西北民族大学鸟巢体育场紧急人员疏散方案设计

1西北民族大学鸟巢体育场紧急人员疏散方案设计摘要在如今社会，各类突发事件频频发生。当一旦发生，如果不能迅速让建筑物内的人员有组织有秩序的疏散撤离，那将会造成严重的人员伤亡，严重威胁公众的生命安全。由于在大型活动中大量人员临时聚集、人员密集度高、使用时间相对集中，疏散人员所处空间位置各异,且举办大型活动时的建筑物内的安全通道有限，再加上缺少合理的人员疏散方案，各自时空路径的判断和选择也各不相同,故一旦发生险情，如何疏散人员各自的逃生路径,从整体上提高系统的应急性能,是一个非常重要的科学问题。现以西北民族大学鸟巢体育馆为例，分析遇到紧急情况或紧急事件时，在保证所有在场人员安全撤离现场的情况下，用科学有效的数学计算方法及matlab软件仿真得出最优人员疏散时间。由于西北民族大学鸟巢体育馆呈椭圆型结构,座椅区环绕椭圆分布且南北两区对称，东西两区座椅呈两层分布、南北两区只有一层座椅，安全通道皆分布于座椅区。本文对西北民族大学鸟巢体育馆发生紧急情况或紧急事件时人员疏散的设计方案做出了初步分析，按实际情况模拟后得出西、北、东、南各区人员疏散时的最佳疏散通道及最佳路径。本文结合两种常用的算法(关键节点法和行程时间法)，且对这两种算法的适用范围与局限性做了比较分析，并用matlab仿真软件对这两种算法的计算结果进行了分析，分析总体疏散布局、西北民族大学鸟巢体育馆内部的安全疏散的设计方案，总结了西北民族大学鸟巢体育馆安全疏散的设计策略,并提出了合理的建议及展望。关键词:西北民族大学鸟巢体育馆；人员疏散；最优时间；关键节点法；行程时间法；人员疏散速度；人流通量；人口密度；2一．问题重述人员疏散管理是公共场所在遭遇突发事件时能够保证被困人员迅速而有效地疏散，最大限度地减少生命财产损失的重要环节。按照公共场所内部人员的活动形式，可以将公共场所划分为2种类型：（1）人员可以自由移动的场所（超市、车站、医院等）；（2）人员位置固定的场所（影剧院、体育场馆）。根据公共场所自身的特点，有的放矢地探索其人员疏散管理模式，将有助于提高其人员疏散的效率。分区疏散是一种综合考虑大型公共场所的建筑结构和内部人员的分布情况，通过对场所进行区域划分，确定不同区域人员的疏散路线及对应的疏散出口的一种策略。在位置固定的公共场所中，由于人员持有标示座位号的入场券，明确知道其在公共场所中的固定位置，因此，有可能根据公共场所的疏散出口个数和宽度、座椅和通道的布局形式等特征，按照保证所有人员经疏散出口到达安全区的时间费用尽可能小的原则，将可以利用相同疏散出口的人员划分到同一区域中，并把分区结果标识在入场券上。这样就可以让在公共场所的人员遭遇突发事件时，能够按照入场券上指示，高效、均衡利用各个疏散出口，迅速撤离现场。具体考虑西北民族大学鸟巢体育馆，请实地调研其有效面积、疏散出口情况、满座情况下可以容纳的人数。请对体育馆平面图进行网格化处理（每个网格对应0.5m×0.5m的空间，每个人理论所占面积）。根据相关资料，人员在座椅区和非座椅区的行走速度分别为0.5m/s和1m/s，试通过数学建模解决以下问题：（1）对人员满座情况，提出疏散的最优分区方案。要求提供具体的指标，例如疏散全体人员所需时间，说明所提出的分区方案是最优的。（2）对人员不满座情况，提出疏散的最优分区方案。要求提供具体的指标，例如疏散时间与人员总数之比，说明所提出的分区方案是最优的。二．问题分析由题意可知，目的就是为了建立一种合理的学生紧急疏散模型，使得在最短的时间内疏散学生最大的量，从而使学生受到的伤害减到最低。针对问题一，我们用visio软件画出了西北民族大学鸟巢体育馆的鸟瞰图，需建立最优疏散方案，即使得疏散时间最短，在单位的时间内单位有效疏散宽度可用人流通量来描述，通过对个体生理尺寸的计算和人群密度和行走频率的文献资料建立人流密度与人流通量的函数关系，可通过实际指挥控制通道门口前的人流密度使得门口的人流通量最大，以最大的人流通量建立模型得出各个出口需要疏散的人数，得出疏散时间。三．模型假设在我们构建模型时，我们小组发现人员疏散时会遇到种种的干扰，所以为了保证结果的正确定与稳定性，我们假设了一种接近理想的模型，具体限定条件如3下：1.假设所有人员按疏散方案安全撤离，无人为或其他突发因素影响和干扰。2.假设所有人员都按照就近原则进行疏散。3.假设所有人员疏散过程中无障碍物。4.假设所有人员全部按照正常路线疏散，不存在逆行、翻栏杆、插队、脚踏事件等情况。5．假设所有人员肩宽、步距都相同，且都以安全的间距匀速疏散。6.假设发生紧急情况后，所有人员在收到疏散指令时能迅速响应，不存在延迟等问题，即忽略反应时间。四．符号说明构建模型时用到很多符号，为了简洁明了，在这里我们统一对符号进行解释说明。符号解释说明T疏散时间（min）A单股人流通行能力（人/min）B人流股数N1待疏散总人数(人)α疏散通道人群流动系数（人/(m/s)）Bmin疏散通道的最小有效宽度(m)Lmax疏散区域到安全区域的最大距离(m)v人群疏散移动速度（m/s）bp肩宽dp身体厚度p人口密度f行走频率q人流通量k,n常数五．模型的建立与求解5.1.安全撤离时间的确立安全撤离时间是指在西北民族大学鸟巢体育馆内人员遇到突发事件时在听到警报后，准备撤离到全部人员安全疏散的时间，由于在撤离时情况比较复杂，4下面我们将分不同方案、不同情况分别进行考虑。5.2.模型一的建立5.2.1.问题分析模型一对人员满座情况，提出疏散的最优分区方案。在人员进行疏散时，假设所有人员按疏散方案安全撤离，无人为或其他突发因素影响和干扰，即假设在疏散过程中无障碍物且全部按照规定路线疏散，不存在逆行、翻栏杆、插队、脚踏事件等情况，且所有人员都按照就近原则疏散。假设所有人员肩宽、步距都相同，且都以安全的间距匀速疏散。假设发生紧急情况后，所有人员在收到疏散指令时能迅速响应，不存在延迟等问题，即忽略反应时间。5.2.2.问题一的模型建立拥挤状态下步长l(m)等于相邻个体的间距，根据参考文献,为计算简便,取肩宽bp=0.5m,身体厚度dp=0.25m,相邻两排人之间的间隔为0.04m，则有（1）能够确定人口密度p与行走频率f之间的关系：（2）通过模拟实验并进一步验证得出(2)式中k=1.36,n≈0.5，将人口疏散时速度表示为人口密度的函数,得到（3）式：v𝑙×𝑓[]×𝑝𝑛（3）从而确定人流通量，得到（4）式：q×v[]×𝑝𝑛（4）利用式(3)与式(4)数学模型和相关参数,并考虑边界条件,分别在MATLAB中绘制v–p曲线和q-p曲线,如图1、图2所示。Matlab编程：(1)Matlab编程代码如下（v-p曲线）：p=0.1:0.1:4.6;v=2.5185*power(p,-1/2)-0.34*power(p,1/2);plot(p,v);title('人员疏散速度与人口密度的关系图');xlabel('人口密度');ylabel('人员疏散速度');(2)Matlab编程代码如下（q-p曲线）：p=0.1:0.1:4.6;q=2.5185*power(p,1/2)-0.34*power(p,3/2);plot(p,q);title('人员疏散时人流通量与人口密度的关系图');xlabel('人口密度');ylabel('人流通量');5图1.人员疏散速度与人口密度关系图图2.人员疏散时人流通量与人口密度关系图当人口密度值p=2.49人/m2，相应的速度v=1.182m/s时，通量q取得极值q=2.6482人/m·s。通过控制门口前的人数，来控制人流密度，从而使得门口的人流通量最大，即使得疏散人员的总时间最短。根据最近原则，具体分配路线平面示意图见。为了维持人流通量最大，计算6得出人员疏散最佳时间，其次在通道门口指挥或者使用电子计数仪等等来维持通道门口的人员的数量，使得人流密度达到p=2.49人/m2，从而人流通量达到最大q=2.6482人/m·s，总的疏散时间最短。5.3.模型一的求解5.3.1疏散时间计算方法概述a.关键节点法我国建筑设计常用算法：T=N/(A*B)。（5）b.行程时间法行程时间法是日本常用的工程算法，它主要考虑关键节点处的消散时间与建筑中的行程时间：T=N₁/αBmin+Lmax/V。（6）5.3.2西北民族大学鸟巢体育馆主要数据5.3.2.1民大鸟巢体育馆鸟瞰图对鸟巢体育馆实景网格化处理，如图3所示。图3.西北民族大学鸟巢体育馆5.3.2.2鸟巢体育馆各区实际人数根据座椅的标号划区，三人小组实际测量得到鸟巢各区人数。如表1所示。表1：鸟巢体育馆各区人数各区人数（人）西1，西41464西2817西55157西6880西3，西71469北1778北2783北3887东1，东41381东2，东52043东3，东61374南1886南2778南3779总计148345.3.2.3民大鸟巢体育馆各安全通道参数鸟巢体育馆一共有4个大门，14个安全通道，两个螺旋楼梯，一个小门。根据我们对鸟巢体育馆各个通道，门实地测量得到数据，如表2所示。表2：鸟巢体育馆各安全通道参数通道宽度（m）门宽度（m）通道I，J3.653.50通道B，C3.302.00/2.00通道Ｈ，Ｋ2.602.82通道Ａ，Ｄ2.492.82通道Ｍ，Ｆ2.822.67通道E，G，L，N2.732.63大门1,2,3,46.566.56螺旋楼梯Ⅰ，Ⅱ1.291.29小门1.404.00主席台第一层栏杆1.20主席台第一层走廊1.31主席台第二层栏杆1.27主席台第二层走廊1.54西大门楼梯间4.505.3.2.4有效宽度疏散过程中，疏散过程中，行人通过疏散通道或疏散门时习惯与其边缘保持一定距离，因此并不是通道或门的整个宽度都能得到有效利用，在计算中应用实际宽度减去通道边界尺寸，不同疏散通道的边界尺寸，如表3所示。表3：不同疏散通道的边界尺寸类型减少宽度指标（m）8门0.15楼梯0.16栏杆0.1走廊0.145.3.2.5流率单位时间、单位通道宽度内通过的人数（人/m/s）.工程上计算疏散时间，通常按通道性质设定人群流动系数为一经验常数，如表3所示。表3：不同部位流率取值通道流动系数（人/（m/s））门流动系数（人/（m/s））通道I，J76.7通道B，C6.33.7通道Ｈ，Ｋ4.95.3通道Ａ，Ｄ4.75.3通道Ｍ，Ｆ5.35.0通道E，G，L，N5.25.0大门12.8螺旋楼梯a，b2.3小门2.57.7主席台第一层栏杆2.2主席台第一层走廊2.3主席台第二层栏杆2.3主席台第二层走廊2.8西大门楼梯间8.75.3.2.6行人行走速度人在紧急情况下的行走速度如表4所示：表4：行人行走速度区域速度（m/s）座椅区0.5非座椅区15.3.2.7各个区域逃离最大距离根据小组三人实际演习，得出数据。如表5所示表5：各个区域逃离最大距离最大距离（步/65cm）实际距离（m）通道A,D,H,K9763.59通道B10769.55通道C(通道二层有两条路径)路径1:107路径2:11269.5572.8通道E,G,L,N6844.2通道F,M8253.3通道I,J8450.4螺旋楼梯a小门175105螺旋楼梯a大门1211126.6螺旋楼梯a大门3371222.65.4算法的适用范围及局限性5.4.1关键节点法的适用范围及局限性一般来说，建筑设计的疏散时间是根据建筑的防火等级确定。然而在西北民族大学鸟巢体育场中，我们需要考虑火灾，地震等可能造成紧急情况的危险因素，我们在此只考虑火灾因素。在火灾情况下，关键节点法，该主要是宏观的角度出发，将体育场馆所有通道作为一个总通道，所有观众经总通道疏散，没有考虑实际情况中，体育场馆各观众分区的人数不一样，疏散路径也不一样，而实际的疏散时间由最拥挤的疏散通道决定。另外该算法也没有考虑行人在场馆内的行走时间，因此，该算法得到的疏散时间为最短疏散时间，与实际疏散情况相差较大，只能做体育场馆疏散时间的粗略计算。5.4.2行程时间法的适用范围及局限性行程时间法计算简便，适合于结构复杂的