基于安全疏散角度的醫院門診樓設計因素研究

林思銘，錢才云，王萌

(南京工業大學建筑學院，南京 211816)

當前綜合醫院的規模不斷擴大，就診量不斷增加，人員密集程度不斷增高。醫院人員構成復雜，可燃物多，風險隱患較大，然而部分醫院應急管理環節薄弱，一些出口封閉或疏散標志缺失等問題普遍存在，同時相比正常群體，患者在生理、心理行為等方面存在特殊性，一定程度上也增加了醫院的疏散難度，當發生火災等突發事件時，極易造成人員重大損傷。據統計，2007—2019年，全國醫院門診發生76起火災，火災頻次及傷亡主要集中于綜合醫院[1]，因此研究綜合醫院安全疏散及疏散效率具有重要意義。

中外學者針對醫療機構的緊急疏散開展研究。Taaffe等[2]嘗試用離散事件模型模擬醫院不同場景的緊急疏散，根據資源需求信息求得疏散時間以幫助管理者制定疏散計劃；徐瞻等[3]運用SIMULEX對不同人員速度及分布情況下的疏散進行模擬；李利[4]通過計算機模擬病房區火災煙氣運移，總結煙氣運移規律并提出人員安全疏散的指導意見；王德強等[5]模擬住院樓骨科和兒科的人群疏散并從提高人員對出口熟悉度、縮短運動時間的角度提出對策措施；Vugrin等[6]運用模型模擬供電切斷狀態下醫院的緊急疏散情況，為ICU患者撤離時間評估提供有效手段；馮麗萍等[7]運用系統仿真模擬醫院火災后的疏散過程，并基于統計分析優化消防應急預案；杜長寶等[8]總結醫院住院樓的火災特點，利用Pathfinder模擬住院樓的人員疏散并給出消防安全管理建議；Rahouti等[9]通過錄像對新西蘭一所醫院的疏散演習觀察，分析醫患人員的疏散行為特征；Zou等[10]考慮輪椅的避讓性質并優化傳統的CA模型對醫院疏散進行模擬分析；魏曉鴿等[11]分析醫院中群組疏散模式對人群疏散的影響，并闡述影響機制。

現有研究取得了顯著成果，但同時也發現一些不足之處：研究對象多集中于醫院高層住院樓，對人員構成更復雜的門診樓關注不多；模型參數中人員分布及行為特征取值多基于經驗值及理想化，模擬實驗的精確性需進一步加強；研究角度主要涉及疏散模型建立、防火系統設計、管理措施改革等，仍需進一步從建筑設計角度對醫療建筑的疏散進行深入探究。建筑設計中安全出口、疏散樓梯的數量及寬度、功能分區的布置等情況對人員安全疏散至關重要，同時考慮中國國情及醫療運營秩序，醫療建筑較難組織有效可靠的疏散演練，鑒于此，通過對醫院門診樓進行實測，得出相應人員信息及行為特征規律，利用Pathfinder仿真軟件，模擬綜合醫院門診樓的疏散過程并針對不利于安全疏散的建筑空間設計進行探究，以期對醫療機構門診樓的建筑設計及改造優化提供有益的參考。

1 模型建立

1.1 模擬軟件

Pathfinder是美國Thunderhead Engineering公司開發基于人員行為特征模擬的仿真軟件，可通過設置人員參數以實現模擬過程中各自獨特的逃生路徑，行人行為可根據環境的改變做出響應[12]。針對醫療機構建筑的特殊情境，通過對輪椅、病床、救助組等特殊組件的設置，可較好地對醫院門診樓的人員疏散進行仿真模擬。

1.2 模型背景

選取某三甲綜合醫院為研究對象，該醫院門診樓人員流動性大，日門診量可達6 000人，有較強的實驗研究意義。門診樓建于2007年，建筑地上共10層，屬高層醫療建筑。東西長約80 m，南北寬約60 m，平面呈U字形布局，每層平面面積約3 700 m2。其中第一～第七層設置各科診室等醫技部門，掛號收費處分層布置于第二～第七層。門診樓安全出口位置及豎向交通等信息如圖1、表1所示。樓梯踏步高15.5 cm，踏步寬30 cm。由于該建筑設計建造時間較早，樓梯間2、5的首層疏散門寬及東南側袋形走道長度不符合現行《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)的要求。

A～F為安全出口編號；1～5為樓梯間編號

表1 安全出口及樓梯間詳情

1.3 建立疏散場景

門診樓各層科室用房平面布局相似，因此以第三層科室平面布局作為標準層平面，如圖2所示。根據醫院現狀功能分布情況繪制基礎模型，并將平面精簡處理導入Pathfinder軟件建立模型，繪制樓梯等疏散設施。醫院門診樓人群集聚的主要場所為候診廳，而候診廳內座椅等物品擺放會占據一定的疏散空間，可能導致疏散路徑堵塞并降低人群疏散速度，依據候診廳現狀物品的排列規律，在疏散模型中設置障礙物，模擬真實場景，仿真模型如圖3所示。

圖2 門診樓標準層平面布局

圖3 醫院門診樓仿真模型立體圖

2 人員特征及參數設定

2.1 門診人員行為特征

疏散過程中，不同行為模式的患者會對疏散過程產生不同影響，而行動不便的患者對疏散效率產生一定的負面影響[13]。通過調研發現，門診樓現場環境中的總體特征表現如下。

(1)人群高度聚集。就診患者數量多，且多數有家屬陪同，門診樓掛號收費處及公共候診廳人數眾多，造成局部功能區人群密度偏高。

(2)人員構成復雜，門診樓內主要包括醫護、家屬和病患面落實個群體，是健康人員與病患混合的異質人群，而后者往往對疏散過程中人群的整體疏散時間產生不利影響。人群按行為特征不同，又可細分為成年男性、成年女性、老年女性、老年男性、兒童、青少年及需要輔助工具的病人，不同種群的行為特征表現不同，對疏散造成不同程度的影響。

(3)人員應變能力弱，逃生速度慢。醫院門診樓內的群體以病患為主，較正常群體應變能力減緩，尤其一些不具備獨立能力的患者需要在他人協助下利用輪椅或病床來進行活動及緊急疏散，這也加劇了疏散的難度，疏散效率也會因此降低。

2.2 人員參數設定

對該醫院一周工作日門診情況展開實地調研，發現一般在周一上午9:00的門診人流量最大，且患者就診主要集中在第二～第六層，因此確定該時間的第一～第六層門診現場作為模擬場景，統計人員位置及分布密度等情況。由于該醫院兒童及青少年患者較少，暫不討論該群體。不同人群的行動速率有明顯差異，通過現場選取每類群體觀察實測獲取其行為數據，對比對人員疏散速度的已有研究，確定門診樓不同類別人員的疏散速度，人員分布及屬性如表2、表3所示。

表2 門診樓人員分類及分布情況

表3 人員生理參數設定

3 門診樓疏散模擬

Pathfinder軟件的行為模式包括美國消防師工程協會(Society of Fire Protection Engineers，SFPE)和Steering兩種模式，其中Steering模式基于人體行為學規律，使用路徑規劃、指導機制、碰撞處理結合的方法來控制人員運動，模擬結果更接近真實情況，因此選擇Steering模式進行模擬[14-15]。緊急疏散情況下，使用輔助工具的病人群體如輪椅或病床難以在樓梯間內搬移，利用樓梯對此類群體進行快速疏散不現實，模擬將通過使用消防電梯的方式疏散此類群體。

運行軟件進行現狀條件的疏散模擬，得到門診樓的總疏散時間為387 s。模擬動畫顯示，疏散人群通過樓梯間離開后在首層選擇距離最近的出口逃生。疏散時間與疏散人數關系曲線如圖4所示，疏散人數隨著時間的累計而增加，但趨勢呈階段性變化。自疏散開始至50 s疏散人數隨時間累計變化較明顯、疏散效率較高，為首層人員疏散階段；50～250 s時疏散人群通過5部樓梯間陸續逃生，疏散人數隨時間增加平穩上升；250 s后僅剩使用樓梯間2、3的人群未完成疏散，此階段疏散人數的增加幅度隨時間增加逐漸降低。

圖4 現狀條件下疏散時間與疏散人數關系圖

各樓梯疏散人數及使用情況如表4所示，定義當人群密度達到2.5 人/m2時為擁堵狀態。統計數據發現人群選擇的逃生路徑分布并不均勻，通過樓梯間1疏散的人數比例最少為11%，而32%的人群選擇樓梯間2進行疏散，選擇樓梯間3、4、5的比例較為接近。為便于觀察內部疏散情況，選取人數最多的第三層為觀察平面，分析實時疏散情況。疏散開始15 s后，人群逐漸聚集在樓梯間2門口，疏散門前的走道發生堵塞；24 s后樓梯間3的疏散門前出現排隊現象；45 s時樓梯間4、5開始出現擁堵，樓梯間1則一直保持相對順暢。從水平運動的疏散耗時來看，70 s時選擇樓梯間4、5的疏散人群已全部進入樓梯間，而第135 s時最后一名人員才進入樓梯間2。由于西側疏散走道放置了較多候診座椅，人群主要分布在樓梯間2附近，疏散開始后人群就近選擇最近的安全出口樓梯間2疏散，而其他區域的患者由于恐慌與從眾心理，也順勢向樓梯間2的方向集中，產生羊群效應，導致樓梯間2的使用率大幅提高，人員擠壓較嚴重，擁堵時間較長。少數人員發現樓梯間2疏散門前擁擠，重新折回尋找安全疏散出口，從樓梯間1逃生。模擬表明疏散人員往往會忽略更容易通行的安全出口。

表4 現狀條件各樓梯間模擬疏散數據統計

模擬發現在疏散過程中，樓梯間成為該門診樓疏散過程中最主要的建筑瓶頸區域。上層人員與下層人員在樓梯平臺發生匯流行為，人員間相互作用增大，使疏散速度減慢。此外，樓梯間3、4的梯段寬及疏散門寬度已超過防火規范的最低限值，然而樓梯間的承載能力仍無法滿足現狀條件下的疏散要求，出現一定時間的擁擠，這說明相關規范的強制

性要求對門診樓建筑的防火設計疏散仍有一定的局限性，無法保障人群的高效疏散。此外，建筑設計時樓梯間1最寬為主樓梯，但其使用人數卻最少。人群對于樓梯間的選擇分布不均，也間接反應了建筑師在設計中的主觀經驗判斷與實際使用情況存在一定偏差。

4 疏散影響因素及優化探究

根據疏散模擬情況，探究對該門診樓建筑疏散效率的影響因素，并根據影響因素進行針對性優化以提高應急疏散能力。

4.1 平面布局的影響

緊急疏散時，疏散走道的有效寬度影響著人群的運動速度，而醫院門診樓的疏散走道布置了較多候診座椅，現場觀察發現部分區域的就座率較低，座椅占據了走道的較大空間，致使建筑東側區域南北向疏散走道只有不足2 m寬，有限的空間僅供兩股人流疏散，如有移動病床、輪椅患者通過，則極易造成疏散走道的堵塞。而在后疫情常態化時期，為防止疫情傳播要求禁止鄰位就座，造成一部分座椅完全成為疏散路徑中的障礙物。此外，現狀門診樓的東南角部分的布局為袋形走道，不滿足現行規范中疏散距離的要求，因此將平面房間及座椅布局做合理優化，使疏散走道形成環路，調整后標準層布局如圖5所示，并進行疏散模擬，得到優化布局后的疏散時間為356 s。

圖5 優化布局后標準層平面

表5為平面優化后的各樓梯間疏散相關數據統計。優化平面布局后的疏散時間較現狀條件降低了31 s，對比表4可知，樓梯間的平均疏散效率有一定提升，樓梯間2～5的擁堵時間也有所降低。原先位于袋型走道的人群可選擇的疏散路徑增加，使疏散距離減少。從圖6可以看出，平面優化前第四層與第五層的疏散時間較高，主要因為由于座椅擺放密集，人群疏散過程中出現相互碰撞的情況較高，疏散速度緩慢，少數朝向不同疏散方向的個體出現沖撞或推擠現象，致使大大延長了疏散時間。減少障礙物后，疏散有效寬度增加，人群可以適時改變疏散方向與調整速度，選擇合理的安全出口，減少了沖撞的概率。

圖6 各層人員至疏散門的疏散總耗時

表5 平面優化后各樓梯間模擬疏散數據統計

4.2 疏散門寬度的影響

《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)規定高層醫院建筑樓梯間的首層疏散門的最小凈寬為1.3 m，樓梯間2、5的疏散門寬度未達到現行規范要求。同時由上述模擬實驗可知，樓梯間受疏散門寬度的限制，在一定時刻人群出現排隊擁擠現象，疏散門前出現拱形結構，使疏散效率有所降低。因此嘗試將樓梯的疏散門寬度進行不同程度調整，以0.1 m幅度從現狀1.2 m增加至1.6 m分別進行模擬疏散，可得到疏散門寬度隨疏散時間變化的關系如圖7所示，其中1.2、1.3 m兩種工況下只將樓梯間2、5的疏散門寬度增加至相應寬度，樓梯間1、3、4疏散門寬度不變。拓寬疏散門寬度后，人群總疏散時間有所下降，但下降趨勢并非一致，隨著疏散門寬度的增加，疏散時間變化趨勢逐漸趨于緩和。當樓梯間2、5的疏散門寬度小于梯段寬度時，疏散時間減少較快，而當疏散門寬度超過樓梯間寬度時，總疏散時間趨于一致。模擬實驗說明當疏散門寬度增加至接近樓梯梯段寬時，樓梯間內人員流量達到飽和，疏散時間達到相對最佳狀態，繼續增加疏散門寬度無法有效降低總疏散時間，若要進一步降低疏散時間則需加大梯段的寬度以增加樓梯間的通行能力。

圖7 不同疏散門寬度下疏散時間趨勢圖

4.3 樓梯形式與寬度的影響

4.3.1 樓梯形式

門診樓建筑中，樓梯間2單獨采用了三跑平行式的設計方式，因此探討將樓梯更改為兩跑平行式后進行對照疏散模擬。將門診樓建筑樓梯間2所在的局部平面抽離，提取第二～第六層中的不同群體共153人在不同起始位置通過該樓梯間進行逃生，僅改變樓梯形式，分別采用兩跑及三跑平行式樓梯。對照實驗數據如表6所示，疏散時間與人數關系如圖8所示，三跑樓梯疏散效率顯著高于二跑樓梯，且隨著時間累計優勢愈加明顯。使用二跑樓梯形式的總體疏散時間為219 s，相比使用三跑樓梯降低了25 s，疏散效率提高了11%。實驗結果說明，兩跑樓梯比三跑樓梯更利于人群疏散，疏散效率更高。由于兩跑樓梯相對于三跑樓梯拐角少、路徑直接，人群在疏散時的觀察視野更為清晰，疏散過程中易于判斷前后人員運動的實時情況，疏散距離也相對較短，故有助于提高疏散效率。

圖8 樓梯形式與疏散人數、時間關系

表6 不同樓梯形式下疏散數據

4.3.2 樓梯寬度

由上述模擬實驗中可以發現門診樓疏散過程中的主要瓶頸在于樓梯間，當疏散門寬度達到規范最低要求時，由于門診樓疏散樓梯寬度的局限性，人群疏散效率受到較大影響，因此適當擴大樓梯梯段寬度進行模擬分析。保持主樓梯間1梯段1.65 m寬度不變，以0.1 m的幅度增加樓梯間2～5的梯段寬度至1.8 m，同時保持疏散門寬度與梯段寬度一致，分別進行疏散模擬。

模擬結果顯示，隨著樓梯段寬度的增加人群的疏散時間逐漸減少，即增加梯段寬度能明顯減少人群的疏散時間。從圖9可以看出，梯段寬在1.35～1.5 m時疏散時間降低幅度較少，依次為5%、2.4%，樓梯梯段在1.5～1.6 m時疏散時間下降幅度最大，疏散時間減少了8.9%，梯段寬在1.6～1.8 m時疏散時間降低幅度減緩，分別為4%、2.2%。這主要因為當梯段寬度為1.35～1.5 m時，樓梯寬度只能保證兩股人流疏散，人群疏散速度緩慢。而當樓梯間的寬度擴至1.5～1.7 m時可滿足部分人群三排并列疏散，樓梯通行能力大幅提高，疏散時間下降顯著。

圖9 不同梯段寬下的疏散時間趨勢

基于軟件統計的樓梯間2在各時刻的疏散人流量，通過低通濾波轉化為連續曲線，能更加直觀地表現不同樓梯寬度的疏散效率，如圖10所示。樓梯間2在梯段增至1.8 m時出現了最高的流量，但其波動率較大，維持較高流量的時間最短。此時樓梯間的距離供三股人流疏散外仍有富余，允許了個體超越行為的發生，較容易發生產生推搡現象而影響周圍人群的疏散行為，存在安全隱患，疏散效率增幅也因此降低。模擬實驗表明，疏散時間隨樓梯段寬度的增加逐步降低，但梯段寬度的選擇不應無限制增加，針對本例，梯段寬為1.6 m時，人流量能保持一定時間穩定，同時能減少人群在疏散中的超越行為，達到相對理想的疏散效果。

圖10 不同梯段寬下的樓梯間2的疏散流率

4.4 功能區位的影響

建筑中不同功能區位針對不同的使用對象，因此門診樓各處的人群分布不盡相同，使用頻率較高的功能區位人群較密集，而使用頻率較少的區域人員相對分散，在疏散時易造成局部區域疏散壓力較大，對疏散效率造成負面影響。樓層較高的功能區需要更長的疏散距離，也從而影響疏散時間。根據現場調研，發現存在以下問題：門診樓一層除東側為急診用房，其余部分主要為公共休息廳及交通空間，空間利用率較低，而第二層～第六層每層均在中間連廊處設有掛號收費處，高峰時期排隊人數眾多，擠占通道空間；如圖5所示，第二層人員疏散至安全出口的最終用時遠高于其他樓層，主要由于第二層輪椅及移動病床較多，疏散時集中在消防電梯與樓梯前室遮擋住疏散人群的逃生路徑，同時相對于第二層外科區域，第三層內科患者較多，且女性患者占比較大；第五層青年男性人員較多，而婦產科設置在第六層，女性群體較多。因此嘗試從功能區位出發，通過改變部分功能區位位置模擬觀察疏散結果，具體方式為：①首層門廳西側增加掛號功能，可分流各層掛號收費處30%的排隊人群，降低人群密度;②將第二層西側骨科、外科功能區與第三層西側內科功能區功能對調;③將第六層功能區與第五層對調；④同時對上述3種進行調整。

分別根據4種假設情景進行疏散模擬，得到的疏散時間分別為369.3、372.8、373、355.8 s，疏散時間相對現狀條件有一定程度降低，其中最高減少了8%，即通過合理布局功能區位，可以實現人群分布的有效均衡，從而降低不同人群的行為特征對疏散產生的負面影響，提高整體疏散效率。

5 結論

根據實地調研確定門診樓人員分布規律及運動特征，通過Pathfinder構建了高層醫院門診樓疏散仿真模型，模擬人員應急疏散過程并針對建筑設計從平面布局、疏散門寬度、樓梯設計及功能分區4個角度進行優化，以提高建筑的安全疏散效率。

(1)通過疏散模擬發現人群疏散時選擇的逃生出口分布并不均勻，緊急情況下人群因從眾心理產生羊群效應導致個別出口承擔較多流量，而降低疏散效率。建筑師在設計中的主觀經驗判斷與實際使用情況存在一定偏差，運用本模型可為建筑師在醫療建筑方案階段提供參考，以提高應急疏散效率，降低潛在風險。

(2)增加疏散門寬度進行模擬，當疏散門寬度達到梯段寬度后，樓梯流量達到相對飽和，繼續增加疏散門寬度無法減少疏散時間，此時需增加樓梯段的寬度提高樓梯間通行能力，進而有效降低疏散時間。疏散門寬度與樓梯寬度相對一致時能達到最佳疏散效率。

(3)相同情境下，人群通過兩跑樓梯的疏散速度更快，疏散效率較三跑樓梯提高11%；人群疏散時間隨樓梯段寬度的增加呈下降趨勢，但梯段寬度不需無限制增加，應綜合考慮平面布局與人員數量而定，本例優化中應選取1.6 m梯段寬。

(4)合理的平面布局形式及對座椅等障礙物的數量及位置進行合宜規劃，可增加疏散人群的路徑選擇，利于人群提高疏散速度；此外，根據人群使用特點及使用頻率，適當調整門診樓的功能分區布局，能有效降低人群疏散時間，提高疏散效率。