速度对时间的影响

从以上图表可看出，地震来临时处于一楼的人员以0.7～1.2m/s（该速度符合Helbing和Fruin等人对恐慌状态下人员行走速度的研究）的速度均可以在15s内顺利逃生，无需改进。但由于楼梯对逃生速度的影响，处于二楼的人员所需时间将大幅增加。此外，经过对仿真过程的观察可知，对于土坯房而言，这种建筑布局较为繁琐，隔墙多，转弯多，人员很难沿着最短路径前进，这也很大程度上影响了逃生时间。所以，应考虑以上因素，对二楼布局进行改进并观察其改进后的人员逃生情况。

2.2.2 障碍物对逃生时间的影响分析

图6 二楼改进后的建筑布局

同样得出地震来临时处于二楼的人员在不同速度及路径情况下的疏散时间，并生成建筑布局改进前后逃生时间对比图（图7）。

图7 障碍减少后改进前后二楼的行人逃生速度对时间的影响对比图

由图7可以看出，改进以后整体疏散时间都有所缩短，尤其是当行走速度较快（大于0.8m/s）时更加显著。经分析得出，时间缩短的原因主要来自于障碍物和转弯数量的减少，且避免转弯靠近墙壁和其他房间。路径得到简化，可以让行人以较块的速度沿最优路径行走，从仿真画面可以看出，行走速度处于0.9～1.3m/s时，缩短的时间主要来自转弯数量减少，且这部分能够缩短的时间较多。

综合以上分析可知，单纯增加个人期望速度，并不能获得疏散最快速度，因为速度过快可能导致人员之间的碰撞、人与障碍物之间的碰撞等，以至于阻碍疏散的进行。且逃生期望速度存在最优速度，若把人员的期望速度调整在最佳值，并通过对建筑布局的改进，如减少隔墙的长度和障碍物的数目，尽量保证人员通往出口的路径最短且畅通。

3 结论

本文借助Anylogic软件，定量分析了鲁甸地区典型土坯房在地震来临时，人员处于不同楼层，逃生速度及结构布局对疏散时间的影响。结果表明，在逃生中，存在最优期望速度。而结构布局上，由于建筑面积在60～70m2，处于一楼的人员，此项对疏散时间无太大影响。但对于二楼，楼梯严重影响了逃生速度，且逃生距离相对较长，结构布局对于疏散时间有显著的影响。

造成逃生困难的基本原因是地震时房屋倒塌时间短，人员无法在此时间内以最近的路线进行逃生。为解决这种问题，建议以下措施：（1）在灾后重建时，杜绝建设土坯房，加强房屋抗震性能的设计，以延长倒塌时间；（2）对于抗震性能差的房屋，只限于建造一层，且在规划建筑布局时，避免过多拐角的设计，以此缩短逃生路径；（3）在地震来临时，人员还应尽可能将疏散速度控制在最佳疏散速度区段，以达到安全、科学的疏散。

然而，由于地震本身的复杂性，加之疏散过程影响因素繁多及不确定性，如：人员恐慌、周围环境多变等，导致目前疏散问题仍存在较多瓶颈，本文仅对特定环境下的疏散问题加以分析，后续将在如何合理规划房间结构或建筑空间布局，为逃生提供最短时间遵循的原则和规律上做深入研究。

[1]Helbing D，Molnar P.Social force model for pedestrian dynamics[J].Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids&Related Interdisciplinary Topics，1995，51 （5）：4282-4286.

[2]Helbing D，Farkas I，Vicsek T.Simulating Dynamical Features of Escape Panic[J].Nature，2000，407 （6803）：487-490.

[3]LY Cooper，DW Stroup.ASET-A Computer program for Calculating Available Safety Egress Time[J].Fire Safety Journal，1985，9（1）：29-45.

[4]Heigeas L，Luciani A，Thollot J，etal.A physically-based particle model of emergent crowed behavior[R].Physics，2010：1-9.

[5]吕雷，程远平，王婕，等.对学校教学楼疏散人数及疏散速度的调查研究[J].安全，2006，27（1）：10-13.