建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施设计研究

黄锦运 曲同磊 贾群林

1 国际建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施标准建设情况

美国消防协会（National Fire Protection Association，简称：NFPA）的标准《NFPA1006》及《FEMA 城市搜救队（USAR）建筑坍塌救援技师手册》均有相关的要求，在当地具有一定的权威性。

如：NFPA 标准中，与建筑坍塌救援技术及培训有关的标准是 NFPA1006 和NFPA1670 两个标准。这两个标准的最新版本都是2017年版的，都将技术救援分为19个救援专项领域（Discipline），每个救援专项领域都分为了三个级别：意识级（Awareness）、操作级（Operation）和技师级（Technician）［1］。这两个标准的不同点在于，NFPA1006规定的是救援人员的分类分级能力要求，而NFPA1670规定的是救援队伍的分类分级能力要求。

仔细研究NFPA1006-2017的结构可以看出，NFPA1006界定每个类别每个级别的能力要求时，都首先确定该类别该级别救援人员需要执行的任务，再确定完成每个任务所需掌握的知识（应知）和所需掌握的技能（应会）。应当说，NFPA1006的“任务”概念，与我国应急培训中的“科目”概念是基本相同的。通过对NFPA1006-2017 第6章（建筑坍塌救援）中“任务”进行梳理，可以看出意识级救援人员不要求进行任何操作，仅仅执行辅助性工作；操作级与技师级的各项任务基本一样，唯一的区别在于一个是针对轻型建筑（主要指木结构、砖木结构、无钢筋加固的砖混结构等建筑），另一个是针对重型建筑（主要指有钢筋加固的砖混结构、钢筋混凝土框架结构等建筑）。由于培训设施主要用于支持实操技能训练，因此这里仅总结了NFPA1006-2017中对建筑坍塌救援操作级和技师级的任务（即科目）要求，如表1所示。

表1 NFPA1006-2017 对建筑坍塌救援人员的分级能力要求

NFPA1006-2017的附录 D.1介绍了典型的墙板坍塌模式及其成因、主要生存位置等情况，表2对这些内容进行了总结。

表2 NFPA1006-2017对典型墙板坍塌模式的总结

表 3 NFPA1006-2017 对地震造成的建筑物典型坍塌模式的总结

NFPA1006-2017的附录D.2总结了地震造成的建筑物典型坍塌模式，表3对这些内容进行了总结。

从上述介绍可以看出，美国在对建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施设计之前，做了大量分析研究工作，主要包括：不同类型建筑物在不同类型作用力的作用下造成倒塌原因、倒塌模式及生存空间等的分析，并与不同分级的救援人员和救援队伍的能力相匹配，具有极强的应用性和实战性。

2 国内外建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施的比较分析

从标准、文献方面，我们不难看出，相比发达国家先进水平，我国的建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施存在一些短板与不足：

2.1 标准不够细化

相比我国的《GB/T29175-2012消防应急救援技术训练指南》、《GB/T29177-2012消防应急救援训练设施要求》等标准，NFPA1006、NFPA1670、《FEMA建筑坍塌救援技师培训手册》等国际广泛接受的建筑坍塌救援技术要求标准对建筑坍塌模拟培训设施提出了更加详细的要求［2］，值得我们进行借鉴。

2.2 场景不够丰富

美国德克萨斯州农工大学工程扩展服务中心（Engineering Extension Service Center of Texas A＆M University简 称：TEEX） 的建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施，包括独栋小楼、购物中心、办公楼、政府大楼四个建筑坍塌场景和三个废墟堆，涵盖了国际上普遍认可的单斜式坍塌、A 字型坍塌、V 字型坍塌、悬臂式坍塌、层叠式坍塌等各种典型坍塌形式，同时，为了更有效地对学员进行培训，TEEX还花费大量精力，从历史灾害中找到上述各种坍塌场景的实景参考，并在培训设施设计的时候，将各种坍塌形式与历史灾害场景进行有机融合，形成实战化、实景化的模拟培训设施，以期达到更好的培训效果。在这方面，我国建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施在设计上还较为粗放，尚无一个基地包括了上述所有坍塌形式，还缺乏与历史灾害场景的有机融合。在这些方面，我们需要向国际同行进行学习。

2.3 交互不够到位

TEEX 的教官在讲授支撑技术的时候，会带领学员前往学校的力学实验室， 借助压力测试仪器，向学员展示典型支撑结构的支撑能力，并让学员亲身体验支撑结构达到临界压力之前会出现的形变、发出的声响等征兆。了解这些征兆，对于学员在救援现场正确识别潜在的危险非常重要，是一个学员应当掌握的技能。我国的建筑（倒塌/坍塌）模拟训练设施，还没有这种动态交互手段，学员无法实际体验，只能通过教官讲解来达到学习目的，其效果应不如动态反馈好。这仅仅是一个很小的例子，但通过这个小例子可以看出，国际一流培训基地，是比较注意在动态交互上面下功夫的。

2.4 评估不够全面

通过对TEEX培训设施与培训方法的调研，课题组了解到TEEX认为实训后的回顾点评是应急救援训练的一个重要环节，是确保训练效果的一个必不可少的步骤。因此，TEEX在训练设施上布置了大量的录音、录像装置，对学员的受训过程进行全程记录，TEEX 教官在每次培训之后，也会借助这些录音、录像，对学员的操作过程进行点评，指出其中的问题，提高学习的效果。而在我国的建筑坍塌（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施中，我们尚未看到这样的评估方法。

2.5 研究不够系统

在建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施方面，国内外文献都比较稀少，但相比而言，西方的研究论文在研究方法上更加系统，值得我们进行借鉴。

3 提高建筑（倒塌/坍塌）综合模拟训练设施实用性的方法

3.1 改进设计研究的理论基础

3.1.1 技术接受模型

技术接受模型（Technology Acceptance Model，简称TAM）是由美国学者戴维斯（Fred D.Davis，1986）运用理性行为理论（Theory of Reasoned Action，简称TRA）研究用户对信息系统接受时所提出的一个模型， 考虑内部信念（Beliefs）、使用态度（Attitude Toward Using）及行为意向（Behavioral Intention）等因素的影响，其最初目的在于解释和预测人们对信息技术的接受程度。

TAM 经典模型如图1。该模型主张受外部变量影响的感知有用性与感知易用性作为独立变量，决定着使用态度、行为意向与系统使用等非独立变量。

图1 技术接受模型（TAM）拓扑图

经过诸多学者研究以及大量数据证明，TAM 经典模型表明当一个系统的感知易用性越高时，使用者的使用态度与系统使用越积极，同时系统的感知有用性也越高［4］。感知易用性作为过程预期，感知有用性作为结果预期，在学习和行为的早期阶段，感知易用性对使用者行为意向的直接影响较强，但随着时间的推移逐渐弱化，因此，感知有用性为 TAM 模型的主要决定因素，感知易用性为次要决定因素。经过不断研究和长期发展，TAM 模型具有一定局限性，通过不断地扩充和完善形成了技术接受扩展模型（TAM2）、技术接受和使用统一模型（UTAUT）以及技术接受模型 3（TAM3）等。但目前所有的改进技术接受模型仍以 TAM 模型为基本框架，从系统和使用者的特征进行分析，均在此基础上进行补充和调整。

3.1.2 设计科学研究范式

设计科学是采用科学的研究方法研究人的思维、设计对象、设计过程和设计结果，是一种着眼于构建和评价创新的技术人工物来解决实际问题的一种研究范式，是看待和解释世界的基本方式，是指某一特定学科学者共有的基本世界观， 由其特有的观察视角、基本假设、概念体系和研究方式构成的。设计科学研究范式已经在教育、医疗、管理信息系统等领域被广泛讨论和应用。

设计科学理论主要包含规范性理论和描述性设计理论。设计科学研究范式以解决问题为导向，以设计构造人工物（系统） 为目标，将设计过程中的创意、判断和经验变得可观察和校验，实施规范化的工程设计流程，为我们提供了一种学术化的研究实践方案的手段。因此，对人工创造物的设计研究，可以遵循设计科学范式（Design Science Paradigm）来开展。

一次严格遵循设计科学研究范式下的研究，需要按照规范的流程和步骤来开展。一般通用的设计科学研究范式下的研究流程包括：发现问题、提出建议和初步设计、完善设计发展成一个人工产品和检测与评价该人工产品。其中，发现问题、理论知识基础和设计评价为设计科学研究范式的三个基础研究部分。

3.1.3 研究模型

参考TAM模型在信息系统领域中的应用，将TAM模型与设计科学规范性研究范式相结合，综合国内外应急培训设施研究成果，将建设的应急培训设施作为整个目标系统，形成基于TAM模型框架的应急救援训练设施研究模型（见图2）。

图2 设计科学研究范式下的研究流程

该模型主要用于指导应急救援训练设施的建设，明确建设的侧重点以及让使用者的接受程度更高。由于 TAM 经典模型对使用情况的收集受主观因素影响较大，仅以单一、同质性个体为研究对象，其研究结果会扭曲和夸大独立变量和非独立变量间的关系。因此，在 TAM 应急救援训练设施研究模型的建立中，需避免单一， 要将个体的差异和特征作为重点考量。本模型以教练和参加培训学员为研究对象， 对使用应急救援训练设施的情况以及接受程度的考虑，既注重有用性对学员使用态度的影响，又不能忽视有用性和易用性对教练使用态度的影响，保障 TAM 模型的参考价值以及对应急救援训练设施接受程度的解释力度。

在开展应急救援培训设施建设前，首先要明确设施建设存在的问题以及运用描述性理论的思想为培训设施找寻科学依据，不仅具有理论基础更要遵循客观规律，再结合大量 TAM 经典模型研究所表现出的对系统使用的基本规律和特征，得出实现需求目标（如图3），提升应急救援培训设施的竞争力，需要考虑训练要素、训练场景、可操控性以及可评估性的结论。教练和学员在初期使用应急救援训练设施时，对其使用和接受程度影响最大的因素是设施的易用性，故将应急救援设施操控难易度以及训练结果评估便捷性作为影响本研究模型易用性的两个外部变量，又根据 TAM 模型感知易用性的影响程度随使用设施时间的增长而逐渐弱化的特点，将应急救援培训设施的训练要素完备性以及训练场景真实性作为影响该模型有用性的两个外部变量。在多项 TAM 模型研究中还表明，只有通过感知有用性的调节作用，感知易用性才会影响用户使用意图。因此，在设计应急救援训练设施过程中，要着重于训练要素是否齐全、场景是否丰富，同时也要兼顾操控是否方便、评估是否便捷［2］。

图3 已建成的综合性训练设施

除此之外，应急救援训练设施还应包含训练成本、培训课程合理性等因素，由于应急救援设施暂未完全开放、训练课程还处于设计阶段，还不具备成为理性可测度外部变量的条件，故未将这两个因素纳入本研究模型。另外，安全性也是一个非常重要的因素，安全性不高培训教官或学员是不会接受这个设施的，因此本模型中纳入安全性这个因素。

基于上述分析，形成了图4所示的应急培训设施设计研究模型。

图4 基于TAM的应急培训设施研究模型

3.2 设计要实现的目标要求

（1）采用灾害场景复现方式来建设模拟训练设施，真实感与沉浸感更强，更有利于结合实战组织训练，与传统训练设施相比，更有利于教官创新教学方法，更有利于锻炼学员解决实际问题的能力，更有利于暴露学员实战中可能出现的问题，最终获得取得更好的训练效果；

（2）在训练过程中，适当引入动态交互，能够使训练变得更有沉浸感，更具吸引力，使学员更愿意参与［3］；

（3）在培训效果的考评环节，采用信息化评估技术，能够降低教官的工作强度，增加评估结果的客观性，同时也能使学员更准确地了解自身的问题，也能为未来智能化评估技术的发展打下数据基础。