自动扶梯运行方式对地铁站台人员安全疏散的影响.pdf

收稿日期 2007 12 10 修改日期 2008 01 18 作者简介 姚 斌 1971 男 博士 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室副教授 注册安全工程师 中国科学院热安 全工程技术研究中心副主任 中国消防标准化技术委员会第七分技术委员会委员 主要研究方向为建筑火灾安全 与灭火新技术原理 获国家科技进步二等奖一项 第 17卷 第 1 期 2 0 0 8 年 1 月 火 灾 科 学 FIRE SAFETY SCIENCE Vol 17 No 1 Jan 2 0 0 8 文章编号 1004 5309 2008 0019 06 自动扶梯运行方式对地铁站台人员安全疏散的影响 姚 斌1 徐晓玲1 左 剑2 刘跃红2 刘 力3 1 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室 2 深圳市 公安局消防局 3 深圳地铁有限公司 摘要 地铁车站站台人员密集 客流量大 在火灾等应急条件下对人员安全疏散有较高的要求 目前自动扶梯在地 铁车站中大量应用 其运行方式 上行 下行 停运 反转 对地铁车站内人员安全疏散有较大影响 利用人员疏散 网络模拟软件 EVACNET4 对某地铁站台层人员向站厅层疏散进行数值模拟 研究了当自动扶梯正常上行时的输 送能力 并与不同人流条件下的楼梯的输送能力进行了对比 得到动态折算系数 同时也研究了当自动扶梯停运 作为疏散通道使用时的输送能力 并与人流条件优化时的疏散楼梯输送能力进行了对比得到静态折算系数 还研 究了下行的自动扶梯在火灾等应急条件下反转上行以降低人员疏散时间 并给出了一种下行自动扶梯反转最迟完 成时间的计算方法 研究工作可以为同类地铁站台人员安全疏散设计和应急预案制定提供参考 关键词 地铁站台 人员疏散 自动扶梯 运行方式 反转最迟完成时间 中图分类号 TU972 X928 7 文献标识码 A 0 引言 地铁作为现代化城市的主要交通工具 在我国 一些大城市中已步入了快速发展阶段 地铁的安全 问题也日益受到关注 地铁属于地下建筑 与外界 连通的开口相对较少 人员集中 客流量大 因此 一旦发生火灾等需要紧急疏散的情况 若人员不能 及时撤离到安全区域 则容易造成群死群伤的严重 后果 例如 2003 年的韩国大邱地铁火灾 造成 198 人死亡 147 人受伤 因此如何快速 安全地将人员 疏散至安全区域是地铁安全的关键 1 自动扶梯具有快捷 舒适 单位宽度的人员输运 能力远大于楼梯的特点 在现代地铁车站中大量采 用 普通建筑设计及消防审核中的通行做法是不将 自动扶梯作为疏散楼梯考虑 不计入疏散宽度 目 前一些学者在探讨部分自动扶梯兼作辅助疏散梯的 可行性 2 但在现行的5地铁设计规范6 GB50157 2003 中 规定自动扶梯可计入疏散宽度并给出了 计算方法 3 主要是考虑到站台层至站厅层采用自 动扶梯的越来越多 如果单靠人行楼梯疏散 则车站 规模需要扩大很多 代价很高 然而 自动扶梯的运行方式 上行 下行 停运 反转 早晚变化较大 例如上下班高峰期可能全部向 下运行 与5地铁设计规范6中的优化条件有所不同 可能影响人员疏散 研究其不同运行条件下的站台 人员疏散特性可以更好地指导疏散设计和应急预案 制定 以确保人员安全疏散 本文利用人员疏散网 络模拟软件 EVACNET4 对某地铁站台人员疏散进 行数值模拟 研究当自动扶梯正常上行时的疏散能 力 并与不同人流条件的楼梯输送能力进行了对比 同时也研究了当自动扶梯停运作为人行楼梯使用时 的输送能力 并与人流条件优化时的楼梯输送能力 进行对比 本文还研究了下行的自动扶梯在火灾等 应急条件下反转上行用作疏散用途的要求 1 研究对象 本文选取的研究对象为某岛式地铁站台 如图 1所示 站台有效长度为 103m 宽度为 11m 高度 为 4 8m 站台到站厅共设置 2 组自动扶梯和人行 楼梯 每组包括 1 台扶梯和 1 部楼梯 自动扶梯的 名义宽度为 1m 额定速度为 0 65m s 理论输送能 力高达 11700人 h 4 本文按5地铁设计规范6要求 保守选取输送能力为 9600 人 h 楼梯的宽度为 2 3m 考虑模拟需要 分别将站台左侧的自动扶梯 记为 sw4 1 楼梯记为 sw3 1 相应的站台右侧的自 动扶梯记为 sw2 1 楼梯记为 sw1 1 图 1 某地铁车站站台平面图 Fig 1 Floor plane of a metro platform 根据5地铁设计规范6第 19 1 19 条 出口楼梯 和疏散通道的宽度 应保证在远期高峰小时客流量 时发生火灾的情况下 6min 内将一列车乘客和站台 上候车的乘客及工作人员全部撤离站台 因此对于 本文的模拟计算设置的安全区为站厅层 在疏散时 将人员撤离站台层 即可保证人员的安全 需要说 明的是 5地铁设计规范6中对人员撤离站台层的时 刻没有明确是以最后一个人离开站台层地面为准 还是以离开站台疏散楼梯的顶阶为准 本文基于安 全角度考虑 人员撤离站台层的时间以所有人离开 站台疏散楼梯的顶阶为准 对该站台的人行楼梯和 自动扶梯的数量和宽度设置采用如下公式进行事故 疏散时间验算 3 T 1 Q1 Q2 0 9 A1 N 1 A2B 6 min 其中 Q1为一列车乘客数 人 Q2为站台上候车乘 客和站台上工作人员 人 A1为自动扶梯通过能力 人 min m A2为人 行楼 梯通过 能力 人 min m N 为自动扶梯台数 B 为人行楼梯总宽 度 注 式中的 10为人的反应时间 应考虑 1 台自 动扶梯损坏不能运行的几率 台自动扶梯和人行楼 梯通行能力按 9 折折减 从该公式可以看出 规范将人员反应时间定为 60s 临界人员疏散运动时间定为 300s 本文在判定 人员能否安全疏散出站台层时 均采用规范中的该 时间标准 本文选取的地铁站台总人数为 1860 人 则该站 台的事故疏散时间为 339s 小于 360s 6 分钟 符合 规范要求 但规范中考虑的自动扶梯运行方式为一 台损坏 其余均上行 在地铁日常自动扶梯管理中 通常根据乘客数量及乘坐方向等因素来调整自动扶 梯的运行方式 因而其运行方式可能全部向上或全 部向下或有上有下 在事故疏散时自动扶梯处于以 上几种运行状态的可能性也就很大 因此 本文进 一步针对这些运行状态下的人员疏散进行数值模 拟 分析人员能否安全撤离站台层 以及可采取的辅 助措施 其中自动扶梯全部向下的运行方式为最不 利条件 本文着重研究 由于自动扶梯由下行向上 行的反转需要一定的过渡时间 还受到控制模式 远 程控制或现场控制 的影响 本文对自动扶梯的反 转场景进行数值模拟 以确定反转最迟完成时间要 求 2 人员疏散数值模拟 2 1 模拟模型 在建立人员疏散模型时 需要重点解决好以下 几个方面的问题 1 模型空间的表示方式 通常有精细网络模型 网格模型 和粗糙网络模型 网络模型 网络模型 在设计人员疏散线路时 比较明确的反映了建筑物 内的实际疏散情况 能较好的指导工程中确定疏散 路线 5 加之考虑地铁站台内部结构简单 疏散途 径明确 因而采用粗糙网络模型 2 人群特征的表示形式 可分为个体分析模型 和群体分析模型 本文针对由大量人员组成的群体 疏散情况 不针对逃生个体特征 因而选用群体分 析模型 3 人员行为的表示方式 按照行为的决定方 式 行为模式大致可分为无行为准则模型 函数模拟 行为模型 复杂行为模型 基于行为准则的模型和基 于人工智能的模型等 5 种 6 模拟人的行为是模拟 人员疏散工程中最为复杂 困难的方面 结合具体 情况和研究目标 本文采用无行为准则的模型 综合上述要求 同时考虑本文研究对象的特点 和研究目标 本文疏散模型采用国际通用的网络模 型 EVACNET 4 该模型是由美国佛罗里达大学开 20火灾科学 FIRE SAFET Y SCIENCE 第 17 卷第 1 期 发的模拟建筑火灾中人员逃生时间的计算机程序 它根据建筑的结构将建筑的各个功能间 例如工作 间 走廊 楼梯 大厅等 作为节点 node 网络节点 根据各功能间的实际位置用弧 arc 连接 建筑本身 的结构布置关系决定每个节点中人员疏散的方向 模拟人员从一个节点运动到另一个节点的情况 最 终获得人员疏散到安全区域需要的时间 7 8 疏散 模型给出的疏散时间仅为疏散运动时间 不包括火 灾探测时间和人员反应时间 2 2 模拟场景 考虑自动扶梯运行的三种方式 即上行 下行 停运作固定楼梯使用 将模拟场景分为 9 类 具体 见表 1 表 1 人员疏散模拟场景 Table 1 Scenarios of human evacuation simulation 模拟场景 自动扶梯 sw4 1 运行方式 自动扶梯 sw2 1 运行方式 1上行上行 2停运上行 3下行上行 4上行停运 5停运停运 6下行停运 7上行下行 8停运下行 9下行下行 2 3 参数选择及计算方法 由于地铁站台长宽比较大 空间狭长 为提高模 拟精度 将站台划分为多个节点 模拟时间步长为 1s 考虑到地铁站台的实际情况 参考表 2 将站台 平地的输送能力设为 1 3 人 m s 楼梯的输送能 力设为 0 75 人 m s 扶梯的输送能力根据5地铁 设计规范6取 2 67 人 m s 疏散时人员在平地运 动的平均速度设为 0 8m s 在楼梯的平均速度设为 0 4 m s 2 3 1 自动扶梯正常上行 若自动扶梯正常上行 假定人员相对扶梯保持 静止 人行平均速度认为是扶梯速度 0 65m s 本 文采用数值模拟的方法 研究当自动扶梯正常上行 时的疏散能力 并与不同人流条件的楼梯输送能力 进行了对比 引入动态折算系数 F1 动态折算系数 F1 自动扶梯正常上行输送能 力 楼梯输送能力 动态折算系数 F1 由数值模拟确定 具体先计 算出疏散场景下由扶梯 楼梯输送的总人数 再除以 总时间 得到各自的输送能力再进行比较 表 2 人流条件与人员行走速度 密度 输送能力的关系 8 Table 2 Relation among human flow condition speed density and transportation capacity 8 通道类型人流条件人流密度 人 m2 人行速度 m s 输送能力 人 m s 楼梯 上行 低3 20 100 32 走廊 门道 低3 20 180 55 2 3 2 自动扶梯停运作楼梯使用 若自动扶梯停运作固定楼梯使用 由于扶梯的 梯级尺寸大于楼梯 因而人员在上行走的速度和输 送能力不能简单采用常见楼梯的数据 本文采用数 值模拟方法确定该值 考虑到扶梯的名义宽度只允 许单股人流在上行走 此时自动扶梯上的人流条件 相当于楼梯人流条件优化时的情况 因此 本文以 楼梯人流条件优化时人员行走速度 输送能力等最 为参照基准 引入静态折算系数 F2 静态折算系数 F2 自动扶梯停运时输送能力 楼梯输送能力 假设多个初始的 F2值 分别取为 0 7 0 75 0 8 0 85 0 9 0 95 1 1 05 1 1 1 15 1 2 1 3 使用人 员疏散软件 EVACNET 4进行数值模拟 可以根据各 自的疏散人数和时间得到自动扶梯与楼梯的输送能 力 若模拟所得的静态折算系数稳定值与初始假设 的静态折算系数基本相同 就认为该假设值合理 21Vol 17 No 1 自动扶梯运行方式对地铁站台人员安全疏散的影响 2 3 3 下行自动扶梯反转上行 由于 EVACNET4 对于疏散通道条件随时间变 化的场景模拟存在一定缺陷 本文采用了如下的计 算方法 先由 EVACNET 4 模拟出不同疏散场景 下的人员疏散情况 得到单位时间步长内的最大疏 散人数 选择一个自动扶梯反转时间 得到该时间 后站台剩余的未疏散人数 将未疏散的人数除以 单位时间步长内最大疏散人数 第一步的结果 得 到自动扶梯反转后疏散剩余人员所需的时间 将 扶梯反转前后的运行时间相加 得到模拟的总疏散 运动时间 考虑不确定性因素的影响 将模拟的总 疏散运动时间乘以安全系数 取值范围 1 1 5 本 文初步取为 1 1 得到总安全疏散运动时间 比较 该总安全疏散运动时间与规范中要求的临界疏散运 动时间 若前者小于后者 则人员能安全疏散 反之 则不能保证安全疏散 这样比较不同的反转时间就 可以确定下行自动扶梯反转的最迟完成时间 3 结果与讨论 3 1 人员疏散运动时间 不同场景下的人员疏散运动时间如表 3 所示 以规范中要求的临界事故疏散运动时间值 300s 为 判据 场景 3 和 7 稍微超过规范要求 1 场景 5 6 8 9 都大大超过了规范要求 说明在事故疏散 时 需要增加疏散通道的输送能力 例如将下行的自 动扶梯停运作固定楼梯使用或反转上行 后文将针 对场景 8 和 9进一步分析自动扶梯的反转要求 表 3 人员疏散运动时间 Table 3 Movement time of human evacuation 场景疏散运动时间 s 1221 2270 3303 4270 5353 6415 7303 8415 9507 3 2 自动扶梯正常上行时输送能力 数值模拟得到的动态折算系数 F1 随地铁站台 人员密度的变化如图 2 所示 在自动扶梯正常上 行时 动态折算系数 F1 随楼梯人流条件的不同而 不同 在楼梯人流条件优化时最小 楼梯人流条件 为优化 中等 低时 动态折算系数 F1 随着人员密 度的增大趋于稳定 其稳定值如表 4 所示 但在楼 梯人流条件拥挤时 动态折算系数 F1 随人员密度 变化幅度大 图 2 动态折算系数随人员密度的变化 不同的人流条件 Fig 2 Dynamic conversion coefficient versus human density various flow conditions 表 4 楼梯不同人流条件下动态折算系数 F1的稳定值 Table 4 Dynamic conversion coefficient F1 for various human flow conditions at stair 楼梯人流条件稳定值 优化3 0 中等4 0 低6 0 3 3 自动扶梯停运时输送能力 数值模拟得到的静态折算系数 F2 随地铁站台 人员密度的变化如图 3 所示 随着人员密度的增 大 静态折算系数 F2趋于稳定 且稳定值均在 1 附 近 如表 5 所示 因此在自动扶梯停运作固定楼梯 使用时 其输送能力与楼梯在人流条件优化时的输 送能力基本相同 图 3 静态折算系数随人员密度的变化 不同的初始假设静态折算系数 Fig 3 Static conversion coefficient versus human density with various assumed initial static conversion coefficient 22火灾科学 FIRE SAFET Y SCIENCE 第 17 卷第 1 期 表 5 初始假设静态折算系数与其稳定值 Table 5 various assumed initial static conversion coefficient and final stabilized value 初始假设静态折算系数稳定值 0 70 95 0 750 96 0 80 97 0 850 98 0 90 99 0 950 99 1 01 00 1 051 01 1 11 01 1 151 01 1 21 02 1 31 02 3 4 下行自动扶梯反转最迟完成时间 从表 6 可见 自动扶梯由 一部停运作固定楼梯 使用 一部下行0向 两部上行0的场景转变时 可以 大大降低总安全疏散运动时间 原时间为 415s 由 规范要求的临界疏散运动时间 300s 可以确定允许 反转最迟完成时间为 120s 同样从表 7可见 自动扶梯由 两部下行0向 两 部上行0的场景转变时 可以大大降低总安全疏散运 动时间 原时间为 507s 此时允许反转最迟完成时 间是 90s 综合各种不利场景 在疏散设计和应急预案制 定时应采取必要的措施保证自动扶梯在 90s 内完成 全部上行 从目前的自动扶梯的技术资料来看 可 以采取合适的措施满足该要求 表 6 扶梯全部上行后场景 8 的疏散运动时间 安全系数 1 1 T able 6 Movement time of human evacuation of scenario 8 when all escalators change upward at certain time Safetyfactor of 1 1 自动扶梯反转前 运行时间 s 站台剩余人数 人 反转后运行时间 s 模拟的总疏散 运动时间 s 总安全疏散运动 时间 s 901635164254280 1201485149269296 1501335134284313 1801185119299329 2101035104314346 表 7 扶梯全部上行后场景 9 的疏散运动时间 安全系数 1 1 T able 7 Movement time of human evacuation of scenario 9 when all escalators change upward at certain time Safety factor of 1 1 自动扶梯反转前 运行时间 s 站台剩余人数 人 反转后运行 时间 s 模拟的总疏散 运动时间 s 总安全疏散运动 时间 s 901666167257283 1201546155275303 1501426143293323 1801306131311343 4 结论 本文利用人员疏散网络模拟软件 EVACNET 4 研究了自动扶梯运行方式对某地铁站台人员安全疏 散的影响 研究结果表明 当自动扶梯正常上行时 的输送能力与楼梯的输送能力之比 动态折算系数 受楼梯人流条件影响较大 本案例中 在楼梯人流 条件分别为优化 中等和低时 动态折算系数分别为 3 0 4 0 6 0 当自动扶梯停运作为楼梯使用时的 输送能力与人流条件优化时的楼梯输送能力基本相 同 下行自动扶梯在火灾条件下应停运并尽可能反 转上行用来加速疏散 本文给出了一种下行自动扶 梯反转最迟完成时间的计算方法 本案例中的反转 最迟完成时间为 90s 本文研究工作可以为同类地 铁站台人员安全疏散设计和应急预案制定提供参 考 进一步的工作将使用其它人员疏散软件进行对 比并应用于更为复杂的地铁站台 参考文献 1 杨立中 邹兰 地铁火灾研究综述 J 工程建设与设计 2005 11 8 12 2 何沛 陈在兵 商业建筑中部分自动扶梯兼作辅助疏散 梯的可行性 J 四川建筑 2006 5 36 37 23Vol 17 No 1 自动扶梯运行方式对地铁站台人员安全疏散的影响 3 GB50157 2003 地铁设计规范 S 北京 中国计划出 版社 2003 4 高士杰 深圳地铁一期工程自动扶梯及电梯设计 J 铁 道标准设计 2006 6 100 102 5 陈智明 霍然 王国栋 建筑内人员疏散的一种网络模型 算法的讨论 J 火灾科学 2004 13 2 90 94 6 杨健鹏 张和平 潘峥 马宁 蒋为诚 基于单位有效疏散 宽度使用率的一种疏散设计评价方法 J 中国工程科 学 2006 8 5 94 97 7 EVACNET4 User s Guide R University of Florida 1998 8 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering Z 2002 Edition NFPA Effect of Escalator Movement Mode on Human Evacuation from Metro Platform YAO Bin1 XU Xiao ling1 ZUO Jian2 LIU Yue hong2 LIU Li3 1 State Key Laboratory of Fire Science UST C China 2 Shenzhen Fire Protection Bureau China 3 Shenzhen M etro Co LT D China Abstract Human evacuat