基于安全疏散角度的医院门诊楼设计因素研究

2022-12-19林思铭钱才云王萌

科学技术与工程 2022年32期

林思铭，钱才云，王萌

(南京工业大学建筑学院，南京 211816)

当前综合医院的规模不断扩大，就诊量不断增加，人员密集程度不断增高。医院人员构成复杂，可燃物多，风险隐患较大，然而部分医院应急管理环节薄弱，一些出口封闭或疏散标志缺失等问题普遍存在，同时相比正常群体，患者在生理、心理行为等方面存在特殊性，一定程度上也增加了医院的疏散难度，当发生火灾等突发事件时，极易造成人员重大损伤。据统计，2007—2019年，全国医院门诊发生76起火灾，火灾频次及伤亡主要集中于综合医院[1]，因此研究综合医院安全疏散及疏散效率具有重要意义。

中外学者针对医疗机构的紧急疏散开展研究。Taaffe等[2]尝试用离散事件模型模拟医院不同场景的紧急疏散，根据资源需求信息求得疏散时间以帮助管理者制定疏散计划；徐瞻等[3]运用SIMULEX对不同人员速度及分布情况下的疏散进行模拟；李利[4]通过计算机模拟病房区火灾烟气运移，总结烟气运移规律并提出人员安全疏散的指导意见；王德强等[5]模拟住院楼骨科和儿科的人群疏散并从提高人员对出口熟悉度、缩短运动时间的角度提出对策措施；Vugrin等[6]运用模型模拟供电切断状态下医院的紧急疏散情况，为ICU患者撤离时间评估提供有效手段；冯丽萍等[7]运用系统仿真模拟医院火灾后的疏散过程，并基于统计分析优化消防应急预案；杜长宝等[8]总结医院住院楼的火灾特点，利用Pathfinder模拟住院楼的人员疏散并给出消防安全管理建议；Rahouti等[9]通过录像对新西兰一所医院的疏散演习观察，分析医患人员的疏散行为特征；Zou等[10]考虑轮椅的避让性质并优化传统的CA模型对医院疏散进行模拟分析；魏晓鸽等[11]分析医院中群组疏散模式对人群疏散的影响，并阐述影响机制。

现有研究取得了显著成果，但同时也发现一些不足之处：研究对象多集中于医院高层住院楼，对人员构成更复杂的门诊楼关注不多；模型参数中人员分布及行为特征取值多基于经验值及理想化，模拟实验的精确性需进一步加强；研究角度主要涉及疏散模型建立、防火系统设计、管理措施改革等，仍需进一步从建筑设计角度对医疗建筑的疏散进行深入探究。建筑设计中安全出口、疏散楼梯的数量及宽度、功能分区的布置等情况对人员安全疏散至关重要，同时考虑中国国情及医疗运营秩序，医疗建筑较难组织有效可靠的疏散演练，鉴于此，通过对医院门诊楼进行实测，得出相应人员信息及行为特征规律，利用Pathfinder仿真软件，模拟综合医院门诊楼的疏散过程并针对不利于安全疏散的建筑空间设计进行探究，以期对医疗机构门诊楼的建筑设计及改造优化提供有益的参考。

1 模型建立

1.1 模拟软件

Pathfinder是美国Thunderhead Engineering公司开发基于人员行为特征模拟的仿真软件，可通过设置人员参数以实现模拟过程中各自独特的逃生路径，行人行为可根据环境的改变做出响应[12]。针对医疗机构建筑的特殊情境，通过对轮椅、病床、救助组等特殊组件的设置，可较好地对医院门诊楼的人员疏散进行仿真模拟。

1.2 模型背景

选取某三甲综合医院为研究对象，该医院门诊楼人员流动性大，日门诊量可达6 000人，有较强的实验研究意义。门诊楼建于2007年，建筑地上共10层，属高层医疗建筑。东西长约80 m，南北宽约60 m，平面呈U字形布局，每层平面面积约3 700 m2。其中第一～第七层设置各科诊室等医技部门，挂号收费处分层布置于第二～第七层。门诊楼安全出口位置及竖向交通等信息如图1、表1所示。楼梯踏步高15.5 cm，踏步宽30 cm。由于该建筑设计建造时间较早，楼梯间2、5的首层疏散门宽及东南侧袋形走道长度不符合现行《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)的要求。

A～F为安全出口编号；1～5为楼梯间编号

表1 安全出口及楼梯间详情

1.3 建立疏散场景

门诊楼各层科室用房平面布局相似，因此以第三层科室平面布局作为标准层平面，如图2所示。根据医院现状功能分布情况绘制基础模型，并将平面精简处理导入Pathfinder软件建立模型，绘制楼梯等疏散设施。医院门诊楼人群集聚的主要场所为候诊厅，而候诊厅内座椅等物品摆放会占据一定的疏散空间，可能导致疏散路径堵塞并降低人群疏散速度，依据候诊厅现状物品的排列规律，在疏散模型中设置障碍物，模拟真实场景，仿真模型如图3所示。

图2 门诊楼标准层平面布局

图3 医院门诊楼仿真模型立体图

2 人员特征及参数设定

2.1 门诊人员行为特征

疏散过程中，不同行为模式的患者会对疏散过程产生不同影响，而行动不便的患者对疏散效率产生一定的负面影响[13]。通过调研发现，门诊楼现场环境中的总体特征表现如下。

(1)人群高度聚集。就诊患者数量多，且多数有家属陪同，门诊楼挂号收费处及公共候诊厅人数众多，造成局部功能区人群密度偏高。

(2)人员构成复杂，门诊楼内主要包括医护、家属和病患面落实个群体，是健康人员与病患混合的异质人群，而后者往往对疏散过程中人群的整体疏散时间产生不利影响。人群按行为特征不同，又可细分为成年男性、成年女性、老年女性、老年男性、儿童、青少年及需要辅助工具的病人，不同种群的行为特征表现不同，对疏散造成不同程度的影响。

(3)人员应变能力弱，逃生速度慢。医院门诊楼内的群体以病患为主，较正常群体应变能力减缓，尤其一些不具备独立能力的患者需要在他人协助下利用轮椅或病床来进行活动及紧急疏散，这也加剧了疏散的难度，疏散效率也会因此降低。

2.2 人员参数设定

对该医院一周工作日门诊情况展开实地调研，发现一般在周一上午9:00的门诊人流量最大，且患者就诊主要集中在第二～第六层，因此确定该时间的第一～第六层门诊现场作为模拟场景，统计人员位置及分布密度等情况。由于该医院儿童及青少年患者较少，暂不讨论该群体。不同人群的行动速率有明显差异，通过现场选取每类群体观察实测获取其行为数据，对比对人员疏散速度的已有研究，确定门诊楼不同类别人员的疏散速度，人员分布及属性如表2、表3所示。

表2 门诊楼人员分类及分布情况

表3 人员生理参数设定

3 门诊楼疏散模拟

Pathfinder软件的行为模式包括美国消防师工程协会(Society of Fire Protection Engineers，SFPE)和Steering两种模式，其中Steering模式基于人体行为学规律，使用路径规划、指导机制、碰撞处理结合的方法来控制人员运动，模拟结果更接近真实情况，因此选择Steering模式进行模拟[14-15]。紧急疏散情况下，使用辅助工具的病人群体如轮椅或病床难以在楼梯间内搬移，利用楼梯对此类群体进行快速疏散不现实，模拟将通过使用消防电梯的方式疏散此类群体。

运行软件进行现状条件的疏散模拟，得到门诊楼的总疏散时间为387 s。模拟动画显示，疏散人群通过楼梯间离开后在首层选择距离最近的出口逃生。疏散时间与疏散人数关系曲线如图4所示，疏散人数随着时间的累计而增加，但趋势呈阶段性变化。自疏散开始至50 s疏散人数随时间累计变化较明显、疏散效率较高，为首层人员疏散阶段；50～250 s时疏散人群通过5部楼梯间陆续逃生，疏散人数随时间增加平稳上升；250 s后仅剩使用楼梯间2、3的人群未完成疏散，此阶段疏散人数的增加幅度随时间增加逐渐降低。

图4 现状条件下疏散时间与疏散人数关系图

各楼梯疏散人数及使用情况如表4所示，定义当人群密度达到2.5 人/m2时为拥堵状态。统计数据发现人群选择的逃生路径分布并不均匀，通过楼梯间1疏散的人数比例最少为11%，而32%的人群选择楼梯间2进行疏散，选择楼梯间3、4、5的比例较为接近。为便于观察内部疏散情况，选取人数最多的第三层为观察平面，分析实时疏散情况。疏散开始15 s后，人群逐渐聚集在楼梯间2门口，疏散门前的走道发生堵塞；24 s后楼梯间3的疏散门前出现排队现象；45 s时楼梯间4、5开始出现拥堵，楼梯间1则一直保持相对顺畅。从水平运动的疏散耗时来看，70 s时选择楼梯间4、5的疏散人群已全部进入楼梯间，而第135 s时最后一名人员才进入楼梯间2。由于西侧疏散走道放置了较多候诊座椅，人群主要分布在楼梯间2附近，疏散开始后人群就近选择最近的安全出口楼梯间2疏散，而其他区域的患者由于恐慌与从众心理，也顺势向楼梯间2的方向集中，产生羊群效应，导致楼梯间2的使用率大幅提高，人员挤压较严重，拥堵时间较长。少数人员发现楼梯间2疏散门前拥挤，重新折回寻找安全疏散出口，从楼梯间1逃生。模拟表明疏散人员往往会忽略更容易通行的安全出口。

表4 现状条件各楼梯间模拟疏散数据统计

模拟发现在疏散过程中，楼梯间成为该门诊楼疏散过程中最主要的建筑瓶颈区域。上层人员与下层人员在楼梯平台发生汇流行为，人员间相互作用增大，使疏散速度减慢。此外，楼梯间3、4的梯段宽及疏散门宽度已超过防火规范的最低限值，然而楼梯间的承载能力仍无法满足现状条件下的疏散要求，出现一定时间的拥挤，这说明相关规范的强制

性要求对门诊楼建筑的防火设计疏散仍有一定的局限性，无法保障人群的高效疏散。此外，建筑设计时楼梯间1最宽为主楼梯，但其使用人数却最少。人群对于楼梯间的选择分布不均，也间接反应了建筑师在设计中的主观经验判断与实际使用情况存在一定偏差。

4 疏散影响因素及优化探究

根据疏散模拟情况，探究对该门诊楼建筑疏散效率的影响因素，并根据影响因素进行针对性优化以提高应急疏散能力。

4.1 平面布局的影响

紧急疏散时，疏散走道的有效宽度影响着人群的运动速度，而医院门诊楼的疏散走道布置了较多候诊座椅，现场观察发现部分区域的就座率较低，座椅占据了走道的较大空间，致使建筑东侧区域南北向疏散走道只有不足2 m宽，有限的空间仅供两股人流疏散，如有移动病床、轮椅患者通过，则极易造成疏散走道的堵塞。而在后疫情常态化时期，为防止疫情传播要求禁止邻位就座，造成一部分座椅完全成为疏散路径中的障碍物。此外，现状门诊楼的东南角部分的布局为袋形走道，不满足现行规范中疏散距离的要求，因此将平面房间及座椅布局做合理优化，使疏散走道形成环路，调整后标准层布局如图5所示，并进行疏散模拟，得到优化布局后的疏散时间为356 s。

图5 优化布局后标准层平面

表5为平面优化后的各楼梯间疏散相关数据统计。优化平面布局后的疏散时间较现状条件降低了31 s，对比表4可知，楼梯间的平均疏散效率有一定提升，楼梯间2～5的拥堵时间也有所降低。原先位于袋型走道的人群可选择的疏散路径增加，使疏散距离减少。从图6可以看出，平面优化前第四层与第五层的疏散时间较高，主要因为由于座椅摆放密集，人群疏散过程中出现相互碰撞的情况较高，疏散速度缓慢，少数朝向不同疏散方向的个体出现冲撞或推挤现象，致使大大延长了疏散时间。减少障碍物后，疏散有效宽度增加，人群可以适时改变疏散方向与调整速度，选择合理的安全出口，减少了冲撞的概率。

图6 各层人员至疏散门的疏散总耗时

表5 平面优化后各楼梯间模拟疏散数据统计

4.2 疏散门宽度的影响

《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)规定高层医院建筑楼梯间的首层疏散门的最小净宽为1.3 m，楼梯间2、5的疏散门宽度未达到现行规范要求。同时由上述模拟实验可知，楼梯间受疏散门宽度的限制，在一定时刻人群出现排队拥挤现象，疏散门前出现拱形结构，使疏散效率有所降低。因此尝试将楼梯的疏散门宽度进行不同程度调整，以0.1 m幅度从现状1.2 m增加至1.6 m分别进行模拟疏散，可得到疏散门宽度随疏散时间变化的关系如图7所示，其中1.2、1.3 m两种工况下只将楼梯间2、5的疏散门宽度增加至相应宽度，楼梯间1、3、4疏散门宽度不变。拓宽疏散门宽度后，人群总疏散时间有所下降，但下降趋势并非一致，随着疏散门宽度的增加，疏散时间变化趋势逐渐趋于缓和。当楼梯间2、5的疏散门宽度小于梯段宽度时，疏散时间减少较快，而当疏散门宽度超过楼梯间宽度时，总疏散时间趋于一致。模拟实验说明当疏散门宽度增加至接近楼梯梯段宽时，楼梯间内人员流量达到饱和，疏散时间达到相对最佳状态，继续增加疏散门宽度无法有效降低总疏散时间，若要进一步降低疏散时间则需加大梯段的宽度以增加楼梯间的通行能力。

图7 不同疏散门宽度下疏散时间趋势图

4.3 楼梯形式与宽度的影响

4.3.1 楼梯形式

门诊楼建筑中，楼梯间2单独采用了三跑平行式的设计方式，因此探讨将楼梯更改为两跑平行式后进行对照疏散模拟。将门诊楼建筑楼梯间2所在的局部平面抽离，提取第二～第六层中的不同群体共153人在不同起始位置通过该楼梯间进行逃生，仅改变楼梯形式，分别采用两跑及三跑平行式楼梯。对照实验数据如表6所示，疏散时间与人数关系如图8所示，三跑楼梯疏散效率显著高于二跑楼梯，且随着时间累计优势愈加明显。使用二跑楼梯形式的总体疏散时间为219 s，相比使用三跑楼梯降低了25 s，疏散效率提高了11%。实验结果说明，两跑楼梯比三跑楼梯更利于人群疏散，疏散效率更高。由于两跑楼梯相对于三跑楼梯拐角少、路径直接，人群在疏散时的观察视野更为清晰，疏散过程中易于判断前后人员运动的实时情况，疏散距离也相对较短，故有助于提高疏散效率。

图8 楼梯形式与疏散人数、时间关系

表6 不同楼梯形式下疏散数据

4.3.2 楼梯宽度

由上述模拟实验中可以发现门诊楼疏散过程中的主要瓶颈在于楼梯间，当疏散门宽度达到规范最低要求时，由于门诊楼疏散楼梯宽度的局限性，人群疏散效率受到较大影响，因此适当扩大楼梯梯段宽度进行模拟分析。保持主楼梯间1梯段1.65 m宽度不变，以0.1 m的幅度增加楼梯间2～5的梯段宽度至1.8 m，同时保持疏散门宽度与梯段宽度一致，分别进行疏散模拟。

模拟结果显示，随着楼梯段宽度的增加人群的疏散时间逐渐减少，即增加梯段宽度能明显减少人群的疏散时间。从图9可以看出，梯段宽在1.35～1.5 m时疏散时间降低幅度较少，依次为5%、2.4%，楼梯梯段在1.5～1.6 m时疏散时间下降幅度最大，疏散时间减少了8.9%，梯段宽在1.6～1.8 m时疏散时间降低幅度减缓，分别为4%、2.2%。这主要因为当梯段宽度为1.35～1.5 m时，楼梯宽度只能保证两股人流疏散，人群疏散速度缓慢。而当楼梯间的宽度扩至1.5～1.7 m时可满足部分人群三排并列疏散，楼梯通行能力大幅提高，疏散时间下降显著。

图9 不同梯段宽下的疏散时间趋势

基于软件统计的楼梯间2在各时刻的疏散人流量，通过低通滤波转化为连续曲线，能更加直观地表现不同楼梯宽度的疏散效率，如图10所示。楼梯间2在梯段增至1.8 m时出现了最高的流量，但其波动率较大，维持较高流量的时间最短。此时楼梯间的距离供三股人流疏散外仍有富余，允许了个体超越行为的发生，较容易发生产生推搡现象而影响周围人群的疏散行为，存在安全隐患，疏散效率增幅也因此降低。模拟实验表明，疏散时间随楼梯段宽度的增加逐步降低，但梯段宽度的选择不应无限制增加，针对本例，梯段宽为1.6 m时，人流量能保持一定时间稳定，同时能减少人群在疏散中的超越行为，达到相对理想的疏散效果。

图10 不同梯段宽下的楼梯间2的疏散流率

4.4 功能区位的影响

建筑中不同功能区位针对不同的使用对象，因此门诊楼各处的人群分布不尽相同，使用频率较高的功能区位人群较密集，而使用频率较少的区域人员相对分散，在疏散时易造成局部区域疏散压力较大，对疏散效率造成负面影响。楼层较高的功能区需要更长的疏散距离，也从而影响疏散时间。根据现场调研，发现存在以下问题：门诊楼一层除东侧为急诊用房，其余部分主要为公共休息厅及交通空间，空间利用率较低，而第二层～第六层每层均在中间连廊处设有挂号收费处，高峰时期排队人数众多，挤占通道空间；如图5所示，第二层人员疏散至安全出口的最终用时远高于其他楼层，主要由于第二层轮椅及移动病床较多，疏散时集中在消防电梯与楼梯前室遮挡住疏散人群的逃生路径，同时相对于第二层外科区域，第三层内科患者较多，且女性患者占比较大；第五层青年男性人员较多，而妇产科设置在第六层，女性群体较多。因此尝试从功能区位出发，通过改变部分功能区位位置模拟观察疏散结果，具体方式为：①首层门厅西侧增加挂号功能，可分流各层挂号收费处30%的排队人群，降低人群密度;②将第二层西侧骨科、外科功能区与第三层西侧内科功能区功能对调;③将第六层功能区与第五层对调；④同时对上述3种进行调整。

分别根据4种假设情景进行疏散模拟，得到的疏散时间分别为369.3、372.8、373、355.8 s，疏散时间相对现状条件有一定程度降低，其中最高减少了8%，即通过合理布局功能区位，可以实现人群分布的有效均衡，从而降低不同人群的行为特征对疏散产生的负面影响，提高整体疏散效率。