基于社会力模型的重庆商业中心区疏散道路休憩设施布置研究

邹明妍,周铁军,王大川

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200082； 2.重庆大学建筑城规学院，重庆 400030 )

城市商业中心区的开发与城市用地、人口之间的矛盾升级，社会冲突加剧，这使得商业中心区的系统稳定性更为脆弱，高密度人群在聚集时更容易遭到较大突发事件的影响，如果疏散不及时，容易造成人员生命和财产的重大损失。地形高差大、疏散距离长、道路断面高宽比大、人流量多、疏散道路内设施多等特点使重庆商业中心区突发事件下的应急疏散问题更为突出。休憩设施等景观设施作为商业中心区室外公共活动空间不可或缺的组成要素，为商业中心区外部环境注入灵魂，提升了市民的游憩体验；同时作为商业中心区外部空间的实体要素，影响着突发事件下人员的应急疏散。

突发事件的基本应对策略是通过安全、高效的应急疏散，最大限度地保障人群的生命安全。城市疏散道路的安全性、完整性、畅通性和连续性已成为突发事件下应急疏散的重要保障。目前世界各国尚未形成一套针对突发事件发生时街区尺度下商业中心区应急步行疏散的设计准则，但美国、德国、日本等发达国家在这方面已经展开了较多的基础工作，并运用到城市建设中。应急步行疏散领域内关于疏散道路的研究大多聚焦在安全评价与优化、疏散最短路径、最小风险路径等内容，忽视了休憩设施等物质实体与疏散道路畅通性之间的联系。室内空间在物质实体如何影响应急疏散等方面的已有研究则相对成熟。在应急步行疏散方面的研究主要将休憩设施类比为障碍物计算疏散耗时，但缺少更为详细的深入研究。疏散道路作为人员步行疏散的通道，更迫切需要深入地研究休憩设施等景观设施作为物质实体对疏散道路畅通性的影响。

应急疏散的进程主要包括“突发事件发生地—疏散道路—避难场所”。模拟研究语境处于突发事件发生时人群在疏散道路内的快速行进阶段，不考虑灾源，人群在道路内不停留，需要应急疏散至安全区域。研究假设城市防灾设计中疏散道路设计已经满足了完整性、连续性和安全性的条件，有针对性地探讨疏散道路的“畅通性”，属于中微观范畴的研究。本文以突发事件下重庆商业中心区人员应急步行疏散作为背景条件，根据实地调研的数据建立仿真模拟场景，运用社会力模型定量研究常见休憩设施对疏散道路畅通性的影响情况，并总结休憩设施量化布置的些许建议。

1 休憩设施与疏散道路畅通性之间的关联性

1.1 疏散道路“畅通性”

重庆商业中心区的空间结构大多呈现出单核轴状或放射状的特征，以面状广场为中心向外辐射形成线性街道空间,室外疏散道路发挥双重载体价值(见图1)。日常情境中，疏散道路是提供驻足休息、娱乐交往的开放空间。为了满足人群休憩、娱乐交往等需求，并提升空间体验感，开放空间内布置了较多的休憩设施。休憩设施的布置以开放空间的设计要求为主，重点考虑空间可达性与人群的日常体验。在突发事件发生时，线性开放空间又被用作应急步行疏散的通道，则需要考虑通道灾时的安全性、畅通性、完整性和连续性(见图2)。

图1 疏散道路的双重载体作用Fig.1 Dual carrier function of evacuation roads

图2 疏散道路功能的多重性[19]Fig.2 Functional multiplicity of evacuation roads[19]

高密度人群在疏散道路内长时间滞留会造成更严重的安全隐患，通过疏散道路安全、快速地逃离至避难场所成为人员应急疏散的实际需求。畅通性是指突发事件发生时，人群在疏散道路内进行应急步行疏散时能够没有阻挡或障碍地快速通行的一种状态，可分为“通”和“畅”两部分。人员在疏散道路内移动必须要保证个体在通行空间内任意两点之间的可移动性，因此“通”要求疏散道路内任意两点之间实现连通性，不存在墙体、建筑物等不可通过的障碍，以保证疏散人群在疏散过程中视线、行为的可达，满足人员在空间内的可移动性。针对疏散个体而言，“畅”可理解为个体在疏散道路内两点之间可移动的效率，但疏散个体应急疏散动作的完成不能代表群体疏散的结束，应急疏散的高效是指人群在疏散行进过程中尽可能地减少拥堵，能够在“最短”的时间内完成从某一处移动至另一处的动作。考虑突发事件下人员应急疏散的实际需求，“畅”表示人群完成应急疏散过程的效率性要求，应急疏散效率越高，“畅”的性能越优。

1.2 休憩设施与疏散道路畅通性之间的关联性

从疏散范围、疏散人数等方面比较室内、外疏散的特征(见表1)，将休憩设施看作应急步行疏散过程中影响疏散道路畅通性的物质实体。根据室内疏散的研究成果，初步推测休憩设施的平面形状、尺寸和布局位置会影响疏散人员应急疏散的效率。休憩设施通过疏散人员视线、行为上的可达性与人群可移动效率等方面影响着疏散道路的畅通性。

表1 室内外疏散的特征对比Table 1 Feature comparison in indoor and outdoor evacuation

2 休憩设施基础调研

休憩设施是商业中心区步行空间内使用频率最高的公共景观设施，一般由树木等景观元素与满足休憩功能的设施和设备组合构成，在空间内发挥着不可替代的作用。考虑调研数据的有效性、调研实施的可行性和仿真模拟模型的普适性等原因，调研样本确定为休憩设施种类丰富、数量较多、人流量密集且灾时转化为疏散道路的纯步行街道。本次调研了重庆五大商业中心区疏散道路内休憩设施的布局形式、类型和平面尺寸等数据，发现商业中心区休憩设施包括单株乔木树池坐凳、形状规则或异形的休闲座椅、成团树池坐凳、景观种植池4种类型，这4种类型的休憩设施在所调研路段中的占比依次为55.6%、22.2%、72.2%、16.7%。线性步行空间内，树池坐凳的布置方式具有一定的规律；反之，景观种植池和休闲座椅布置的规律性不强且数量较少。因此，本文以单株乔木树池坐凳、成团树池坐凳作为重庆商业中心区最具代表性的休憩设施进行了调研，成团树池坐凳、单株乔木树池坐凳的调研数据见表2和表3。

表2 成团树池坐凳的调研数据Table 2 Data statistics of cluster-tree benches

表3 单株乔木树池坐凳的调研数据Table 3 Data statistics of single-tree benches

由表2和表3可知：在成团树池坐凳中，每个小组团的坐凳数量一般是4个，常布置在道路两侧或中央，通过统计得到了成团树池坐凳不同平面形状的尺寸数据与数量占比(见表2)，结果显示：方形坐凳的数量占比较大，其中3.0 m×3.0 m尺寸的方形坐凳的数量占比最大；重庆商业中心区疏散道路内单株乔木树池坐凳的数量以1～2个最为常见，方形和圆形的数量占比依次为87.5%和12.5%，且单株乔木树池坐凳顶界面的覆盖范围大，存在宽度方向上覆盖全部道路空间的情况(见图3)。

图3 单株乔木树池坐凳顶界面覆盖范围Fig.3 Top interface coverage of single-tree benches

3 模拟实验设置

根据上述休憩设施的调研数据，采用社会力模型，模拟人群在疏散道路内应急步行疏散的行进过程，利用Anylogic软件构建模拟实验的疏散道路模型，编码应急疏散指令。仿真道路模型涉及道路宽度、休憩设施相关参数的设定；疏散人群通过软件中的虚拟智能体进行设置，包括个体肩宽即半径大小、行走速度、数量、异质群体比例与位置分布等参数;疏散指令是通过一系列代码的运行对智能体下达应急疏散动作的命令。模拟实验中利用Java代码设定事件发生的时间，突发事件未发生前，智能体均在疏散道路内进行自由运动;疏散指令下达后，智能体在设定的时间开始应急疏散行动，此时突发事件发生，智能体会根据设定的路线朝安全区域不断行进，行进过程中智能体会产生排队、等待等行为;疏散完成指令下达给每个智能体，单个智能体只有到达程序指定的目标区域才能结束步行疏散指令。模拟实验借助代码记录每个智能体到达安全区域完成应急疏散全过程的时间数据和智能体即时运动状态。

3.1 疏散道路畅通性的判断依据

在本次计算机模拟实验中，所有智能体均依照应急疏散指令朝安全区域疏散。运动过程中，智能体在疏散道路内两点之间具有可移动性成为模拟实验的最基本要求，如果未满足此要求，智能体将无法确定指令的最终目标区域，会产生疏散指令下达但智能体无法运动的情况，因此模拟实验中疏散道路模型满足两点间可达性的要求，即疏散指令下达前，保证智能体在空间内两点之间具有可移动性。前文提出“畅”是指人群移动的效率性需求，根据疏散时间和模拟实验中休憩设施所在区域智能体的拥挤程度进行判断。其中，疏散时间是用来判别畅通性与否的直观数据；拥挤程度可表现为智能体间相互作用的程度、面密度的变化和行走速度的变化等情况。本文以模拟实验中智能体移动的效率性需求为依据，判断成团树池坐凳和单株乔木树池坐凳对疏散道路畅通性的影响情况。

3.2 模拟场景设置

为了减少无关变量对模拟结果产生的误差，以便能够得到休憩设施对疏散道路畅通性的真实影响情况，模拟实验根据控制变量的原则建立道路模型，按照实地调研总结的数据布置休憩设施和路灯等必备设施，同时设置无休憩设施的对照组。智能体在疏散道路内部朝安全区域应急疏散，不考虑建筑出入口至疏散道路所在空间区域内智能体的涌动，疏散道路内靠近安全区域的智能体与远离安全区域位于道路后方的智能体叠加。由于难以实时计算疏散道路内的人群数量，模拟实验根据《城市道路交通规划设计规范》(GB 50220—95)中“商业步行街区内步行道路和广场的面积可按每平方米容纳0.8～1人”的规定展开人数统计。从最不利于疏散的角度出发，模拟实验按照每平方米1人的密度条件统计智能体数量。人群的密度会影响疏散人员的运动速度，借助社会力模型实现智能体的运动速度变化与人群密度之间的相互作用。智能体参数的设置遵循异质群体原则，将虚拟人员设置为老年人、中年人和青年人3个群体，老年人的自由行走速度设置为1.08～1.10 m/s，中年人的自由行走速度设置为1.20～1.25 m/s，青年人的自由行走速度设置为1.27～1.32 m/s。模拟实验过程中，根据不同智能体间相互作用的程度，利用社会力模型衰减智能体的行走速度，为了避免模拟过程中智能体运行不稳定产生的误差，模拟结果是第85百分位智能体完成整个指令的时间。为了保证结果的有效性并减小实验误差，实验结果为15次重复模拟结果的平均值。

根据实地调研结果，模拟实验中单株乔木圆形树池坐凳的半径区间设置为1.5～3.4 m，其方形坐凳的边长区间设置为3.0～6.0 m，一共进行16组模拟实验，每组实验重复进行15次;成团树池坐凳选择3.0 m×3.0 m的方形坐凳，研究道路两侧或中央以成团矩阵布置和相对等距并排布置等不同布置形式作用下的疏散道路畅通性情况，一共进行5组模拟实验，每组实验同样重复进行15次。由于模拟实验场景过多，此处仅展示部分虚拟场景，依次是半径为1.5 m位于道路中央布置的单株乔木圆形树池坐凳的模拟场景[见图4(a)]、边长为4.5 m偏于道路一侧布置的单株乔木方形树池坐凳的模拟场景[见图4(b)]、边长为4.5 m位于道路一侧并排布置的单株乔木方形树池坐凳的模拟场景[见图4(c)]、边长为3.0 m位于道路中央等距布置的成团方形树池坐凳模拟场景[见图4(d)]。由于篇幅限制，本文仅展示部分模型某次不同时刻的模拟运行情况截图，如图5、图6、图7所示。

图4 部分模拟场景截图Fig.4 Simulation scene model

图5 未布置休憩设施与边长为3.5 m单株乔木方形树池坐凳作用下模拟截图Fig.5 Simulation screenshots under the action of no bench and a 3.5 m-square bench

图6 边长为3.0 m×3.0 m成团方形树池坐凳位于道路两侧不等距布置作用下模拟截图Fig.6 Simulation screenshots of the square bench with side length of 3.0 m×3.0 m arranged at unequal distances on both sides of the road

图7 边长为3.0 m×3.0 m成团方形树池坐凳位于道路中央等距布置作用下模拟截图Fig.7 Simulation screenshots of the square bench with side length of 3.0 m×3.0 m arranged at equal distances in the middle of the road

4 模拟结果与讨论

结合前文的模拟实验，以成团树池坐凳和单株乔木树池坐凳等常见休憩设施为例，探讨休憩设施利于疏散道路畅通性的高效性布置原则。

4.1 单株乔木树池坐凳的高效性布置

单株乔木树池坐凳包括4种较为常见的布置形式(见图8)，比较上述模拟实验结果，坐凳的形状、尺寸和布置形式会影响疏散道路畅通性。单株乔木方形树池坐凳对疏散道路畅通性影响的不利程度比相同面积圆形树池坐凳更加显著，当平面面积增大，两者间的疏散时间差距越大，方形树池坐凳的劣势更加明显。单株乔木方形树池坐凳的平面边长是制约疏散道路畅通性的因素，两者呈现负相关的关系，其平面边长越大，对疏散道路畅通性的制约性越强，越不利于应急疏散的高效性。但单株乔木方形树池坐凳的平面边长小于4.5 m时，不同平面边长对疏散道路畅通性的制约程度明显弱于平面边长大于4.5 m时的制约性(见图9)。将单株乔木圆形树池坐凳的平面半径作为控制变量时，得到不同平面半径的单株乔木圆形树池坐凳的15组模拟结果(见图10)，去掉最大值与最小值并取平均值后发现单株乔木圆形树池坐凳半径为2.50 m时的疏散耗时最长，疏散时间为116.692 s，但与平面半径为2.8 m、3.1 m、3.4 m所对应的疏散时间的差值均不超过2 s，因此单株乔木圆形树池坐凳不同平面半径对疏散道路畅通性的制约程度相差不大。相同条件下，单株乔木树池坐凳位于疏散道路一侧布置时模拟结果的平均值小于位于道路中央布置的模拟结果平均值，对疏散道路畅通性的制约作用更弱。

图8 单株乔木树池坐凳的常见布置形式Fig.8 Common arrangement forms of single-tree benches

图9 不同平面边长单株乔木方形树池坐凳模拟实验 结果Fig.9 Simulated experimental results of square benches of different sizes

图10 不同平面半径单株乔木圆形树池坐凳模拟实验 结果Fig.10 Simulated experimental results of round benches of different plane sizes

乔木宽大的树冠作为顶部覆盖面与地面形成光影变化丰富的林下空间，起到美化商业中心区外部空间环境的作用。基于疏散人群的尺度，满足疏散道路畅通性的前提是实现疏散行进阶段人群的视线可达与行为可达(见图11)。单株乔木树池坐凳建议选取高杆乔木，疏散人群可通过乔木的树下空间直线疏散。商业中心区运营管理阶段应及时修剪植物枝叶，保证树下净空高度宜大于1.8 m，既可满足人们在树下空间内进行各种交往活动的需求，又考虑到了人员在应急疏散过程中能够有效规避疏散路径前方的危险，避免疏散路线迂回的需求。

图11 单株乔木树池坐凳树下空间与可达性的关系Fig.11 Relationship between accessibility and space under trees of single-tree benches

4.2 成团树池坐凳的高效性布置

成团树池坐凳将树阵与坐凳相结合，形成空间领地感较强的半私密游憩空间。在线性步行空间内成团树池坐凳的布置形式包括位于疏散道路两侧不等距布置(S)、位于疏散道路两侧等距布置(S)、位于疏散道路中央等距布置(S)和位于疏散道路中央矩阵布置(S)4种，见图12。疏散环境条件相一致的情境下，对比于无休憩设施(S)的模拟实验结果发现：不同成团树池坐凳的布置形式S、S、S、S的平均疏散时间均高于未布置成团树池坐凳S(对照组)的平均疏散时间，不利于疏散道路的畅通性。

图12 成团树池坐凳的常见布置形式Fig.12 Common layout forms of cluster-tree benches

比较不同布置形式下的模拟实验结果，成团树池坐凳位于道路两侧布置时对疏散道路畅通性的制约程度弱于位于疏散道路中央布置时的制约性，见图13。

图13 不同成团树池坐凳常见的布置形式(S1～S4) 和对照组(S5)的模拟实验结果Fig.13 Simulated experimental results of different common layout forms of cluster-tree benches (S1-S4) and the control group (S5)

5 结论与展望

5.1 研究结论

树池、花池等景观元素与休憩坐凳“一凳多用”的集约化组合方式不但能满足市民社会交往、休憩娱乐等需求，更提升了商业中心区的空间品质和市民的空间体验感，因此设计师常将其布置在商业中心区外部空间中。另外，疏散道路畅通性是确保疏散行动快速完成的重要保障。休憩设施的布置必须满足疏散道路有效宽度的要求，在充分发挥自身功能以及景观作用的基础上保证疏散的高效性。

二次设计阶段，为了充分保证疏散道路畅通性，若在商业中心区室外疏散薄弱的区域布置单株乔木树池坐凳，则坐凳的平面形状优先考虑圆形，采用方形的坐凳形式时，建议坐凳的平面边长不宜大于4.5 m。以布置形式作为控制变量时，位于疏散道路两侧等距布置、位于疏散道路两侧不等距布置、位于疏散道路中央矩阵布置、位于疏散道路中央等距布置的成团树池坐凳对疏散道路畅通性的制约程度依次增加，设计师可以通过事先对疏散道路在应急疏散方面的认知，采取适当的设计措施，在疏散较为薄弱的环节较好地兼顾疏散道路畅通性，选择利于疏散的成团树池坐凳布置形式。

5.2 研究意义与展望

疏散道路畅通性是城市防灾规划不容忽视的重要内容，商业中心区作为高密度人群的聚集场所，更需要具备良好的应急疏散能力。休憩设施作为疏散道路内的物质实体影响应急疏散下疏散道路的畅通性，从应急步行疏散的角度出发研究突发事件下休憩设施对疏散道路畅通性的影响具有必要性。对于该问题，当前研究主要是从疏散道路安全方面的定性研究、因子筛选与评价、系统动力学宏观仿真等角度来进行的。安全工程研究领域逐渐从技术性观点转向行为学观点，人员在应急疏散中的心理和行为表现决定了设施的应灾安全性。基于人员行为对疏散问题微观角度的研究目前主要集中在建筑室内，外部空间的相关研究尚较为缺乏。

本研究以商业中心区疏散道路畅通性为研究对象，详尽调查了当前主流商业中心区疏散道路休憩设施的特征现状，并根据调研数据通过计算机模拟，以人的尺度为依托从微观角度建立休憩设施影响疏散道路畅通性的仿真假设模型，采用兼顾人员个体差异的微观仿真方法探索了休憩设施对疏散道路畅通性的影响。在学术层面上，本研究拓展了当前商业中心区外部空间应急疏散方面的研究方法和研究视角，获取了商业中心区外部空间常见休憩设施的基本类型、平面形式、尺度、布局位置等数据，补充了关于休憩景观设施与人员应急疏散的基础数据。在应用实践层面上，本研究结果可为商业中心区前期的疏散安全规划与设计、现有商业中心区疏散道路安全性评估与改造以及相关安全政策制定提供建议和参考，并依据应急疏散对疏散道路的需求在建筑、景观设计领域提供更加全面的思考。

应急疏散是一项综合且复杂的课题，今后的研究仍需不断拓展休憩设施的种类形式以及不同公共景观设施设计的规律性，深入研究人群的疏散行为与心理特征，从而建立更加准确的仿真模型，健全应急步行疏散方面的研究成果。