考慮群組運(yùn)動(dòng)的醫(yī)療建筑疏散模擬研究

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(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450000；3.鄭州機(jī)械研究所有限公司，鄭州 450000)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)化推進(jìn)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(guó)已經(jīng)成熟的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)逐步看齊外國(guó)先進(jìn)的醫(yī)療建筑。中國(guó)一、二線城市人口基數(shù)大、增長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)安全問題時(shí)對(duì)人員疏散的處理方法基本還是采用經(jīng)驗(yàn)原則，相關(guān)設(shè)計(jì)也是依賴處方式的設(shè)計(jì)規(guī)范?！稒C(jī)關(guān)、團(tuán)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(diǎn)單位[2]。2014—2016年，美國(guó)消防部門報(bào)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(cái)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(duì)火災(zāi)等意外突發(fā)事故時(shí)人員疏散問題不是簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)。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(hù)工作者和其他后勤保障人員的工作場(chǎng)所，他們對(duì)環(huán)境較為熟悉。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，醫(yī)護(hù)工作者可能會(huì)暫時(shí)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(shì)群體，陪護(hù)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(huì)協(xié)助患者共同逃生。當(dāng)?shù)弥ㄖ飪?nèi)某部位著火時(shí)，病患的陪護(hù)人員會(huì)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(huì)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(shí)間迅速逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)[2]。

群組成員間強(qiáng)烈的社會(huì)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(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，進(jìn)而影響整體疏散進(jìn)程[5]?，F(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(yùn)動(dòng)過程中容易成為他人的障礙，群組的運(yùn)動(dòng)速度普遍較低[6]，且群組集群越大，對(duì)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(qiáng)度及不同群組間的作用強(qiáng)度的增加，人群的運(yùn)動(dòng)效率會(huì)有所降低[8]。

醫(yī)療建筑的特殊功能使得群組運(yùn)動(dòng)更為突出，也更為復(fù)雜，而現(xiàn)有的研究對(duì)此研究不充分，有待完善補(bǔ)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(duì)人群疏散的影響規(guī)律。Pathfinder軟件可根據(jù)實(shí)際情況為每個(gè)人員設(shè)定運(yùn)動(dòng)行為并賦予運(yùn)動(dòng)參數(shù)和個(gè)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(guó)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(hù)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(gè)疏散樓梯，3～5層共設(shè)置3個(gè)疏散樓梯。其中有3個(gè)樓梯是設(shè)置在建筑得邊緣位置并且直達(dá)出口，1個(gè)樓梯設(shè)置在建筑中心部。

2.2 Pathfinder模擬場(chǎng)景建立

建筑內(nèi)部的1～4號(hào)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(gè)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(shí)情況，應(yīng)當(dāng)考慮到患者(或弱勢(shì)群體，如老人、小孩)、醫(yī)護(hù)人員、陪護(hù)(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(xiàn)[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(shí)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(duì)疏散結(jié)果的影響。群組運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，由于在群組中運(yùn)動(dòng)的個(gè)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(yùn)動(dòng)同時(shí)具有個(gè)體特征和群體特征,模擬起來就更加復(fù)雜[13]，所以在實(shí)際模擬過程中，會(huì)將這一復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)控制群組運(yùn)動(dòng)的參數(shù)：減速時(shí)間T和最大距離d。當(dāng)群組斷開連接時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)者使用減速時(shí)間這個(gè)參數(shù)。在停下來之前，群組的領(lǐng)導(dǎo)者會(huì)逐漸減速，減速時(shí)間決定了領(lǐng)導(dǎo)者在停止前將減速多長(zhǎng)時(shí)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(gè)成員與成員的距離超過這個(gè)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(xiàn)[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(shí)間

圖2給出了6種減速時(shí)間下的人群疏散時(shí)間。不論是在哪種減速時(shí)間下，隨著群組成員間最大距離的增大，疏散時(shí)間呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。尤其是最大距離由1.0 m改變到1.5 m這個(gè)過程，疏散時(shí)間下降得最明顯。在最大距離超過2 m之后，人群的疏散時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)間下的人群疏散時(shí)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(shí)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(shí)間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，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(shí)間呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。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(gè)過程疏散時(shí)間降低得很明顯(8種情況下疏散時(shí)間平均降約14%)，后一個(gè)疏散過程則下降緩慢(8種情況下疏散時(shí)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(shí)間Fig.3 Crowd evacuation time in different proportions of patients

2.3.2 擁堵時(shí)間

在Pathfinder模擬軟件中，默認(rèn)當(dāng)人的運(yùn)動(dòng)速度低于0.25 m/s時(shí)，認(rèn)為人處于擁堵狀態(tài)。圖4給出了T=3時(shí)不同最大距離下的疏散擁堵時(shí)間。群組成員間的最大距離0.5～3 m，對(duì)應(yīng)的人群擁堵時(shí)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(shí)間呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。除了建筑疏散系統(tǒng)不能滿足人員疏散需求會(huì)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(huì)阻礙他人的運(yùn)動(dòng)，增加擁堵時(shí)間。進(jìn)一步研究了行人在平面擁堵時(shí)間和樓梯擁堵時(shí)間，如圖5所示。

圖4 不同最大距離下的人群疏散擁堵時(shí)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(shí)間和樓梯擁堵時(shí)間Fig.5 Planar congestion time and stair congestion time under different maximum distances

圖5給出了每個(gè)行人在平面和樓梯處的擁堵時(shí)間。通過對(duì)兩條曲線進(jìn)行積分計(jì)算，可以得到這兩個(gè)區(qū)域的面積，進(jìn)而可以分析比較其數(shù)值大小，具體計(jì)算數(shù)值如圖6所示。

圖6 不同最大距離下的平面擁堵時(shí)間累積和樓梯擁堵時(shí)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(shí)間和樓梯上的擁堵時(shí)間呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。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(xiǎn)性要高于平面疏散，而人群的聚集行為又加劇了這種危險(xiǎn)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(shí)間的頻率累積圖。不論患者比例為多大，70%的行人擁堵時(shí)間在45～65 s。當(dāng)擁堵時(shí)間大于70 s時(shí)，隨著病患比例的增加，擁堵時(shí)間頻率累積曲線越平緩?；颊弑壤秊?0%時(shí)，170 s左右頻率累積達(dá)到1，而患者比例為80%時(shí)，290 s時(shí)頻率累積曲線才達(dá)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(yùn)動(dòng)能力受限，而在實(shí)際醫(yī)療建筑中，還會(huì)存在較多的無運(yùn)動(dòng)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(shí)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(duì)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(shì)。根據(jù)人群人流量的計(jì)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(shí)間增大時(shí)，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(shí)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(hào)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(jìn)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(duì)象，以群組協(xié)同疏散為切入點(diǎn)，采用pathfinder軟件對(duì)人群疏散過程進(jìn)行了仿真研究，得出如下結(jié)論。

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

(2)隨著最大距離d的增大，人群的擁堵時(shí)間呈現(xiàn)較小的趨勢(shì)。除了建筑疏散系統(tǒng)不能滿足人員疏散需求會(huì)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(huì)阻礙他人的運(yùn)動(dòng)，增加擁堵時(shí)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(shí)間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。不論患者比例為多大，70%的行人擁堵時(shí)間在45～65 s。當(dāng)擁堵時(shí)間大于70 s時(shí)，隨著病患比例的增加，擁堵時(shí)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(shì)?？赡艿脑蛴袃牲c(diǎn)：①群組疏散時(shí)，運(yùn)動(dòng)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(shí)，群組成員間的互助行為可能會(huì)成為其他行人的運(yùn)動(dòng)障礙。

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