考慮弱勢(shì)群體疏散行為特征的高層住院樓疏散仿真及優(yōu)化

劉曉然, 豐慧, 曾德民, 張略淼

(1.北京建筑大學(xué)理學(xué)院, 北京 102616; 2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044 )

醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)作為關(guān)系到國計(jì)民生的基礎(chǔ)行業(yè),始終是國家關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)今醫(yī)院建筑內(nèi)部布局形式復(fù)雜多樣,電網(wǎng)線路密集、電氣設(shè)備數(shù)量和類型多并且相當(dāng)一部分運(yùn)行時(shí)間長,耗電量大[1],存在極大的安全隱患。其內(nèi)部人員組成復(fù)雜,他們?cè)谛睦?、生理上均有一定的特殊性。一旦發(fā)生火災(zāi)、地震等突發(fā)事件,容易造成大量財(cái)產(chǎn)損失甚至群死群傷。高層醫(yī)院建筑內(nèi)人員的現(xiàn)場(chǎng)疏散已成為焦點(diǎn)問題。

現(xiàn)階段中外學(xué)者針對(duì)醫(yī)療建筑內(nèi)人員疏散開展了大量研究。王德強(qiáng)等[2]在仿真模擬中分別對(duì)兒科層和骨科層從速度和對(duì)出口的熟悉程度進(jìn)行分析,并提出對(duì)策措施。魏曉鴿等[3]分析了醫(yī)療建筑內(nèi)群組模式對(duì)整體疏散的影響。宋嘉寶等[4]進(jìn)行Revit二次開發(fā),利用自適應(yīng)蟻群算法,開發(fā)出人群疏散路徑優(yōu)化和智能誘導(dǎo)模型。國外學(xué)者Golmohammadi等[5]將患者分為3類,建立估算突發(fā)狀況下醫(yī)院疏散時(shí)間的預(yù)測(cè)模型,該模型可以為醫(yī)院管理人員提供每類患者的疏散時(shí)間。王凱[6]針對(duì)高層住院樓內(nèi)人員特性,分別從水平空間設(shè)計(jì)與豎向空間布局分析,并提出改善策略。林思銘等[7]提出了適宜的建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化來提高醫(yī)院門診樓的人員疏散效率。Wang[8]指出了消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的重要性,以某醫(yī)院為例,闡述了疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,為工程設(shè)計(jì)人員提供了理論依據(jù)。Johnson[9]提出了“水平疏散”概念,并通過演習(xí)得到了病人疏散時(shí)的預(yù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間,其可作為病人緊急疏散總時(shí)間中的重要參考時(shí)間。馮麗萍等[10]仿真模擬醫(yī)院災(zāi)后的疏散情況,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)消防應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行優(yōu)化。Gwynne等[11]對(duì)醫(yī)院疏散案例進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了住院樓病人安全疏散的特點(diǎn),表明患者在疏散時(shí)更依賴于工作人員的引導(dǎo)。Haghpanah等[12]基于智能體模型模擬新冠肺炎期間醫(yī)院急診部的疏散情況,結(jié)果顯示,降低疏散時(shí)間,需要更大的護(hù)理團(tuán)隊(duì)。目前關(guān)于醫(yī)療建筑內(nèi)部疏散相關(guān)研究大多從單一角度,如建筑空間布局、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)、救援逃生策略等方面探索對(duì)人員疏散效率的影響,仍需進(jìn)一步從弱勢(shì)群體行為疏散角度深入探究醫(yī)療建筑的適弱化以提高疏散效率。弱勢(shì)群體的生理特征與疏散特性在進(jìn)行緊急疏散時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

鑒于此,現(xiàn)以住院樓內(nèi)弱勢(shì)群體為重點(diǎn)研究對(duì)象,通過對(duì)弱勢(shì)群體生理、心理和行為的研究,基于空間句法理論對(duì)住院樓進(jìn)行適弱化分析,并應(yīng)用AnyLogic軟件建立高層住院樓應(yīng)急疏散仿真模型,并給出多情景仿真對(duì)比下的優(yōu)化疏散方案。

1 研究對(duì)象

選取某綜合性醫(yī)院高層住院樓為研究案例。該住院樓共13層(含裙房4層)。1～4層裙房部分平面布置疏散樓梯有5部,5～13層每層疏散樓梯有2部,具體結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。東側(cè)和西側(cè)樓梯間寬為3 m,其余樓梯的樓梯間寬為3.45 m。為了方便接下來的研究說明,現(xiàn)將住院樓內(nèi)部樓梯進(jìn)行編號(hào),如圖2所示。

圖1 某醫(yī)院高層住院樓立面圖Fig.1 Elevation of a hospital high-rise hospital building

①～⑤為樓梯編號(hào)

2 弱勢(shì)群體對(duì)高層住院樓空間疏散適應(yīng)性分析

2.1 疏散人員行為特征分析

人員在發(fā)生事故進(jìn)行疏散時(shí),產(chǎn)生的疏散行為大致可分為3種:①有意識(shí)地根據(jù)周圍環(huán)境選擇正確的逃生路線安全逃離。實(shí)際上大部分人沒有良好的安全意識(shí);②對(duì)周圍環(huán)境熟悉度較差,在逃生過程中不自覺的形成“慣性行為”,即人員處于不熟悉的疏散環(huán)境中,突發(fā)心理焦灼恐懼,且受周圍環(huán)境干擾,缺乏思考選擇合理路線進(jìn)行逃生,更傾向選擇自己較了解的路線、環(huán)境求得生存的特性[13];③下意識(shí)“看周圍人的反應(yīng)”“跟隨他人逃離”或“隨著人流試探性的走”,疏散時(shí)表現(xiàn)出了 “從眾行為”,即個(gè)體在群體的壓力下改變個(gè)體意見而與群體取得一致認(rèn)識(shí)與統(tǒng)一行為的傾向[14]。

醫(yī)院建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,房間、通道與出口數(shù)量較多可作為其空間布局的典型特點(diǎn)。許多訪問者對(duì)內(nèi)部環(huán)境不熟悉,多數(shù)需要依靠指示牌或人員引導(dǎo)去往目標(biāo)房間,結(jié)束看診后也不會(huì)選擇過多停留參觀,這就導(dǎo)致內(nèi)部人員活動(dòng)路徑較為固定且單一。根據(jù)現(xiàn)有研究[15]可知醫(yī)院內(nèi)在緊急情況發(fā)生時(shí),約46%的人員產(chǎn)生從眾行為,而在聲光刺激下應(yīng)急疏散時(shí),由于人員高度緊張,加重恐慌心理下出現(xiàn)的此行為[16];21.6%的人員產(chǎn)生慣性行為;而其余32.4%的人員尋找疏散標(biāo)識(shí)或詢問工作人員進(jìn)行逃生。如遇突發(fā)狀況,現(xiàn)場(chǎng)混亂無序,此時(shí)尋找疏散標(biāo)識(shí)或找尋工作人員的小群體會(huì)暫緩向外逃生,而產(chǎn)生慣性行為的小團(tuán)體最先開始向外逃離,匯成疏散人流,從眾行為人員則在慌亂的場(chǎng)面中跟隨人流逃離空間,與其有相同的行動(dòng)路徑。

緊急情況多有發(fā)生,弱勢(shì)群體的生理、心理及行為特征對(duì)大型醫(yī)院疏散的有效完成至關(guān)重要。本文以住院樓內(nèi)人員為研究對(duì)象,重點(diǎn)對(duì)弱勢(shì)群體生理特征及需求、疏散行為進(jìn)行分析。突發(fā)狀況下,不同科室的弱勢(shì)群體疏散時(shí)有不同表現(xiàn),主要依賴于自身的生理特征及需求(表1),其會(huì)直接影響疏散的反應(yīng)時(shí)間以及疏散時(shí)的行為。

表1 弱勢(shì)群體生理特征及需求Table 1 Physiological characteristics and needs of vulnerable groups

對(duì)比住院樓各科室病人的平均行動(dòng)速度,其中骨科病人的平均行動(dòng)速度最小,產(chǎn)科病人的平均行動(dòng)速度最大,而其他科室病人的平均行動(dòng)速度則相差不大[17]。為更加細(xì)化住院樓內(nèi)人員的疏散特征,考慮不同類型病患在緊急疏散時(shí)存在的速度差異及行為特點(diǎn),將骨科病患與婦產(chǎn)科病患單獨(dú)分類,最終將住院樓內(nèi)疏散人員類型分為8類,如表2所示。

表2 不同類別人員疏散行為特征Table 1 The characteristics of evacuation behavior of different people

由表1可知,弱勢(shì)群體由于生理受限,在進(jìn)行活動(dòng)時(shí)更依賴聲音、光線及視覺刺激,且部分病患行動(dòng)不便,逃生時(shí)需要等待救援;由表2可知,住院樓內(nèi)工作人員對(duì)周圍環(huán)境較為熟悉,遇到突發(fā)事件,恐慌情緒相對(duì)較少,能夠迅速做出反應(yīng)選擇正確的線路逃離,少數(shù)人員會(huì)主動(dòng)引導(dǎo)眾人;陪護(hù)在住院樓的出入頻率與可活動(dòng)范圍較小,未能熟悉周圍環(huán)境與空間布局,逃生時(shí)極易產(chǎn)生慣性行為,選擇進(jìn)入大廳后去往目標(biāo)房間時(shí)的路線為逃生線路。大部分病人心理狀態(tài)極差,有行動(dòng)能力的病患會(huì)下意識(shí)地產(chǎn)生從眾行為跟隨陪護(hù)人員或人流,極易造成無序混亂的疏散情景,影響疏散效率。

2.2 基于視域法的建筑空間適弱化分析

空間句法理論由英國倫敦大學(xué)巴特萊特建筑學(xué)院比爾·希列爾等學(xué)者創(chuàng)立,現(xiàn)已形成一套完整的理論體系、成熟的方法論[18]。理論中認(rèn)為可視范圍內(nèi)空間對(duì)主體社會(huì)運(yùn)動(dòng)具有意向引導(dǎo)作用,所以在進(jìn)行疏散研究時(shí)不可忽略建筑空間與人員心理特征之間的緊密聯(lián)系。

本文研究將應(yīng)用空間句法中的視域分析法對(duì)住院樓建筑內(nèi)部空間的適弱化進(jìn)行分析。首層是人們進(jìn)入整個(gè)建筑空間內(nèi)部的關(guān)鍵層,當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)人們?cè)趹T性心理的驅(qū)使下,第一反應(yīng)往往會(huì)選擇進(jìn)入建筑時(shí)的路徑進(jìn)行逃生,因此重點(diǎn)對(duì)住院樓首層進(jìn)行視域分析。首先應(yīng)用CAD軟件對(duì)高層住院樓首層平面圖進(jìn)行處理,然后導(dǎo)入Depthmap+軟件。

(1)視線控制度。經(jīng)計(jì)算可得出空間內(nèi)部視線控制度圖如圖3所示。在2號(hào)、3號(hào)及4號(hào)樓梯間處顏色較暖,視線控制度越高,說明位于此處的弱勢(shì)群體將有更大的視域范圍,也表示該空間的識(shí)別性高。更能吸引弱勢(shì)群體的視線。

圖3 住院樓首層視線控制度圖Fig.3 Visual control of first floor

(2)視線集聚度。視線集聚度為衡量空間受遮蔽、受制約的程度,也是對(duì)空間邊界在視覺限制上效果強(qiáng)弱的判斷。顏色越暖,視線集聚度越低,說明空間越趨于穩(wěn)定與私密。通過軟件計(jì)算得出視線集聚度圖如圖4所示?？芍珔^(qū)域受遮蔽程度嚴(yán)重,弱勢(shì)群體會(huì)較少的主動(dòng)選擇其為活動(dòng)路線。該區(qū)域一般為病房,私密性好。

圖4 住院樓首層視線集聚度圖Fig.4 Visual clustering coefficient of first floor

(3)視線整合度。為了更透徹地分析此住院樓內(nèi)部空間對(duì)人員慣性行為的影響,引入視線整合度的概念。視線整合度是最常用且最重要的參數(shù),也是以訪問者視角來分析空間被觀察到的可能性高低,在空間結(jié)構(gòu)上一定的反映了區(qū)域內(nèi)部的人流聚集和離散情況。在相關(guān)文獻(xiàn)[19]中提到,其算法與拓?fù)渖系恼隙人惴ㄍ耆嗤?。具體計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:Inti為第i個(gè)視線整合度;MDi為平均深度值;n為軸線總量。

經(jīng)計(jì)算如圖5所示,在2號(hào)、3號(hào)及4號(hào)樓梯間處顏色較暖,對(duì)于少次出入該空間的弱勢(shì)群體和部分身體處于健康狀態(tài)的陪護(hù)人員,會(huì)因不熟悉空間內(nèi)部布局,而依賴空間對(duì)其產(chǎn)生的視線誘導(dǎo)進(jìn)行相應(yīng)的行動(dòng),更傾向于選擇2、3、4號(hào)樓梯前往目標(biāo)房間。

圖5 住院樓首層視線整合度圖Fig.5 Visual integration of first floor

綜合分析可知,視線的聚集程度、感知度以及視線誘導(dǎo)程度都聚集在大廳附近的2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)樓梯間。此區(qū)域視線可達(dá)性良好,更能吸引人流,對(duì)弱勢(shì)人員的視線誘導(dǎo)更強(qiáng),大部分人員選擇此3部樓梯去往目標(biāo)房間,當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí),此路線則成為“慣性行為”人群的主要逃生路線。

高層住院樓中的弱勢(shì)群體受生理傷害的影響,部分在突發(fā)情況下的疏散行為主要依靠視覺誘導(dǎo)下的慣性行為產(chǎn)生。通過視域分析可得出建筑空間內(nèi)部不同區(qū)域被弱勢(shì)群體感知的程度和其視線的聚集程度,即空間內(nèi)每個(gè)區(qū)域?qū)θ鮿?shì)群體的吸引程度。視域分析可視化的結(jié)果可以反映出空間內(nèi)某區(qū)域人流接納的結(jié)果,結(jié)合弱勢(shì)群體疏散特征可知,可將視域分析的結(jié)果作為弱勢(shì)群體選擇疏散路徑的依據(jù)。

3 模型建立

3.1 模擬軟件

AnyLogic軟件是一款應(yīng)用廣泛且對(duì)離散、連續(xù)的多智能體和混合系統(tǒng)建模及仿真的工具[20]。其中行人庫模塊可應(yīng)用到人員疏散仿真當(dāng)中,其核心算法是社會(huì)力模型,優(yōu)點(diǎn)是能夠比較真實(shí)地反映出行人之間的相互影響以及影響行人疏散行為的主要因素。

3.2 疏散人員參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)有病房每間安置的病人數(shù)為1～6人,病人全天大部分時(shí)間都在病房活動(dòng),而醫(yī)院的工作人員和陪護(hù)可在病房區(qū)、走廊、辦公室、等候大廳活動(dòng),以四層為例,其中人員分布如圖6所示。

圖6 住院樓四層人員布置圖Fig.6 Staffing layout on the fourth floor of the hospital building

(1)人員速度與人員數(shù)量設(shè)定。在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016—2014[21]中明確規(guī)定高層住院樓,應(yīng)在二層及以上的住院樓層和潔凈手術(shù)部設(shè)置避難間。在突發(fā)狀況時(shí)行動(dòng)極其不便者允許在避難間內(nèi)等候救援,故本文研究不再對(duì)無行動(dòng)能力的特殊患者進(jìn)行論述。疏散人員的參數(shù)包括:速度、構(gòu)成比例、人數(shù)。其中速度可參照已有研究[17,22],人員構(gòu)成比則通過大量調(diào)查及參考文獻(xiàn)[23-24]設(shè)定,結(jié)合實(shí)際病床數(shù)及人員構(gòu)成比可計(jì)算得到病房樓每層人數(shù)。結(jié)果如表3及表4所示。

表3 高層住院樓人員速度及構(gòu)成比設(shè)定Table 3 Set staff speed and composition ratios for high-rise hospital buildings

表4 高層住院樓每層人數(shù)設(shè)定Table 4 Set number of people on each floor in high-rise hospital buildings

(2)人員選擇疏散路徑的概率設(shè)置。由式(1)可求得5部樓梯處的視線整合度平均值(表5)。將表5各樓梯的視線整合度平均值歸一化后作為突發(fā)狀況時(shí)住院樓內(nèi)部人員選擇每部樓梯逃生的概率,盡可能還原自由疏散的真實(shí)情景。

表5 5部樓梯處視線整合度平均值Table 5 Average value of visual integration in 5 staircases

4 高層住院樓疏散仿真與優(yōu)化分析

4.1 自由疏散仿真

在整體自由疏散邏輯流程圖中進(jìn)行樓梯概率選擇,將概率(表5)輸入AnyLogic軟件中的PedSelectOutput模塊,仿真過程中內(nèi)部人員則按照相應(yīng)概率選擇樓梯進(jìn)行逃生。本模型未加入消防電梯,不考慮消防電梯對(duì)整體疏散效率的影響。

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)可知,高層住院樓全部人員安全疏散所需時(shí)間為1 001 s。整體效率如圖7所示。

圖7 5部樓梯自由疏散人數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.7 Time variation curve of free evacuees in 5 staircases

通過表4可知2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)樓梯被人員選擇的概率較大,但由于3號(hào)樓梯最高通往4層,可疏散人數(shù)較少。這與圖11所得結(jié)果相符。分析可知整體自由疏散壓力主要集中在2號(hào)和4號(hào)樓梯,影響整體疏散效率的主要原因是在突發(fā)狀況時(shí),大多數(shù)人會(huì)因視線誘導(dǎo)加重慣性行為與從眾行為進(jìn)而選擇2號(hào)、4號(hào)樓梯進(jìn)行疏散,導(dǎo)致疏散人數(shù)過多,且因?yàn)槭枭⒌娜藛T類別不同,他們之間的速度差異較大,在疏散過程中更容易發(fā)生推擠、二次傷害事件,擁堵更為嚴(yán)重,影響整體的疏散效率。

4.2 優(yōu)化策略及模擬

為緩解2號(hào)和4號(hào)樓梯的疏散壓力,保障人員安全高效地進(jìn)行疏散,重點(diǎn)考慮人員自身特性和疏散行為特征,將人員進(jìn)行分組分梯疏散。由于婦產(chǎn)科在裙房位置,故所有優(yōu)化方案都將設(shè)定婦產(chǎn)科病患從3號(hào)樓梯單獨(dú)進(jìn)行疏散,表6中不再贅述。

表6 4種方案下的受控疏散時(shí)間Table 6 Efficiency comparison chart of the four scenarios

為對(duì)比分析不同人員類別配置下的整體疏散效率,依據(jù)不同類別人員疏散特征、速度區(qū)間的差異、人員分布情況以及疏散空間大小設(shè)定了4種疏散對(duì)照方案。經(jīng)過仿真試驗(yàn),得到各方案的疏散時(shí)間,如表6和圖8所示。

圖8 4種方案下的受控疏散效率對(duì)比圖Fig.8 Efficiency comparison chart of controlled evacuation under the four scenarios

4種方案都提高了疏散效率。方案一疏散耗時(shí)最短,為最優(yōu)方案。將自由疏散與實(shí)施最優(yōu)方案的疏散實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析,結(jié)果如圖9所示。方案一中重點(diǎn)考慮的對(duì)象是老人及兒童病患,他們?nèi)狈ψ灾髋袛嗄芰?更需要醫(yī)護(hù)人員的幫助。2號(hào)、4號(hào)樓梯間較其他樓梯間更寬闊,選擇此樓梯進(jìn)行逃生能夠給予該群體更大的逃生空間,避免與其他類別人員進(jìn)行碰撞、推擠,且有醫(yī)護(hù)人員的陪伴能夠帶來安全感,減少恐慌情緒。將男病患、女病患及陪護(hù)人員組織到一起選擇1號(hào)和5號(hào)樓梯進(jìn)行疏散,有效緩解了2號(hào)、4號(hào)樓梯的疏散壓力。通過試驗(yàn)結(jié)果可知,疏散時(shí)人為干預(yù)基于空間句法視域分析的視線誘導(dǎo)、慣性行為及從種行為,考慮將各類人員依照疏散特征與不同疏散行為意識(shí)相結(jié)合并實(shí)行幫扶疏散,可以達(dá)到較好的疏散效果。

圖9 實(shí)施最優(yōu)方案前后疏散時(shí)間對(duì)比圖Fig.9 Evacuation time comparison chart of before and after implementation of the optimal solution

5 結(jié)論

基于弱勢(shì)群體的生理、心理及行為特征描述弱勢(shì)群體的疏散過程,使得緊急情況下人員對(duì)逃生路線選擇更加切合實(shí)際,選取適宜評(píng)價(jià)住院樓的視域分析法進(jìn)行分析,綜合考慮弱勢(shì)群體疏散行為特征,盡可能還原突發(fā)事件時(shí)建筑內(nèi)部的疏散狀態(tài),結(jié)果表明視線誘導(dǎo)對(duì)弱勢(shì)群體的疏散行為影響較大,隨后應(yīng)用AnyLogic進(jìn)行仿真模擬,對(duì)比分析自由疏散與受控方案下的整體疏散效率。得到以下結(jié)論。

(1)建筑空間對(duì)弱勢(shì)群體的視線誘導(dǎo),是其在疏散時(shí)產(chǎn)生“慣性行為”的主要因素,將會(huì)使疏散壓力集中在某一區(qū)域內(nèi),嚴(yán)重影響整體疏散效率。

(2)考慮將弱勢(shì)群體按照人員疏散特征進(jìn)行合理的分組分梯疏散,可提高整體疏散效率。

(3)今后需加強(qiáng)對(duì)醫(yī)院工作者的應(yīng)急培訓(xùn)工作,在緊急狀況發(fā)生時(shí),使他們起到更好地引導(dǎo)作用,也可在整體空間視線較為聚集且開闊的區(qū)域增設(shè)引導(dǎo)牌輔助疏散。研究結(jié)果可為醫(yī)院高層住院樓的消防疏散提供參考。