大型醫(yī)院院區(qū)入口的人行交通研究
——過街天橋通行效果的MassMotion 仿真分析

劉浩然 曹昊 周穎

東南大學(xué)建筑學(xué)院

長(zhǎng)期以來，如何切實(shí)改善大型醫(yī)院周邊乃至院內(nèi)的交通狀況，一直是困擾醫(yī)院建筑師的重要問題。特別是大型醫(yī)院的院區(qū)入口處，由于臨近交通繁忙的城市干道，再加上過街的行人數(shù)量實(shí)在太多，常常會(huì)產(chǎn)生異常嚴(yán)重的擁堵現(xiàn)象，不僅阻礙了車輛通行，同時(shí)也對(duì)患者的通行安全和就醫(yī)體驗(yàn)產(chǎn)生了非常不利的影響。為了解決上述問題，當(dāng)前許多大型醫(yī)院都考慮在院區(qū)入口處架設(shè)過街天橋，這就需要對(duì)過街天橋的架設(shè)方式及通行效果展開深入的分析探討。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于大型醫(yī)院交通問題的研究，主要集中在機(jī)動(dòng)車交通組織與停車場(chǎng)所設(shè)置等方面[1-4]，但很少關(guān)注進(jìn)入醫(yī)院院區(qū)的人行交通[5]，尤其缺少關(guān)于對(duì)過街天橋架設(shè)方式及通行效果的探討。實(shí)際上，不僅院區(qū)入口外數(shù)量龐大的過街行人與道路上通行的機(jī)動(dòng)車相互影響，等候交通信號(hào)燈時(shí)積累的巨大人流量過街后在短時(shí)間內(nèi)涌入醫(yī)院，也是造成院區(qū)內(nèi)水平交通和垂直交通堵塞的重要原因之一。對(duì)于醫(yī)院建筑師來說，只有對(duì)各種通行方式下的人行量有相當(dāng)程度的精確把握與分析預(yù)測(cè)，才有可能對(duì)包括過街天橋在內(nèi)的各種交通設(shè)施進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。而要做到這點(diǎn)，需要引入最新的技術(shù)手段與分析工具。

近年來，以MassMotion軟件為代表的行人模擬軟件取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。利用MassMotion軟件，目前已經(jīng)可以對(duì)機(jī)場(chǎng)、火車站、地鐵站等大型交通設(shè)施以及商場(chǎng)、宗教設(shè)施等公共建筑中的各類行人進(jìn)行較高精度的仿真模擬[6-10]，當(dāng)然也為本文的定量仿真分析提供了新思路與新方法。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

如表1所示，醫(yī)院院區(qū)入口處的過街天橋設(shè)置方式大體有兩種：一種是過街天橋僅連接道路兩側(cè)的人行通道，另一種是過街天橋的一側(cè)與醫(yī)院建筑的某層直接相連。

本文選取R醫(yī)院為研究對(duì)象。該醫(yī)院是一所大型三甲綜合醫(yī)院，占地300畝，總建筑面積為41萬m2，床位3 685張，日門診量高達(dá)1.5～1.8萬人次。如圖1所示，該醫(yī)院位于某歷史文化名城的老城區(qū)，醫(yī)院南側(cè)為城市主干道，西側(cè)為城市支路。受地形影響，城市道路蜿蜒曲折。院區(qū)共有6個(gè)大門，1～3號(hào)門通向住院部，4號(hào)門臨近急診入口，5號(hào)門臨近門診入口，6號(hào)門為機(jī)動(dòng)車出入口。其中4號(hào)門距地鐵站最近，并緊鄰城市道路紅綠燈，因而行人通行量極大（圖2）。監(jiān)控錄像顯示，僅調(diào)研日上午8:00～12:00從4號(hào)門進(jìn)入醫(yī)院院區(qū)的行人數(shù)量高達(dá)25 184人次，另外從4號(hào)門離開醫(yī)院的行人數(shù)量也超過了2萬人次。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)4號(hào)門前往門診大廳的人群分為兩股，多數(shù)行人經(jīng)門診坡道從門診入口進(jìn)入，但也有不少行人經(jīng)由急診入口乘坐電梯進(jìn)入門診大廳。由圖3可見，后者的流線相對(duì)較短，且不用爬坡，但這部分行人加劇了急診部和住院部電梯的擁堵，從而影響了醫(yī)院運(yùn)營(yíng)。因此，相關(guān)管理部門擬采用架設(shè)天橋的方式來緩解4號(hào)門院區(qū)內(nèi)外的擁堵狀況，為了對(duì)架設(shè)天橋后的通行效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，我們使用MassMotion軟件對(duì)該處的行人交通狀況進(jìn)行了仿真模擬。

表1 醫(yī)院入口處天橋類型

1 R 醫(yī)院總平面圖

2 R 醫(yī)院4 號(hào)門概況

3 經(jīng)由4 號(hào)門前往門診大廳的流線

1.2 技術(shù)路線

圖4顯示了本研究的技術(shù)路線，調(diào)研數(shù)據(jù)包括R醫(yī)院總平面與各層平面、2019年12月23日（星期一）全天4號(hào)門的監(jiān)控錄像以及2020年2月24日（星期一）指定時(shí)段的交通信號(hào)燈監(jiān)控錄像。接下來對(duì)經(jīng)4號(hào)門進(jìn)入院區(qū)的行人流量、流線、通行速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)分析7:04～12:04經(jīng)4號(hào)門進(jìn)入院區(qū)的行人數(shù)量（圖5），并從中選取高峰時(shí)段7:50～8:10的數(shù)據(jù)輸入MassMotion軟件。然后通過對(duì)4個(gè)不同交通場(chǎng)景的仿真模擬，對(duì)過街天橋的假設(shè)效果進(jìn)行定量的分析評(píng)估。

4 技術(shù)路線

5 基于監(jiān)控視頻的經(jīng)由4 號(hào)門進(jìn)入院區(qū)的行人數(shù)量

1.3 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入4號(hào)門的行人分別來自起點(diǎn)1～4（表2中的藍(lán)點(diǎn)），而去向只有兩個(gè)，分別是入口廣場(chǎng)北側(cè)的急診入口和4號(hào)門西側(cè)的門診坡道（表2中的橘點(diǎn)）。如表2所示，筆者設(shè)計(jì)了四個(gè)場(chǎng)景，分別模擬不同的行人過街方式：1）無機(jī)動(dòng)車、無信號(hào)燈時(shí)的直接過街；2）信號(hào)燈控制的人行橫道；3）過街天橋僅連接道路兩側(cè)的人行通道；4）過街天橋一側(cè)連接院區(qū)內(nèi)的二層平臺(tái)。

表2 模擬場(chǎng)景一覽

2 建模與驗(yàn)證

在MassMotion中建模，輸入調(diào)研數(shù)據(jù)，并不斷調(diào)整參數(shù)直至模型輸出的結(jié)果與監(jiān)控視頻顯示的結(jié)果基本一致。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

2.1.1 行人流量

輸入的行人流量不僅包括總流量，還包括不同方向行人流量的占比，即4個(gè)起點(diǎn)與2個(gè)終點(diǎn)（表3）。對(duì)2019年12月23日7:50～8:10這一高峰時(shí)段內(nèi)進(jìn)入4號(hào)門監(jiān)控視頻中的行人數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總計(jì)1 281人，其中35.5%的行人前往急診入口，64.5%的行人前往門診坡道。實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段來自起點(diǎn)1、2、3、4的行人分別占12.5%、70.6%、14.3%、2.6%，然后將行人流量以表3的形式輸入MassMotion。

表3 行人流量（單位：人）

2.1.2 人群通行速度

人群通行速度的設(shè)定需要考慮多方面因素，筆者團(tuán)隊(duì)的前期研究表明，醫(yī)院入口處老弱患者數(shù)量眾多且步速不一致是導(dǎo)致高峰時(shí)段門診坡道擁堵的主要原因。而MassMotion軟件則默認(rèn)人群中不同個(gè)體的速度呈正態(tài)分布，最大值為2.05m/s，最小值為0.65m/s，平均值為1.35m/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25m/s?？紤]到患者大多身體狀況較差、行動(dòng)速度較慢，因此在本研究中將人群速度的平均值下調(diào)至1.2m/s。

2.1.3 交通信號(hào)燈

上午7:50～8:00時(shí)段，醫(yī)院入口外由南向北的交通信號(hào)燈周期為紅燈2min，綠燈35s。在四個(gè)場(chǎng)景中，場(chǎng)景一不設(shè)置信號(hào)燈，而另外三個(gè)場(chǎng)景均設(shè)置信號(hào)燈。

2.1.4 非機(jī)動(dòng)車流線

除行人外，現(xiàn)場(chǎng)還有一定數(shù)量的非機(jī)動(dòng)車進(jìn)入醫(yī)院院區(qū)。其中一部分前往急診大廳外的非機(jī)動(dòng)車停車位，另一部分通過西側(cè)道路前往門診大廳方向。

2.2 模擬結(jié)果與監(jiān)控結(jié)果的比較

圖6為4號(hào)門行人數(shù)量的MassMotion模擬結(jié)果，圖7為基于監(jiān)控視頻的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。兩條曲線的峰值相當(dāng)接近，都在50～80人之間；其次在相同的時(shí)段，兩者都出現(xiàn)了8個(gè)峰值，即周期大體一致。兩者的不同主要表現(xiàn)在前者的周期穩(wěn)定在3min左右，而后者有一定的波動(dòng)。其原因?yàn)镸assMotion模擬選取的人行速度比較均勻，而實(shí)際人群中的個(gè)體行動(dòng)速度存在一些差異?？傮w來說，MassMotion的模擬結(jié)果具有相當(dāng)高的可信度。

3 仿真模擬

3.1 天橋通行量的數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，假定紅燈期間80%的行人通過天橋前往醫(yī)院入口，20%的個(gè)體等待信號(hào)燈過街；而綠燈階段10%的行人通過天橋前往醫(yī)院入口，90%的行人直接穿過道路。

3.2 模擬結(jié)果

下面從平均過街時(shí)間、人群密度、人群通行效率等指標(biāo)來展示模擬結(jié)果。由于交通信號(hào)燈的周期為2min35s，而模擬開始后一段時(shí)間，人群才能到達(dá)被測(cè)區(qū)域，因此分析采樣的時(shí)間范圍是第1min～第11min，大致包含四個(gè)完整的信號(hào)燈周期。

6 4 號(hào)門仿真模擬行人計(jì)數(shù)圖

7 4 號(hào)門監(jiān)控統(tǒng)計(jì)行人計(jì)數(shù)圖

3.2.1 平均過街時(shí)間

本文使用采樣范圍內(nèi)的平均過街時(shí)間，反映患者穿過城市道路與入口廣場(chǎng)所花費(fèi)的時(shí)間。采樣范圍從起點(diǎn)開始到人群進(jìn)入急診入口或進(jìn)入門診坡道結(jié)束，包括人行道、過街橫道、天橋、醫(yī)院入口廣場(chǎng)一系列空間。計(jì)算方法是統(tǒng)計(jì)所有個(gè)體穿過采樣范圍所耗費(fèi)的時(shí)間，并求平均值。

四個(gè)場(chǎng)景的行人平均過街時(shí)間如表4所示。場(chǎng)景一平均過街時(shí)間最短，而場(chǎng)景二耗時(shí)最長(zhǎng)，兩者相差1min3s。設(shè)置天橋后，場(chǎng)景三的平均過街時(shí)間顯著縮短；而當(dāng)天橋的出口設(shè)置在二層平臺(tái)后，場(chǎng)景四的平均過街時(shí)間則進(jìn)一步縮短。

3.2.2 人群密度

將人群密度分為A～F六個(gè)級(jí)別，其中A、B表示人群密度較低，C、D表示有一定的擁擠，而E、F表示擁堵嚴(yán)重（表5）1。

進(jìn)一步用最大密度地圖來表示給定時(shí)段內(nèi)到達(dá)每個(gè)點(diǎn)上的最大人群密度，并用不同顏色來表達(dá)（表5）?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于沒有考慮機(jī)動(dòng)車與信號(hào)燈，場(chǎng)景一中的擁堵區(qū)域最少；但場(chǎng)景二中的擁堵區(qū)域最多；過街天橋建成后，場(chǎng)景三和場(chǎng)景四的擁堵區(qū)域都明顯減少。此外，場(chǎng)景三中醫(yī)院外部的擁堵得到一定緩解，但醫(yī)院內(nèi)部仍較擁堵；而在場(chǎng)景四中，醫(yī)院內(nèi)外的擁堵都有明顯緩解。

3.2.3 人流量變化率

若某區(qū)域人流量的波峰與波谷差值過大，那么在高峰期之外該區(qū)域會(huì)有較多空間閑置，從而降低空間利用率。相反，如果人流量的波動(dòng)較小，相同的空間則可以容納更多的行人流量。圖8表示了四個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)入醫(yī)院前廣場(chǎng)的單位時(shí)間內(nèi)（取10秒）的行人流量。同樣可以發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景二的人流量變化率最大；而天橋建成后，場(chǎng)景三和場(chǎng)景四的人流量變化率均有明顯減小，其中場(chǎng)景四的變化率較場(chǎng)景三更為平緩。

表4 平均過街時(shí)間的模擬結(jié)果

表5 人群密度級(jí)別

8 四種場(chǎng)景的人流量變化率

3.2.4 四個(gè)場(chǎng)景的比較

將人群密度細(xì)分為院內(nèi)擁擠程度、人行道擁擠程度、波谷擁擠程度三個(gè)指標(biāo)，再加上平均過街時(shí)間和人流量變化率，共得到五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)再分為五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，等級(jí)越高，代表該項(xiàng)指標(biāo)越有利于行人通行。表7中將四個(gè)場(chǎng)景中的模擬結(jié)果用這五項(xiàng)指標(biāo)定量地表達(dá)出來?？梢园l(fā)現(xiàn)，建造了過街天橋后，場(chǎng)景三與場(chǎng)景四的交通擁堵狀況較場(chǎng)景二有了明顯改觀。

表6 人群最大密度的模擬結(jié)果

表7 四個(gè)場(chǎng)景的模擬結(jié)果

4 結(jié)語

（1）交通信號(hào)燈會(huì)產(chǎn)生脈沖式行人流量，增大人群密度，因而在信號(hào)燈等候處、醫(yī)院入口廣場(chǎng)等場(chǎng)所會(huì)造成更劇烈的間歇性擁堵，此時(shí)架設(shè)過街天橋不失為解決交通擁堵問題的一個(gè)方案。

（2）如果僅架設(shè)過街天橋但未連接醫(yī)院建筑物，雖然可以大幅減少行人過街時(shí)間，但難以緩解院區(qū)內(nèi)的交通擁堵。

（3）若將過街天橋與醫(yī)院建筑協(xié)同設(shè)計(jì)，將天橋出口因地制宜地與醫(yī)院建筑的相應(yīng)樓層直接相連，利用屋頂平臺(tái)或室內(nèi)走廊開辟新的交通流線，可以有效疏導(dǎo)人群，從而減輕醫(yī)院內(nèi)部的人群擁堵。此外，如果同時(shí)結(jié)合分層掛號(hào)和網(wǎng)上預(yù)約的方法，還可以進(jìn)一步優(yōu)化患者的就診流程。

注釋

1 步行人流服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)，即弗洛因（Fruin）人員密度服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)。（來源于http://www.gkstill.com/Support/crowdflow/fruin/Fruin1.html）

圖表來源：所有圖表均由作者自繪。