考虑群组运动的医疗建筑疏散模拟研究

魏晓鸽，杜 薇，姚浩伟*，曹祥红，郑远攀，李芳芳，宋怀涛

(1.郑州轻工业大学建筑环境工程学院，郑州 450000；2.郑州轻工业大学计算机与通信工程学院，郑州 450000；3.郑州机械研究所有限公司，郑州 450000)

随着经济发展，城镇化推进以及基础建设的不断更新，医院建筑的建设在短短的几十年中也经历了飞速的发展。服务于现代化城镇的综合医院、专科医院等现代化医疗建筑通过不断吸取、借鉴外国已经成熟的设计方法和经验，已经逐步看齐外国先进的医疗建筑。中国一、二线城市人口基数大、增长率高，高人口密度以及城市中心地区的用地紧张的现状决定了医院近一段时间内的发展趋势将是大型化、集中化、高层化的综合体式发展模式[1]。这种模式在应对安全问题时对人员疏散的处理方法基本还是采用经验原则，相关设计也是依赖处方式的设计规范。《机关、团体、企业、事业单位消防安全管理规定》的安全管理规定中就有条例规定：当医院的住院床位在50张以上的医院属于消防安全重点单位[2]。2014—2016年，美国消防部门报告医疗建筑火灾约5 800起，平均每年造成5人死亡、150人受伤和5 600万美元的财产损失[3]。而医疗建筑的内部功能多、流线复杂，使用人员特殊，在应对火灾等意外突发事故时人员疏散问题不是简单的经验性假设和理论分析可以概括，说明了这方面的研究工作还有待加强。为此，开展医疗建筑内人员紧急疏散研究就显得尤为必要。

1 医疗建筑疏散研究现状

医院是医护工作者和其他后勤保障人员的工作场所，他们对环境较为熟悉。当火灾发生时，医护工作者可能会暂时成为救援指挥者，组织并且引导病患疏散。而病患是医院中的弱势群体，陪护人员包括患者的亲朋好友等。在火灾情况下，患者家属、朋友大部分会协助患者共同逃生。当得知建筑物内某部位着火时，病患的陪护人员会在了解火灾情况的基础上，协助患者采取相应的自救措施。同样也会有一部分行为能力正常的病人，在不需要借助外界的帮助下第一时间迅速逃离火灾现场[2]。

群组成员间强烈的社会关系使得疏散人群中的帮扶行为更加频繁突出，但是随着帮扶小群体数量的增加，出口处拥堵加剧，疏散效率随之降低[4]。群组彼此间的熟悉程度决定了群组的合作与竞争机制，进而影响整体疏散进程[5]。现有研究普遍发现：群组成员习惯相互拖拽着行走，在运动过程中容易成为他人的障碍，群组的运动速度普遍较低[6]，且群组集群越大，对群体平均速度降低作用越明显[7]。随着群组成员间的作用强度及不同群组间的作用强度的增加，人群的运动效率会有所降低[8]。

医疗建筑的特殊功能使得群组运动更为突出，也更为复杂，而现有的研究对此研究不充分，有待完善补充。为此，采用Pathfinder软件模拟医疗建筑中群组协同疏散过程，探究群组协同作用在垂直建筑空间内对人群疏散的影响规律。Pathfinder软件可根据实际情况为每个人员设定运动行为并赋予运动参数和个体特征参数，可以模拟群组间的协同疏散，其模拟结果也得到国内外学者的认可和肯定[9-11]。

2 医疗建筑人群疏散数值模拟分析

2.1 建筑物的基本概况

该建筑为一栋约20 m高的5层医疗建筑，建筑面积约15 362 m2。1层为住院大厅、放射科和社区卫生服务中心，2层为功能检查、护理单元和社区卫生服务中心，3层为急诊病房、住院药房和静配中心，4层和5层为普通病房。1层和2层建筑结构相似，3～5层建筑结构相似。1层和2层共设置4个疏散楼梯，3～5层共设置3个疏散楼梯。其中有3个楼梯是设置在建筑得边缘位置并且直达出口，1个楼梯设置在建筑中心部。

2.2 Pathfinder模拟场景建立

建筑内部的1～4号楼梯分别为于左上角、左下角、右下角和中间位置，其中前3个楼梯的宽度为1.35 m，中间区域的楼梯宽度为1.65 m，所建模型如图1所示。由于该建筑为一栋医疗综合楼，人员属性的设置应尽量贴近真实情况，应当考虑到患者(或弱势群体，如老人、小孩)、医护人员、陪护(或陪诊)人员等多种类型，并为其设置合理大小的速度，参照文献[12]，这里给出了不同类型人员的速度设定值，如表1所示。根据该建筑的结构和功能，所研究的人员中并未考虑无法自主行走病人。虽然模型中设置了8种人员类别，但其实可以分为两类：患者和正常人员，本次模拟研究中二者的比例为80%∶20%，即病患的人数远大于正常人员。由于此次研究主要关注群组的影响，并未考虑性别因素对疏散结果的影响。群组运动是一种复杂的运动形式，由于在群组中运动的个体存在相互影响(具体表现形式有追逐、跟随、逃逸、碰撞回避等等),使得群组运动同时具有个体特征和群体特征,模拟起来就更加复杂[13]，所以在实际模拟过程中，会将这一复杂的运动过程进行简化[14]。

图1 某医疗建筑Pathfinder疏散模型Fig.1 Pathfinder evacuation model for a medical building

表1 不同人员类型的速度设定值Table 1 Speed setting values for different personnel types

为了研究人员间的群组疏散特征，Pathfinder 软件中给出了两个控制群组运动的参数：减速时间T和最大距离d。当群组断开连接时，领导者使用减速时间这个参数。在停下来之前，群组的领导者会逐渐减速，减速时间决定了领导者在停止前将减速多长时间。最大距离用于确定组是连接还是断开。如果该群组的任何一个成员与成员的距离超过这个值，则该群组被视为断开，该软件中关于群组疏散模型设置可参见文献[15]。此次模拟研究中人员总数为500人。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 人群疏散时间

图2给出了6种减速时间下的人群疏散时间。不论是在哪种减速时间下，随着群组成员间最大距离的增大，疏散时间呈现减小的趋势。尤其是最大距离由1.0 m改变到1.5 m这个过程，疏散时间下降得最明显。在最大距离超过2 m之后，人群的疏散时间变化不大。最大距离越大，表明群组成员间的关联越松散，反之，则说明群组成员间的关联越紧密。由于人员属性的不同，群组成员间的运动能力可能也有很大的差异。群组成员联系越紧，疏散过程中协助(如等待、减速等)行为也越频繁。当群组成员间最大距离大于1.5 m之后，6种减速时间下的人群疏散时间变化不大，可能的原因是：群组成员关联越松散，疏散过程中协助(如等待、减速等)行为也越少。

图2 人员疏散时间随群组成员间的最大距离的变化关系Fig.2 Variation relation of maximum distance between group members in evacuation time

如图3所示，随着病患比例的增加，人群疏散时间呈现增加的趋势，造成这一结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)。随着群组间最大距离的增大，疏散时间呈现减小趋势。比较群组距离由1 m变到2 m的过程和由2 m变到3 m的过程，前一个过程疏散时间降低得很明显(8种情况下疏散时间平均降约14%)，后一个疏散过程则下降缓慢(8种情况下疏散时间平均下降约3%)，再次印证了从图2种得到的结论。

图3 不同病患比例下人群疏散时间Fig.3 Crowd evacuation time in different proportions of patients

2.3.2 拥堵时间

在Pathfinder模拟软件中，默认当人的运动速度低于0.25 m/s时，认为人处于拥堵状态。图4给出了T=3时不同最大距离下的疏散拥堵时间。群组成员间的最大距离0.5～3 m，对应的人群拥堵时间平均值(中位值)分别为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)。总的来说，随着最大距离的增大，人群的拥堵时间呈现减小的趋势。除了建筑疏散系统不能满足人员疏散需求会造成拥堵外，群组成员间的协助(如等待、减速等)行为可能会阻碍他人的运动，增加拥堵时间。进一步研究了行人在平面拥堵时间和楼梯拥堵时间，如图5所示。

图4 不同最大距离下的人群疏散拥堵时间Fig.4 Crowd evacuation congestion time under different maximum distances

图5 不同最大距离下的平面拥堵时间和楼梯拥堵时间Fig.5 Planar congestion time and stair congestion time under different maximum distances

图5给出了每个行人在平面和楼梯处的拥堵时间。通过对两条曲线进行积分计算，可以得到这两个区域的面积，进而可以分析比较其数值大小，具体计算数值如图6所示。

图6 不同最大距离下的平面拥堵时间累积和楼梯拥堵时间累积Fig.6 Accumulation of plane congestion time and stair congestion time under different maximum distances

随着群组成员间最大距离的增大，人员在平面上的拥堵时间和楼梯上的拥堵时间呈现减小的趋势。在d=0.5 m和d=1.0 m的情况下，人群在楼梯间的拥堵明显要更严重。楼梯自身的结构特征使得其疏散危险性要高于平面疏散，而人群的聚集行为又加剧了这种危险性。随着最大距离的增加，人群在楼梯间的拥堵情况有所改善，甚至要低于在平面拥堵(d=2、2.5、3 m)。

图7给出了不同患者比例下行人拥堵时间的频率累积图。不论患者比例为多大，70%的行人拥堵时间在45～65 s。当拥堵时间大于70 s时，随着病患比例的增加，拥堵时间频率累积曲线越平缓。患者比例为10%时，170 s左右频率累积达到1，而患者比例为80%时，290 s时频率累积曲线才达到1。病患的比例越高，速度小的人也就越多，疏散过程中就越容易出现阻碍后面行人的现象。所研究的患者仅是运动能力受限，而在实际医疗建筑中，还会存在较多的无运动能力的行人，如坐轮椅的人员、躺着病床上的人员，这些人员的疏散需要专业人员将其疏散至最近的避难间，这一疏散过程并未考虑，这也是今后研究中将要完善的方向。

图7 不同患者比例下行人拥堵时间频率累积图Fig.7 Accumulation of time and frequency of pedestrian congestion with different proportion of patients

2.3.3 楼梯平均人流量

通过对每段楼梯的平均人流量再次求平均值，即可得到该部楼梯的平均人流，如表2所示。随着最大距离的增大，楼梯的平均人流呈现增大趋势。根据人群人流量的计算方法可知，当人数分布和楼梯宽度不变的情况下，人群通过楼梯的时间增大时，才可能引起人流量的明显降低。该结果在一定程度上也能反映出楼梯的拥堵情况，群组成员间的最大距离越小，人群疏散时越容易造成拥堵，楼梯的平均人流量也就越小。另外，不难发现：4号楼梯的宽度(1.65 m)最大，反而人流量最小，说明楼梯存在不均衡利用，但是目前并没有直接的数据证明楼梯的不均衡利用跟群组的聚集程度(d和T)有关，以待后续研究进行分析。

表2 不同最大距离下的楼梯平均人流量Table 2 Average pedestrian flow of stairs under different maximum distances

3 结论

以医疗建筑内人群疏散规律为研究对象，以群组协同疏散为切入点，采用pathfinder软件对人群疏散过程进行了仿真研究，得出如下结论。

(1)不管在哪种减速时间T下,随着群组成员间最大距离d的增大，疏散时间呈现减小的趋势。尤其是最大距离由1.0 m改变到1.5 m这个过程，疏散时间下降得最明显。在最大距离超过2 m之后，人群的疏散时间变化不大。

(2)随着最大距离d的增大，人群的拥堵时间呈现较小的趋势。除了建筑疏散系统不能满足人员疏散需求会造成拥堵外，群组成员间的协助(如等待、减速等)行为可能会阻碍他人的运动，增加拥堵时间。在d=0.5 m和d=1.0 m的情况下，人群在楼梯间的拥堵情况比平面拥堵更为严重。

(3)随着病患比例的增加，人群疏散时间呈现增加的趋势。不论患者比例为多大，70%的行人拥堵时间在45～65 s。当拥堵时间大于70 s时，随着病患比例的增加，拥堵时间频率累积曲线越平缓。

(4)随着最大距离d的减小，楼梯的平均人流量呈现下降趋势。可能的原因有两点：①群组疏散时，运动速度快的行人降低了自身的速度，造成整体速度的下降；②群组疏散时，群组成员间的互助行为可能会成为其他行人的运动障碍。

群组成员间最大距离越小，减速时间越小，表明群组成员间的关联越紧密，从疏散时间、拥堵时间、楼梯的平均人流量等方面均说明群组运动对人群疏散造成不利影响。实际医疗建筑中人员疏散系统的设计需要考虑群组疏散的影响，而非传统简单认为个体疏散模式，在平衡建设成本的同时，将安全疏散效益最大化。另外，在这类建筑中进行疏散引导时，尽可能呼吁大家按照自己的运动能力进行疏散，避免产生过多的等待同伴、折返救人等行为，进而对人群疏散产生不利影响。