多層老年人全日照料設(shè)施疏散模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)策略研究＊

張鵬飛 李偉（通訊作者）

天津大學(xué)建筑學(xué)院

隨著我國社會(huì)老齡化程度不斷加深，作為現(xiàn)代主流養(yǎng)老模式之一的老年人全日照料設(shè)施[1]數(shù)量不斷增加，然而在其迅速發(fā)展的背后仍存在諸多弊端。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，近5年來國內(nèi)老年人全日照料設(shè)施共發(fā)生10起火災(zāi)，導(dǎo)致63名老年人死亡。

由于服務(wù)對(duì)象的特殊性和建筑設(shè)計(jì)適應(yīng)性不足等因素，老年人全日照料設(shè)施的消防安全事故呈現(xiàn)出易發(fā)生、撲救難度大、疏散困難等特點(diǎn)。如何更加合理有效地對(duì)安全疏散進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障老年人群體的生命安全，成為現(xiàn)階段老年人全日照料設(shè)施建設(shè)中亟需解決的問題之一。

1 影響安全疏散的主要因素

影響建筑安全疏散的因素主要包括使用人群和建筑設(shè)計(jì)兩部分[2]。

1.1 緊急狀況下老年人群體生理和心理特征

隨著年齡遞增，老年人群體的生理機(jī)能有明顯的衰退趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為體能減少、適應(yīng)能力減弱和自理能力降低，導(dǎo)致老年人難以應(yīng)付緊急狀況下的“短時(shí)間、長距離”的快速疏散要求。《老年人照料設(shè)施建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 450-2018）中規(guī)定：老年人全日照料設(shè)施的服務(wù)對(duì)象為能力完好、輕度失能、中度失能和重度失能四類老人[3]。本研究中將四種失能程度老人按其行為能力進(jìn)行分類（表1）。

1.2 現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范

消防安全是建筑有效使用的保證，其安全疏散設(shè)計(jì)必須根據(jù)相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)進(jìn)行綜合考慮[4]。《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）[5]對(duì)安全疏散的基本內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定和要求，建筑設(shè)計(jì)需滿足規(guī)范中的相應(yīng)指標(biāo)要求[6]，主要包括建筑分類和耐火等級(jí)、防火分區(qū)和層數(shù)、平面布置、安全出口、疏散走道、疏散樓梯六個(gè)方面。但在執(zhí)行過程中，各類規(guī)范之間存在沖突，并且多為策略性規(guī)定，缺少更明確的要求。

2 模擬實(shí)驗(yàn)

本研究中實(shí)驗(yàn)采用的Pathfinder軟件基于Agent-Base模型，可分別對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和行為定義。

2.1 設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.1.1 人群參數(shù)

老年人全日照料設(shè)施的使用人員主要包括老年人和護(hù)理員。

表1 老年人失能程度判定表

1 各失能程度老人疏散過程

2 天津市萬科怡園養(yǎng)老中心

3 天津市萬科怡園養(yǎng)老中心二層平面圖

4 天津市萬科怡園養(yǎng)老中心軸測(cè)分析圖

5 天津市萬科怡園養(yǎng)老中心疏散模型

（1）各失能程度老年人比例按相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7]設(shè)為能力完好:輕度失能:中度失能:重度失能=3:3:2:2。

（2）按照相關(guān)規(guī)定[8]，護(hù)理員與各失能程度老年人配比設(shè)為護(hù)理員：能力完好或輕度失能=1:12；護(hù)理員:中度失能=1:6.6；護(hù)理員:重度失能=1:2.5。

（3）考慮到設(shè)施內(nèi)中度失能、重度失能老人無法自主移動(dòng)，在疏散過程中需由護(hù)理員協(xié)助疏散，并且護(hù)理員多為女性，因此在疏散過程中，中度、重度失能老人與護(hù)理員比例要求分別為1:2和1:4[9]。

一般情況下，人員疏散過程分為預(yù)警階段、預(yù)動(dòng)作階段和行動(dòng)階段[10]。在疏散過程中，將由護(hù)理員協(xié)助的中度失能、重度失能老人視為整體，模擬實(shí)驗(yàn)中各人員參數(shù)設(shè)定見表2。

2.1.2 人員疏散行為

當(dāng)采用傳統(tǒng)“房間—疏散走道—疏散樓梯—安全出口”的疏散方式時(shí)，各失能程度老人的疏散行為如圖1所示。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

研究選取18例既有多層老年人全日照料設(shè)施案例進(jìn)行疏散模擬實(shí)驗(yàn)，旨在對(duì)比不同安全疏散設(shè)計(jì)對(duì)老年人全日照料設(shè)施疏散時(shí)間的影響。

以《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）第5.5.14條“老年人照料設(shè)施內(nèi)的非消防電梯應(yīng)采取防煙措施，當(dāng)火災(zāi)情況下需用于輔助人員疏散時(shí)，該電梯及其設(shè)置應(yīng)符合本規(guī)范有關(guān)消防電梯及其設(shè)置的要求”和5.5.24A條“老年人照料設(shè)施內(nèi)的非消防電梯應(yīng)采取防煙措施，當(dāng)火災(zāi)情況下需用于輔助人員疏散時(shí)，該電梯及其設(shè)置應(yīng)符合本規(guī)范有關(guān)消防電梯及其設(shè)置的要求”為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，通過模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析有無電梯參與疏散、避難空間的設(shè)置與安全疏散時(shí)長的關(guān)系。

2.1.4 模擬前提

為減少模擬實(shí)驗(yàn)中其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比產(chǎn)生影響，對(duì)各疏散模型的建筑耐火等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式、建筑層高和使用人群分布等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。各失能程度老人按照“失能程度越高，所在樓層越低”的原則布置在各老年人居室中，而護(hù)理員在各層公共空間內(nèi)隨機(jī)分布。

2.2 建立疏散模型

以天津市萬科怡園養(yǎng)老中心[13]為例，建筑共5層，建筑面積約8 000m2，可容納養(yǎng)老床位228張，按比例設(shè)置護(hù)理員38名。案例平面為混合式交通布局，頂層為職工宿舍，除首層和頂層外各層均有老年人居室（圖2～5）。

表2 老年人與護(hù)理員參數(shù)設(shè)置

6 實(shí)驗(yàn)一各人群所需安全疏散時(shí)間折線圖

7 安全疏散時(shí)間散點(diǎn)圖

8 疏散樓梯使用效率

9 局部節(jié)點(diǎn)擁堵現(xiàn)象

10 實(shí)驗(yàn)一、二各失能程度老人所需安全疏散時(shí)間對(duì)比

2.3 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)變量為僅通過疏散樓梯進(jìn)行疏散，其余參數(shù)按照3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)結(jié)果（圖6）可以得出：

（1）各案例中各類人群所需安全疏散時(shí)間關(guān)系符合實(shí)際疏散場(chǎng)景中的疏散結(jié)果，驗(yàn)證了Pathfinder軟件疏散模擬的可行性。

（2）能力完好、輕度失能老人的疏散完畢時(shí)長均在395s內(nèi)；大部分中度失能老人在801s內(nèi)疏散完畢，約為能力完好、輕度失能老人的2倍；而重度失能老人疏散總時(shí)長基本在1 003s以上。因此，中度、重度失能老人成為影響老年人全日照料設(shè)施疏散總時(shí)間的最關(guān)鍵人群。以重度失能老人為例，設(shè)施內(nèi)重度失能老人與護(hù)理員規(guī)定配比約為1:0.8，而疏散要求二者比例為1:4，可見護(hù)理員數(shù)目的短缺極大地限制了中度、重度失能老人的疏散效率。

（3）根據(jù)圖7可知，各類人群所需安全疏散時(shí)間與建筑層數(shù)、疏散人數(shù)基本呈正相關(guān)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)過程分析

（1）疏散樓梯使用效率：實(shí)驗(yàn)中各失能程度老人的分區(qū)布置方式符合規(guī)范規(guī)定和日常管理模式。但在疏散過程中也發(fā)現(xiàn)，由于不同失能程度老人的始末疏散時(shí)間段存在時(shí)間差，會(huì)出現(xiàn)不同時(shí)間段內(nèi)各疏散樓梯的使用效率差距大的現(xiàn)象，進(jìn)而增加安全疏散時(shí)間（圖8）。

（2）局部節(jié)點(diǎn)擁堵：在疏散過程中，安全出口（圖9）、疏散樓梯附近和轉(zhuǎn)角處容易出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，減緩了人員的行動(dòng)速度，增加了安全疏散時(shí)間。

2.4 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二的實(shí)驗(yàn)變量為通過疏散樓梯、電梯協(xié)同疏散。除將各失能程度老年人選擇疏散樓梯、電梯進(jìn)行疏散的行為比例調(diào)整到50%外，其余參數(shù)不變。

如圖10所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)二數(shù)據(jù)可以得出：

（1）實(shí)驗(yàn)中各失能程度老年人樓梯與電梯協(xié)同疏散的總疏散時(shí)間與僅通過樓梯疏散的總疏散時(shí)間基本相差不大。但在實(shí)際疏散過程中，考慮到老年人容易體力不支和護(hù)理員協(xié)助疏散的過程中體力消耗較大的狀況，建議在火災(zāi)初期通過疏散樓梯與電梯協(xié)同的方式進(jìn)行疏散。

（2）受電梯運(yùn)行過程中需等待一段時(shí)間的影響，人群通過疏散樓梯疏散至室外較快，因此若采用樓梯與電梯系統(tǒng)協(xié)同的方式進(jìn)行疏散時(shí)，建議通過進(jìn)一步模擬確定最高效的使用比例。

2.5 實(shí)驗(yàn)三

基于實(shí)驗(yàn)一中度、重度失能老人所需安全時(shí)間較長的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)三的實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樘接憣⒗先耸枭⒅料鄬?duì)安全空間臨時(shí)避難對(duì)所需安全疏散時(shí)間的影響。由于在既有案例中沒有特別設(shè)置避難間，在本實(shí)驗(yàn)中將空氣可以自由流通的半室外空間和可上人屋面作為臨時(shí)避難空間，且不考慮后續(xù)二次援救時(shí)間，其余參數(shù)和模擬過程與實(shí)驗(yàn)一一致。

2.5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由實(shí)驗(yàn)三數(shù)據(jù)結(jié)果（圖11）可以得出：

（1）當(dāng)把屋頂平臺(tái)作為臨時(shí)避難空間時(shí)，由于能力完好、輕度失能老人均位于建筑上層，可以起到明顯減少所需安全疏散時(shí)間的作用；相應(yīng)地，對(duì)在較低樓層的中度、重度失能老人的疏散沒有太大影響。

（2）當(dāng)把各層半室外空間作為臨時(shí)避難空間時(shí)，各類型老人所需安全疏散時(shí)間均明顯減少，但部分中度、重度失能老人仍無法在可用疏散時(shí)間內(nèi)疏散完畢。

2.5.2 實(shí)驗(yàn)過程分析

當(dāng)把室外連廊作為臨時(shí)避難空間時(shí)，需考慮重度失能老人的安置問題，尤其是要注意拐角處的尺寸，容易造成擁堵現(xiàn)象（圖12）。

11 實(shí)驗(yàn)一、三各失能程度老人所需安全疏散時(shí)間對(duì)比

12 出口處及轉(zhuǎn)角處發(fā)生擁堵

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

（1）較小的建筑規(guī)模對(duì)疏散較為有利。當(dāng)場(chǎng)地條件和設(shè)計(jì)要求允許時(shí)，老年人全日照料設(shè)施的建筑規(guī)模不宜太大，即床位數(shù)不宜太多，層數(shù)不宜太高。一方面可以縮短疏散流線長度，另一方面可以通過減少床位數(shù)降低總疏散時(shí)長。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）中的相關(guān)規(guī)定，獨(dú)立建造的一、二級(jí)耐火等級(jí)老年人照料設(shè)施的建筑高度不宜大于32m，不應(yīng)大于54m。

（2）中度、重度失能老人預(yù)動(dòng)作時(shí)間長，需要他人協(xié)助疏散是影響老年人全日照料設(shè)施總疏散時(shí)間的最主要因素，而設(shè)施內(nèi)護(hù)理員數(shù)目極大地制約了這兩類老人的疏散效率。在護(hù)理員極度短缺的現(xiàn)狀條件下，宜考慮將中度失能老人疏散至相對(duì)安全區(qū)域內(nèi)臨時(shí)避難，重度失能老人建議就地避難，等待二次救援，以提升護(hù)理員救援效率。

（3）考慮到護(hù)理員協(xié)助疏散過程中的體能消耗、老年人因體能不足而在走樓梯過程中容易出現(xiàn)摔倒等情況，若照料設(shè)施內(nèi)電梯符合消防電梯規(guī)定，建議在火災(zāi)初期通過樓梯與電梯協(xié)同疏散的方式進(jìn)行疏散。

（4）疏散過程中人群在疏散樓梯出入口和安全出口等局部節(jié)點(diǎn)處極易造成擁堵。因此應(yīng)考慮在建筑設(shè)計(jì)過程中采用對(duì)局部節(jié)點(diǎn)做放大或加寬處理，局部節(jié)點(diǎn)尺度應(yīng)至少滿足輪椅和急救擔(dān)架的轉(zhuǎn)彎半徑，以及增加安全出口個(gè)數(shù)等措施。

3 結(jié)語

本研究模擬實(shí)驗(yàn)均為在較理想的模擬前提下展開，沒有涉及到緊急狀況下火災(zāi)煙氣、建筑倒塌或障礙物等對(duì)安全疏散時(shí)間的影響，但實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)老年人全日照料設(shè)施的建筑設(shè)計(jì)有一定啟發(fā)，具有現(xiàn)實(shí)意義。