魏曉鴿，杜 薇，姚浩偉*，曹祥紅，鄭遠攀，李芳芳，宋懷濤

(1.鄭州輕工業(yè)大學建筑環(huán)境工程學院，鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)大學計算機與通信工程學院，鄭州 450000；3.鄭州機械研究所有限公司，鄭州 450000)

隨著經濟發(fā)展，城鎮(zhèn)化推進以及基礎建設的不斷更新，醫(yī)院建筑的建設在短短的幾十年中也經歷了飛速的發(fā)展。服務于現代化城鎮(zhèn)的綜合醫(yī)院、專科醫(yī)院等現代化醫(yī)療建筑通過不斷吸取、借鑒外國已經成熟的設計方法和經驗，已經逐步看齊外國先進的醫(yī)療建筑。中國一、二線城市人口基數大、增長率高，高人口密度以及城市中心地區(qū)的用地緊張的現狀決定了醫(yī)院近一段時間內的發(fā)展趨勢將是大型化、集中化、高層化的綜合體式發(fā)展模式[1]。這種模式在應對安全問題時對人員疏散的處理方法基本還是采用經驗原則，相關設計也是依賴處方式的設計規(guī)范?！稒C關、團體、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單位[2]。2014—2016年，美國消防部門報告醫(yī)療建筑火災約5 800起，平均每年造成5人死亡、150人受傷和5 600萬美元的財產損失[3]。而醫(yī)療建筑的內部功能多、流線復雜，使用人員特殊，在應對火災等意外突發(fā)事故時人員疏散問題不是簡單的經驗性假設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。為此，開展醫(yī)療建筑內人員緊急疏散研究就顯得尤為必要。

1 醫(yī)療建筑疏散研究現狀

醫(yī)院是醫(yī)護工作者和其他后勤保障人員的工作場所，他們對環(huán)境較為熟悉。當火災發(fā)生時，醫(yī)護工作者可能會暫時成為救援指揮者，組織并且引導病患疏散。而病患是醫(yī)院中的弱勢群體，陪護人員包括患者的親朋好友等。在火災情況下，患者家屬、朋友大部分會協助患者共同逃生。當得知建筑物內某部位著火時，病患的陪護人員會在了解火災情況的基礎上，協助患者采取相應的自救措施。同樣也會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間迅速逃離火災現場[2]。

群組成員間強烈的社會關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爭機制，進而影響整體疏散進程[5]?，F有研究普遍發(fā)現：群組成員習慣相互拖拽著行走，在運動過程中容易成為他人的障礙，群組的運動速度普遍較低[6]，且群組集群越大，對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度及不同群組間的作用強度的增加，人群的運動效率會有所降低[8]。

醫(yī)療建筑的特殊功能使得群組運動更為突出，也更為復雜，而現有的研究對此研究不充分，有待完善補充。為此，采用Pathfinder軟件模擬醫(yī)療建筑中群組協同疏散過程，探究群組協同作用在垂直建筑空間內對人群疏散的影響規(guī)律。Pathfinder軟件可根據實際情況為每個人員設定運動行為并賦予運動參數和個體特征參數，可以模擬群組間的協同疏散，其模擬結果也得到國內外學者的認可和肯定[9-11]。

2 醫(yī)療建筑人群疏散數值模擬分析

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)生服務中心，2層為功能檢查、護理單元和社區(qū)衛(wèi)生服務中心，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層建筑結構相似，3～5層建筑結構相似。1層和2層共設置4個疏散樓梯，3～5層共設置3個疏散樓梯。其中有3個樓梯是設置在建筑得邊緣位置并且直達出口，1個樓梯設置在建筑中心部。

2.2 Pathfinder模擬場景建立

建筑內部的1～4號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，人員屬性的設置應盡量貼近真實情況，應當考慮到患者(或弱勢群體，如老人、小孩)、醫(yī)護人員、陪護(或陪診)人員等多種類型，并為其設置合理大小的速度，參照文獻[12]，這里給出了不同類型人員的速度設定值，如表1所示。根據該建筑的結構和功能，所研究的人員中并未考慮無法自主行走病人。雖然模型中設置了8種人員類別，但其實可以分為兩類：患者和正常人員，本次模擬研究中二者的比例為80%∶20%，即病患的人數遠大于正常人員。由于此次研究主要關注群組的影響，并未考慮性別因素對疏散結果的影響。群組運動是一種復雜的運動形式，由于在群組中運動的個體存在相互影響(具體表現形式有追逐、跟隨、逃逸、碰撞回避等等),使得群組運動同時具有個體特征和群體特征,模擬起來就更加復雜[13]，所以在實際模擬過程中，會將這一復雜的運動過程進行簡化[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 軟件中給出了兩個控制群組運動的參數：減速時間T和最大距離d。當群組斷開連接時，領導者使用減速時間這個參數。在停下來之前，群組的領導者會逐漸減速，減速時間決定了領導者在停止前將減速多長時間。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成員與成員的距離超過這個值，則該群組被視為斷開，該軟件中關于群組疏散模型設置可參見文獻[15]。此次模擬研究中人員總數為500人。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 人群疏散時間

圖2給出了6種減速時間下的人群疏散時間。不論是在哪種減速時間下，隨著群組成員間最大距離的增大，疏散時間呈現減小的趨勢。尤其是最大距離由1.0 m改變到1.5 m這個過程，疏散時間下降得最明顯。在最大距離超過2 m之后，人群的疏散時間變化不大。最大距離越大，表明群組成員間的關聯越松散，反之，則說明群組成員間的關聯越緊密。由于人員屬性的不同，群組成員間的運動能力可能也有很大的差異。群組成員聯系越緊，疏散過程中協助(如等待、減速等)行為也越頻繁。當群組成員間最大距離大于1.5 m之后，6種減速時間下的人群疏散時間變化不大，可能的原因是：群組成員關聯越松散，疏散過程中協助(如等待、減速等)行為也越少。

圖2 人員疏散時間隨群組成員間的最大距離的變化關系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，人群疏散時間呈現增加的趨勢，造成這一結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，疏散時間呈現減小趨勢。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，前一個過程疏散時間降低得很明顯(8種情況下疏散時間平均降約14%)，后一個疏散過程則下降緩慢(8種情況下疏散時間平均下降約3%)，再次印證了從圖2種得到的結論。

圖3 不同病患比例下人群疏散時間Fig.3 Crowd evacuation time in different proportions of patients

2.3.2 擁堵時間

在Pathfinder模擬軟件中，默認當人的運動速度低于0.25 m/s時，認為人處于擁堵狀態(tài)。圖4給出了T=3時不同最大距離下的疏散擁堵時間。群組成員間的最大距離0.5～3 m，對應的人群擁堵時間平均值(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，人群的擁堵時間呈現減小的趨勢。除了建筑疏散系統不能滿足人員疏散需求會造成擁堵外，群組成員間的協助(如等待、減速等)行為可能會阻礙他人的運動，增加擁堵時間。進一步研究了行人在平面擁堵時間和樓梯擁堵時間，如圖5所示。

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

圖5給出了每個行人在平面和樓梯處的擁堵時間。通過對兩條曲線進行積分計算，可以得到這兩個區(qū)域的面積，進而可以分析比較其數值大小，具體計算數值如圖6所示。

圖6 不同最大距離下的平面擁堵時間累積和樓梯擁堵時間累積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間和樓梯上的擁堵時間呈現減小的趨勢。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重。樓梯自身的結構特征使得其疏散危險性要高于平面疏散，而人群的聚集行為又加劇了這種危險性。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間的頻率累積圖。不論患者比例為多大，70%的行人擁堵時間在45～65 s。當擁堵時間大于70 s時，隨著病患比例的增加，擁堵時間頻率累積曲線越平緩。患者比例為10%時，170 s左右頻率累積達到1，而患者比例為80%時，290 s時頻率累積曲線才達到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阻礙后面行人的現象。所研究的患者僅是運動能力受限，而在實際醫(yī)療建筑中，還會存在較多的無運動能力的行人，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增大趨勢。根據人群人流量的計算方法可知，當人數分布和樓梯寬度不變的情況下，人群通過樓梯的時間增大時，才可能引起人流量的明顯降低。該結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：4號樓梯的寬度(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據證明樓梯的不均衡利用跟群組的聚集程度(d和T)有關，以待后續(xù)研究進行分析。

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 結論

以醫(yī)療建筑內人群疏散規(guī)律為研究對象，以群組協同疏散為切入點，采用pathfinder軟件對人群疏散過程進行了仿真研究，得出如下結論。

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

(2)隨著最大距離d的增大，人群的擁堵時間呈現較小的趨勢。除了建筑疏散系統不能滿足人員疏散需求會造成擁堵外，群組成員間的協助(如等待、減速等)行為可能會阻礙他人的運動，增加擁堵時間。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重。

(3)隨著病患比例的增加，人群疏散時間呈現增加的趨勢。不論患者比例為多大，70%的行人擁堵時間在45～65 s。當擁堵時間大于70 s時，隨著病患比例的增加，擁堵時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下降趨勢?？赡艿脑蛴袃牲c：①群組疏散時，運動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，群組成員間的互助行為可能會成為其他行人的運動障礙。

群組成員間最大距離越小，減速時間越小，表明群組成員間的關聯越緊密，從疏散時間、擁堵時間、樓梯的平均人流量等方面均說明群組運動對人群疏散造成不利影響。實際醫(yī)療建筑中人員疏散系統的設計需要考慮群組疏散的影響，而非傳統簡單認為個體疏散模式，在平衡建設成本的同時，將安全疏散效益最大化。另外，在這類建筑中進行疏散引導時，盡可能呼吁大家按照自己的運動能力進行疏散，避免產生過多的等待同伴、折返救人等行為，進而對人群疏散產生不利影響。