城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析

-81-城市轨道交通CHINESERAILWAYS2012/01城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析邢彦林着国内城市轨道交通建设的快速发展，各大城市地铁线路逐步形成网络化运营，随之出现了两线及多线换乘的交通枢纽车站。该类车站建筑功能较多，流线复杂，且大多数地铁枢纽站位于地下，空间受限，向地面疏散困难。当前，地铁相关规范中对换乘车站的疏散要求并不具体，且业内也缺少成熟的前期评估体系，在设计阶段，更难通过实地验证的方法解决安全疏散设施的配置问题。随着计算机仿真技术的发展，可以通过建立仿真模型研究特定条件下客流的疏散问题。以重庆地铁换乘枢纽冉家坝站为数据采集点，建立空间布局、设施配置和乘客运动模型，通过客流疏散仿真模拟分析和验证设计的合理性。1疏散仿真模型根据设计文件内容，按照计算机仿真软件要求建立模型。该模型能尽量客观地反映在特定情景下各种物件及其属性，如人、建筑结构、疏散设施、危险区域等。1.1精细网络模型空间模型的建立通常使用节点和精细网格模式，可以较真实地反映人员在建筑环境中的行为特征。首先将空间划分为与人的平面投影大小相近的网格。在网格空间中，生成楼梯段、平台、进出站闸机、出入口等节点（见图1），并对网格和每个节点的属性进行定义。城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析邢彦林：中铁第一勘察设计院集团有限公司城市轨道交通与建筑设计研究院，高级建筑师，陕西西安，710043摘要:通过计算机软件对客流进行仿真模拟分析，提供详尽的接近真实的疏散过程，其数据可以用于流线分析、成果验证及设计优化。以重庆三线换乘地铁枢纽冉家坝站为例，建立人、流线、结构、障碍和环境之间相互作用的模型，对紧急状况下的客流疏散进行仿真模拟。结果显示：疏散设施、人员属性等要素在疏散过程中产生至关重要的作用。提出大型枢纽车站疏散设计的优化思路与评价方法。关键词：仿真；城市轨道交通；换乘枢纽；疏散；安全评估；方案优化；重庆冉家坝站图1空间节点示意图随-82-城市轨道交通CHINESERAILWAYS2012/01城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析邢彦林1.2乘客行为特征当列车到达地铁换乘站后，乘客在短时间内完成上下车，出站乘客沿侧站台集中到楼梯口出站，换乘人流沿换乘流线进入另一条线站台。通常疏散会受到一些因素的影响，如寻找交通导向标识、行为决策等，同时对其他人造成影响。在紧急状况下，人群会出现挤行、从众、趋光等本能避险行为。乘客的疏散反应过程为：感知（辨识导向）→确认（疏散方向）→评估（人流特征）→选择（自己的疏散行为）。不同乘客的生理、心理、经验、影响等属性并不相同，在建立模型时需设定不同的参考值。2模拟项目背景冉家坝站为3条线换乘车站，属大型地铁枢纽站（见图2），主体共地下6层。其中2条线采用同站台平行换乘形式，第3条线与前2条线形成十字换乘，主要换乘形式为“台-台”直达形式，能方便地组织与出站方向一致的站厅层换乘（见图3）。冉家坝站一次设计，同期实施，对乘客进出站和换乘方案要求更高，设计难度加大，在设计期对乘客疏散进行模拟仿真研究，凸显其重要性。3疏散仿真模拟计算机疏散模拟软件通过对不同情境下避难过程的模拟分析，检查紧急条件下人流疏散情况。在平面网格化定义时，根据不同部位设置不同的节点类型，包括自由节点、楼梯节点、出入口节点等。通过对人员模块、人流模块、行为模块、灾情模块等的综合分析，完成给定条件下的疏散过程分析。3.1模拟方法与目标模拟时假定车站出现了紧急状况，由事故广播通知站内所有乘客向室外疏散，所有人员中止当前活动并转换为疏散状态，疏散设施能够按既定的设计要求发挥作用。相应地，软件仿真模式设定为紧急疏散模式（Evacuation）。与普通环境不同的是，软件会考虑人员可能出现的极端行为。模拟过程如下：（1）对设计输入条件中的客流预测数据进行分析，将其转化为计算机模型的输入参数，并取全日客流最大的早高峰小时客流作为基准数据。（2）根据枢纽的建筑设计方案，建立乘客疏散仿真模型，对枢纽站客流进行适应性分析，验证需求变化，保证数据准确。（3）通过一系列模拟运算，获取重要的输出数据和分析图表资料，能反映站内公共空间的使用情况，乘客进出站、换乘过程中可能出现的延误，空间阻塞点，紧急状况下的疏散时间等重要评价指标。（4）基于最终输出结果，确定枢纽站在现有的车图2换乘枢纽冉家坝站总平面示意图图3交通设施剖面示意图左右线重叠5号线最下层侧站台环线左右线重叠6号线-83-城市轨道交通CHINESERAILWAYS2012/01城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析邢彦林站布局和客流需求条件下，紧急疏散能否满足规范要求；分析哪些区域会出现拥堵，疏散路径的“瓶颈”位置，楼梯等疏散设施是否还有余量等；最后评估当前设计方案能否保证枢纽站的安全运行。3.2客流数据拟定对车站内公共区空间进行网格化定义是仿真模拟的首要步骤。模型建立基于建筑设计的CAD图，客流需求基于给定的预测数据。根据对地铁站项目的设计经验分析核实模型的每一部分定义，确保所建立的模型能够充分、详实地反映研究时段内枢纽站的运营状况。由于缺少5号线及环线的客流预测数据，故暂定后续建设的线路客流呈递减形态分布，并拟定一个递减系数进行折算（见表1）。假定最不利的情况，即各站台均有列车到达，疏散设施满负荷运行，站厅层客流按比例系数进行估算。客流在不同时段内构成不同。在早高峰时段，主要为上班客流，其次为上学、早购、入城客流等。不同的客流具有不同的行为特征，直接关系到疏散能力，根据调研和经验数据，拟定乘客的构成参数（见表2）。3.3平面布置模型利用模拟软件导入设计图纸，去除无关内容，仅留下墙体、扶梯、进出站闸机、出入口通道、障碍物等与仿真有关的元素。将经过优化后的客流数据分配到枢纽站各层中，根据站厅和站台层的平面布置设定各区域静态人数，在公共区售票机、闸机处布置较多人流。设定共8个安全疏散出口，关联各层楼、扶梯，安全疏散目标。鉴于换乘楼梯作为疏散使用时存在诸多问题，为简化模型，假定换乘楼、扶梯不作为紧急疏散使用，数据输入后的各层平面布置见图3、图4。3.4模型验证根据软件要求，建立的模型需要进行复核和验证。通过模拟和抽样检查方法确认数据的可靠性，运用长期的专业经验及对类似项目的现场调研核实数据，确保所建立的模型是高质量的，并充分反映了研究时段内的站内状况，能够达到实验所要求的目标。将各站台层候车与上下车乘客的分布情况、站厅层公共区人流动态和位置关系与实际运营车站内的乘客分布照片进行对比，验证所建立的模型是否接近实际运营车站的站内情景。4仿真模拟结果对所建立的模型进行运算后得到各种数据输出，包表1远期2037年早高峰小时客流预测参考值人线路上行下行上车下车下车上车6号线33304051510257095号线3100375049505600环线2950385043004560超高峰系数1.351.351.351.35表2早高峰客流构成分配表图3站厅层乘客初始分布平面图图41—3站台层乘客初始分布平面图性别年龄/岁百分比/%男性17～298.030～5031.051～8010.0女性17～297.030～5031.051～8013.0-84-城市轨道交通CHINESERAILWAYS2012/01城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析邢彦林括客流平面动画、疏散时间曲线、人流密度图等。利用各种输出数据，分析设施效能和疏散效率，确定瓶颈位置，检查设计中存在缺陷的区域，对改进建筑设计和疏散流程提供参考数据。4.1疏散时间与规范要求GB50157—2010地铁设计规范（审查稿）中推荐使用公式（1）估算站台层疏散时间，并要求不大于6min。T=1+[Q1+Q2]×K（1）0.9[A1Ny+A2Nt+A3B]根据公式（1）计算的时间与软件仿真结论的对比见表3。表3对比结果表明，现有的平面设计和疏散设施能保证各站台乘客疏散到站厅安全区域，且疏散时间不大于规范要求的6min指标。但规范考虑在紧急情况时，上行扶梯可正常运行，下行扶梯暂停作为降能的楼梯使用，按公式估算得出的疏散时间明显小于软件模拟结果（见图5），该结论有待在实践中进一步验证。根据模拟数据，站台2的疏散时间已接近6min限值，在设计中，优化平面布置，适当加大楼梯宽度，改善疏散条件。4.2站厅层疏散冉家坝站站厅公共区面积达到6500m2，足够容纳预测客流范围内的乘客数量。模拟显示，在疏散30s表3公式估算与软件模拟疏散时间对比项目站台1（6号线上行、5号线下行）站台2（5号线上行、6号线下行）站台3（环线站台）疏散时间与人数曲线计算客流/（人·h-1）242062384221150估算时间/min3.35（3扶1楼，K=1）4.28（3扶1楼，K=1.4）3.04（6扶2楼，K=1.7）模拟时间/min4.585.913.83特点分析站台至站厅高差5.1m，疏散时间与人数成正比标准楼、扶梯布置，提升高度为二层，模拟疏散时间已接近6min限值因为深埋导致提升高度加大，但增多的疏散楼、扶梯数减小了总疏散时间图5总疏散时间-人数曲线对比图人数/人总疏散时间/s040801201602002402803203604002300207018401610138011509206904602300总疏散时间/s人数/人总疏散时间/s人数/人总疏散时间/s人数/人公式估算仿真模拟0306090120150180210240270800720640560480400320240160800后，乘客已基本形成股状人流有序疏散，但在转角和闸机部位出现了轻微的拥堵（见图6），提示设计中应优化该类部位。需要注意的是，紧急疏散时，人员出现了“从众”心理和靠近疏散指示标记的“顺墙”行为，体现了设置地面发光警示和导向标识的必要性。最终，站厅层乘客在2.5min内疏散至安全出口处。4.3疏散楼、扶梯存在的问题站台上的乘客同时疏散导致短时间内人流集中转移到楼、扶梯出口，出现“瓶颈”现象（见图7），降低了出口通行效率，需增设导流设施或管理介入。每个站台均有2组楼、扶梯直达站厅，其中双扶梯组疏散效率较低，导致较长时间的排队拥堵，且扶梯构造宽度约2m，使用宽度仅为1m，作为紧急疏散使用040801201602002402803203600306090120150180210240800720640560480400320240160800700630560490420350280210140700-85-城市轨道交通CHINESERAILWAYS2012/01城市轨道交通换乘枢纽站安全疏散模拟分析邢彦林时，利用率不高。在设计过程中，在保证服务质量的条件下，应布置足够的疏散楼梯，为安全提供保障。5分析结果根据仿真模拟输出的数据和图表分析，得出如下结论：（1）疏散最重要的指标——“时间”受多种因素的影响。其中，疏散设施和人员数量2个变量对结果起主导作用，设计时应作重点考虑。（2）在紧急情况下，出入口会出现“瓶颈”和“排队”现象，设计和管理应提供相应措施，保障安全疏散，如增加导向标识，口部专设管理人员引导疏散，出口加强新风供应等。（3）现有规范建议的估算公式和方法一般会低估疏散的难度。（4）利用国际上通用的计算机仿真软件能对事故状态下可能发生的疏散情景进行模拟，且过程直观，数据可溯，其结果比传统的估算方法更加科学、可信，能作为设计时的评价手段之一。（5）在复杂流线条件下布置平面时，应尽量减少流线弯折，减少疏散路径宽度突变。（6）模拟项目在对流线进行优化后能满足安全疏散的要求。6结束语对大型复杂公共交通建筑在设计阶段进行安全疏散模拟分析和评估有助于消除安全隐患，优化设计方案。紧急状况下人员疏散行为的计算机模拟研究，需要建立在心理学、社会学和建筑学等综合理论框架之下。软件仿真模拟能发现建筑设计和疏散流程中存在的潜在问题,可以作为评价建筑疏散功能的有效工具，在实际应用中应与工程实践经验相结合。参考文献[1]静元.建筑火灾计算机模拟软件介绍[J].西安建筑科技大学学报，2007(2)：46-52[2]张培红，陈宝智.建筑物火灾时