基于人员应急疏散仿真模拟的老旧住区户外环境优化设计策略研究——以郑州市为例

毕 昕，邢素平，郑东军，曹 笛

引言

2020年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中提出：“加强城镇老旧小区改造和社区建设”[1]；国务院办公厅《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》提出：“全面推进城镇老旧小区改造的相关工作”[2]。我国所处的东亚地区属于自然灾害高发地区。2022年党的二十大报告中指出要提高防灾减灾救灾和急难险重突发公共事件处置保障能力。应急管理部救灾和物资保障的统计数据显示，仅2022年上半年，各种自然灾害均有发生，共造成3 914.3万人次受灾，紧急转移安置128.2万人次；倒塌房屋1.8万间，损坏房屋28.7万间；直接经济损失888.1亿元[3]。

各地区多数老旧住区因建设初期缺乏合理规划、设施未及时更新等导致户外公共空间占用严重、交通拥堵、景观缺失等，给灾时人员紧急疏散留下较大隐患。加快城镇老旧住区改造、提升老旧住区防减灾能力成为亟待解决的城市发展问题，符合国家政策要求[4-6]。国内外相关领域研究主要集中在以下3个方面：居住区户外空间更新理论与实践研究[7-10]；人员应急疏散行为规律研究[11-14]；仿真疏散模拟的理论分析及控制措施[12-15]。

本研究对郑州城区25个老旧住区进行实地调研，选取其中两个典型住区作为研究对象，通过现场实测和仿真模拟对其户外环境中的人员应急疏散行为规律及效率进行归纳总结，并提出老旧住区户外环境优化设计策略。

1 郑州市老旧住区现状调研

调研对象的选取参考国务院办公厅《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》中的建议：“各地要结合实际，合理界定本地区改造对象范围，重点改造2000年底前建成的老旧小区”[2]和《郑州市人民政府关于印发郑州市老旧小区综合改造工程实施方案的通知》中界定：“郑州市内五区2002年以前建成投入使用的住宅小区列入综合改造范围”[16]。从郑州市5个行政区（中原区、管城区、惠济区、二七区、金水区）2000年以前建成的老旧小区（已列入棚户区改造、三年内征收拆迁、“三供一业”改造移交计划的老旧小区除外）中进行选取。

（1）规模分析：通过对郑州市5个行政区超过3 500个居住区建成资料进行整理分析，2000年以前建成的老旧住区超1 357个，大多分布在三环内中心主城区。在这1 357个老旧住区中随机选取200个，根据《城市居住区规划设计标准》（GB 50180-2018）对老旧住区规模进行分类[17]，其中达到五分钟生活圈规模有5个，占比2.50%；居住街坊规模有32个，占比16.00%；居住街坊以下规模住区163个，占比81.50%。分析上述数据可知，郑州市城区2000年以前建成的老旧住区规模普遍较小，以居住街坊及居住街坊以下规模为主，占总数的95.00%以上。

（2）空间要素分析：影响住区户外环境人员应急疏散效率的因素主要包括：建筑布局、交通组织和出入口位置[11]。根据这3个要素的差异，可将郑州市老旧住区分为4种基本类型：行列式、周边式、点群式、混合式[18]（表1）。对抽样调查的郑州城区200个老旧住区进行统计，其中行列式159个，占比79.50%；周边式11个，占比5.50%；点群式住区5个，占比2.50%；混合式住区25个，占比12.50%。行列式老旧住区数量最多，是郑州市老旧住区的主要类型。

（3）户外环境分析：调研发现，郑州市多数老旧住区有改造计划但均未正式实施，道路空间拥挤，户外空间场地类型单一，无障碍设施以及绿化植被布置匮乏等，导致人员应急疏散受到极大的影响（表2）。

2 老旧住区户外环境疏散模拟

2.1 对象选取

本文从占比最大的行列式老旧住区中选取25个进行现场调研，并分别选取河医家属院、中州大学家属院作为居住街坊规模及居住街坊以下规模的住区代表，于2022年7月对其进行现场实测及疏散仿真模拟研究，分析户外环境要素对人员应急疏散效率的影响机制（表3）。

中州大学家属院位于郑州市二七区，1994年竣工，建筑呈行列式布局，唯一出入口位于住区西北侧，通向京广路，内有居住建筑5栋、建筑层数为5层，总户数190户，容积率2.0，绿化率约13%。住区主要道路沿东侧和北侧呈“L”形分布，无固定停车位，景观绿化和活动场所未进行系统规划。

河医家属院位于二七康复中街16号，建成于1996年，总体呈行列式布局，唯一出入口位于东侧康复中街上，内有居住建筑15栋、共516户，建筑层数5—7层，容积率2.1，绿化率15%，内部道路沿南北向呈网格状正交分布、道路狭窄、人车混行、无固定停车位，私搭乱建情况严重。

2.2 模型搭建及参数设定

本文使用Building EXODUS软件进行疏散仿真模拟，该软件主要功能用于论证建筑行业规范，评估各种建筑物的逃离能力，以及调查环境中的人员移动效率[12]。

（1）建立户外环境仿真模型：根据现场实测及天地图确定住区内部建筑尺寸及布局关系，利用Building EXODUS软件进行仿真疏散模拟，在几何模式（即构建一个模拟结构）中，将住区内部住宅建筑拟定为房间，并根据住区与城市道路关系设定外部围墙，根据住区既有出入口方位及数量设定为人员应急疏散出入口，并按照实际情况搭建其他户外环境要素，同时将户外环境中阻碍人员应急疏散的障碍空间设置为不可跨越的区域，住区整体疏散模型通过CAD包的DXF文件进行输入[15]。

（2）设定疏散人员参数：在人员模式中，根据模拟住区户数及楼层信息，参照《城市居住区规划设计标准》（GB 50180-2018）中户数及人口配比并结合实地调研数据，确定疏散总人数[17]。根据世界卫生组织对不同年龄段的划分并结合实际情况，将老旧住区人员年龄结构组成分为少年（4—17岁）、中青年（18—59岁）及老年（60—89岁）。通过实地调研住区内人员构成比例并结合郑州市统计年鉴，确定住区内少年、中青年、老年3个年龄段的人数比为3∶4∶3，采用对比分析法设置，取老年人占比30%、中青年占比40%及少年占比30%。根据人员应急疏散各项指标，对不同年龄段人员的生理属性、心理属性、经验属性分别进行设置。将少年步行速率设定为1.00—1.20 m/s，中青年设定为1.20—1.50 m/s，老年设定为0.80—1.20 m/s；老年人敏捷度为0—5；根据疏散人员所处不同楼层设置一定的反应时间；其他参数均采用Building EXODUS中默认数值[19]。

类型 典型住区卫星图 图示 特点行列式images/BZ_59_680_506_1116_860.pngimages/BZ_59_1147_501_1669_873.png多为板式多层住宅按一定朝向和间距成排布置的群体空间组织形式；住区内道路呈网格状分布，一般设1-2 个出入口；部分住区设有沿街商业周边式images/BZ_59_674_915_1122_1337.pngimages/BZ_59_1159_913_1658_1345.png住宅沿院落或街坊周边布置，形成封闭或半封闭的内院空间；住区内道路呈环形布局，一般设有多个出入口；部分住宅一层被改为商用点群式images/BZ_59_674_1391_1122_1744.pngimages/BZ_59_1146_1395_1670_1745.png由多层点式住宅自成组团或围绕中心公共空间布置，形成一定的空间组合关系；住区内道路呈网格状分布，一般设有多个出入口混合式images/BZ_59_673_1802_1123_2159.pngimages/BZ_59_1154_1800_1662_2159.png由两种或两种以上住区布局组合而形成的不规则布局形式；建筑朝向、路网和出入口数量均无固定规则

2.3 住区现状疏散过程模拟

基于上述参数设定，在Building EXODUS中对所搭建的两个住区户外环境现状仿真模型进行人员应急疏散仿真模拟，监控疏散过程，并对发生拥堵区域及时长进行分析研究。

在中州大学家属院疏散仿真模拟过程中，90.00 s时东侧南北向道路开始出现拥堵，持续时长约180.00 s；150.00 s时连接出入口的东西向道路出现持续时长约200.00 s的拥堵（表4）。

在河医家属院疏散仿真模拟过程中，90.00 s时住区中部南北向道路开始出现拥堵，持续时长约为130.00 s；同时连接出入口的东西向道路也出现拥堵，持续时长约200.00 s；住区东侧南北向道路同样在90.00 s时开始出现拥堵，持续时长约为350.00 s（表5）。

过程/s 90.00 150.00 210.00 270.00 330.00人群密度周线图images/BZ_60_428_2447_760_3051.pngimages/BZ_60_770_2453_1105_3063.pngimages/BZ_60_1131_2452_1471_3071.pngimages/BZ_60_1500_2447_1842_3066.pngimages/BZ_60_1865_2436_2205_3054.png

可以发现以下规律：（1）时间规律：疏散初期没有出现明显拥堵，疏散效率较高；疏散过程中期拥堵现象明显，拥堵时长持续至疏散过程后期，甚至直至疏散过程结束。（2）拥堵区域分布规律：在住区道路交叉口、住区出入口和单元出入口等多人流汇入区域和视线出现遮挡的道路转弯区域均存在不同程度的人员拥堵现象，其中有多方向人流汇入的连续转弯区域拥堵最为严重。

2.4 现场试验与数据校验拟

为验证模拟过程的合理性及数据的可靠性，在上述两个住区内分别选择各年龄段居民作为被试者，进行疏散行为与疏散效率的现场模拟实验。

实验条件：在每个住区内选取各年龄段居民6人（少年两人、中青年两人、老年两人）于2022年7月4日20：00—22：00，晴间多云，26 ℃—34 ℃；2022年7月5日8：00—18：00、20：00—22：00，小雨转阴，23 ℃—27 ℃进行实验（图1）。要求被试者穿戴ErgoLAB无线生理记录仪、Tobii Glasses眼动追踪仪分别从各自家门口（分布在不同楼栋的不同楼层）出发，按照个人习惯路线模拟紧急疏散步频离开住区到达城市道路。实验陪同人员持物理环境测量仪实时监控疏散过程中的物理环境并利用ErgoLAB V3.0人机环境测试云平台分别记录每人每次疏散路径及疏散用时（图2—3）。

图1 《住区疏散实测基本情况表》样表

图2 中州大学家属院白天现场数据实测

实验结果：中州大学家属院的6名被试者中最短疏散用时72.62 s，最长疏散用时为376.25 s；河医家属院中最短疏散用时47.21 s，最长疏散用时为523.32 s。通过对比可发现现场实测最长疏散用时均小于疏散仿真模拟的总疏散用时。中州大学家属院现场实测最短疏散用时小于疏散仿真模拟的首位疏散用时，河医家属院最短疏散用时大于疏散仿真模拟首位疏散用时。由于现场实测过程中所有人员应急疏散行为并非同时发生，因此大规模人员拥堵、人员社会行为等耗时未被计算在内，同时考虑到两种不同规模住区内部环境的复杂性以及被试者的个性可能导致最短疏散用时的不确定性，由此判断模拟数据的可靠性。

3 人员应急疏散效率提升与环境优化

3.1 优化策略选取

住区户外环境是一个多层次、多功能的复合空间，包括住宅建筑以外的所有内容[20]。住区规模、建筑形式、总体布局及人员数量是老旧住区中不易改变的社会因素[21]，本研究拟通过对住区出入口位置及数量、内部交通结构和其他户外环境要素位置及数量的调整，探索有效提升人员应急疏散效率的老旧住区户外环境优化策略[22]。结合对中州大学家属院、河医家属院现状模拟和现场试验，选取优化策略如下：改变出入口数量、改变出入口位置、重塑路网结构、改变其他户外环境要素（优化景观环境、营造广场空间、设置公共设施、重新规划辅助用房等）。

过程/s 90.00 150.00 220.00 300.00 450.00人群密度周线图images/BZ_61_406_1908_756_2229.pngimages/BZ_61_769_1912_1117_2223.pngimages/BZ_61_1136_1913_1477_2222.pngimages/BZ_61_1497_1909_1843_2222.pngimages/BZ_61_1864_1909_2224_2233.png

3.2 可行性分析

在Building EXODUS中分别搭建上述两个住区户外环境策略模型，为验证户外环境要素对人员应急疏散效率的影响程度，以及探索住区户外人员最高效的应急疏散路径，在仿真模型中去除所有户外环境要素，仅保留住宅建筑、围墙及出入口，保持疏散人员参数与现状模拟一致，通过对比不同策略模拟后的结果验证其可行性。仿真模拟过程分两个步骤：步骤（1）单一策略疏散效率模拟；步骤（2）叠加所有策略进行模拟。

3.2.1 中州大学家属院户外环境疏散仿真模拟

步骤（1）单一策略疏散效率模拟：将住区出入口位置由北侧临路调整至中部临路，其他因素不变进行模拟，首位疏散者到达出入口用时20.33 s，总疏散用时321.51 s，总疏散用时较现状模型缩短了18.67%；保留原有北侧出入口，在住区中部加设1个出入口，其他因素不变，首位疏散者到达出入口用时20.33 s，总疏散用时284.96 s，总疏散用时较现状模型缩短了27.91%；保持出入口数量和位置不变，去除住宅建筑以外的（包括辅助用房、景观绿化、公共设施等）所有户外环境要素，模拟人员在空白场地的疏散效率，首位疏散者到达出入口用时39.16 s，总疏散用时358.46 s，总疏散用时较现状模型缩短了9.32%（表6）。

步骤（2）叠加所有策略进行模拟：同时叠加步骤（1）中所有单一影响因素，此时模拟数据显示，首位疏散者到达出入口用时14.23 s，总疏散用时254.31 s，总疏散用时较现状模型缩短了35.67%（表6）。

3.2.2 河医家属院户外环境疏散仿真模拟

步骤（1）单一策略疏散效率模拟：将出入口位置由东侧临路调整至南侧中部临路，保持其他因素不变，再次进行模拟，首位疏散者到达出入口用时25.05 s，总疏散用时532.09 s，总疏散用时较现状模型缩短了1.63%；保留现状出入口，在住区南侧加设1个出入口，其他因素不变，首位疏散者到达出入口用时25.04 s，总疏散用时352.00 s，总疏散用时较现状模型缩短了34.93%；保持其他因素不变，去除住宅和围墙以外的所有户外环境要素，模拟人员在空白场地的疏散效率，首位疏散者到达出入口用时35.35 s，总疏散用时538.77 s，总疏散用时较现状模型缩短了0.40%（表7）。

步骤（2）叠加所有策略进行模拟：同时叠加步骤（1）中所有单一影响因素进行模拟，首位疏散者到达出入口用时24.83 s，总疏散用时284.77 s，总疏散用时较现状模型缩短了47.35%（表7）。

对两个住区分别使用单一策略与叠加策略的情况下进行人员应急疏散效率模拟，得到以下结论：使用改变出入口位置、增加出入口数量和改变其他户外环境要素三种策略均能有效提升疏散效率；当三种策略叠加使用时，住区人员应急疏散效率得到大幅提升。根据模拟数据显示，两个住区总疏散时间较现状缩短141.00 s和256.15 s，疏散效率分别提升35.67%和47.35%。

3.3 优化设计与效果分析

利用上述优化策略分别对中州大学家属院、河医家属院户外环境进行优化设计：将两个住区出入口数量由1个增加至2个；根据上述变量叠加分析所得出的最佳人员应急疏散路径重塑两个住区的路网结构（表6—7）；根据《城市居住区规划设计标准》（GB 50180-2018）中的相关要求，结合出入口及路网结构调整后的情况对两个住区配套设施和公共绿地进行优化设计[7]。

两个住区出入口的增设原则包括：连接城市道路；连接住区内主要道路；与原出入口拉开距离，尽量连接不同方向城市道路；不干扰住区内既有居住建筑、配套设施和公共绿地[13-14]。基于以上，将中州大学家属院次出入口设置在与原出入口同侧偏南的道路连接处（图4），河医家属院次出入口设置在住区南侧两栋居住建筑之间的道路连接处（图5）。结合新规划的主次出入口，对两个住区的路网结构进行重新规划，增加各支路的通达性，适当拓宽住区主要道路。在不影响应急疏散路径的区域设置机动车、非机动车停车位，保障住区内部有序停车（图4—5）。

图4 中州大学家属院户外环境优化设计平面

图5 河医家属院户外环境优化设计平面

模拟结果 现状 改变出入口位置 改变出入口数量 去除户外环境要素 变量叠加脚步周线图images/BZ_63_482_2568_823_2878.pngimages/BZ_63_847_2560_1190_2877.pngimages/BZ_63_1218_2563_1543_2857.pngimages/BZ_63_1573_2570_1890_2856.pngimages/BZ_63_1918_2575_2230_2857.png首位疏散用时/s 35.42 25.05 25.04 35.35 24.83总疏散用时/s 540.92 532.09 352.00 538.77 284.77

在规划后的路网和原有建筑空间结构基础上对两个住区配套设施（户外活动场地、物业管理中心、商业用房、设备用房、垃圾收集点等）、公共绿地、管网线路等进行重新配置和优化设计[8]。优化设计原则包括：参照《城市居住区规划设计标准》（GB 50180-2018），配套设施分区布置、合理安排，不阻挡人员应急疏散路径和视线；同时考虑应急疏散弱势群体，设置适老化设施和儿童友好型设置；设置应急疏散路径导引系统（标识、广播电视等）；保留现有绿地和植被的基础上，设置平灾结合的绿化场地，尽量增加绿化面积（图4—5）[10]；拆除飞线，结合建筑布局重新规划管网道路。

基于上述原则对两个住区进行户外环境优化设计，受制于住区既有用地规模、建筑密度和空间结构，建设规划无法完全达到规范要求，但各项指标均得到大幅提升。其中，中州大学家属院及河医家属院绿化面积分别由1 384.20 m2和2 654.10 m2增至1 597.20 m2和3 184.90 m2；规划固定机动车停车位19个和30个（原住区内无固定机动车停车位）；非机动车停车位由50个和30个分别增至80个和54个；户外活动场地面积由原来的914.50 m2和708.30 m2分别达到1 420.50 m2和1 059.80 m2；对现有道路进行拓宽，部分主要道路宽度达到9.00 m，满足机动车双向通行；每个入户单元均规划垃圾收集区及信报箱；完善住区配套设施建设（对物业管理中心、设备用房、商业用房等进行重新规划）。

在Building EXODUS中分别搭建中州大学家属院、河医家属院户外环境优化设计模型，在人员参数与改造前一致的情况下进行应急疏散仿真模拟。对比优化设计前后模拟结果：中州大学家属院人员首位疏散用时由90.07 s缩短至14.92 s，总疏散用时由395.31 s缩短至255.21 s，疏散效率提升35.44%；河医家属院人员首位疏散用时由35.42 s缩短至24.98 s，总疏散用时由540.92 s缩短至291.57 s，疏散效率提升46.10%（表8）。

模拟结果 中州大学家属院 河医家属院脚步周线图images/BZ_64_719_1709_1120_2433.pngimages/BZ_64_1415_1708_2188_2412.png首位疏散用时/s 14.92 24.98总疏散用时/s 255.21 291.57疏散效率对比images/BZ_64_499_2685_1327_3066.png images/BZ_64_1399_2674_2204_3079.png

综上，通过优化设计，两个老旧住区的出入口配比、配套设施、绿化率、路网结构及灾时紧急疏散效率均得到明显提升。

4 结语

对郑州市典型老旧住区进行现场调研及疏散仿真模拟分析，发现现存老旧住区户外环境存在大量问题：路网结构混乱、私搭乱建严重、景观绿化环境差、缺乏基础设施等，上述问题给老旧住区居民生活带来诸多不便的同时也存在严重的安全隐患。

通过对住区户外环境改造的相关理论研究和两个典型住区人员应急疏散行为的仿真模拟，探究城市老旧住区户外人员应急疏散效率的影响因素和机制，采用现场试验加以校验。根据影响因素和机制，归纳出针对住区出入口数量与位置、路网结构和其他户外环境要素的老旧住区户外环境优化设计策略，并通过应急疏散仿真模拟验证可行性。

利用总结出的优化策略对两个住区进行户外环境优化设计。模拟结果显示优化后两个住区户外人员应急疏散效率得到大幅提升，户外环境得到明显改善，老旧住区安全性得到保障，为城市老旧住区户外环境优化设计提供借鉴。