考虑教学楼教室布局对疏散效率的仿真模拟研究
刘康明
摘要：为了有效的提高校园安全和人员疏散效率，避免在发生突发情况时造成人员踩踏等事故的發生，笔者搭建了教学楼内教室布局的模型，设置了4种不同教室布局的工况，利用pathfinder软件进行模拟，并将得到的数据进行分析，还从通道的疏散水平和人员密度两项指标展开了研究分析。研究结果表明，教学楼内教室布局对人员疏散效率的影响是巨大的，合理的规划布置教学楼内的教室，能够有效的提高疏散效率，降低人员在疏散出口和疏散通道内形成堵塞。为下一步对校园安全中人员疏散的研究提供了理论支撑。
关键词：教室布局;人员疏散;Pathfinder;仿真模拟
中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2021）06-0010-03
随着国家经济水平的飞速提高，人民的生活水平也得到了长足的发展，人们对于孩子的教育也越来越重视。学校作为人员密集场所，其消防安全一直是人们所关注的重点。当发生火灾等突发状况时，如何让学生安全的、有序的疏散至安全区域，一直是国内外专家研究的热点问题。校园火灾因其有着人员高度聚集、疏散出口狭窄、火灾荷载大、疏散困难和极易发生踩踏事故等特征，所以存在着极高的消防隐患。近年来，校园安全事故频发，尤其是拥挤踩踏事件，大都发生在疏散过程中。表1总结了部分近年来中国校园内发生的安全事故情况。由此看来，针对校园安全中的人员疏散规律和疏散效率问题的研究仍不能忽视。
国内外专家学者对于学校的人员疏散问题做了大量的研究。如董力耘等利用改进的元胞自动机模型对教室的人员疏散进行建模，并模拟分析影响疏散效率的因素。吴成来运用元胞自动机模型对教室人员疏散进行建模，并模拟了其疏散轨迹，提出了改进的疏散方案。陈永淇等利用元胞自动机模型建模研究了教室内布局对人员疏散的影响。陈亮等通过建立元胞自动机模型，研究分析了教室内桌椅结构不同，对疏散效率影响的大小。段晓茵等运用了实验的方法，对3种出口宽度和4种桌椅排列方式进行多次实验，并对收集到的实验数据进行分析。董力耘等利用动态背景场元胞模型研究了双出口教室中的出口宽度和桌椅排列对疏散效率的影响。张媛媛等对各年龄段学生的群体特征进行了统计分析，并利用STEPS数值模拟所得参数的有效性。王锟等利用pathfinder软件对教学楼出口人员疏散进行模拟，研究分析教室排课不同对疏散效率的影响。陈志坚等运用社会力模型研究三维阶梯教室单双门情况下的4种座位布局对疏散效率的影响。贾宇统计分析了人员的行为特征和特征参数，并将得到的数据应用于教学楼人流交汇处模型进行对比验证。
在阅读大量的文献资料后，针对学校人员疏散规律及其影响因素的研究有很多，有研究疏散出口宽度的，有研究教室内桌椅排列方式的，有研究学校排课合理性的，还有研究教室出口数量的等等。本文基于已有的研究成果，开展针对教学楼教室布局的不同对人员疏散效率的影响规律，为校园建设在考虑人员安全疏散安全问题上提供指导意见。
一、模型的建立
（一）选择模拟软件
近年来，Pathfinder作为一款基于人员疏散和移动模拟的仿真器，被广泛应用于模拟各种场景下的人员疏散。人们通过运用该软件进行建模、模拟和数据分析，很好的对人员疏散规律和人员疏散行为进行了深入的研究。
（二）设置参数
本文通过建立一个长34米，宽7米的模型，以模拟教学楼一层的平面图，模型中包含有2间7米长6米宽的阶梯教室分布于东西两侧，中间布置有4间长5米宽3米的小教室分布于南北两侧，一共设置有2个疏散出口，每个工况下的总的疏散宽度均为4米。
1.工况设置：设置4种不同的教室布置方式，其余参数均不变，如图1所示。
2.人员参数：本文针对教室的布局不同，对人员疏散效率展开研究，故对人员基本特征和其特征参数保持不变，均为pathfinder软件对人员属性的基本设置。
3.人员数量与初始位置：每个工况均设置300名待疏散人员，且随机分布于一层教学楼教室和走道的各个区域。
二、结果分析
设置好工况和基本参数后，在pathfinder疏散模拟软件窗口搭建模型，对4种工况进行模拟，并记录数据，得到以下结果，如表2所示。
我们由以上得到的模拟数据分析可以知道，工况3所用的疏散时间最短，为104.8s。工况1的疏散时间为167.3s，所用疏散时间为4种工况中最长。工况2和4所用疏散时间均在130s左右。我们可以发现，工况2和4的疏散时间之所以相近，是因为东西两侧的阶梯教室的人员疏散均只受南北两侧2个小教室的影响。工况1的时间最长是因为东西两侧的阶梯教室的人员疏散受到南北两侧4个小教室的影响，造成拥堵的时间更长。工况3的疏散时间最短是因为东西两侧的阶梯教室的人员疏散不受南北两侧小教室的影响，能够很快的进入到疏散通道中，进而疏散至安全区域。
由模拟得到的结果，我们可以发现，教学楼内教室的布局对人员疏散效率的影响是显著的。合理的教室布局能够有效的提高人员疏散效率，降低发生拥堵的风险。我们从中也可以得到经验，大的阶梯教室尽量布置在疏散出口附近，或大的阶梯教室能够设置单独的疏散出口，以使人员的疏散效率得以提高。
三、问题讨论
通过pathfinder的模拟，我们获得了结果，并进行了初步的分析，可以知道的是教学楼内教室的布局确实会影响人员疏散效率。第3节我们通过针对通道的疏散水平和人员密度两项指标进行深入探究，看看教学楼内教室的布局对人员疏散的影响是如何体现的。
（一）通道的疏散水平
我们可以观察一下各个工况里通道的情况，研究教学楼内教室的布局对人员疏散效率有哪些影响，如图2所示。
由图2可以非常明显的看出，每个通道的通行水平有非常大的区别。工况1中横向走道在两端形成了较长的袋型走道，人员疏散顺序依次由离疏散出口较近的教室向里，面积较大、待疏散人员较多的阶梯教室最后疏散，人员大都拥堵在教室门口和通道处，使得疏散效率大大降低，疏散速度慢。工况2和4在50s时，位于中部的教室的人员基本疏散完毕，东西两侧形成较短的袋型走道，影响人员疏散效率的原因依然是小教室和阶梯教室之间的汇集点。工况3由于没有形成袋型走道，小教室和阶梯教室没有汇集点，所以人员能够较快的进入疏散通道，疏散至安全区域。
通过以上分析，我们可以知道，教学楼内教室的布局确实会影响人员疏散效率。我们在对教学楼内的教室布局进行布置时，尽量避免袋型走道的出现。因为袋型走道对人员疏散效率的影响是巨大的，人员在通道内的汇集点大量的聚集，人员会在通道内停滞不前，降低通道的疏散水平。
（二）人员密度
上文分析了通道的疏散水平对疏散效率的影响，接下来我们对4种工况下人员密度进行分析，教学楼内教室的布局对人员密度的影响是怎样的？疏散效率的规律又是怎样的？图3所示为4种工况在50s时人员密度的情况。
从图3可以观察到，人员的密度分布情况与上节中通道的疏散水平的情况是一致的。人员密度高的地方集中在教室的门口位置和通道内各个教室疏散人员的汇集点处。在工况1，2和4的袋型走道的人员汇集点处，人员密度最高，在整条袋型走道上人员密度都达到了3人/m2以上。而工况3的情形较另外3种工况的情况要改善很多，高密度人群分散在几个教室出口和疏散通道的点上，并未形成大面积的高密度人群。
通过对人员密度的分析，我们能更加清晰的知道教学楼内教室的布局对人员的疏散效率的影响是如此的重要。同时也找到了教室应如何布置才能更好的避免人员在疏散走道内汇集造成堵塞的解決办法，就是尽量将大教室和小教室分开布置，避免人员在通道内出现汇集点，将汇集点分散，进而提高人员疏散效率。
四、结语
教学楼内教室的布置很大程度上决定了人员疏散效率的高低，如果不能很好地规划好教室的布置，将会导致疏散效率和疏散速度大大降低，造成大量的人员伤亡和财产损失。
本文第3节对通道的疏散水平和人员密度进行了分析，很好的印证了教学楼内教室的布置对人员疏散效率的影响，并总结了对应的解决办法。
首先，教学楼内教室的布置应该尽量形成袋型走道，袋型走道对疏散效率的影响是巨大的。其次，大教室应尽量布置在里疏散出口较近的位置，和小教室分开布置，将疏散人员在通道的汇集点分散。最后，大教室尽可能设置单独的疏散出口，或增加疏散出口的数量，以提高人员疏散效率，以降低人员在教室出口位置堵塞的风险。
本文通过搭建教学楼内教室布局模型，并设置4种不同的工况对疏散效率展开模拟研究，得到的结果是教学楼内教室的布置对人员疏散效率有明显的影响。未来下一步，可针对教室内的桌椅排列、教室内课桌间通道的数量、宽度等展开研究，进一步为提高校园安全和人员疏散效率提供理论支撑。
参考文献：
[1]陈志坚，赵永翔.基于社会力模型的三维阶梯教室行人疏散仿真研究[J].中国安全生产科学技术，2020，16（04）：5-11.
[2]吴成来.基于元胞自动机的教室人员疏散行为研究[J].科技经济导刊，2019，27（09）：215-216.
[3]董力耘，蓝冬恺，段晓茵.双出口教室的人群疏散建模和模拟[J].上海大学学报（自然科学版），2018，24（02）：217-224.
[4]王锟，盛武，段若男.基于Pathfinder的高校教学楼出口人员疏散仿真研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（07）：180-186.
[5]贾宇.中学教学楼人流交汇处人员疏散行为规律及速度模型研究[D].西南交通大学，2016.
[6]陈亮，唐铁桥，邵益晓.教室内桌椅结构对疏散效率的影响研究[J].山东科学，2015，28（06）：87-92.
[7]董力耘，陈立，段晓茵.基于教室人群疏散实验的行人流建模和模拟[J].物理学报，2015，64（22）：103-112.
[8]段晓茵，董力耘，王甘赟，韦艳芳，田欢欢.考虑内部布局和出口宽度的教室人群疏散实验[J].上海大学学报（自然科学版），2013，19（06）：585-590.
[9]张媛媛，朱国庆，李利敏.徐州地区学生肩宽统计及安全疏散分析[A].中国消防协会、安徽省消防总队.2013中国消防协会科学技术年会论文集[C].中国消防协会、安徽省消防总队：中国消防协会，2013：5.
[10]陈永淇，白克钊，邝华，孔令江，刘慕仁.教室内布局对人员疏散影响的研究[J].广西师范大学学报（自然科学版），2011，29（01）：1-4.