地铁人员疏散时间计算分析

杜燕平

（湖北省公安消防总队，湖北　武汉）

摘要：我国地铁人员密集，人员安全疏散是地铁设计中非常重要的内容。本文采用计算机模拟和公式对照研究表明，规范公式计算机结果便于安全，而计算机模拟结果可以比较清楚的分析站台和站厅各楼层之间的关系，设计更好的路线布局，工程设计中宜采用2种方法进行对照分析，同时计算表明，常见岛式车站采用4部楼梯和2个自动扶梯可以满足6min疏散要求。

关键词：地铁；疏散；时间计算；计算机模拟

1　引言

随着我国城市化进程的高速发展，人口的持续增长，人们对交通运输的便利和快捷要求越来越高，地铁系统成为当前我国城市重要的地下交通系统之一。由于城市用地紧张，拆迁困难，加上地下管线众多，许多城市的地铁不得不向下深埋。深埋地铁的深埋暗挖方案减少了对路面交通、高层建筑的影响，减少了房屋拆迁量，但同时深埋地铁站台层较深，疏散距离大，人员所需安全疏散时间较长。因此，地铁内部人员疏散问题也是当前我国地铁运营管理中十分突出的问题。根据火灾中人员的心理和行为特点，结合中国居民的出行方式，设计合理的疏散系统，采用有效的疏散策略，对于保证生命财产安全具有重要意义。

早在20世纪初，1911年爱丁堡帝王剧院设计中采用2.5min的安全疏散时间，开创了火灾中人员安全疏散研究的新领域。对地铁火灾的安全疏散研究，德国人A.Haack，J.Schreyer提出通过增加车站局部建筑构造（如楼梯）的尺寸、设置挡烟炊烟、机械排风等，来增加允许疏散时间和缩短人员所需疏散时间。火灾中人员行为的研究方面，Bryan对高层建筑火灾中人的行为做了大量调查研究，Canter著书《火灾与人的行为》总结了火灾中人的行为的研究，Sime主要研究了疏散初期的人员行为，并明确提出了疏散距离和疏散时间的概念。

2　地铁人员疏散时间的计算方法

2.1　经验公式计算方法

我国《地铁设计规范》中第19.1.19条规定：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，其中探测报警时间和预动作时间各为1min。

《地铁设计规范》第8.3.10条中人员疏散时间的计算公式为：

　　 （1） 　　

式中，Q₁为一列车乘客人数，人；Q₂为站台上候车的乘客和站台工作人员，人；A₁为自动扶梯通过能力，人/（min·m）［一台自动扶梯通行能力为9600/60=160人/（min·m）］；A₂为人行楼梯通过能力，人/（min·m）［3700/60=61人/（min·m）］；N为自动扶梯台数；B为人行楼梯总宽度，m；1为探测报警时间和预动作时间之和，min。

2.2　计算机模拟分析方法

从式（1）可见，根据公式计算所得的时间仅仅是楼扶梯的通过时间。同时只考虑了疏散宽度对时间的影响，却没有考虑建筑疏散楼梯布局，疏散路线，人员在疏散过程中的疏散行为、疏散心理以及在疏散过程中的人员分布状态等各种因素对疏散时间的影响。

目前许多研究采用性能化评估的方法，按照地铁实际允许疏散时间与人员需要疏散时间进行比较，判断地铁疏散系统的安全性。

目前国内外的疏散模拟软件很多，如BuidingEXODUS、Simulex、Pathfinder等，其中Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的一款基于进出以及人员运动的模拟软件。它能够提供图形用户界面的模拟设计和执行，以及三维可视化工具的分析结果。其运动环境是一个完整的三维三角网格设计，以配合实际建筑内部结构及建设模式。该软件可计算每个人员的运动并有其特征参数（最高速度、出口的选择等）。Pathfinder软件可以直接导入图片进行描图，再建立模型，也可以导入CAD图形文件创建模型，还可以导入FDS模型，在FDS模拟火灾的同时进行人员疏散模拟，以便更加准确分析出影响人员疏散的相关参数和人员疏散的最佳时间，目前应用较为广泛，本研究也采用这一模型。

3　疏散时间计算的案例分析

3.1　地铁内人员疏散策略

地铁火灾按照发生场所一般分为站厅层火灾、站台层火灾、区间隧道火灾和楼扶梯火灾。当发生站厅层火灾时列车应尽可能驶入前方车站，在前方车站组织疏散乘客，利用前方车站的消防设施灭火和排烟；当列车不能运行到前方车站而停在区间隧道内时，乘客可通过列车门下车后沿疏散平台不行到最近车站或最近的联络通道处进入另一条非火灾隧道内疏散，同时在整个疏散过程中，隧道通风系统保证事故隧道内将烟气按与多数乘客疏散相反的方向排出，为防止非事故疏散隧道有烟气通过联络通道进入，隧道通风系统对非事故隧道加压。

当站台层发生火灾时，人员疏散路径为：车门屏蔽门（安全门）楼扶梯闸机员工通道出入通道出入口处楼扶梯。

人员疏散时，列车车门和屏蔽门全部打开供人员疏散，但当列车停站而车门没有对上位置时，仅屏蔽门和对应的车门打开；同时，所有闸机通道均打开供人员疏散。

3.2　疏散人数选取

本文中将选取武汉地铁2号线某站作为研究对象。该地铁站分为站台层、站厅层两层，长256.6m，宽37.4m，两层总高13.41m，站台层空间净高5.1m，站厅层空间净高5.8m，站台通往站厅共设4部楼梯，站厅通往地面4部楼梯，每部楼梯宽度均为2.1m，楼层间上下行各2部自动扶梯，宽度1m，每部载客率为9600人/h。

疏散计算首先需要确定不同火灾场景下的疏散人员荷载，即目标疏散人数，一般按照远期高峰小时客流量进行计算。根据相关资料，武汉地铁2号线某站的列车载客人数，定员为245人/辆，超员310人/辆，模拟中考虑最不利情况选取列车的定员数为240人/辆，按8节车厢考虑，得到列车载客人数为：240×8=1920人。

该地铁站站台层、站厅层面积分别约为1200m²，参照GB 50016—2006《建筑设计防火规范》中对于地下建筑的面积折算值50％～70％，本处取60％。因此，该站台有效面积为1200×0.6=720m²。

从《地铁设计规范》中可知，我国地铁车站站台及站厅的等候区和检票区人员密集，其他区域属于一般区域，人员密度是按照2人/m²，其他区域按照0.7人/m²设计。站厅层、站台层考虑人员密集区域占有效面积的30％，其余区域70％。

所以，站台层、站厅层乘客人数分别为：

720×30％×2+720×70％×0.7=784.8人，取785人。

另考虑站台层、站厅层工作人员30人。

这样不同火灾场景下的疏散人数如下。

站厅层火灾：785+785+30=1600人；

站台层火灾：785+785+30=1600人；

站台列车火灾：1596+785+785+30=3196人。

3.3　疏散时间的经验公式计算结果

按照最不利情况考虑，当列车发生火灾时，列车、站厅及站台上的全部人员均要疏散，疏散总人数为3196人。按照不同工况考虑，分别为：①火灾发生点位于站厅层或站台层平面，不需要疏散列车人员，疏散人数1600人；②最不利情况下，火灾发生点位于某一楼梯口，此时该座楼梯不可用，疏散楼梯为5座，疏散人数仍为1600人；③列车发生火灾且被迫停靠在站台，需要疏散的人员为1596+785+30=2411人。

分别将三种不同火灾工况条件下考虑，按照公式（1）将所需要疏散的人数代入，计算得到不同火灾情况下的疏散时间。

工况1：站厅层火灾，考虑1部自动扶梯，4部楼梯时，疏散时间为3.64min，不考虑自动扶梯疏散时间为4.47min。

工况2：站台层火灾，考虑1部自动扶梯，4部楼梯时，疏散时间为3.64min，不考虑自动扶梯疏散时间为4.47min。

工况3：列车火灾，考虑1部自动扶梯，4部楼梯时，疏散时间为6.28min，不考虑自动扶梯时，疏散时间为7.93min；如果认为只要到达站厅层就认为临时安全，则可以只计算疏散列车和站厅人员，疏散人数为2411人，疏散时间为4.98min。

3.4　疏散时间计算机模拟结果

根据武汉地铁2号线某站的建筑设计图，建立相应的计算机计算模型，图1是利用pathfinder进行疏散模型。人员正常步行速度取1.5m/s，上行楼梯速度取0.4m/s。

站台层、站厅层火灾模拟中，考虑自动扶梯停止运行，作固定楼梯供疏散使用，火灾模拟三种工况。

（1）工况1。当地铁车站站台层或站厅层平面火灾时，6部楼梯同时用于疏散，人员运动时间为138.3s，加上报警探测时间和预动作时间60s，人员疏散总时间REST为138.3+60=198.3s，约为3.3min。

（2）工况2。工况2考虑楼梯口发生火灾导致有一部楼梯无法使用，疏散楼梯只有5部，从工况1可知，最远处楼梯用于疏散作用并不大，因此本工况最不利情况选择中间一部楼梯停止使用。

工况2人员疏散运动时间为158.5s，加上探测报警时间和预动作时间60s，总疏散时间RSET为158.5+60=218.5s，约为3.65min。

（3）工况3。工况3为车站列车火灾场景下的人员疏散，疏散人员总数为3196人，人员疏散运动时间为286.5s，总疏散时间RSET为286.5+60=346.5s，约为5.78min。列车火灾对于站厅层人员实际并无多大影响，站厅层即为次安全区，当人员疏散至站厅层则可以认为基本无危险，撤离站厅层到达室外为完全无危险。

从以上情况可以看出，60s时刻站厅层人员迅速有序疏散，人员密集于6部疏散楼梯处滞留；221s时刻楼梯处人员疏散完全，站台层几乎没有人员，目标疏散人员基本安全；250s人员全部疏散至次安全区域或安全区域，人员基本无危险。

因此，实际上当221+60=281s时，约4.68min，列车上人员下车后经站台层进入站厅层，基本全部脱离危险。

4　计算结果分析

按照公式（1）计算的结果，工况1、工况2、工况3所需的疏散时间分别为3.64min、3.64min和6.28min，说明列车火灾时，由于疏散人数多，不能满足6min全部疏散完毕的要求。但实际上列车火灾时，并不是上下楼层的人员需要同时疏散，当我们只计算站台层人员时，则只需要4.98min，也可以满足6min疏散要求。

按照pathfinder进行的计算机仿真，得到工况1人员疏散总时间RSET为198.3s，工况2人员疏散总时间REST为218.5s，均满足规范中6min之内完全疏散的规定。图2为工况1、工况2疏散人数随时间的变化曲线对比图，图3为工况3的疏散人数随时间的变化曲线。

从上图动态变化曲线可以看出，工况1和工况2的曲线形态以及拐点位置基本一致，这是由于火灾场景和人员疏散路径相近。同时，需要疏散人数600人左右开始，工况1的曲线斜率大于工况2的曲线斜率，说明工况1的疏散效率高于工况2。这是因为两个工况下用于疏散的楼梯数量不同，600人之前的疏散人数主要为站厅层人员，不受楼梯数量影响，600人之后人员在楼梯口滞留拥挤，工况2疏散楼梯为5部，等待疏散时间长，因此疏散效率更低。

从图3工况3曲线图可以看到，疏散人数为2400人时为一个拐点，大于2400人疏散效率低于小于2400人的疏散效率，这是因为站厅层人数为785人，拐点以前疏散的基本为站厅层人员，站台层人员撤离至楼梯需要一段时间，且在楼梯处拥挤滞留。但是从图上可以看出站台层人员疏散效率大于站厅层人员，这也是符合站台层临近起火点，人员心理反应和运动都会更迅速的实际情况。

对比公式（1）与计算机模拟结果，公式结果明显偏保守，这是因为公式只是简单考虑人员通过楼梯口的容量，没有考虑人员在建筑内部的位置，实际上在地铁中人员也是分级疏散的，即人员首先从站台疏散至站厅，再从站厅疏散至室外，并不是一开始就都拥挤在出口处，即使按照第一种方法，如果只考虑人员疏散至上一楼层，6min之内完成也是可行的。

5　结论

楼扶梯和联络横通道在地铁人员疏散中是两个重要的疏散设施。《地铁设计规范》中规定火灾时下行自动扶梯停止运行作固定楼梯用，需要疏散时间较长时，可以反向启动，作向上自动扶梯，但从2种方法计算来看，如果考虑分级疏散，自动扶梯停止运行，将其作为固定楼梯使用，不需要考虑扶梯反向启动，本设计仍然可以保证6min完成疏散。从这一点来说，目前常见的岛式独立地铁站，4部楼梯和2个自动扶梯基本都能满足6min疏散要求。

从计算结果来看，采用计算机模拟分析人员疏散可以较好的分析人员疏散的不同位置，了解人员到达不同楼层的时间，对楼梯的布置和线路规划提供较好的建议，而采用规范推荐的公式计算，疏散时间偏长，理论上更安全。因此，工程设计中最好采用2种方法分别进行计算，将其作为对照来验证地铁疏散的安全性，同时也比较适宜设计根据合理的疏散路线布局。

参考文献

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