地鐵人員疏散時間計算分析

杜燕平

（湖北省公安消防總隊，湖北　武漢）

摘要：我國地鐵人員密集，人員安全疏散是地鐵設計中非常重要的內容。本文采用計算機模擬和公式對照研究表明，規范公式計算機結果便于安全，而計算機模擬結果可以比較清楚的分析站臺和站廳各樓層之間的關系，設計更好的路線布局，工程設計中宜采用2種方法進行對照分析，同時計算表明，常見島式車站采用4部樓梯和2個自動扶梯可以滿足6min疏散要求。

關鍵詞：地鐵；疏散；時間計算；計算機模擬

1　引言

隨著我國城市化進程的高速發展，人口的持續增長，人們對交通運輸的便利和快捷要求越來越高，地鐵系統成為當前我國城市重要的地下交通系統之一。由于城市用地緊張，拆遷困難，加上地下管線眾多，許多城市的地鐵不得不向下深埋。深埋地鐵的深埋暗挖方案減少了對路面交通、高層建筑的影響，減少了房屋拆遷量，但同時深埋地鐵站臺層較深，疏散距離大，人員所需安全疏散時間較長。因此，地鐵內部人員疏散問題也是當前我國地鐵運營管理中十分突出的問題。根據火災中人員的心理和行為特點，結合中國居民的出行方式，設計合理的疏散系統，采用有效的疏散策略，對于保證生命財產安全具有重要意義。

早在20世紀初，1911年愛丁堡帝王劇院設計中采用2.5min的安全疏散時間，開創了火災中人員安全疏散研究的新領域。對地鐵火災的安全疏散研究，德國人A.Haack，J.Schreyer提出通過增加車站局部建筑構造（如樓梯）的尺寸、設置擋煙炊煙、機械排風等，來增加允許疏散時間和縮短人員所需疏散時間。火災中人員行為的研究方面，Bryan對高層建筑火災中人的行為做了大量調查研究，Canter著書《火災與人的行為》總結了火災中人的行為的研究，Sime主要研究了疏散初期的人員行為，并明確提出了疏散距離和疏散時間的概念。

2　地鐵人員疏散時間的計算方法

2.1　經驗公式計算方法

我國《地鐵設計規范》中第19.1.19條規定：出口樓梯和疏散通道的寬度，應保證在遠期高峰小時客流量時發生火災的情況下，6min內將一列車乘客和站臺上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺，其中探測報警時間和預動作時間各為1min。

《地鐵設計規范》第8.3.10條中人員疏散時間的計算公式為：

　　 （1） 　　

式中，Q₁為一列車乘客人數，人；Q₂為站臺上候車的乘客和站臺工作人員，人；A₁為自動扶梯通過能力，人/（min·m）［一臺自動扶梯通行能力為9600/60=160人/（min·m）］；A₂為人行樓梯通過能力，人/（min·m）［3700/60=61人/（min·m）］；N為自動扶梯臺數；B為人行樓梯總寬度，m；1為探測報警時間和預動作時間之和，min。

2.2　計算機模擬分析方法

從式（1）可見，根據公式計算所得的時間僅僅是樓扶梯的通過時間。同時只考慮了疏散寬度對時間的影響，卻沒有考慮建筑疏散樓梯布局，疏散路線，人員在疏散過程中的疏散行為、疏散心理以及在疏散過程中的人員分布狀態等各種因素對疏散時間的影響。

目前許多研究采用性能化評估的方法，按照地鐵實際允許疏散時間與人員需要疏散時間進行比較，判斷地鐵疏散系統的安全性。

目前國內外的疏散模擬軟件很多，如BuidingEXODUS、Simulex、Pathfinder等，其中Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發的一款基于進出以及人員運動的模擬軟件。它能夠提供圖形用戶界面的模擬設計和執行，以及三維可視化工具的分析結果。其運動環境是一個完整的三維三角網格設計，以配合實際建筑內部結構及建設模式。該軟件可計算每個人員的運動并有其特征參數（最高速度、出口的選擇等）。Pathfinder軟件可以直接導入圖片進行描圖，再建立模型，也可以導入CAD圖形文件創建模型，還可以導入FDS模型，在FDS模擬火災的同時進行人員疏散模擬，以便更加準確分析出影響人員疏散的相關參數和人員疏散的最佳時間，目前應用較為廣泛，本研究也采用這一模型。

3　疏散時間計算的案例分析

3.1　地鐵內人員疏散策略

地鐵火災按照發生場所一般分為站廳層火災、站臺層火災、區間隧道火災和樓扶梯火災。當發生站廳層火災時列車應盡可能駛入前方車站，在前方車站組織疏散乘客，利用前方車站的消防設施滅火和排煙；當列車不能運行到前方車站而停在區間隧道內時，乘客可通過列車門下車后沿疏散平臺不行到最近車站或最近的聯絡通道處進入另一條非火災隧道內疏散，同時在整個疏散過程中，隧道通風系統保證事故隧道內將煙氣按與多數乘客疏散相反的方向排出，為防止非事故疏散隧道有煙氣通過聯絡通道進入，隧道通風系統對非事故隧道加壓。

當站臺層發生火災時，人員疏散路徑為：車門屏蔽門（安全門）樓扶梯閘機員工通道出入通道出入口處樓扶梯。

人員疏散時，列車車門和屏蔽門全部打開供人員疏散，但當列車停站而車門沒有對上位置時，僅屏蔽門和對應的車門打開；同時，所有閘機通道均打開供人員疏散。

3.2　疏散人數選取

本文中將選取武漢地鐵2號線某站作為研究對象。該地鐵站分為站臺層、站廳層兩層，長256.6m，寬37.4m，兩層總高13.41m，站臺層空間凈高5.1m，站廳層空間凈高5.8m，站臺通往站廳共設4部樓梯，站廳通往地面4部樓梯，每部樓梯寬度均為2.1m，樓層間上下行各2部自動扶梯，寬度1m，每部載客率為9600人/h。

疏散計算首先需要確定不同火災場景下的疏散人員荷載，即目標疏散人數，一般按照遠期高峰小時客流量進行計算。根據相關資料，武漢地鐵2號線某站的列車載客人數，定員為245人/輛，超員310人/輛，模擬中考慮最不利情況選取列車的定員數為240人/輛，按8節車廂考慮，得到列車載客人數為：240×8=1920人。

該地鐵站站臺層、站廳層面積分別約為1200m²，參照GB 50016—2006《建筑設計防火規范》中對于地下建筑的面積折算值50％～70％，本處取60％。因此，該站臺有效面積為1200×0.6=720m²。

從《地鐵設計規范》中可知，我國地鐵車站站臺及站廳的等候區和檢票區人員密集，其他區域屬于一般區域，人員密度是按照2人/m²，其他區域按照0.7人/m²設計。站廳層、站臺層考慮人員密集區域占有效面積的30％，其余區域70％。

所以，站臺層、站廳層乘客人數分別為：

720×30％×2+720×70％×0.7=784.8人，取785人。

另考慮站臺層、站廳層工作人員30人。

這樣不同火災場景下的疏散人數如下。

站廳層火災：785+785+30=1600人；

站臺層火災：785+785+30=1600人；

站臺列車火災：1596+785+785+30=3196人。

3.3　疏散時間的經驗公式計算結果

按照最不利情況考慮，當列車發生火災時，列車、站廳及站臺上的全部人員均要疏散，疏散總人數為3196人。按照不同工況考慮，分別為：①火災發生點位于站廳層或站臺層平面，不需要疏散列車人員，疏散人數1600人；②最不利情況下，火災發生點位于某一樓梯口，此時該座樓梯不可用，疏散樓梯為5座，疏散人數仍為1600人；③列車發生火災且被迫停靠在站臺，需要疏散的人員為1596+785+30=2411人。

分別將三種不同火災工況條件下考慮，按照公式（1）將所需要疏散的人數代入，計算得到不同火災情況下的疏散時間。

工況1：站廳層火災，考慮1部自動扶梯，4部樓梯時，疏散時間為3.64min，不考慮自動扶梯疏散時間為4.47min。

工況2：站臺層火災，考慮1部自動扶梯，4部樓梯時，疏散時間為3.64min，不考慮自動扶梯疏散時間為4.47min。

工況3：列車火災，考慮1部自動扶梯，4部樓梯時，疏散時間為6.28min，不考慮自動扶梯時，疏散時間為7.93min；如果認為只要到達站廳層就認為臨時安全，則可以只計算疏散列車和站廳人員，疏散人數為2411人，疏散時間為4.98min。

3.4　疏散時間計算機模擬結果

根據武漢地鐵2號線某站的建筑設計圖，建立相應的計算機計算模型，圖1是利用pathfinder進行疏散模型。人員正常步行速度取1.5m/s，上行樓梯速度取0.4m/s。

站臺層、站廳層火災模擬中，考慮自動扶梯停止運行，作固定樓梯供疏散使用，火災模擬三種工況。

（1）工況1。當地鐵車站站臺層或站廳層平面火災時，6部樓梯同時用于疏散，人員運動時間為138.3s，加上報警探測時間和預動作時間60s，人員疏散總時間REST為138.3+60=198.3s，約為3.3min。

（2）工況2。工況2考慮樓梯口發生火災導致有一部樓梯無法使用，疏散樓梯只有5部，從工況1可知，最遠處樓梯用于疏散作用并不大，因此本工況最不利情況選擇中間一部樓梯停止使用。

工況2人員疏散運動時間為158.5s，加上探測報警時間和預動作時間60s，總疏散時間RSET為158.5+60=218.5s，約為3.65min。

（3）工況3。工況3為車站列車火災場景下的人員疏散，疏散人員總數為3196人，人員疏散運動時間為286.5s，總疏散時間RSET為286.5+60=346.5s，約為5.78min。列車火災對于站廳層人員實際并無多大影響，站廳層即為次安全區，當人員疏散至站廳層則可以認為基本無危險，撤離站廳層到達室外為完全無危險。

從以上情況可以看出，60s時刻站廳層人員迅速有序疏散，人員密集于6部疏散樓梯處滯留；221s時刻樓梯處人員疏散完全，站臺層幾乎沒有人員，目標疏散人員基本安全；250s人員全部疏散至次安全區域或安全區域，人員基本無危險。

因此，實際上當221+60=281s時，約4.68min，列車上人員下車后經站臺層進入站廳層，基本全部脫離危險。

4　計算結果分析

按照公式（1）計算的結果，工況1、工況2、工況3所需的疏散時間分別為3.64min、3.64min和6.28min，說明列車火災時，由于疏散人數多，不能滿足6min全部疏散完畢的要求。但實際上列車火災時，并不是上下樓層的人員需要同時疏散，當我們只計算站臺層人員時，則只需要4.98min，也可以滿足6min疏散要求。

按照pathfinder進行的計算機仿真，得到工況1人員疏散總時間RSET為198.3s，工況2人員疏散總時間REST為218.5s，均滿足規范中6min之內完全疏散的規定。圖2為工況1、工況2疏散人數隨時間的變化曲線對比圖，圖3為工況3的疏散人數隨時間的變化曲線。

從上圖動態變化曲線可以看出，工況1和工況2的曲線形態以及拐點位置基本一致，這是由于火災場景和人員疏散路徑相近。同時，需要疏散人數600人左右開始，工況1的曲線斜率大于工況2的曲線斜率，說明工況1的疏散效率高于工況2。這是因為兩個工況下用于疏散的樓梯數量不同，600人之前的疏散人數主要為站廳層人員，不受樓梯數量影響，600人之后人員在樓梯口滯留擁擠，工況2疏散樓梯為5部，等待疏散時間長，因此疏散效率更低。

從圖3工況3曲線圖可以看到，疏散人數為2400人時為一個拐點，大于2400人疏散效率低于小于2400人的疏散效率，這是因為站廳層人數為785人，拐點以前疏散的基本為站廳層人員，站臺層人員撤離至樓梯需要一段時間，且在樓梯處擁擠滯留。但是從圖上可以看出站臺層人員疏散效率大于站廳層人員，這也是符合站臺層臨近起火點，人員心理反應和運動都會更迅速的實際情況。

對比公式（1）與計算機模擬結果，公式結果明顯偏保守，這是因為公式只是簡單考慮人員通過樓梯口的容量，沒有考慮人員在建筑內部的位置，實際上在地鐵中人員也是分級疏散的，即人員首先從站臺疏散至站廳，再從站廳疏散至室外，并不是一開始就都擁擠在出口處，即使按照第一種方法，如果只考慮人員疏散至上一樓層，6min之內完成也是可行的。

5　結論

樓扶梯和聯絡橫通道在地鐵人員疏散中是兩個重要的疏散設施。《地鐵設計規范》中規定火災時下行自動扶梯停止運行作固定樓梯用，需要疏散時間較長時，可以反向啟動，作向上自動扶梯，但從2種方法計算來看，如果考慮分級疏散，自動扶梯停止運行，將其作為固定樓梯使用，不需要考慮扶梯反向啟動，本設計仍然可以保證6min完成疏散。從這一點來說，目前常見的島式獨立地鐵站，4部樓梯和2個自動扶梯基本都能滿足6min疏散要求。

從計算結果來看，采用計算機模擬分析人員疏散可以較好的分析人員疏散的不同位置，了解人員到達不同樓層的時間，對樓梯的布置和線路規劃提供較好的建議，而采用規范推薦的公式計算，疏散時間偏長，理論上更安全。因此，工程設計中最好采用2種方法分別進行計算，將其作為對照來驗證地鐵疏散的安全性，同時也比較適宜設計根據合理的疏散路線布局。

參考文獻

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