肖木峰，周西華，白 剛，王 玨，潘新新

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000;3.遼寧工程技術大學 建筑與交通學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

隨我國經濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平進一步加快，裝配式建筑以其低碳、綠色、技術含量高、管理創(chuàng)新水平等優(yōu)勢迅速發(fā)展。2020年我國爆發(fā)新冠肺炎疫情，火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院采用裝配式建造方式僅10 d時間建成。裝配式建筑效率高、成本低、污染少，使建筑市場對裝配式建筑在應急建筑建造效率與優(yōu)勢方面有進一步認識。但建筑施工安全事故頻發(fā)，給人民生命及財產安全帶來極大威脅，裝配式建筑現場施工人員安全疏散問題逐漸成為國內外學者研究熱點：吳軍梅[1]利用Pathfinder軟件模擬辦公用房施工現場人員疏散過程，基于疏散結果和規(guī)律，優(yōu)化施工進度和施工現場布局；呂惠等[2]利用Pathfinder軟件模擬人員疏散，分析建筑障礙物大小和堆放位置對疏散效率影響；劉歡[3]利用BIM軟件構建虛擬施工現場環(huán)境，運用Pathfinder仿真模擬人員安全疏散過程；張小英等[4]通過經驗公式計算施工人員疏散時間，利用水力模型模擬人員在樓梯間位置疏散過程；Helbing等[5]利用社會力模型模擬緊急狀態(tài)下人員疏散過程，通過在建筑內部特殊位置設置交通指示物指導緊急狀態(tài)下人員疏散；Nishinari等[6]利用CA模型進行人員安全疏散仿真模擬，針對建筑內障礙物不同位置進行分析，利用分析結果優(yōu)化場地布局。此外，部分學者針對建筑現場施工人員疏散組織仿真及模擬等方面也開展一定研究[7-11]。

本文運用Pathfinder疏散軟件模擬裝配式建筑施工現場疏散過程。由于裝配式建筑特殊性，本文著重研究裝配式建筑施工現場物品數量、位置規(guī)劃及操作人員數量等因素對人員疏散時間影響，并根據模擬結果合理優(yōu)化疏散通道材料堆放、位置和寬度等，研究結果可為實際施工現場布置提供參考。

1 疏散模型建立

1.1 Pathfinder軟件功能簡介

Pathfinder為3維網格模型，是1種基于人員疏散和移動模擬仿真器[12]，可模擬正常與緊急狀況下人員疏散情況。Pathfinder軟件通過對行人各項參數定義，行人行為根據疏散環(huán)境變化作出響應，以選擇最優(yōu)疏散路徑[13]。

1.2 案例分析

以合肥某研究院人才公寓F02#樓為研究對象，構建安全信息BIM模型，如圖1所示。建筑共13層，建筑總高度40.95 m，底層配有值班室、公共洗衣間、儲藏間等，2～13層均為2人間學生宿舍，可容納720名學生，建筑面積30 551.5 m2，標準層平面如圖2所示。利用Revit構建安全信息模型，并將簡化后模型導入Pathfinder軟件，動態(tài)模擬裝配式建筑施工現場人員安全疏散過程。

圖1 合肥某研究院人才公寓BIM模型

圖2 合肥某研究院人才公寓標準層平面

裝配式建筑主體結構施工階段與普通建筑施工不同，因裝配式建筑施工現場特殊性，待疏散施工人員普遍集中于施工作業(yè)面。施工現場減少主體臨邊防護、外墻整體腳手架、室內模板支撐等工序，增加預制構件吊裝、堆放、機械設備擺放等工序。工程中輕質隔墻、外墻掛板、疊層梁、樓梯踏步等均為成品預制構件，預制構件和機械設備擺放是研究難點問題。

因人才公寓F02#樓每層面積均小于1 500 m2，所以設置1個防火分區(qū)。每層設置東西2部疏散樓梯，疏散距離<60 m，1樓樓梯口直接連接東西南3個與外室相通的出口。該人才公寓建筑為2類高層建筑，防火等級為1級。根據防火規(guī)范，只有滿足所需安全疏散時間小于可用安全疏散時間時，才可達到疏散要求。因此，需驗證人員疏散安全性。

1.3 方案優(yōu)化流程

首先，簡化安全信息模型并導入Pathfinder疏散軟件。其次，設置疏散模擬參數(疏散區(qū)域和路徑)，對現場施工人員進行定義(人員體征、比例、速度和分布等)，選擇人員行為模式(SFPE和Steering模式)，設置完成后進行安全應急疏散模擬。Pathfinder可提供實時輸出的可視化程序，3D動畫可調整模型角度觀察不同疏散時刻不同區(qū)域人員密度情況、各疏散樓梯使用頻率情況以及對外出入口流率與流量變化情況。通過模擬結果分析施工人員疏散時間是否滿足建筑設計防火疏散規(guī)范要求，若不滿足要求，需優(yōu)化調整建筑內部障礙物品堆放位置、數量、每層人員數量、對外出入口位置以及數量和寬度等，直至達到防火疏散設計要求?；赑athfinder的人員安全應急疏散優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 基于Pathfinder的人員安全應急疏散優(yōu)化流程

2 疏散仿真模擬

2.1 建立應急疏散環(huán)境

為達到疏散模擬需求，將人才公寓項目中F02#樓施工主體階段安全信息模型以“DXF”格式轉化后導入Pathfinder軟件，對模型做簡化處理，并對樓板、樓梯、門等構件和疏散線路進行識別。施工場景BIM安全信息模型及Pathfinder疏散模型與人員分布情況如圖4～5所示。

圖4 BIM安全信息模型

圖5 Pathfinder安全應急疏散模型

2.2 設置應急疏散障礙物

裝配式建筑施工過程復雜且不斷變化，施工流程、施工環(huán)境和施工平面變化對人員疏散速度、疏散區(qū)域、疏散路徑等均產生較大影響。本文依據裝配式建筑現場施工狀態(tài)，進行裝配式預制構件、施工器械等障礙物設置，如圖6所示。

圖6 Pathfinder應急疏散模型障礙物設置

2.3 應急疏散參數設置

安全疏散模擬系統(tǒng)可模擬逃生人員在特定場所與特定環(huán)境的行為，疏散人員、疏散場所和疏散環(huán)境條件是安全疏散模擬系統(tǒng)基本結構[14]?，F場施工人員可分為青年男性、中年男性，青年女性和中年女性4類，不同類型人員逃生速度差別較大，疏散模擬軟件根據設置人員屬性特征進行疏散模擬。另外，由于裝配式建筑主體施工階段工作面分為樓層平面與樓梯平面2類，疏散模擬前需設置不同類別人員在不同工作面的速度。

應急疏散參數主要包括人體特征參數、人員速度以及行為參數，其中人體特征參數、人員速度分別見表1和表2。

表1 施工人員體征參數與比例

表2 不同類別人員在不同工作面的疏散速度

Pathfinder軟件行為模式包括SFPE模式和Steering模式。突發(fā)情況下,現場施工人員表現出3種行為模式，分別為最短距離行為模式、進出一致行為模式和完全從眾模式。通過數據調研可知，約20%的人選擇在同一地點排隊等候，約50%的人選擇其他疏散路線。Steering模式可通過路徑規(guī)劃、引導機制、碰撞處理相結合的方式控制人員疏散。因此，本文選擇Steering模式進行人員應急疏散研究。

2.4 疏散模擬及結果分析

基于應急參數進行緊急情況下裝配式建筑現場施工人員安全疏散模擬。由圖6可知，裝配式建筑施工現場堆放大量預制構件、施工器具等物品，且部分物品堆放在疏散走廊與樓梯周圍，一旦發(fā)生緊急情況，容易導致疏散路徑堵塞，降低疏散速度。以人才公寓項目F02#樓第5層施工平面模型為參照，根據實際裝配式建筑施工現場人員投入情況，擬定模擬現場施工人員100人，隨機分布在第5層不同工作區(qū)域。

1)疏散模擬結果

疏散總時間如圖7所示。疏散時間與人數關系曲線如圖8所示。由圖7可知，100名現場施工人員完成疏散用時102 s。當疏散時間為10.2 s時，疏散人員密度如圖9所示。由圖9可知，疏散走廊與樓梯口處人員密度最大，容易發(fā)生人員擁擠堵塞，在疏散走廊與疏散樓梯口處，需要對預制材料和機械器具等物品進行清理。

圖7 疏散總時間

圖8 疏散時間與人數關系曲線

圖9 10.2 s疏散時刻的人員密度

2)安全性判定

施工現場發(fā)生火災時，人員能否安全疏散主要取決于安全疏散時間(TRSET)與可用安全疏散時間(TASET)。裝配式建筑現場施工人員能夠安全疏散到室外場地需要滿足條件如式(1)所示：

TRESTTASET

(1)

式中：TREST指現場施工人員從發(fā)現緊急事故至全部人員安全疏散到安全場所的時間，s；TASET指緊急事故發(fā)生后，現場施工人員可以承受外界事故傷害極限時間，s。其中，安全疏散時間由報警時間、響應時間以及疏散時間構成，如式(2)所示：

所需安全疏散時間(TREST)=報警時間(Talarm)+

響應時間(Tpre)+疏散時間(Tmove)

(2)

式中：Tmove指現場施工人員全部完成疏散所用時間，s；Talarm指現場施工人員發(fā)現事故到通知所有施工人員所用時間，s，裝配式建筑施工主體階段周邊障礙物較少視野較好，一旦發(fā)生火災，現場施工人員可較快發(fā)現情況異常，模擬報警時間(Talarm)設置為60 s；Tpre指現場施工人員接到危險指令后響應時間，s，模擬響應時間設置為180 s。

計算安全疏散時間TREST=393.0 s，國內外建筑物平均轟燃時間為5～7 min[15]，因此，模擬轟燃時間TASET設置為6 min。通過對比可知，安全疏散時間(TREST)>可用安全疏散時間(TASET)，安全性判定失敗，人員不能完成全部安全疏散。

3)優(yōu)化施工場地布局與現場施工人員數量

疏散走廊與疏散樓梯口處物品堆放影響人員移動速度，需對預制材料及機械器具堆放位置、數量進行優(yōu)化，將室內走廊與疏散樓梯口處物品盡量轉移至房間內部，并使其堆放在墻角或臨邊處；裝配式建筑施工現場人員數量超標影響整體疏散速度，因此，將應急疏散模擬人數縮減至90人，優(yōu)化后現場物品堆放及人員設置如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后現場物品堆放及人員設置

優(yōu)化后疏散總用時如圖11所示。由圖11可知，優(yōu)化后疏散總時間為78.0 s。計算可得TREST=357.0 s，滿足TREST

圖11 優(yōu)化后疏散總用時

圖12 各樓梯與出入口處人流量變化

3 結論

1)利用Pathfinder軟件進行裝配式建筑現場施工人員應急疏散模擬，得到裝配式建筑現場施工人員安全疏散時間TREST為393.0 s，所需安全疏散時間TREST>可用安全疏散時間TASET，安全性判定失敗，現場施工人員不能完全安全疏散。

2)通過合理規(guī)劃裝配式建筑預制材料和機械器具堆放位置，縮減施工平面人員人數，確保疏散樓梯暢通無阻，可有效縮短疏散時間，優(yōu)化后模擬安全疏散時間TREST為357.0 s，滿足小于可用安全疏散時間TASET，安全判定成功，人員可全部完成安全疏散。

3)通過Pathfinder軟件對安全應急疏散方案模擬，可在方案階段提前發(fā)現施工現場存在問題，通過改進安全應急方案減少潛在安全危險。