地震具有突发性，当突然出现地震灾害时，人们的信息感知与逃生决策能力往往受各种主、客观因素影响，产生偏差与错误，进而作用于人员逃生疏散过程，导致一定的疏散效率下降甚至人员伤亡。而合理的应急疏散路线设计规划一定程度上是提高疏散效率、减少人员伤亡的重要措施。就城市人员密集区域而言，地震造成重大人员伤亡事故的概率高、影响大。因此，为进一步提高城市人员密集区域的安全与应急管理水平，有必要对地震灾害情形下的应急疏散路线设计规划进行研究。

针对应急疏散路线设计规划问题，国家标准GB/T 35047—2018 《公共安全大规模疏散规划指南》^[1]中给出了相关指导意见。相关研究考虑人员行为^[2-3]、疏散环境^[4-5]和事故场景^[6]等，通过模型或算法对应急疏散路径进行了规划。文[7]针对重大地震条件下传统最短路径算法生成的疏散路径难以满足疏散安全性、可通行性、通行能力约束和应变性要求问题，基于通行能力约束的路径规划算法提出了一种地震疏散路径规划算法，对疏散路径进行优化。文[8]针对避难场所划分和疏散路径规划的综合优化问题，提出了一种综合优化模型，利用算法对模型进行求解，获得最优方案。

当前，相关法律法规不完善(一些标准尚在准备起草)；应急疏散相关研究中少有考虑不同人群分布、不同地震加速度下建构筑物外部墙体坠物对人员疏散过程的影响，且鲜有系统性地考虑地震灾害避难场所选址与应急疏散路线规划。总的来说，针对不同人群分布在发生不同烈度(地震加速度)地震情形下的应急疏散路线规划研究尚处于起步阶段。

本文立足于地震灾害情形，研究城市人员密集区域的应急疏散路线规划。以典型城市人员密集区域——某大学校园为例，首先对避难场所进行选址研究；其次，考虑不同加速度条件下建筑物外部墙体坠物对疏散空间的影响，引入“疏散虚拟墙体”概念，进而确定人员疏散可行空间及路线；然后，利用Pathfinder软件对不同地震加速度、人群分布等条件下的人员逃生过程进行疏散仿真模拟，并考虑人员行为、疏散现象等因素对人员疏散的影响，给出优化指导；最后，通过模拟仿真结果对比给出人员疏散效率相对较高的应急疏散路线规划方案。

1 应急疏散路线规划策略与原则

地震灾害发生时，建筑物存在倒塌风险，为避免较大的人员伤亡，建筑内及其附近的人员必须疏散至应急避难场所。本文重点研究地震情况下已投入使用的校园场所内、建筑物外的人员疏散情况，不考虑地震对疏散人员的影响，仅考虑地震对环境的影响，可将人员疏散过程中的环境看作疏散网络^[9]，其中包括节点和边，分别对应疏散环境中的避难场所和疏散路线。由于可用避难场所已建成，位置已确定，只需对各场所进行筛选，去除不符合条件的避难场所即可。而疏散路线可用宽度随建筑外部墙体坠物覆盖道路的面积而变化^[10]，进而影响人员疏散效率。综上可知，本文中地震灾害对人员疏散环境的众多影响因素可用地震对疏散路线的影响，即建筑外部墙体坠物对疏散路线可用宽度的影响来代表。

1.1 避难场所选址

应急避难场所设计应遵循“以人为本、安全可靠、因地制宜、平灾结合、易于通达、便于管理”的原则^[11]。

通过对该大学校园平面图分析，筛选出6个备选避难场所，如图 1中①~⑥所示，其中避难场所⑤和⑥分别是篮球场和网球场、①~③是开放式花园、④是操场。由于地震发生时，避难场所⑤和⑥周围高约5 m的铁栅栏容易倒塌，造成二次伤亡，依据“安全可靠原则”，故该两地不宜作为应急避难场所。最终选定4个符合避难场所选址原则的应急避难场所，即①~④。图中绿色点表示校园出入口，黄色点表示各建筑物出入口。

1.2 疏散虚拟墙体的原理及设置

发生地震灾害时，建筑物外墙体可能出现坠物，坠物的坠落及分布会影响人员应急疏散效率，故在应急疏散路线设计规划中应充分考虑建筑墙体坠物风险。建筑外墙体坠物主要与建构筑物结构及其层数、地震加速度有关。

Rayleigh分布函数能很好地拟合地震时建筑外部墙体坠物的分布^[12]，其密度分布函数满足：

$f\left( x \right) = \frac{x}{{{\sigma ^2}}}{{\rm{e}}^{ - \frac{{{x^2}}}{{2{\sigma ^2}}}}}, \;\;\;\;x \ge 0.$

(1)

式中：x为离建筑外墙距离(单位为m)，σ²为分布密度函数的方差。地震加速度越大，楼层越高，坠物覆盖面积越大，该结论与震害经验相吻合。杨哲飚等^[10]在试验中发现，当道路上障碍物密度达到25%时，人员已经无法通行，即可认为道路被阻断。对于建筑坠物覆盖道路使其宽度变窄的情况，本文使用“疏散虚拟墙体”描述，即将建筑物墙体向外延伸若干米，直至因障碍物密度超过25%时人员无法通行。

根据文[12]统计结果，Rayleigh分布中的σ与地震加速度(如0.40、0.50、0.62 g)和建筑层数n的关系如图 2所示。

由图 2可知，σ与n是线性递增关系，即σ=βn。且依据该校园所在地区地震史料^[13]记载，发生次数最多的地震加速度分别为0.40、0.50、0.62 g，故此处主要讨论以上3种地震加速度下建筑外部墙体坠物对疏散道路的影响。以上3种地震加速度对应的β分别为0.075、0.081、0.102。

根据式(1)，令f(x)为25%，n为3、4、5、6、7、14、18，β为0.075、0.081、0.102，即可得出不同建筑层数和地震加速度条件下所对应的疏散虚拟墙体外伸距离。

根据计算结果，对疏散虚拟墙体外伸距离进行估值取整，获得校园内的主要建筑物的疏散虚拟墙体外伸距离，如表 1所示(表 1中的建筑编号参见图 1)。

根据疏散虚拟墙体外伸距离，可以在原有二维平面基础上加宽墙体作为“疏散虚拟墙体”表示通行阻断区域。图 3为地震加速度为0.40 g时图 1各建筑的虚拟墙体图。

2 模型构建

为获得可行的校园应急疏散路线规划，本文利用Pathfinder软件对人群在不同时间、空间和灾害强度下的逃生过程分别进行仿真模拟，并据此调整疏散方案，以期形成最合理的应急疏散路线设计规划。特别地，Pathfinder软件是一款简单、直观、易用且应用广泛的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统，能够以三维动画的视觉效果展示人员疏散场景，并且能够准确给出个体在事故发生时的最佳逃生时间和逃生路线。因此，本文选择Pathfinder软件作为校园应急疏散路线设计规划研究的工具。

2.1 校园整体建筑模型构建

在Pathfinder软件中根据该大学校园整体建筑平面图进行物理空间建模，如图 1所示。

2.2 人员模型建立及放置

在Pathfinder软件中，人员设置主要包含2部分：扼要描述和行为。扼要描述是指人员的固有特征，如肩宽、身高、步速等。行为是指人员在整个模拟疏散中的行为描述，如在人员在疏散过程中到达已设置的某位置等。

2.2.1 人员参数设置 2.2.1.1 肩宽、身高设定

依据GB/T 10000—1988 《中国成年人人体尺寸》^[14]，选取第50百分位的数据，18~55岁男性和女性身高分别为1 678和1 570 mm，肩宽分别为375和351 mm。图 1中除建筑1~5、21以外的其他建筑中人员男女比例为1∶1。

2.2.1.2 步速设置

文[15]给出了紧急情况下的人员疏散速度，如表 2所示。

由于本文模拟研究对象为在校大学生，故人员设置中的步速取青年人速度均值1.34 m/s。

2.2.2 人员位置设置

设置校园总人数为5 000，由于时空的动态性，不同时间点人员分布不同，且不同建筑物内人员密度不同。根据校园的日常情况分析可知，人员主要集中在建筑1~6、12、15、16等。由于其余各建筑物内人员数量很少，在建筑物出口处发生拥堵的可能性较小，或者在建筑物出口处拥堵的时长较短，且人员从建筑物内疏散到避难场所的时长远远小于人员较为密集的建筑物。故其余建筑物内的人员疏散行为对于该校整体应急疏散总时长的影响可以忽略不计，因此本文只研究人员较为密集的建筑。

针对该大学师生日常起居和上课时间，抽取工作日中3个典型的时间点10:00、12:30和23:00，并根据实际情况设定主要建筑物内的人员分布如表 3所示。

3 应急疏散仿真模拟结果与分析 3.1 应急疏散仿真模拟结果

首先对该大学校园原有的应急疏散方案在Pathfinder软件中进行模拟仿真，该模拟选取时间点为10:00、地震加速度为0.40 g的情况进行，人员疏散模拟仿真图如图 4所示。

原有的应急疏散方案如下：建筑4、5内的全部人员与建筑16内750人向避难场所①进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以红色表示；建筑3内的全部人员、建筑15内的500人和建筑16内的750人向避难场所②进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以绿色表示；建筑12内的500人、建筑15内的500人和建筑21内的200人向避难场所③进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以灰色表示；建筑1、2、10内的全部人员，建筑12内的500人和建筑21内的200人向避难场所④进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以浅蓝色表示。

依据上述疏散方案进行模拟仿真后，得到的疏散时长为435.5 s。

3.2 人员分配优化

该校园原有的应急疏散方案并未遵循相关标准文件，并且实际疏散过程中某些建筑内的人员分配去向较不集中，且疏散过程中同一建筑内人员疏散到不同避难场所的时间有较大差别。这极易激发人员在疏散过程中的负面情绪，并引起群体慌乱，进而可能产生不服从疏散指令的行为，极大增加了应急疏散指导工作的难度，容易造成人员疏散混乱，导致二次事故。其次，由于疏散安排不合理，导致建筑物和避难场所的出入口处人员密度过大，使其大于该出入口的通行能力，避难场所出入口处容易出现成拱现象^[16]，如图 5所示。这使得人员安全疏散到避难场所的时间延长，不仅增加了人员产生恐慌情绪的概率，给应急疏散指导工作增添了难度，也极大增加了人员伤亡的概率。

考虑人员疏散距离、人员疏散心理及疏散现象等因素对人员疏散效率的影响，结合疏散虚拟墙体对疏散路线的影响以及人员疏散总时长，对该疏散方案进行疏散人员的重新分配优化，重点考虑人员较多的建筑12、15和21，以及位置相对特殊的建筑1。更改人员疏散方向使每栋建筑内的人员尽可能地前往同一避难场所，避免疏散时间有较大差距，并且充分考虑人员到达避难场所的时间，尽可能使疏散人员向开放式避难场所疏散，避免在某些避难场所出入口形成成拱现象而致使人员疏散效率降低。由此可分别获得3种优化方案，部分建筑内人员疏散分配详见表 4。

经过仿真模拟后可得优化方案1、2、3的疏散时长分别为365、365.5、302.3 s，分别比原方案缩短71.5、72.0、133.2 s。以疏散时长最短为目标，取优化方案3作为推广优化方案，人员疏散仿真路线如图 6所示。

该优化疏散方案指导如下：建筑4、5内的全部人员与建筑16内750人向避难场所①进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以红色表示；建筑2、3、15内的全部人员和建筑16内的750人向避难场所②进行疏散，前往该疏散场所人员路径轨迹在图中以绿色表示；建筑12和21内的全部人员向避难场所③进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以灰色表示；建筑1和10内的全部人员向避难场所④进行疏散，前往该疏散场所的疏散人员路径轨迹在图中以浅蓝色表示。

该方案确保人员可以在更短的时间内到达避难场所，减少了人员在疏散过程中出现各种意外情况的可能。并且从表 4可以看出，优化方案3的人员分配较为集中，即把一栋楼内的人员全部疏散至相同的避难场所，无需通过额外的疏散指导工作引导人员分批次或分路径进行疏散，减少了额外的疏散指导工作，极大提高了疏散指导效率。另外，图 6中的人员疏散轨迹显示各避难场所的出入口都没有出现成拱现象，表明人员疏散过程中不存在出入口拥塞的情况，故该情况下人员疏散效率最高，疏散时间最短。由此可见，在开放式避难场所容量充足时，应尽可能地将疏散人员向开放式避难场所疏散，如此可避免非开放式应急避难场所的出入口处发生人员拥堵，导致疏散效率降低。

通过原方案与3种优化方案的疏散时长对比，表明考虑人员行为、地震加速度和疏散虚拟墙体等因素对人员疏散路径的影响后，通过对疏散人员的合理分配可以实现对疏散路径的优化，进而缩短疏散时长，提高疏散效率。类似地，其他地震加速度和时刻的人员疏散方案在原有模型物理空间二维平面上设置“疏散虚拟墙体”，之后均依照优化方案3进行相关优化设置并进行模拟仿真，得到疏散时长如表 5所示，避难场所的分配人数如表 6所示。

由表 5可以看出，在相同时刻，地震加速度越大则疏散时长越长，也即地震加速度越大，则疏散虚拟墙体越宽，疏散路径越窄，人员疏散时长越长。

3.3 仿真模拟结果分析讨论

由仿真模拟结果可得出适合该校园全体人员全部时刻的应急疏散路线方案，如图 7所示。具体执行如下：

建筑4、5内全部人员和建筑16内的一半人员均向避难场所①进行疏散；建筑2、3和15内全部人员以及建筑16内的一半人员均向避难场所②进行疏散；建筑12、21内的全部人员和建筑6内的一半人员均向避难场所③进行疏散；建筑1、10内的全部人员和建筑6内的一半人员均相避难场所④进行疏散。各建筑内人员的详细应急疏散路径如图 7中橙色箭头所指向避难场所的方向。

上述最优应急疏散路线设计完成后，为保证疏散人员按照该优化方案进行疏散，还应在各个建筑出口处设置醒目的应急疏散指导方向的标识牌(如图 6中红色三角形标志处)，并配备声音警报。一旦发生地震灾害，各标识牌会显示最优应急疏散方案中各建筑内人员疏散路线，且各警报将自动循环播报该栋建筑内人员疏散方向和避难场所，使得疏散人员能够在视觉与听觉两方面进行双重应急疏散信息接收，进而实现紧急情况下的高效疏散。

此外，由于疏散方案将建筑6和16内的人员分成2部分进行疏散，故这2栋建筑内部也应当设置人员疏散路径指示标志(如图 7中绿色箭头标志)，使得其内部人员在疏散时有序分为2部分并向对应的避难场所疏散。必要时，在某些关键路口、相近建筑的疏散路口和部分存在应急路线交叉或重叠的疏散区域，增设动态应急路线指示标识，对来自不同位置的疏散人员进行有针对性的疏散引导。该措施可为后续研究中的动态路径实时规划奠定基础。

仿真结果还暴露出如下问题：该校园内某些人员密集建筑的出口数量较少，且出口宽度较窄，在多个疏散节点处出现容易出入口成拱现象，使得人员疏散效率降低，人员疏散时间延长。针对该问题，应增设出口数量或增宽现有出口宽度，以应对紧急情况，从而缩短疏散时长，提高疏散效率。疏散过程中，人员在避难场所入口处同样可能发生拥堵，应在该避难场所增设入口或将入口宽度增宽，可也直接将该区域改建为开放式避难场所。而某些备选避难场所虽然空旷面积较大，但由于周围设置了高约5 m的铁栅栏，地震发生时容易倒塌而造成人员二次伤亡，无法作为应急避难场所，对于紧急情况下人员疏散而言则是一种资源浪费，可将该避难场所周围的铁质栅栏更换为质量较小的软质材料，如聚合纤维材料等，一方面作为全校师生日常运动场所设施，另一方面在地震发生时也避免了其倒塌后砸伤人员的危险，更能体现其“平灾结合”的特性。

针对第3个时间点23:00，由于是晚上，光照条件不充足，人员疏散时无法看清道路，将使人员疏散效率大幅降低，人员伤亡率也随之上升。故应在每栋建筑和避难场所的出入口处、疏散路径上的路口及不易辨别路况处设置应急照明设施，并且确保该设施能够达到“平灾结合”的功能，即在日常没有灾难发生时的夜晚，该设施也能够为人员提供照明服务。

同时，针对该校园场所内其他在建及待建建筑，可建议建筑表面的非结构性建筑墙体采用某些刚性材料，增强牢固性，避免地震灾害发生时建筑外墙坠物过多而人员疏散效率降低。

4 结论

本文针对典型城市人员密集区域——大学校园，在避难场所选址基础上，综合考虑了地震灾害发生对人群疏散行为以及可用疏散空间的影响，引入了“疏散虚拟墙体”概念，并在不同时间点和不同地震加速度的条件下，利用Pathfinder软件对疏散过程进行了模拟仿真，据此重新设计了校园区域应急疏散路线。相比现有校园应急疏散路线，本文形成的应急疏散路线可以显著提高人员疏散效率，而且所提出的疏散方案更为合理、高效，为校园管理水平的改善奠定了基础。此外，本文针对应急路线设计的方法还可进一步改进用于后续应急路线动态实时规划研究。