魏曉鴿，杜 薇，姚浩偉*，曹祥紅，鄭遠(yuǎn)攀，李芳芳，宋懷濤

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境工程學(xué)院，鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，鄭州 450000；3.鄭州機械研究所有限公司，鄭州 450000)

隨著經(jīng)濟發(fā)展，城鎮(zhèn)化推進以及基礎(chǔ)建設(shè)的不斷更新，醫(yī)院建筑的建設(shè)在短短的幾十年中也經(jīng)歷了飛速的發(fā)展。服務(wù)于現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的綜合醫(yī)院、?？漆t(yī)院等現(xiàn)代化醫(yī)療建筑通過不斷吸取、借鑒外國已經(jīng)成熟的設(shè)計方法和經(jīng)驗，已經(jīng)逐步看齊外國先進的醫(yī)療建筑。中國一、二線城市人口基數(shù)大、增長率高，高人口密度以及城市中心地區(qū)的用地緊張的現(xiàn)狀決定了醫(yī)院近一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢將是大型化、集中化、高層化的綜合體式發(fā)展模式[1]。這種模式在應(yīng)對安全問題時對人員疏散的處理方法基本還是采用經(jīng)驗原則，相關(guān)設(shè)計也是依賴處方式的設(shè)計規(guī)范。《機關(guān)、團體、企業(yè)、事業(yè)單位消防安全管理規(guī)定》的安全管理規(guī)定中就有條例規(guī)定：當(dāng)醫(yī)院的住院床位在50張以上的醫(yī)院屬于消防安全重點單位[2]。2014—2016年，美國消防部門報告醫(yī)療建筑火災(zāi)約5 800起，平均每年造成5人死亡、150人受傷和5 600萬美元的財產(chǎn)損失[3]。而醫(yī)療建筑的內(nèi)部功能多、流線復(fù)雜，使用人員特殊，在應(yīng)對火災(zāi)等意外突發(fā)事故時人員疏散問題不是簡單的經(jīng)驗性假設(shè)和理論分析可以概括，說明了這方面的研究工作還有待加強。為此，開展醫(yī)療建筑內(nèi)人員緊急疏散研究就顯得尤為必要。

1 醫(yī)療建筑疏散研究現(xiàn)狀

醫(yī)院是醫(yī)護工作者和其他后勤保障人員的工作場所，他們對環(huán)境較為熟悉。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，醫(yī)護工作者可能會暫時成為救援指揮者，組織并且引導(dǎo)病患疏散。而病患是醫(yī)院中的弱勢群體，陪護人員包括患者的親朋好友等。在火災(zāi)情況下，患者家屬、朋友大部分會協(xié)助患者共同逃生。當(dāng)?shù)弥ㄖ飪?nèi)某部位著火時，病患的陪護人員會在了解火災(zāi)情況的基礎(chǔ)上，協(xié)助患者采取相應(yīng)的自救措施。同樣也會有一部分行為能力正常的病人，在不需要借助外界的幫助下第一時間迅速逃離火災(zāi)現(xiàn)場[2]。

群組成員間強烈的社會關(guān)系使得疏散人群中的幫扶行為更加頻繁突出，但是隨著幫扶小群體數(shù)量的增加，出口處擁堵加劇，疏散效率隨之降低[4]。群組彼此間的熟悉程度決定了群組的合作與競爭機制，進而影響整體疏散進程[5]。現(xiàn)有研究普遍發(fā)現(xiàn)：群組成員習(xí)慣相互拖拽著行走，在運動過程中容易成為他人的障礙，群組的運動速度普遍較低[6]，且群組集群越大，對群體平均速度降低作用越明顯[7]。隨著群組成員間的作用強度及不同群組間的作用強度的增加，人群的運動效率會有所降低[8]。

醫(yī)療建筑的特殊功能使得群組運動更為突出，也更為復(fù)雜，而現(xiàn)有的研究對此研究不充分，有待完善補充。為此，采用Pathfinder軟件模擬醫(yī)療建筑中群組協(xié)同疏散過程，探究群組協(xié)同作用在垂直建筑空間內(nèi)對人群疏散的影響規(guī)律。Pathfinder軟件可根據(jù)實際情況為每個人員設(shè)定運動行為并賦予運動參數(shù)和個體特征參數(shù)，可以模擬群組間的協(xié)同疏散，其模擬結(jié)果也得到國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可和肯定[9-11]。

2 醫(yī)療建筑人群疏散數(shù)值模擬分析

2.1 建筑物的基本概況

該建筑為一棟約20 m高的5層醫(yī)療建筑，建筑面積約15 362 m2。1層為住院大廳、放射科和社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，2層為功能檢查、護理單元和社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，3層為急診病房、住院藥房和靜配中心，4層和5層為普通病房。1層和2層建筑結(jié)構(gòu)相似，3～5層建筑結(jié)構(gòu)相似。1層和2層共設(shè)置4個疏散樓梯，3～5層共設(shè)置3個疏散樓梯。其中有3個樓梯是設(shè)置在建筑得邊緣位置并且直達出口，1個樓梯設(shè)置在建筑中心部。

2.2 Pathfinder模擬場景建立

建筑內(nèi)部的1～4號樓梯分別為于左上角、左下角、右下角和中間位置，其中前3個樓梯的寬度為1.35 m，中間區(qū)域的樓梯寬度為1.65 m，所建模型如圖1所示。由于該建筑為一棟醫(yī)療綜合樓，人員屬性的設(shè)置應(yīng)盡量貼近真實情況，應(yīng)當(dāng)考慮到患者(或弱勢群體，如老人、小孩)、醫(yī)護人員、陪護(或陪診)人員等多種類型，并為其設(shè)置合理大小的速度，參照文獻[12]，這里給出了不同類型人員的速度設(shè)定值，如表1所示。根據(jù)該建筑的結(jié)構(gòu)和功能，所研究的人員中并未考慮無法自主行走病人。雖然模型中設(shè)置了8種人員類別，但其實可以分為兩類：患者和正常人員，本次模擬研究中二者的比例為80%∶20%，即病患的人數(shù)遠(yuǎn)大于正常人員。由于此次研究主要關(guān)注群組的影響，并未考慮性別因素對疏散結(jié)果的影響。群組運動是一種復(fù)雜的運動形式，由于在群組中運動的個體存在相互影響(具體表現(xiàn)形式有追逐、跟隨、逃逸、碰撞回避等等),使得群組運動同時具有個體特征和群體特征,模擬起來就更加復(fù)雜[13]，所以在實際模擬過程中，會將這一復(fù)雜的運動過程進行簡化[14]。

圖1 某醫(yī)療建筑Pathfinder疏散模型Fig.1 Pathfinder evacuation model for a medical building

表1 不同人員類型的速度設(shè)定值Table 1 Speed setting values for different personnel types

為了研究人員間的群組疏散特征，Pathfinder 軟件中給出了兩個控制群組運動的參數(shù)：減速時間T和最大距離d。當(dāng)群組斷開連接時，領(lǐng)導(dǎo)者使用減速時間這個參數(shù)。在停下來之前，群組的領(lǐng)導(dǎo)者會逐漸減速，減速時間決定了領(lǐng)導(dǎo)者在停止前將減速多長時間。最大距離用于確定組是連接還是斷開。如果該群組的任何一個成員與成員的距離超過這個值，則該群組被視為斷開，該軟件中關(guān)于群組疏散模型設(shè)置可參見文獻[15]。此次模擬研究中人員總數(shù)為500人。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 人群疏散時間

圖2給出了6種減速時間下的人群疏散時間。不論是在哪種減速時間下，隨著群組成員間最大距離的增大，疏散時間呈現(xiàn)減小的趨勢。尤其是最大距離由1.0 m改變到1.5 m這個過程，疏散時間下降得最明顯。在最大距離超過2 m之后，人群的疏散時間變化不大。最大距離越大，表明群組成員間的關(guān)聯(lián)越松散，反之，則說明群組成員間的關(guān)聯(lián)越緊密。由于人員屬性的不同，群組成員間的運動能力可能也有很大的差異。群組成員聯(lián)系越緊，疏散過程中協(xié)助(如等待、減速等)行為也越頻繁。當(dāng)群組成員間最大距離大于1.5 m之后，6種減速時間下的人群疏散時間變化不大，可能的原因是：群組成員關(guān)聯(lián)越松散，疏散過程中協(xié)助(如等待、減速等)行為也越少。

圖2 人員疏散時間隨群組成員間的最大距離的變化關(guān)系Fig.2 Variation relation of maximum distance between group members in evacuation time

如圖3所示，隨著病患比例的增加，人群疏散時間呈現(xiàn)增加的趨勢，造成這一結(jié)果可能的原因在人群速度的降低(模型中病人的速度要低于正常人的速度)。隨著群組間最大距離的增大，疏散時間呈現(xiàn)減小趨勢。比較群組距離由1 m變到2 m的過程和由2 m變到3 m的過程，前一個過程疏散時間降低得很明顯(8種情況下疏散時間平均降約14%)，后一個疏散過程則下降緩慢(8種情況下疏散時間平均下降約3%)，再次印證了從圖2種得到的結(jié)論。

圖3 不同病患比例下人群疏散時間Fig.3 Crowd evacuation time in different proportions of patients

2.3.2 擁堵時間

在Pathfinder模擬軟件中，默認(rèn)當(dāng)人的運動速度低于0.25 m/s時，認(rèn)為人處于擁堵狀態(tài)。圖4給出了T=3時不同最大距離下的疏散擁堵時間。群組成員間的最大距離0.5～3 m，對應(yīng)的人群擁堵時間平均值(中位值)分別為74.344 6 s(46.937 5 s)、64.540 5 s(35.825 s)、45.405 7 s(16.85 s)、41.848 05 s(14.85 s)、38.933 s(12.5 s)、34.23 s(11.325 s)?？偟膩碚f，隨著最大距離的增大，人群的擁堵時間呈現(xiàn)減小的趨勢。除了建筑疏散系統(tǒng)不能滿足人員疏散需求會造成擁堵外，群組成員間的協(xié)助(如等待、減速等)行為可能會阻礙他人的運動，增加擁堵時間。進一步研究了行人在平面擁堵時間和樓梯擁堵時間，如圖5所示。

圖4 不同最大距離下的人群疏散擁堵時間Fig.4 Crowd evacuation congestion time under different maximum distances

圖5 不同最大距離下的平面擁堵時間和樓梯擁堵時間Fig.5 Planar congestion time and stair congestion time under different maximum distances

圖5給出了每個行人在平面和樓梯處的擁堵時間。通過對兩條曲線進行積分計算，可以得到這兩個區(qū)域的面積，進而可以分析比較其數(shù)值大小，具體計算數(shù)值如圖6所示。

圖6 不同最大距離下的平面擁堵時間累積和樓梯擁堵時間累積Fig.6 Accumulation of plane congestion time and stair congestion time under different maximum distances

隨著群組成員間最大距離的增大，人員在平面上的擁堵時間和樓梯上的擁堵時間呈現(xiàn)減小的趨勢。在d=0.5 m和d=1.0 m的情況下，人群在樓梯間的擁堵明顯要更嚴(yán)重。樓梯自身的結(jié)構(gòu)特征使得其疏散危險性要高于平面疏散，而人群的聚集行為又加劇了這種危險性。隨著最大距離的增加，人群在樓梯間的擁堵情況有所改善，甚至要低于在平面擁堵(d=2、2.5、3 m)。

圖7給出了不同患者比例下行人擁堵時間的頻率累積圖。不論患者比例為多大，70%的行人擁堵時間在45～65 s。當(dāng)擁堵時間大于70 s時，隨著病患比例的增加，擁堵時間頻率累積曲線越平緩。患者比例為10%時，170 s左右頻率累積達到1，而患者比例為80%時，290 s時頻率累積曲線才達到1。病患的比例越高，速度小的人也就越多，疏散過程中就越容易出現(xiàn)阻礙后面行人的現(xiàn)象。所研究的患者僅是運動能力受限，而在實際醫(yī)療建筑中，還會存在較多的無運動能力的行人，如坐輪椅的人員、躺著病床上的人員，這些人員的疏散需要專業(yè)人員將其疏散至最近的避難間，這一疏散過程并未考慮，這也是今后研究中將要完善的方向。

圖7 不同患者比例下行人擁堵時間頻率累積圖Fig.7 Accumulation of time and frequency of pedestrian congestion with different proportion of patients

2.3.3 樓梯平均人流量

通過對每段樓梯的平均人流量再次求平均值，即可得到該部樓梯的平均人流，如表2所示。隨著最大距離的增大，樓梯的平均人流呈現(xiàn)增大趨勢。根據(jù)人群人流量的計算方法可知，當(dāng)人數(shù)分布和樓梯寬度不變的情況下，人群通過樓梯的時間增大時，才可能引起人流量的明顯降低。該結(jié)果在一定程度上也能反映出樓梯的擁堵情況，群組成員間的最大距離越小，人群疏散時越容易造成擁堵，樓梯的平均人流量也就越小。另外，不難發(fā)現(xiàn)：4號樓梯的寬度(1.65 m)最大，反而人流量最小，說明樓梯存在不均衡利用，但是目前并沒有直接的數(shù)據(jù)證明樓梯的不均衡利用跟群組的聚集程度(d和T)有關(guān)，以待后續(xù)研究進行分析。

表2 不同最大距離下的樓梯平均人流量Table 2 Average pedestrian flow of stairs under different maximum distances

3 結(jié)論

以醫(yī)療建筑內(nèi)人群疏散規(guī)律為研究對象，以群組協(xié)同疏散為切入點，采用pathfinder軟件對人群疏散過程進行了仿真研究，得出如下結(jié)論。

(1)不管在哪種減速時間T下,隨著群組成員間最大距離d的增大，疏散時間呈現(xiàn)減小的趨勢。尤其是最大距離由1.0 m改變到1.5 m這個過程，疏散時間下降得最明顯。在最大距離超過2 m之后，人群的疏散時間變化不大。

(2)隨著最大距離d的增大，人群的擁堵時間呈現(xiàn)較小的趨勢。除了建筑疏散系統(tǒng)不能滿足人員疏散需求會造成擁堵外，群組成員間的協(xié)助(如等待、減速等)行為可能會阻礙他人的運動，增加擁堵時間。在d=0.5 m和d=1.0 m的情況下，人群在樓梯間的擁堵情況比平面擁堵更為嚴(yán)重。

(3)隨著病患比例的增加，人群疏散時間呈現(xiàn)增加的趨勢。不論患者比例為多大，70%的行人擁堵時間在45～65 s。當(dāng)擁堵時間大于70 s時，隨著病患比例的增加，擁堵時間頻率累積曲線越平緩。

(4)隨著最大距離d的減小，樓梯的平均人流量呈現(xiàn)下降趨勢?？赡艿脑蛴袃牲c：①群組疏散時，運動速度快的行人降低了自身的速度，造成整體速度的下降；②群組疏散時，群組成員間的互助行為可能會成為其他行人的運動障礙。

群組成員間最大距離越小，減速時間越小，表明群組成員間的關(guān)聯(lián)越緊密，從疏散時間、擁堵時間、樓梯的平均人流量等方面均說明群組運動對人群疏散造成不利影響。實際醫(yī)療建筑中人員疏散系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮群組疏散的影響，而非傳統(tǒng)簡單認(rèn)為個體疏散模式，在平衡建設(shè)成本的同時，將安全疏散效益最大化。另外，在這類建筑中進行疏散引導(dǎo)時，盡可能呼吁大家按照自己的運動能力進行疏散，避免產(chǎn)生過多的等待同伴、折返救人等行為，進而對人群疏散產(chǎn)生不利影響。