大型室内游乐场人员疏散运动时间的模拟

牛少伟，方 黎

（1．河南省公安消防总队，河南郑州450002;2．宁波市公安消防支队，浙江宁波 315010）

近年来，为了满足广大消费者不断增长的购物、休闲和娱乐的需求，大型室内游乐场所不断涌现．由于大型室内游乐场具有建筑规模大、结构复杂、使用功能多样、人员大面积聚集、疏散路径长且曲折、儿童比例偏大等特点，其安全疏散较一般建筑更为困难．目前关于人员疏散的研究多限于大型商场、地铁、住宅楼、隧道等场所，关于游乐场人员疏散的研究较少［1］．因此合理预测紧急情况下大型室内游乐场的安全疏散时间具有重要意义．

紧急情况下的安全疏散时间一般包括火灾探测时间、预动作时间和人员疏散运动时间，其中，人员疏散运动时间是其重要组成部分．影响人员疏散运动时间的因素包括外界环境和人员自身两方面．其中外界环境因素有出口宽度、障碍物、光照条件等;人员自身因素有人员密度、人员步速、人员尺寸、人员构成等．对于特定的大型室内游乐场，在人员密度确定的情况下，人员步速、人员尺寸、人员构成便成为影响其疏散运动时间的主要因素．

人员疏散运动时间的预测一般有现场模拟试验测量法、经验公式法和计算机模拟［2－3］3种方法．鉴于Pathfinder操作方便、运算效率高及其在性能化防火设计中的广泛应用，笔者采用Pathfinder模拟研究了人员构成、人员步速和肩宽及其分布与大型室内游乐场人员疏散运动时间的关系．

1 人员疏散运动时间的模拟

1．1 游乐场的概况

某室内游乐场为大型综合娱乐场所，集旅游、娱乐、休闲、观光、购物于一体．单层建筑面积44 110 m2，共6层．一层平面如图1所示，图中箭头表示对外疏散出口，共17个，总宽度92 m．由于一层具有大型室内游乐场建筑的典型结构，而二至六层为中空结构，不具有典型性，因此选取一层为代表进行研究．

图1 某大型室内游乐场一层平面图

1．2 模拟参数的确定

1．2．1 人员荷载

合理的人员疏散评估需要建立在正确的人员荷载统计的基础之上，根据文献［4］的规定，确定该游乐场一层人员荷载见表1．游乐设施和等候区均按满员考虑，餐饮区按照座位数确定．

表1 某大型室内游乐场一层人员荷载

1．2．2 人员属性

Pathfinder疏散模型中的人员由以下数据定义：人员名称、使用出口、步速、反应时间、身体尺寸、坐标．其中身体尺寸用肩宽表示．

Pathfinder软件默认的人员属性为：所有人员步速为 v0=1．19 m/s，肩宽 W0=45．58 cm．

为研究不同的人员构成比例对人员疏散运动时间的影响，将游乐场人员分为成人和儿童两大类．成人和儿童的肩宽、步速分别采用3种分布方式：恒定值、均匀分布、标准正态分布．

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根据文献［1］及文献［5－12］，人员尺寸采用3个重叠的圆近似表示，其横截面与人体形状近似，如图2所示．人员尺寸及无障碍环境下的步速见表2，其中肩宽W=2Rd．Pathfinder疏散模型中人数属性参数取值见表3．

图2 人体尺寸近似模型

表2 不同人员类型的肩宽和步速取值

表3 人员属性参数

2 模拟结果分析

2．1 步速对人员疏散运动时间的影响

按照某大型室内游乐场一层建筑图纸搭建Pathfinder疏散模型，模型中人员按照表1设置，模型如图3所示．

图3 游乐场一层Pathfinder疏散模型

人员疏散模拟以此模型为基础，改变人员构成比例（儿童比例）及人员步速和肩宽等参数．v0=1．19 m/s（默认平均值）、vc=0．9 m/s（儿童步速）、va=1．25 m/s（成人步速）时，人员疏散运动时间模拟结果见表4．所示．

表4 W0=45．58 cm时步速对人员疏散运动时间的影响

图4 儿童比例对人员疏散运动时间的影响

由表4可知，肩宽恒定时，步速越大疏散时间越短，二者的变化幅度不成比例．当步速比 v0增加5．04%时，人员疏散运动时间比t0减小7%;当步速比v0减小24．37%时，人员疏散运动时间比t0增加19%．

2．2 肩宽对人员疏散运动时间的影响

当步速v取默认平均值v0=1．19 m/s，肩宽分别取 W0=45．58 cm（默认平均值）、Wc=42 cm（儿童肩宽）、Wa=51 cm（成人肩宽）时，人员疏散运动时间模拟结果见表5．据表5分析得出，步速恒定时，肩宽越大疏散时间越长，但二者变化幅度并不成比例．当肩宽比W0增加11．89%时，人员疏散运动时间比t0增加8．75%;当肩宽比W0减小7．58%时，人员疏散运动时间比t0减小6．86%．

表5 v0=1．19 m/s时肩宽对人员疏散运动时间的影响

综上所述，对于特定大型室内游乐场，当其他因素不变时，人员疏散运动时间随步速增大而减小，随肩宽增大而增大，但并非同比例增大或减小．

2．3 人员构成对人员疏散运动时间的影响

儿童和成人的步速、肩宽相差较大，为简化计算，将游乐场人员划分为2大类：儿童和成人．文中人员构成比例由儿童占总人数的比例反映．儿童人数记为Nc，总人数记为N，则儿童占总人数比例为Nc/N×100%．儿童和成人的步速、肩宽分别采用3种分布：恒定值、均匀分布、标准正态分布．3种分布对应的疏散时间依次记为 tcon，tu，ts．

当儿童占总人数的比例由低到高变化（0%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%）时，人员疏散运动时间模拟结果如图4

由图4可见，人员步速、肩宽在3种分布下，虽然人员疏散运动时间随儿童比例的变化略有波动，但总体上呈上升趋势．

当人员步速、肩宽采用恒定值，儿童比例由0%增加至40%时，人员疏散运动时间由180 s增加至208 s，增幅15．55%．随后人员疏散运动时间随儿童比例增加而在波动中增长．儿童比例由0%增至100%时，人员疏散运动时间的总增幅为18．89%．

当人员步速、肩宽采用均匀分布，儿童比例由0%增加至10%时，人员疏散运动时间由192 s增加至239 s，增幅24．48%;儿童比例由30%增至40%时，人员疏散运动时间由242 s增至267 s，增幅13．89%．除此之外，人员疏散运动时间随儿童比例的增加而在波动中增长．儿童比例由0%增至100%时，人员疏散运动时间总增幅47．40%．

当人员步速、肩宽采用标准正态分布，儿童比例由0%增加至20%时，人员疏散运动时间由202 s增加至250 s，增幅23．76%．此后，人员疏散运动时间随儿童比例增加而在波动中增长．儿童比例由0%增至100%时，人员疏散运动时间总增幅26．73%．

综上可知，当儿童比例逐步增大时，人员疏散运动时间总增幅由大到小依次为：均匀分布47．40%，标准正态分布26．73%，恒定值18．89%．在3种分布下，儿童比例在0%至40%之间变化时，疏散时间的变化较大．

此外，由图4还可见：除0%，20%，30%三个点之外，任一儿童比例下均有tcon＜ts＜tu，即人员步速、肩宽采用恒定值时人员疏散运动时间最短，采用平均分布时疏散时间最长，采用标准正态分布时居中．原因是，采用恒定值时，每一类人（儿童和成人各为一类）肩宽一致、步速一致，仿佛齐步走，不易拥堵、碰撞，疏散最快;采用平均分布时，肩宽、步速取值较为分散，步伐难以协调一致，容易拥堵、碰撞;正态分布时，肩宽、步速取值大部分在期望值附近，因此，疏散速度也介于前两种情形之间．

3 结语

1）对于特定的大型室内游乐场，在外界环境和人员密度不变的条件下，人员疏散运动时间随步速增大而减小，随肩宽增大而增大，但比例不同．

2）当人员步速和肩宽分别服从不同分布时，人员疏散运动时间随儿童比例变化略有波动，但总体随儿童比例增加呈上升趋势．当儿童比例逐步增大时，人员疏散运动时间总增幅由大到小依次为：均匀分布时间＞标准正态分布时间＞恒定值分布时间;儿童比例在0%～40%之间变化时，疏散时间的变化较大．

3）人员步速和肩宽的不同分布方式对人员疏散运动时间的影响很大．人员步速和肩宽均服从常值分布时的人员疏散运动时间最短，服从均匀分布时的疏散运动时间最长，服从正态分布时的疏散时间介于二者之间．

综上所述，人员肩宽和步速及其分布方式、人员构成比例均对人员疏散运动时间有很大影响．在性能化防火设计中，为尽可能真实地模拟游乐场人员疏散运动时间，需要采用合适的人员构成比例、合适的步速和肩宽及其分布方式．

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