考慮弱勢群體疏散行為特征的高層住院樓疏散仿真及優化

劉曉然, 豐慧, 曾德民, 張略淼

(1.北京建筑大學理學院, 北京 102616; 2.北京建筑大學土木與交通工程學院, 北京 100044 )

醫療衛生行業作為關系到國計民生的基礎行業,始終是國家關注的重點。現今醫院建筑內部布局形式復雜多樣,電網線路密集、電氣設備數量和類型多并且相當一部分運行時間長,耗電量大[1],存在極大的安全隱患。其內部人員組成復雜,他們在心理、生理上均有一定的特殊性。一旦發生火災、地震等突發事件,容易造成大量財產損失甚至群死群傷。高層醫院建筑內人員的現場疏散已成為焦點問題。

現階段中外學者針對醫療建筑內人員疏散開展了大量研究。王德強等[2]在仿真模擬中分別對兒科層和骨科層從速度和對出口的熟悉程度進行分析,并提出對策措施。魏曉鴿等[3]分析了醫療建筑內群組模式對整體疏散的影響。宋嘉寶等[4]進行Revit二次開發,利用自適應蟻群算法,開發出人群疏散路徑優化和智能誘導模型。國外學者Golmohammadi等[5]將患者分為3類,建立估算突發狀況下醫院疏散時間的預測模型,該模型可以為醫院管理人員提供每類患者的疏散時間。王凱[6]針對高層住院樓內人員特性,分別從水平空間設計與豎向空間布局分析,并提出改善策略。林思銘等[7]提出了適宜的建筑設計優化來提高醫院門診樓的人員疏散效率。Wang[8]指出了消防應急照明和疏散指示系統的重要性,以某醫院為例,闡述了疏散指示系統的設計原則,為工程設計人員提供了理論依據。Johnson[9]提出了“水平疏散”概念,并通過演習得到了病人疏散時的預運動時間,其可作為病人緊急疏散總時間中的重要參考時間。馮麗萍等[10]仿真模擬醫院災后的疏散情況,并進行統計分析,對消防應急預案進行優化。Gwynne等[11]對醫院疏散案例進行研究,發現了住院樓病人安全疏散的特點,表明患者在疏散時更依賴于工作人員的引導。Haghpanah等[12]基于智能體模型模擬新冠肺炎期間醫院急診部的疏散情況,結果顯示,降低疏散時間,需要更大的護理團隊。目前關于醫療建筑內部疏散相關研究大多從單一角度,如建筑空間布局、消防系統設計、救援逃生策略等方面探索對人員疏散效率的影響,仍需進一步從弱勢群體行為疏散角度深入探究醫療建筑的適弱化以提高疏散效率。弱勢群體的生理特征與疏散特性在進行緊急疏散時應重點考慮。

鑒于此,現以住院樓內弱勢群體為重點研究對象,通過對弱勢群體生理、心理和行為的研究,基于空間句法理論對住院樓進行適弱化分析,并應用AnyLogic軟件建立高層住院樓應急疏散仿真模型,并給出多情景仿真對比下的優化疏散方案。

1 研究對象

選取某綜合性醫院高層住院樓為研究案例。該住院樓共13層(含裙房4層)。1～4層裙房部分平面布置疏散樓梯有5部,5～13層每層疏散樓梯有2部,具體結構立面圖如圖1所示。東側和西側樓梯間寬為3 m,其余樓梯的樓梯間寬為3.45 m。為了方便接下來的研究說明,現將住院樓內部樓梯進行編號,如圖2所示。

圖1 某醫院高層住院樓立面圖Fig.1 Elevation of a hospital high-rise hospital building

①～⑤為樓梯編號

2 弱勢群體對高層住院樓空間疏散適應性分析

2.1 疏散人員行為特征分析

人員在發生事故進行疏散時,產生的疏散行為大致可分為3種:①有意識地根據周圍環境選擇正確的逃生路線安全逃離。實際上大部分人沒有良好的安全意識;②對周圍環境熟悉度較差,在逃生過程中不自覺的形成“慣性行為”,即人員處于不熟悉的疏散環境中,突發心理焦灼恐懼,且受周圍環境干擾,缺乏思考選擇合理路線進行逃生,更傾向選擇自己較了解的路線、環境求得生存的特性[13];③下意識“看周圍人的反應”“跟隨他人逃離”或“隨著人流試探性的走”,疏散時表現出了 “從眾行為”,即個體在群體的壓力下改變個體意見而與群體取得一致認識與統一行為的傾向[14]。

醫院建筑內部結構復雜多樣,房間、通道與出口數量較多可作為其空間布局的典型特點。許多訪問者對內部環境不熟悉,多數需要依靠指示牌或人員引導去往目標房間,結束看診后也不會選擇過多停留參觀,這就導致內部人員活動路徑較為固定且單一。根據現有研究[15]可知醫院內在緊急情況發生時,約46%的人員產生從眾行為,而在聲光刺激下應急疏散時,由于人員高度緊張,加重恐慌心理下出現的此行為[16];21.6%的人員產生慣性行為;而其余32.4%的人員尋找疏散標識或詢問工作人員進行逃生。如遇突發狀況,現場混亂無序,此時尋找疏散標識或找尋工作人員的小群體會暫緩向外逃生,而產生慣性行為的小團體最先開始向外逃離,匯成疏散人流,從眾行為人員則在慌亂的場面中跟隨人流逃離空間,與其有相同的行動路徑。

緊急情況多有發生,弱勢群體的生理、心理及行為特征對大型醫院疏散的有效完成至關重要。本文以住院樓內人員為研究對象,重點對弱勢群體生理特征及需求、疏散行為進行分析。突發狀況下,不同科室的弱勢群體疏散時有不同表現,主要依賴于自身的生理特征及需求(表1),其會直接影響疏散的反應時間以及疏散時的行為。

表1 弱勢群體生理特征及需求Table 1 Physiological characteristics and needs of vulnerable groups

對比住院樓各科室病人的平均行動速度,其中骨科病人的平均行動速度最小,產科病人的平均行動速度最大,而其他科室病人的平均行動速度則相差不大[17]。為更加細化住院樓內人員的疏散特征,考慮不同類型病患在緊急疏散時存在的速度差異及行為特點,將骨科病患與婦產科病患單獨分類,最終將住院樓內疏散人員類型分為8類,如表2所示。

表2 不同類別人員疏散行為特征Table 1 The characteristics of evacuation behavior of different people

由表1可知,弱勢群體由于生理受限,在進行活動時更依賴聲音、光線及視覺刺激,且部分病患行動不便,逃生時需要等待救援;由表2可知,住院樓內工作人員對周圍環境較為熟悉,遇到突發事件,恐慌情緒相對較少,能夠迅速做出反應選擇正確的線路逃離,少數人員會主動引導眾人;陪護在住院樓的出入頻率與可活動范圍較小,未能熟悉周圍環境與空間布局,逃生時極易產生慣性行為,選擇進入大廳后去往目標房間時的路線為逃生線路。大部分病人心理狀態極差,有行動能力的病患會下意識地產生從眾行為跟隨陪護人員或人流,極易造成無序混亂的疏散情景,影響疏散效率。

2.2 基于視域法的建筑空間適弱化分析

空間句法理論由英國倫敦大學巴特萊特建筑學院比爾·希列爾等學者創立,現已形成一套完整的理論體系、成熟的方法論[18]。理論中認為可視范圍內空間對主體社會運動具有意向引導作用,所以在進行疏散研究時不可忽略建筑空間與人員心理特征之間的緊密聯系。

本文研究將應用空間句法中的視域分析法對住院樓建筑內部空間的適弱化進行分析。首層是人們進入整個建筑空間內部的關鍵層,當遇到突發狀況時人們在慣性心理的驅使下,第一反應往往會選擇進入建筑時的路徑進行逃生,因此重點對住院樓首層進行視域分析。首先應用CAD軟件對高層住院樓首層平面圖進行處理,然后導入Depthmap+軟件。

(1)視線控制度。經計算可得出空間內部視線控制度圖如圖3所示。在2號、3號及4號樓梯間處顏色較暖,視線控制度越高,說明位于此處的弱勢群體將有更大的視域范圍,也表示該空間的識別性高。更能吸引弱勢群體的視線。

圖3 住院樓首層視線控制度圖Fig.3 Visual control of first floor

(2)視線集聚度。視線集聚度為衡量空間受遮蔽、受制約的程度,也是對空間邊界在視覺限制上效果強弱的判斷。顏色越暖,視線集聚度越低,說明空間越趨于穩定與私密。通過軟件計算得出視線集聚度圖如圖4所示。可知暖色區域受遮蔽程度嚴重,弱勢群體會較少的主動選擇其為活動路線。該區域一般為病房,私密性好。

圖4 住院樓首層視線集聚度圖Fig.4 Visual clustering coefficient of first floor

(3)視線整合度。為了更透徹地分析此住院樓內部空間對人員慣性行為的影響,引入視線整合度的概念。視線整合度是最常用且最重要的參數,也是以訪問者視角來分析空間被觀察到的可能性高低,在空間結構上一定的反映了區域內部的人流聚集和離散情況。在相關文獻[19]中提到,其算法與拓撲上的整合度算法完全相同。具體計算公式為

(1)

式(1)中:Inti為第i個視線整合度;MDi為平均深度值;n為軸線總量。

經計算如圖5所示,在2號、3號及4號樓梯間處顏色較暖,對于少次出入該空間的弱勢群體和部分身體處于健康狀態的陪護人員,會因不熟悉空間內部布局,而依賴空間對其產生的視線誘導進行相應的行動,更傾向于選擇2、3、4號樓梯前往目標房間。

圖5 住院樓首層視線整合度圖Fig.5 Visual integration of first floor

綜合分析可知,視線的聚集程度、感知度以及視線誘導程度都聚集在大廳附近的2號、3號和4號樓梯間。此區域視線可達性良好,更能吸引人流,對弱勢人員的視線誘導更強,大部分人員選擇此3部樓梯去往目標房間,當緊急情況發生時,此路線則成為“慣性行為”人群的主要逃生路線。

高層住院樓中的弱勢群體受生理傷害的影響,部分在突發情況下的疏散行為主要依靠視覺誘導下的慣性行為產生。通過視域分析可得出建筑空間內部不同區域被弱勢群體感知的程度和其視線的聚集程度,即空間內每個區域對弱勢群體的吸引程度。視域分析可視化的結果可以反映出空間內某區域人流接納的結果,結合弱勢群體疏散特征可知,可將視域分析的結果作為弱勢群體選擇疏散路徑的依據。

3 模型建立

3.1 模擬軟件

AnyLogic軟件是一款應用廣泛且對離散、連續的多智能體和混合系統建模及仿真的工具[20]。其中行人庫模塊可應用到人員疏散仿真當中,其核心算法是社會力模型,優點是能夠比較真實地反映出行人之間的相互影響以及影響行人疏散行為的主要因素。

3.2 疏散人員參數設置

現有病房每間安置的病人數為1～6人,病人全天大部分時間都在病房活動,而醫院的工作人員和陪護可在病房區、走廊、辦公室、等候大廳活動,以四層為例,其中人員分布如圖6所示。

圖6 住院樓四層人員布置圖Fig.6 Staffing layout on the fourth floor of the hospital building

(1)人員速度與人員數量設定。在《建筑設計防火規范》GB50016—2014[21]中明確規定高層住院樓,應在二層及以上的住院樓層和潔凈手術部設置避難間。在突發狀況時行動極其不便者允許在避難間內等候救援,故本文研究不再對無行動能力的特殊患者進行論述。疏散人員的參數包括:速度、構成比例、人數。其中速度可參照已有研究[17,22],人員構成比則通過大量調查及參考文獻[23-24]設定,結合實際病床數及人員構成比可計算得到病房樓每層人數。結果如表3及表4所示。

表3 高層住院樓人員速度及構成比設定Table 3 Set staff speed and composition ratios for high-rise hospital buildings

表4 高層住院樓每層人數設定Table 4 Set number of people on each floor in high-rise hospital buildings

(2)人員選擇疏散路徑的概率設置。由式(1)可求得5部樓梯處的視線整合度平均值(表5)。將表5各樓梯的視線整合度平均值歸一化后作為突發狀況時住院樓內部人員選擇每部樓梯逃生的概率,盡可能還原自由疏散的真實情景。

表5 5部樓梯處視線整合度平均值Table 5 Average value of visual integration in 5 staircases

4 高層住院樓疏散仿真與優化分析

4.1 自由疏散仿真

在整體自由疏散邏輯流程圖中進行樓梯概率選擇,將概率(表5)輸入AnyLogic軟件中的PedSelectOutput模塊,仿真過程中內部人員則按照相應概率選擇樓梯進行逃生。本模型未加入消防電梯,不考慮消防電梯對整體疏散效率的影響。

經仿真實驗可知,高層住院樓全部人員安全疏散所需時間為1 001 s。整體效率如圖7所示。

圖7 5部樓梯自由疏散人數隨時間變化曲線圖Fig.7 Time variation curve of free evacuees in 5 staircases

通過表4可知2號、3號、4號樓梯被人員選擇的概率較大,但由于3號樓梯最高通往4層,可疏散人數較少。這與圖11所得結果相符。分析可知整體自由疏散壓力主要集中在2號和4號樓梯,影響整體疏散效率的主要原因是在突發狀況時,大多數人會因視線誘導加重慣性行為與從眾行為進而選擇2號、4號樓梯進行疏散,導致疏散人數過多,且因為疏散的人員類別不同,他們之間的速度差異較大,在疏散過程中更容易發生推擠、二次傷害事件,擁堵更為嚴重,影響整體的疏散效率。

4.2 優化策略及模擬

為緩解2號和4號樓梯的疏散壓力,保障人員安全高效地進行疏散,重點考慮人員自身特性和疏散行為特征,將人員進行分組分梯疏散。由于婦產科在裙房位置,故所有優化方案都將設定婦產科病患從3號樓梯單獨進行疏散,表6中不再贅述。

表6 4種方案下的受控疏散時間Table 6 Efficiency comparison chart of the four scenarios

為對比分析不同人員類別配置下的整體疏散效率,依據不同類別人員疏散特征、速度區間的差異、人員分布情況以及疏散空間大小設定了4種疏散對照方案。經過仿真試驗,得到各方案的疏散時間,如表6和圖8所示。

圖8 4種方案下的受控疏散效率對比圖Fig.8 Efficiency comparison chart of controlled evacuation under the four scenarios

4種方案都提高了疏散效率。方案一疏散耗時最短,為最優方案。將自由疏散與實施最優方案的疏散實驗結果進行數據對比分析,結果如圖9所示。方案一中重點考慮的對象是老人及兒童病患,他們缺乏自主判斷能力,更需要醫護人員的幫助。2號、4號樓梯間較其他樓梯間更寬闊,選擇此樓梯進行逃生能夠給予該群體更大的逃生空間,避免與其他類別人員進行碰撞、推擠,且有醫護人員的陪伴能夠帶來安全感,減少恐慌情緒。將男病患、女病患及陪護人員組織到一起選擇1號和5號樓梯進行疏散,有效緩解了2號、4號樓梯的疏散壓力。通過試驗結果可知,疏散時人為干預基于空間句法視域分析的視線誘導、慣性行為及從種行為,考慮將各類人員依照疏散特征與不同疏散行為意識相結合并實行幫扶疏散,可以達到較好的疏散效果。

圖9 實施最優方案前后疏散時間對比圖Fig.9 Evacuation time comparison chart of before and after implementation of the optimal solution

5 結論

基于弱勢群體的生理、心理及行為特征描述弱勢群體的疏散過程,使得緊急情況下人員對逃生路線選擇更加切合實際,選取適宜評價住院樓的視域分析法進行分析,綜合考慮弱勢群體疏散行為特征,盡可能還原突發事件時建筑內部的疏散狀態,結果表明視線誘導對弱勢群體的疏散行為影響較大,隨后應用AnyLogic進行仿真模擬,對比分析自由疏散與受控方案下的整體疏散效率。得到以下結論。

(1)建筑空間對弱勢群體的視線誘導,是其在疏散時產生“慣性行為”的主要因素,將會使疏散壓力集中在某一區域內,嚴重影響整體疏散效率。

(2)考慮將弱勢群體按照人員疏散特征進行合理的分組分梯疏散,可提高整體疏散效率。

(3)今后需加強對醫院工作者的應急培訓工作,在緊急狀況發生時,使他們起到更好地引導作用,也可在整體空間視線較為聚集且開闊的區域增設引導牌輔助疏散。研究結果可為醫院高層住院樓的消防疏散提供參考。