考虑疏散者垂直疲劳因素的高层办公楼疏散时间评估与优化

《Journal of Building Engineering》：Evacuation Time Assessment and Optimization of High-rise Office Buildings Considering the Vertical Fatigue of Evacuees

疏散时间延长20%及优化策略研究|高层建筑|疲劳效应|Pathfinder建模

　　

施晓娜|齐建伟|高珊|苏洪臣

中图大地国际建筑设计有限公司，中国石家庄050000

摘要

高层建筑的大垂直高度可能在紧急疏散期间导致内部疏散人员疲劳，从而降低疏散效率并危及生命安全。因此，研究高层建筑中受疲劳影响的疏散情况具有重要意义。本文利用Pathfinder为实际的高层办公楼建立了一个考虑建筑家具的精细疏散模型。基于现有文献中的疏散数据，拟合并验证了考虑疲劳因素的不同年龄组的垂直疏散速度公式。随后，研究了疲劳、人员密度和年龄对疏散时间的影响，并探讨了工程疏散优化策略。研究表明，在垂直疲劳情况下，疏散时间延长了近20%；这种延长效应在疏散开始1000秒后更为明显；当人员密度为4-6平方米/人时，对疏散时间有显著影响；当人员密度超过6平方米/人时，影响较小。61-70岁疏散人员的存在会显著延长疏散时间，且当疏散人员所在的楼层高于6层时，疏散时间会增加。基于这些结果，开发了用于工程参考的建筑疏散时间公式。优化策略的仿真结果表明，在条件允许的情况下，增设室外楼梯的优化策略最为有效。该策略可以有效缓解中间楼梯的压力并提高疏散效率。逐层分阶段的疏散在仿真疏散策略中相对容易实施。优化策略可以减少楼层间汇聚造成的不利影响，从而有效提高疏散效率。

引言

近年来，高层建筑因其在土地利用效率方面的优势而得到了快速发展，这有助于缓解城市人口密度和土地紧张等问题[1]、[2]、[3]。虽然这些建筑为人们提供了便利，但同时也存在许多安全隐患，如地震、冲击、火灾等，所有这些都可能导致建筑物倒塌[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。因此，高层建筑的安全性引起了广泛关注。与地震、冲击和爆炸相比，火灾发生频率更高，且更容易造成人员伤亡。发生火灾时，高层建筑由于烟囱效应等因素会加剧火势蔓延[11]。此外，高层建筑的大垂直高度和密集的居住特性会导致火灾时楼梯拥堵，从而降低人们的垂直移动速度，延长疏散时间，进一步加剧人员和财产的损失[12]。根据中国国家消防救援局的数据，2024年1月至8月，高层建筑火灾占总火灾相关死亡人数的15%以上[13]。因此，开展高层建筑火灾中人员安全疏散的研究具有重要意义，以确保生命和财产的安全。

许多学者研究了紧急情况下高层建筑的疏散情况，主要集中在实验和数值模拟方面。在实验研究中，方等人对高层建筑的楼梯间进行了疏散测试，测量到的疏散速度约为0.81米/秒，并指出影响速度的关键因素包括缓冲区汇聚行为、参与者的体力状况和楼梯间的可见度[14]。邢通过超高层建筑疏散测试得出了人们下楼梯速度与疏散距离之间的关系[15]。霍等人对高层建筑进行了分阶段疏散与完全疏散的对比测试，发现特定楼层的汇聚会降低该楼层以上疏散者的下降速度[16]。宋等人对一座最多可容纳2088人的高层建筑进行了楼梯间疏散测试，以研究拥挤条件下人员的安全疏散情况，并研究了水平楼层汇聚对楼梯间疏散速度的影响[12]。曾等人实验研究了不同照明条件下个体下楼梯的特点和行人行为[17]。朱等人通过疏散测试探讨了水平汇聚对疏散时间的影响，并为他们的模型提供了实际数据参考[18]。魏等人在18种情况下进行了疏散实验，包括独立群体的疏散和不同群体的疏散，发现人群的疏散速度与群体行为关系不大[19]。伊万诺夫和周在保加利亚专业消防员的监督下进行了高层办公楼的疏散实验[1]。余等人研究了高层建筑中水平合并结构的疏散性能，指出宽度不对称的合并结构会降低通道的有序程度，影响疏散人员的安全疏散[20]。

在模拟研究中，库等人使用基于代理的模拟模型研究了残疾居民对24层高层建筑中其他居民疏散的影响[21]。龙基和尼尔森使用Pathfinder研究了通过两个不同天桥连接的两座相同高层建筑的完全疏散情况，模拟了水平或垂直出口组件及其组合。研究考虑了不同疏散组件下的疏散时间，包括楼梯（2层或3层）、人员疏散电梯、服务电梯（可能用于疏散或不可用于疏散）、转换层和天桥[22]。吴和黄使用控制体模型模拟了疏散人员的动态，并推导出了高层建筑的疏散时间[23]。丁等人基于模拟结果优化了高层建筑使用楼梯和电梯的疏散策略。在研究中，使用考虑典型行人行走偏好的元胞自动机模型模拟了楼梯，並根据遗传算法优化了电梯调度。与传统楼梯疏散策略相比，优化后的疏散效率提高了41.1%[24]。丁等人开发了一种新的元胞自动机模拟模型，并通过考虑高层人群在疏散过程中的疲劳情况进行了高层疏散模拟研究[25]。方等人通过模拟不同的电梯疏散模式研究了高层老年公寓的疏散时间，并提出了一种智能电梯辅助的建筑防火方法。该方法根据实时现场情况确定最佳EAE策略[26]。通过结合离散状态更新规则和连续形式计算，构建了一个三阶段分层模型来分析高层建筑中人员的疏散时间[27]。黄等人使用细粒度离散楼层场元胞自动机（FFCA）模型研究了人群流动性和行为变化常被忽视的影响[28]。卢等人基于过度扩散模型和社会力模型构建了一个基于代理的模型来模拟内部个体行为[29]。王等人使用Pathfinder软件模拟和数学模型来模拟行人疏散场景，优化了高层建筑火灾的分阶段疏散策略[30]。王等人提出了一种新的疏散时间计算模型，并将其与经济模型结合，建立了一个双目标优化模型。然后使用Pathfinder软件进行了案例模拟，以验证该方法的可行性[31]。

通过对高层建筑疏散实验和模拟的回顾，发现现有研究已经考察了人员水平汇聚、人员类别和楼梯间行为对疏散时间的影响。然而，考虑疏散人员疲劳对垂直疏散的影响以及家具对水平疏散影响的研究较为有限。因此，本研究使用Pathfinder软件为实际的高层办公楼建立了一个精细的疏散模型，考虑了建筑家具的影响。基于现有参考文献中的疏散数据，拟合了考虑疲劳因素的不同年龄组疏散人员的垂直疏散速度表达式。这些表达式通过垂直速度降低因子在Pathfinder中实现，以考虑疲劳效应。随后，研究了疲劳、人员密度和年龄对疏散时间的影响，并根据疏散模拟结果拟合了高层建筑疏散时间的预测公式。最后，探讨了工程疏散优化策略，包括逐层分阶段疏散、屋顶辅助疏散、室外楼梯辅助疏散和电梯辅助疏散方案。本研究的技术路线图如图1所示。

公式计算拟合

• 1.
  18-60岁疏散人员的垂直速度

为了考虑疏散人员下楼梯时疲劳的影响，文献[15]根据18-60岁疏散人员的疏散测试拟合了疏散速度降低因子，拟合方程表示为：$$其中k代表速度降低因子，计算公式为$$，i表示楼层数。

S表示人员下楼梯的距离。在上述公式中，当计算出的k

高层建筑的疏散模型

模拟的高层建筑如图9所示，共有24层地上楼层，总高度为97.25米。首层高度为4.8米，典型楼层高度为4米。该建筑根据功能分为办公大厅和商业区（首层）以及办公区（典型楼层），楼层平面图如图10所示。建筑长度为44.8米，宽度为31米，建筑的核心结构位于

垂直疲劳对疏散时间的影响

为了研究垂直疲劳引起的速度折扣对疏散时间的影响，分别进行了有无该因素的模拟。在两种情况下，都包含了6-60岁的疏散人员，男女比例为1:1。男性垂直疏散速度保持在0.9米/秒，女性速度为0.75米/秒。分析了有无垂直疲劳情况下的模拟结果，生成了密度和速度热图，如图14所示。

模拟结果表明

逐层分阶段疏散

如前一节所述，水平汇聚会在楼梯与楼层的交汇处增加人员密度，显著降低疏散速度并延长疏散时间。为了减轻水平汇聚的楼层级影响，本小节提出了逐层分阶段疏散方案。人员密度和速度热图的结果如图20所示。

逐层分阶段疏散将模拟时间缩短至3934.5秒，疏散效率提高了26.47%

结论

对于实际的高层办公楼，本研究基于Pathfinder软件建立了一个疏散模型，并研究了考虑垂直人员疲劳影响的高层建筑疏散时间。数值模拟后的主要结论如下：

•

在垂直疏散过程中，疏散人员因疲劳而速度降低。同时，楼梯间的拥挤程度增加，降低了垂直疏散效率。

CRediT作者贡献声明

高珊：写作 – 审稿与编辑，概念构思。苏洪臣：写作 – 原始草稿，调查。施晓娜：方法论，资源准备。齐建伟：监督，资金获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。