基于STEPS的歷史地段火災疏散模擬研究

朱 剡

基于STEPS的歷史地段火災疏散模擬研究

朱 剡

作為具有生命力的遺產，歷史地段不斷受到來自火災的嚴重威脅。在保護歷史地段自身安全的同時，地段內公眾的疏散避難安全應得到保證。為了在保護歷史地段的基礎上保障公眾的火災疏散避難安全性，應用基于細胞自動機的理論的STEPS軟件，以寧波走馬塘古村落為例，以疏散時間、出口距離、通道使用強度3個指標為依據，對歷史地段進行火災疏散避難模擬分析，對歷史地區空間規劃提出相應的改造策略，并進行進一步的模擬驗證。

歷史地段 | 火災 | STEPS軟件 | 疏散模擬

朱 剡

中國城市規劃設計研究院上海分院

規劃師，碩士

0 引言

歷史地段在火災中的人員疏散避難存在極大隱患。歷史街區火災發生頻率較高，人員傷亡災害數不勝數。2011年1月，安慶市的巢山村破罡老街火災導致3人死亡。2011年，南昌西湖區石頭街連續兩次火災導致9人死亡。2012年5月，資中縣狀元街由于老建筑電線老化發生火災，3歲男童在火災中不幸身亡。

對歷史地段進行人員避難模擬研究具有很高的現實價值。年代久遠的古街區及古村落內往往人口密集，存在不安全的購物、旅游、祭禮活動，極易引起火災。其次，中國傳統古建筑由于以木材為主要建筑構件，在火災中容易造成較大損失。最后，雖然歷史街區由道路、河流、風火墻構成的防火分區尺寸小，但這些防火分區常遭到臨時建筑的破壞，避難的通道及避難的空間被擠占，生活其中的人民生命安全受到威脅。因此，研究歷史地段火災疏散避難問題刻不容緩。

對歷史地段疏散避難模擬研究也具有重要的理論價值。國內外既有研究將歷史地段防災的重點定在歷史地段的物質環境保護上，對人員的疏散避難安全研究較少[5]。研究建筑或街區疏散避難安全性最好的方式是進行模擬。然而，目前國內外疏散避難模擬相關的研究則主要針對建筑物，極少針對街區加以研究[6]。

在防災及疏散方面，日本和中國臺灣的研究實踐對歷史街區的疏散安全研究具備借鑒價值。日本有一套完善的防災觀、防災規劃編制體系、防災技術。中國臺灣針對災后救災和人員避難提出避難圈體系，對指揮及后勤系統、危險源、疏散通道、避難場地等要素均有詳細規定[9]。

在國內外疏散避難相關研究中，疏散避難的模型類型包括宏觀、中觀、微觀模型3種。其中宏觀模型中不考慮人的心理行為，分析中小尺度場景結果較不準確，適宜分析大尺度場景。微觀模型也就是連續模型，計算量龐大，適宜分析小尺度場景[1-4]。中觀模型也就是網格模型，最適宜分析街區尺度的場景。

1 細胞自動機理論與STEPS軟件技術方法

細胞自動機模型是中觀模型的一種，適宜分析街區尺度的場景。細胞自動機是一種內部包含一系列離散分布并受規則作用的元胞的動態格網系統。由規則網格、元胞、局部行為規則3要素組成。散布在規則網格中的元胞一般取有限的離散狀態，遵循相同的局部作用規則，并能在局部作用規則的約束下同步更新，同時大量元胞也能在局部作用規則下進行相互影響，從而構成復雜的動態系統的演化[11]。

STEPS是基于細胞自動機的預測行人在正常和緊急情況下運動的模擬工具。這個軟件原本被應用于模擬交通樞紐內行人運動，經過不斷地發展和實踐，STEPS軟件的疏散模擬場景已不再局限于地下車站或大型公建，開始向建筑組群和一定范圍城市地區發展。

STEPS較同類軟件具使用便捷、輸入信息完善、輸出數據直觀有效3大優點，適宜分析歷史街區的疏散避難模擬問題。首先，其界面清晰，使用便捷，支持其他多種軟件文件格式的轉換。其次，其能較完善精確地反映人員布局、人口構成、人的行為特征等多種避難主體信息，同時能準確地建構三維場地模型。最后，軟件可對場地內各個位置的疏散避難數據信息予以圖形化的直觀表達，便于分析并解決空間布局的問題。

STEPS的原理來自細胞自動機。一個元胞代表一個人。某一空間內的一群人類似于自組織的系統。人群展現出的復雜的行動模式是由個體遵守行為原則以及周圍人對他的影響產生的。STEPS軟件對細胞自動機理論的應用主要包括3個方面：格網系統、距離表格、人員決定過程（圖1）。

歷史地段疏散影響因子包括靜態影響因子和動態影響因子，各個因子的一系列小的疏散特點可被總結。表1對歷史地段各個影響因子與疏散避難特點進行分類和總結。

表1中的ABCD分別代表表2中的4個結論。各個影響因子疏散避難特點總結如表2所示。

STEPS軟件中，“使用強度”表示疏散通道某點在疏散中人經過的次數。“出口距離”概念表示某點至避難空間所需的移動距離，受障礙物阻礙，出口距離往往大于空間直線距離。結合上表的結論，疏散用時、場地各位置出口距離、通道使用強度[8]這3個指標是分析疏散避難安全性的核心指標。

2 走馬塘的背景分析

2.1 走馬塘人文地理背景

走馬塘位于寧波市鄞州區的姜山鎮，地處于平原，枕于奉化江支流東江之濱，周圍水網密布、相互通達，是一座典型的浙東水鄉小村。本次研究重點針對村內11 hm2的建設用地。

圖1 某單出口平面各位置與出口距離

如圖2所示，走馬塘的范圍約為460 m×255 m，整體肌理方正平直有序。四面的河道勾勒出方正的村莊輪廓，與村內井然有序的街道和建筑肌理相呼應，形成了富有文化內涵的村莊格局。

2.2 走馬塘保護要素

村整體結構可概括為“兩軸一點”，東西向聯系強于南北向。南部以一條東西向的老街為軸線，在軸線的中心位置是祖堂及祠堂，北部以蟹肚臍和荷花池串聯一條軸線，而荷花池為村內最具人氣的地點。村內主要的文物建筑均沿這兩線一點布置。

表1 歷史地段疏散影響因子的疏散避難特點梳理表

走馬塘古村落內的文物古跡豐富，主要包括文物建筑、歷史水系、文物小品、古橋。通過建筑質量及建筑風貌評價分析，村內80％以上的建筑年代久遠，為需受保護的文物建筑和歷史建筑。在未來的保護規劃中，對文物建筑應采用嚴格保護，對一般歷史建筑應以保留和修繕為主。少量臨時建筑風貌一般，質量一般或較差，可以視規劃需要改造或拆除。走馬塘街巷的布局結構為樹枝狀結構。多條南北向的小巷從兩條東西向的主路上延伸出來，將整個村落聯系在一起。街巷的基本機理為橫平豎直的形式，有利于建筑組群的采光和布局。但街巷的具體走線形式較為曲折，形成了諸多盡端路、曲線路、魚骨路、丁字路。現狀開放空間由村內廣場和綠地組成。開放空間主要分布在沿兩條軸線及沿水區域。共有13處開放空間的面積超過250 m2。這些空間均是合適的緊急避難空間。

2.3 走馬塘火災分析

走馬塘有較高的火災可能。在歷史上村內也曾發生過大火。清末年間的一場大火曾將遺宗祠燒毀。據調查，走馬塘內電線老化嚴重，電線電纜的更新速度很慢，建筑內部大量使用木材作為構架和裝飾，且村中有明火祭祀活動。此外，村內道路狹窄曲折，不利于撲救。最后，村內的消防設施分布不全，消防能力有限，使火災的危險性進一步提升。

因此，火災是走馬塘較易發生且危害較大的災害類型，須重點防治。

3 基于STEPS的走馬塘古村落A區現狀疏散模擬分析

3.1 疏散避難安全因子提取

3.1.1 防火分區的劃分

由于村內馬頭墻及道路天然形成的防火分區的存在，火災發生后著火的防火分區外圍區域不會受到火災威脅，因此只需要考慮每個防火分區自身的疏散避難問題即可。界定防火分區邊界為兩側建有封火墻的街道或是水岸等自然防火分隔。根據此原則，村落可分為11個防火分區，編號為A至K（圖3）。本次研究著重對A分區進行詳細的疏散模擬。

表2 歷史地段疏散避難特點總結表

表3 走馬塘緊急避難場地門檻要求

3.1.2 疏散通道的實景建構

STEPS軟件通過封鎖墻、封鎖墻出入口和樓梯平面來界定疏散通道的走向和尺寸。封鎖墻被用以表達建筑墻和水面；封鎖墻出入口被用以表達建筑物和院落的對外開口；樓梯平面被用以表達立體樓層間的聯系通道。

3.1.3 緊急避難場地的識別

緊急避難場地的服務半徑設為300 m，距研究地區300 m以外的避難場地不做統計；避難場地的規模應至少容納50人；每個人員需要的避難面積選取為1 m2；建筑倒塌退讓范圍結合國家規范和案例應設置為5 m（表3）。

走馬塘現狀滿足上述要求的緊急避難空間共23個，其中村對外出口9個，村內緊急避難場地14個。緊急避難空間的分布如圖4所示，編為1至23號。

3.1.4 人口結構分布與行為特征

走馬塘共有本地家庭615戶，村民1 559人。外來游客占本地居民的比例約為10％。其中本文重點研究的實驗地塊A區總人口為308人，其中本地居民280人，外地游客設定為28人。人口按年齡結構分為幼兒（無行動能力）、少年、青年、成年男性、成年女性、老年人。在居住人口和旅游人口中各類人群的比例如表4所示。人口數量及比例來源于對村人口資料的收集統計。

根據人口、年齡、性別不同，人員心理行為特征分為6類，包括幼兒、少年、青年、成年男性、成年女性、老年人。其中幼兒由其父母攜帶疏散，因此在STEPS軟件中輸入的人群只包括其余少年、青年、成年男性、成年女性、老年人這五類。表5為各類人群行為參數一覽表[10]。移動速度取實測該年齡段人群的平均值[7]。

圖2 走馬塘現狀平面圖

圖3 現狀防火分區分布圖

3.2 走馬塘古村落A區現狀疏散模擬分析

3.2.1 走馬塘A區不同時刻疏散場景與疏散時間

在占地面積1.06 hm2的A區內模擬消耗的疏散時長為2分07秒，時間較長。各時刻避難場景如圖5所示。通過場景模擬可見，避難于17號出口的人數最多，由A區北部向17號出口移動人群的疏散避難時間最長。

圖4 走馬塘緊急避難空間分布

各個時刻成功到達避難場地人數統計如圖6所示。疏散避難的高峰期在0:14至1:29之間。

通過現狀的模擬場景和數據初步總結，A地塊北部疏散有待改進。

3.2.2 A區疏散通道使用強度分析

使用強度（Usage）反映了從疏散開始時刻到某一時刻內疏散通道某一位置的避難通過人次。使用次數多的位置則疏散壓力較大，重要性較高。A區的使用強度如圖7所示。

根據色塊圖分析，地塊面積較大，整體疏散通道使用強度偏高，中北部疏散通道使用強度過大，疏散路線曲折過長，且通道經過民居的過街樓，存在一定的安全隱患。

3.2.3 走馬塘A分區出口距離分析

STEPS可以設定任一個平面中各個點的出口距離。出口距離指某一位置與最近的出口的距離。某一位置出口距離值越高，反映該位置與最近出口距離越遠，疏散避難安全性越低。STEPS軟件為避難場所分布合理性提供了直觀的評判。

A分區的出口距離如圖8所示。地塊中部偏東區域出口距離較大，離避難空間較遠，存在疏散問題。

3.2.4 現狀疏散避難問題分析

首先，走馬塘需要保護的現狀要素較多，包括歷史街巷、歷史小品、歷史建筑等。不能以損害村內歷史要素或降低村莊歷史文化價值為代價進行任何規劃改造。

其次，基于疏散模擬場景，走馬塘A區面積較大，疏散避難時間較長，通過拆除部分違章建筑，加固防火墻，杜絕局部建筑之間的相互火災影響隱患，可將A區拆分成兩個小的防火分區，從而減少火災的避難時間。

表4 居住人口與旅游人口年齡構成一覽表

表5 各類人群行為參數一覽表

圖5 A地塊各時刻疏散場景

圖6 各個時刻成功疏散統計圖

再次，走馬塘A區中北部使用強度較高，這不僅因為此區域的緊急避難空間較少，人員到最近的緊急避難場地需較長距離，人群集中到主要道路上造成了擁擠。而且因為局部地區疏散通道數量太少，疏散道路寬度過窄，也造成使用強度過高。在保護遺存的前提下，應當適度增加某些地區疏散通道的寬度或數量，從而縮短疏散總時間。

最后，通過緊急避難空間出口距離分析，走馬塘A分區中部偏東區域出口距離值較大，適宜增加額外的緊急避難場地。

4 改造策略與模擬驗證

4.1 改造策略與方案

4.1.1 改造策略

走馬塘古村落A區改造的目標是在保護走馬塘歷史文化遺存和韻味的基礎上，提升其火災公眾疏散避難的安全性。

在對走馬塘A分區的改造中，應當堅持四大原則：歷史遺存保護原則、縮小受災范圍原則、便利疏散原則、過程安全原則。

（1）歷史遺存保護原則。對歷史地段各保護要素進行完善的保護，不斷完善其各項功能，保持歷史地段的活力，推動其逐步有序更新。

（2）縮小受災范圍的原則。為了避免過大的防火分區內火勢蔓延失控而導致大面積房屋被毀，大量群眾疏散避難距離過長，應當通過拆除局部違章建筑、隔絕局部建筑間的火災影響來縮小防火分區面積。

（3）便利疏散原則。通過縮短疏散距離、減少疏散通道通過壓力、增加避難空間等手段，盡量縮短疏散避難所需時間。

（4）過程安全原則。為了盡量避免在疏散過程中人員被倒塌建筑物砸傷，應避免疏散通道經過架空建筑、懸挑構筑物等。

4.1.2 改造方案

圖7 A區各時刻使用強度

圖8 A分區出口距離圖

圖9 A分區改造措施

圖10 走馬塘A1及A2區20秒使用強度

圖11 A1及A2分區出口距離

在A地塊中，方案拆除部分疏散通道經過的違章過街樓，疏通主要通道，隔絕局部建筑間可能的火災蔓延影響，將較大面積的A分區拆分為A1和A2兩個防火分區。所有拆除的建筑均為建筑綜合評價中適宜拆除的違章建筑。改造的方案如圖9所示。

4.2 模擬驗證

A區改造前疏散時間為2分07秒，改造后A1分區的疏散時間縮短為1分28秒，A2分區縮短為1分47秒。改造方案從疏散時間的驗證上是有效的。

對改造方案進行疏散通道使用強度驗證，通過模擬可見，疏散通道的長度和使用強度均較低，分布較均勻，安全性較好（圖10）。

將改造方案進行出口距離的模擬，可確定平面各點與避難空間的通達性是否良好，從而可以驗證方案避難空間布局的合理性。

對改造方案進行出口距離校驗，各防火分區的出口距離值均較低，避難空間的分布也較為合理（圖11）。

5 結語

本文針對歷史地段最易發生的火災危害，從人員避難安全的視角，運用STEPS軟件模擬分析歷史地段的疏散安全性，并對原本的保護規劃提出修改建議，從而可在最短時間內有針對性地達到避災減災的目的。

本文對規劃領域的疏散安全、歷史地段的防災疏散空間布局優化具有一定的理論創新價值。

以往研究對于疏散避難問題的解決策略往往歸結于簡單的拆違拓路，缺少定量分析的技術方法，尤其是缺乏運用軟件進行模擬的手段。本研究運用軟件模擬的手段，大大優于原本的定性方式。

以往疏散避難模擬研究局限于微觀建筑尺度。本研究將模擬的視野拓展至一個城市片區尺度，無論從研究內容的復雜性還是研究對象的范圍上都具有一定的理論突破性。未來對城市街區空間的疏散安全研究均可從出口距離、通道使用強度、總體疏散時間3個方面作為衡量標準，從而優化人群、城市避難空間及疏散通道的分布。

同時，本文的研究在所用軟件上也存在一定不足之處。

軟件難以完全反映人的一切疏散行為模式。例如，社會文化對人的行為模式具約束作用。英國人的紳士精神會導致女士優先疏散。

STEPS軟件只適合模擬中觀步行場景疏散，歷史地區疏散安全問題的最終解決有待軟件進一步發展及多學科綜合研究。

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Research on Evacuation Simulation in Historic District Based on STEPS

As a kind of relic which still has its life, historic districts suffer the threat of fire hazard. At the same time, when we protect the safety of physical environment of historic district, the evacuation safety of the public living there should also be guaranteed. In order to protect the public evacuation safety in the premise of protecting the historical environment, the essay applies STEPS software, which is based on the theory of Cellular Automaton, taking Ningbo Zoumatang historical village for instance, using three indicators, evacuation time, exit potential, path using intensity, to simulate the evacuation in the fire and to analyze the possible problems. Then, the essay gives corresponding strategy and makes another simulation to prove the efficiency of the strategy.

Historic district | Fire disaster | STEPS Software | Evacuation simulation

1673-8985（2016）01-0045-06

TU981

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