考虑弱势群体疏散行为特征的高层住院楼疏散仿真及优化

刘晓然, 丰慧, 曾德民, 张略淼

(1.北京建筑大学理学院, 北京 102616; 2.北京建筑大学土木与交通工程学院, 北京 100044 )

医疗卫生行业作为关系到国计民生的基础行业,始终是国家关注的重点。现今医院建筑内部布局形式复杂多样,电网线路密集、电气设备数量和类型多并且相当一部分运行时间长,耗电量大[1],存在极大的安全隐患。其内部人员组成复杂,他们在心理、生理上均有一定的特殊性。一旦发生火灾、地震等突发事件,容易造成大量财产损失甚至群死群伤。高层医院建筑内人员的现场疏散已成为焦点问题。

现阶段中外学者针对医疗建筑内人员疏散开展了大量研究。王德强等[2]在仿真模拟中分别对儿科层和骨科层从速度和对出口的熟悉程度进行分析,并提出对策措施。魏晓鸽等[3]分析了医疗建筑内群组模式对整体疏散的影响。宋嘉宝等[4]进行Revit二次开发,利用自适应蚁群算法,开发出人群疏散路径优化和智能诱导模型。国外学者Golmohammadi等[5]将患者分为3类,建立估算突发状况下医院疏散时间的预测模型,该模型可以为医院管理人员提供每类患者的疏散时间。王凯[6]针对高层住院楼内人员特性,分别从水平空间设计与竖向空间布局分析,并提出改善策略。林思铭等[7]提出了适宜的建筑设计优化来提高医院门诊楼的人员疏散效率。Wang[8]指出了消防应急照明和疏散指示系统的重要性,以某医院为例,阐述了疏散指示系统的设计原则,为工程设计人员提供了理论依据。Johnson[9]提出了“水平疏散”概念,并通过演习得到了病人疏散时的预运动时间,其可作为病人紧急疏散总时间中的重要参考时间。冯丽萍等[10]仿真模拟医院灾后的疏散情况,并进行统计分析,对消防应急预案进行优化。Gwynne等[11]对医院疏散案例进行研究,发现了住院楼病人安全疏散的特点,表明患者在疏散时更依赖于工作人员的引导。Haghpanah等[12]基于智能体模型模拟新冠肺炎期间医院急诊部的疏散情况,结果显示,降低疏散时间,需要更大的护理团队。目前关于医疗建筑内部疏散相关研究大多从单一角度,如建筑空间布局、消防系统设计、救援逃生策略等方面探索对人员疏散效率的影响,仍需进一步从弱势群体行为疏散角度深入探究医疗建筑的适弱化以提高疏散效率。弱势群体的生理特征与疏散特性在进行紧急疏散时应重点考虑。

鉴于此,现以住院楼内弱势群体为重点研究对象,通过对弱势群体生理、心理和行为的研究,基于空间句法理论对住院楼进行适弱化分析,并应用AnyLogic软件建立高层住院楼应急疏散仿真模型,并给出多情景仿真对比下的优化疏散方案。

1 研究对象

选取某综合性医院高层住院楼为研究案例。该住院楼共13层(含裙房4层)。1～4层裙房部分平面布置疏散楼梯有5部,5～13层每层疏散楼梯有2部,具体结构立面图如图1所示。东侧和西侧楼梯间宽为3 m,其余楼梯的楼梯间宽为3.45 m。为了方便接下来的研究说明,现将住院楼内部楼梯进行编号,如图2所示。

图1 某医院高层住院楼立面图Fig.1 Elevation of a hospital high-rise hospital building

①～⑤为楼梯编号

2 弱势群体对高层住院楼空间疏散适应性分析

2.1 疏散人员行为特征分析

人员在发生事故进行疏散时,产生的疏散行为大致可分为3种:①有意识地根据周围环境选择正确的逃生路线安全逃离。实际上大部分人没有良好的安全意识;②对周围环境熟悉度较差,在逃生过程中不自觉的形成“惯性行为”,即人员处于不熟悉的疏散环境中,突发心理焦灼恐惧,且受周围环境干扰,缺乏思考选择合理路线进行逃生,更倾向选择自己较了解的路线、环境求得生存的特性[13];③下意识“看周围人的反应”“跟随他人逃离”或“随着人流试探性的走”,疏散时表现出了 “从众行为”,即个体在群体的压力下改变个体意见而与群体取得一致认识与统一行为的倾向[14]。

医院建筑内部结构复杂多样,房间、通道与出口数量较多可作为其空间布局的典型特点。许多访问者对内部环境不熟悉,多数需要依靠指示牌或人员引导去往目标房间,结束看诊后也不会选择过多停留参观,这就导致内部人员活动路径较为固定且单一。根据现有研究[15]可知医院内在紧急情况发生时,约46%的人员产生从众行为,而在声光刺激下应急疏散时,由于人员高度紧张,加重恐慌心理下出现的此行为[16];21.6%的人员产生惯性行为;而其余32.4%的人员寻找疏散标识或询问工作人员进行逃生。如遇突发状况,现场混乱无序,此时寻找疏散标识或找寻工作人员的小群体会暂缓向外逃生,而产生惯性行为的小团体最先开始向外逃离,汇成疏散人流,从众行为人员则在慌乱的场面中跟随人流逃离空间,与其有相同的行动路径。

紧急情况多有发生,弱势群体的生理、心理及行为特征对大型医院疏散的有效完成至关重要。本文以住院楼内人员为研究对象,重点对弱势群体生理特征及需求、疏散行为进行分析。突发状况下,不同科室的弱势群体疏散时有不同表现,主要依赖于自身的生理特征及需求(表1),其会直接影响疏散的反应时间以及疏散时的行为。

表1 弱势群体生理特征及需求Table 1 Physiological characteristics and needs of vulnerable groups

对比住院楼各科室病人的平均行动速度,其中骨科病人的平均行动速度最小,产科病人的平均行动速度最大,而其他科室病人的平均行动速度则相差不大[17]。为更加细化住院楼内人员的疏散特征,考虑不同类型病患在紧急疏散时存在的速度差异及行为特点,将骨科病患与妇产科病患单独分类,最终将住院楼内疏散人员类型分为8类,如表2所示。

表2 不同类别人员疏散行为特征Table 1 The characteristics of evacuation behavior of different people

由表1可知,弱势群体由于生理受限,在进行活动时更依赖声音、光线及视觉刺激,且部分病患行动不便,逃生时需要等待救援;由表2可知,住院楼内工作人员对周围环境较为熟悉,遇到突发事件,恐慌情绪相对较少,能够迅速做出反应选择正确的线路逃离,少数人员会主动引导众人;陪护在住院楼的出入频率与可活动范围较小,未能熟悉周围环境与空间布局,逃生时极易产生惯性行为,选择进入大厅后去往目标房间时的路线为逃生线路。大部分病人心理状态极差,有行动能力的病患会下意识地产生从众行为跟随陪护人员或人流,极易造成无序混乱的疏散情景,影响疏散效率。

2.2 基于视域法的建筑空间适弱化分析

空间句法理论由英国伦敦大学巴特莱特建筑学院比尔·希列尔等学者创立,现已形成一套完整的理论体系、成熟的方法论[18]。理论中认为可视范围内空间对主体社会运动具有意向引导作用,所以在进行疏散研究时不可忽略建筑空间与人员心理特征之间的紧密联系。

本文研究将应用空间句法中的视域分析法对住院楼建筑内部空间的适弱化进行分析。首层是人们进入整个建筑空间内部的关键层,当遇到突发状况时人们在惯性心理的驱使下,第一反应往往会选择进入建筑时的路径进行逃生,因此重点对住院楼首层进行视域分析。首先应用CAD软件对高层住院楼首层平面图进行处理,然后导入Depthmap+软件。

(1)视线控制度。经计算可得出空间内部视线控制度图如图3所示。在2号、3号及4号楼梯间处颜色较暖,视线控制度越高,说明位于此处的弱势群体将有更大的视域范围,也表示该空间的识别性高。更能吸引弱势群体的视线。

图3 住院楼首层视线控制度图Fig.3 Visual control of first floor

(2)视线集聚度。视线集聚度为衡量空间受遮蔽、受制约的程度,也是对空间边界在视觉限制上效果强弱的判断。颜色越暖,视线集聚度越低,说明空间越趋于稳定与私密。通过软件计算得出视线集聚度图如图4所示。可知暖色区域受遮蔽程度严重,弱势群体会较少的主动选择其为活动路线。该区域一般为病房,私密性好。

图4 住院楼首层视线集聚度图Fig.4 Visual clustering coefficient of first floor

(3)视线整合度。为了更透彻地分析此住院楼内部空间对人员惯性行为的影响,引入视线整合度的概念。视线整合度是最常用且最重要的参数,也是以访问者视角来分析空间被观察到的可能性高低,在空间结构上一定的反映了区域内部的人流聚集和离散情况。在相关文献[19]中提到,其算法与拓扑上的整合度算法完全相同。具体计算公式为

(1)

式(1)中:Inti为第i个视线整合度;MDi为平均深度值;n为轴线总量。

经计算如图5所示,在2号、3号及4号楼梯间处颜色较暖,对于少次出入该空间的弱势群体和部分身体处于健康状态的陪护人员,会因不熟悉空间内部布局,而依赖空间对其产生的视线诱导进行相应的行动,更倾向于选择2、3、4号楼梯前往目标房间。

图5 住院楼首层视线整合度图Fig.5 Visual integration of first floor

综合分析可知,视线的聚集程度、感知度以及视线诱导程度都聚集在大厅附近的2号、3号和4号楼梯间。此区域视线可达性良好,更能吸引人流,对弱势人员的视线诱导更强,大部分人员选择此3部楼梯去往目标房间,当紧急情况发生时,此路线则成为“惯性行为”人群的主要逃生路线。

高层住院楼中的弱势群体受生理伤害的影响,部分在突发情况下的疏散行为主要依靠视觉诱导下的惯性行为产生。通过视域分析可得出建筑空间内部不同区域被弱势群体感知的程度和其视线的聚集程度,即空间内每个区域对弱势群体的吸引程度。视域分析可视化的结果可以反映出空间内某区域人流接纳的结果,结合弱势群体疏散特征可知,可将视域分析的结果作为弱势群体选择疏散路径的依据。

3 模型建立

3.1 模拟软件

AnyLogic软件是一款应用广泛且对离散、连续的多智能体和混合系统建模及仿真的工具[20]。其中行人库模块可应用到人员疏散仿真当中,其核心算法是社会力模型,优点是能够比较真实地反映出行人之间的相互影响以及影响行人疏散行为的主要因素。

3.2 疏散人员参数设置

现有病房每间安置的病人数为1～6人,病人全天大部分时间都在病房活动,而医院的工作人员和陪护可在病房区、走廊、办公室、等候大厅活动,以四层为例,其中人员分布如图6所示。

图6 住院楼四层人员布置图Fig.6 Staffing layout on the fourth floor of the hospital building

(1)人员速度与人员数量设定。在《建筑设计防火规范》GB50016—2014[21]中明确规定高层住院楼,应在二层及以上的住院楼层和洁净手术部设置避难间。在突发状况时行动极其不便者允许在避难间内等候救援,故本文研究不再对无行动能力的特殊患者进行论述。疏散人员的参数包括:速度、构成比例、人数。其中速度可参照已有研究[17,22],人员构成比则通过大量调查及参考文献[23-24]设定,结合实际病床数及人员构成比可计算得到病房楼每层人数。结果如表3及表4所示。

表3 高层住院楼人员速度及构成比设定Table 3 Set staff speed and composition ratios for high-rise hospital buildings

表4 高层住院楼每层人数设定Table 4 Set number of people on each floor in high-rise hospital buildings

(2)人员选择疏散路径的概率设置。由式(1)可求得5部楼梯处的视线整合度平均值(表5)。将表5各楼梯的视线整合度平均值归一化后作为突发状况时住院楼内部人员选择每部楼梯逃生的概率,尽可能还原自由疏散的真实情景。

表5 5部楼梯处视线整合度平均值Table 5 Average value of visual integration in 5 staircases

4 高层住院楼疏散仿真与优化分析

4.1 自由疏散仿真

在整体自由疏散逻辑流程图中进行楼梯概率选择,将概率(表5)输入AnyLogic软件中的PedSelectOutput模块,仿真过程中内部人员则按照相应概率选择楼梯进行逃生。本模型未加入消防电梯,不考虑消防电梯对整体疏散效率的影响。

经仿真实验可知,高层住院楼全部人员安全疏散所需时间为1 001 s。整体效率如图7所示。

图7 5部楼梯自由疏散人数随时间变化曲线图Fig.7 Time variation curve of free evacuees in 5 staircases

通过表4可知2号、3号、4号楼梯被人员选择的概率较大,但由于3号楼梯最高通往4层,可疏散人数较少。这与图11所得结果相符。分析可知整体自由疏散压力主要集中在2号和4号楼梯,影响整体疏散效率的主要原因是在突发状况时,大多数人会因视线诱导加重惯性行为与从众行为进而选择2号、4号楼梯进行疏散,导致疏散人数过多,且因为疏散的人员类别不同,他们之间的速度差异较大,在疏散过程中更容易发生推挤、二次伤害事件,拥堵更为严重,影响整体的疏散效率。

4.2 优化策略及模拟

为缓解2号和4号楼梯的疏散压力,保障人员安全高效地进行疏散,重点考虑人员自身特性和疏散行为特征,将人员进行分组分梯疏散。由于妇产科在裙房位置,故所有优化方案都将设定妇产科病患从3号楼梯单独进行疏散,表6中不再赘述。

表6 4种方案下的受控疏散时间Table 6 Efficiency comparison chart of the four scenarios

为对比分析不同人员类别配置下的整体疏散效率,依据不同类别人员疏散特征、速度区间的差异、人员分布情况以及疏散空间大小设定了4种疏散对照方案。经过仿真试验,得到各方案的疏散时间,如表6和图8所示。

图8 4种方案下的受控疏散效率对比图Fig.8 Efficiency comparison chart of controlled evacuation under the four scenarios

4种方案都提高了疏散效率。方案一疏散耗时最短,为最优方案。将自由疏散与实施最优方案的疏散实验结果进行数据对比分析,结果如图9所示。方案一中重点考虑的对象是老人及儿童病患,他们缺乏自主判断能力,更需要医护人员的帮助。2号、4号楼梯间较其他楼梯间更宽阔,选择此楼梯进行逃生能够给予该群体更大的逃生空间,避免与其他类别人员进行碰撞、推挤,且有医护人员的陪伴能够带来安全感,减少恐慌情绪。将男病患、女病患及陪护人员组织到一起选择1号和5号楼梯进行疏散,有效缓解了2号、4号楼梯的疏散压力。通过试验结果可知,疏散时人为干预基于空间句法视域分析的视线诱导、惯性行为及从种行为,考虑将各类人员依照疏散特征与不同疏散行为意识相结合并实行帮扶疏散,可以达到较好的疏散效果。

图9 实施最优方案前后疏散时间对比图Fig.9 Evacuation time comparison chart of before and after implementation of the optimal solution

5 结论

基于弱势群体的生理、心理及行为特征描述弱势群体的疏散过程,使得紧急情况下人员对逃生路线选择更加切合实际,选取适宜评价住院楼的视域分析法进行分析,综合考虑弱势群体疏散行为特征,尽可能还原突发事件时建筑内部的疏散状态,结果表明视线诱导对弱势群体的疏散行为影响较大,随后应用AnyLogic进行仿真模拟,对比分析自由疏散与受控方案下的整体疏散效率。得到以下结论。

(1)建筑空间对弱势群体的视线诱导,是其在疏散时产生“惯性行为”的主要因素,将会使疏散压力集中在某一区域内,严重影响整体疏散效率。

(2)考虑将弱势群体按照人员疏散特征进行合理的分组分梯疏散,可提高整体疏散效率。

(3)今后需加强对医院工作者的应急培训工作,在紧急状况发生时,使他们起到更好地引导作用,也可在整体空间视线较为聚集且开阔的区域增设引导牌辅助疏散。研究结果可为医院高层住院楼的消防疏散提供参考。