基于社會力模型的重慶商業中心區疏散道路休憩設施布置研究

鄒明妍,周鐵軍,王大川

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200082； 2.重慶大學建筑城規學院，重慶 400030 )

城市商業中心區的開發與城市用地、人口之間的矛盾升級，社會沖突加劇，這使得商業中心區的系統穩定性更為脆弱，高密度人群在聚集時更容易遭到較大突發事件的影響，如果疏散不及時，容易造成人員生命和財產的重大損失。地形高差大、疏散距離長、道路斷面高寬比大、人流量多、疏散道路內設施多等特點使重慶商業中心區突發事件下的應急疏散問題更為突出。休憩設施等景觀設施作為商業中心區室外公共活動空間不可或缺的組成要素，為商業中心區外部環境注入靈魂，提升了市民的游憩體驗；同時作為商業中心區外部空間的實體要素，影響著突發事件下人員的應急疏散。

突發事件的基本應對策略是通過安全、高效的應急疏散，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、暢通性和連續性已成為突發事件下應急疏散的重要保障。目前世界各國尚未形成一套針對突發事件發生時街區尺度下商業中心區應急步行疏散的設計準則，但美國、德國、日本等發達國家在這方面已經展開了較多的基礎工作，并運用到城市建設中。應急步行疏散領域內關于疏散道路的研究大多聚焦在安全評價與優化、疏散最短路徑、最小風險路徑等內容，忽視了休憩設施等物質實體與疏散道路暢通性之間的聯系。室內空間在物質實體如何影響應急疏散等方面的已有研究則相對成熟。在應急步行疏散方面的研究主要將休憩設施類比為障礙物計算疏散耗時，但缺少更為詳細的深入研究。疏散道路作為人員步行疏散的通道，更迫切需要深入地研究休憩設施等景觀設施作為物質實體對疏散道路暢通性的影響。

應急疏散的進程主要包括“突發事件發生地—疏散道路—避難場所”。模擬研究語境處于突發事件發生時人群在疏散道路內的快速行進階段，不考慮災源，人群在道路內不停留，需要應急疏散至安全區域。研究假設城市防災設計中疏散道路設計已經滿足了完整性、連續性和安全性的條件，有針對性地探討疏散道路的“暢通性”，屬于中微觀范疇的研究。本文以突發事件下重慶商業中心區人員應急步行疏散作為背景條件，根據實地調研的數據建立仿真模擬場景，運用社會力模型定量研究常見休憩設施對疏散道路暢通性的影響情況，并總結休憩設施量化布置的些許建議。

1 休憩設施與疏散道路暢通性之間的關聯性

1.1 疏散道路“暢通性”

重慶商業中心區的空間結構大多呈現出單核軸狀或放射狀的特征，以面狀廣場為中心向外輻射形成線性街道空間,室外疏散道路發揮雙重載體價值(見圖1)。日常情境中，疏散道路是提供駐足休息、娛樂交往的開放空間。為了滿足人群休憩、娛樂交往等需求，并提升空間體驗感，開放空間內布置了較多的休憩設施。休憩設施的布置以開放空間的設計要求為主，重點考慮空間可達性與人群的日常體驗。在突發事件發生時，線性開放空間又被用作應急步行疏散的通道，則需要考慮通道災時的安全性、暢通性、完整性和連續性(見圖2)。

圖1 疏散道路的雙重載體作用Fig.1 Dual carrier function of evacuation roads

圖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內長時間滯留會造成更嚴重的安全隱患，通過疏散道路安全、快速地逃離至避難場所成為人員應急疏散的實際需求。暢通性是指突發事件發生時，人群在疏散道路內進行應急步行疏散時能夠沒有阻擋或障礙地快速通行的一種狀態，可分為“通”和“暢”兩部分。人員在疏散道路內移動必須要保證個體在通行空間內任意兩點之間的可移動性，因此“通”要求疏散道路內任意兩點之間實現連通性，不存在墻體、建筑物等不可通過的障礙，以保證疏散人群在疏散過程中視線、行為的可達，滿足人員在空間內的可移動性。針對疏散個體而言，“暢”可理解為個體在疏散道路內兩點之間可移動的效率，但疏散個體應急疏散動作的完成不能代表群體疏散的結束，應急疏散的高效是指人群在疏散行進過程中盡可能地減少擁堵，能夠在“最短”的時間內完成從某一處移動至另一處的動作。考慮突發事件下人員應急疏散的實際需求，“暢”表示人群完成應急疏散過程的效率性要求，應急疏散效率越高，“暢”的性能越優。

1.2 休憩設施與疏散道路暢通性之間的關聯性

從疏散范圍、疏散人數等方面比較室內、外疏散的特征(見表1)，將休憩設施看作應急步行疏散過程中影響疏散道路暢通性的物質實體。根據室內疏散的研究成果，初步推測休憩設施的平面形狀、尺寸和布局位置會影響疏散人員應急疏散的效率。休憩設施通過疏散人員視線、行為上的可達性與人群可移動效率等方面影響著疏散道路的暢通性。

表1 室內外疏散的特征對比Table 1 Feature comparison in indoor and outdoor evacuation

2 休憩設施基礎調研

休憩設施是商業中心區步行空間內使用頻率最高的公共景觀設施，一般由樹木等景觀元素與滿足休憩功能的設施和設備組合構成，在空間內發揮著不可替代的作用。考慮調研數據的有效性、調研實施的可行性和仿真模擬模型的普適性等原因，調研樣本確定為休憩設施種類豐富、數量較多、人流量密集且災時轉化為疏散道路的純步行街道。本次調研了重慶五大商業中心區疏散道路內休憩設施的布局形式、類型和平面尺寸等數據，發現商業中心區休憩設施包括單株喬木樹池坐凳、形狀規則或異形的休閑座椅、成團樹池坐凳、景觀種植池4種類型，這4種類型的休憩設施在所調研路段中的占比依次為55.6%、22.2%、72.2%、16.7%。線性步行空間內，樹池坐凳的布置方式具有一定的規律；反之，景觀種植池和休閑座椅布置的規律性不強且數量較少。因此，本文以單株喬木樹池坐凳、成團樹池坐凳作為重慶商業中心區最具代表性的休憩設施進行了調研，成團樹池坐凳、單株喬木樹池坐凳的調研數據見表2和表3。

表2 成團樹池坐凳的調研數據Table 2 Data statistics of cluster-tree benches

表3 單株喬木樹池坐凳的調研數據Table 3 Data statistics of single-tree benches

由表2和表3可知：在成團樹池坐凳中，每個小組團的坐凳數量一般是4個，常布置在道路兩側或中央，通過統計得到了成團樹池坐凳不同平面形狀的尺寸數據與數量占比(見表2)，結果顯示：方形坐凳的數量占比較大，其中3.0 m×3.0 m尺寸的方形坐凳的數量占比最大；重慶商業中心區疏散道路內單株喬木樹池坐凳的數量以1～2個最為常見，方形和圓形的數量占比依次為87.5%和12.5%，且單株喬木樹池坐凳頂界面的覆蓋范圍大，存在寬度方向上覆蓋全部道路空間的情況(見圖3)。

圖3 單株喬木樹池坐凳頂界面覆蓋范圍Fig.3 Top interface coverage of single-tree benches

3 模擬實驗設置

根據上述休憩設施的調研數據，采用社會力模型，模擬人群在疏散道路內應急步行疏散的行進過程，利用Anylogic軟件構建模擬實驗的疏散道路模型，編碼應急疏散指令。仿真道路模型涉及道路寬度、休憩設施相關參數的設定；疏散人群通過軟件中的虛擬智能體進行設置，包括個體肩寬即半徑大小、行走速度、數量、異質群體比例與位置分布等參數;疏散指令是通過一系列代碼的運行對智能體下達應急疏散動作的命令。模擬實驗中利用Java代碼設定事件發生的時間，突發事件未發生前，智能體均在疏散道路內進行自由運動;疏散指令下達后，智能體在設定的時間開始應急疏散行動，此時突發事件發生，智能體會根據設定的路線朝安全區域不斷行進，行進過程中智能體會產生排隊、等待等行為;疏散完成指令下達給每個智能體，單個智能體只有到達程序指定的目標區域才能結束步行疏散指令。模擬實驗借助代碼記錄每個智能體到達安全區域完成應急疏散全過程的時間數據和智能體即時運動狀態。

3.1 疏散道路暢通性的判斷依據

在本次計算機模擬實驗中，所有智能體均依照應急疏散指令朝安全區域疏散。運動過程中，智能體在疏散道路內兩點之間具有可移動性成為模擬實驗的最基本要求，如果未滿足此要求，智能體將無法確定指令的最終目標區域，會產生疏散指令下達但智能體無法運動的情況，因此模擬實驗中疏散道路模型滿足兩點間可達性的要求，即疏散指令下達前，保證智能體在空間內兩點之間具有可移動性。前文提出“暢”是指人群移動的效率性需求，根據疏散時間和模擬實驗中休憩設施所在區域智能體的擁擠程度進行判斷。其中，疏散時間是用來判別暢通性與否的直觀數據；擁擠程度可表現為智能體間相互作用的程度、面密度的變化和行走速度的變化等情況。本文以模擬實驗中智能體移動的效率性需求為依據，判斷成團樹池坐凳和單株喬木樹池坐凳對疏散道路暢通性的影響情況。

3.2 模擬場景設置

為了減少無關變量對模擬結果產生的誤差，以便能夠得到休憩設施對疏散道路暢通性的真實影響情況，模擬實驗根據控制變量的原則建立道路模型，按照實地調研總結的數據布置休憩設施和路燈等必備設施，同時設置無休憩設施的對照組。智能體在疏散道路內部朝安全區域應急疏散，不考慮建筑出入口至疏散道路所在空間區域內智能體的涌動，疏散道路內靠近安全區域的智能體與遠離安全區域位于道路后方的智能體疊加。由于難以實時計算疏散道路內的人群數量，模擬實驗根據《城市道路交通規劃設計規范》(GB 50220—95)中“商業步行街區內步行道路和廣場的面積可按每平方米容納0.8～1人”的規定展開人數統計。從最不利于疏散的角度出發，模擬實驗按照每平方米1人的密度條件統計智能體數量。人群的密度會影響疏散人員的運動速度，借助社會力模型實現智能體的運動速度變化與人群密度之間的相互作用。智能體參數的設置遵循異質群體原則，將虛擬人員設置為老年人、中年人和青年人3個群體，老年人的自由行走速度設置為1.08～1.10 m/s，中年人的自由行走速度設置為1.20～1.25 m/s，青年人的自由行走速度設置為1.27～1.32 m/s。模擬實驗過程中，根據不同智能體間相互作用的程度，利用社會力模型衰減智能體的行走速度，為了避免模擬過程中智能體運行不穩定產生的誤差，模擬結果是第85百分位智能體完成整個指令的時間。為了保證結果的有效性并減小實驗誤差，實驗結果為15次重復模擬結果的平均值。

根據實地調研結果，模擬實驗中單株喬木圓形樹池坐凳的半徑區間設置為1.5～3.4 m，其方形坐凳的邊長區間設置為3.0～6.0 m，一共進行16組模擬實驗，每組實驗重復進行15次;成團樹池坐凳選擇3.0 m×3.0 m的方形坐凳，研究道路兩側或中央以成團矩陣布置和相對等距并排布置等不同布置形式作用下的疏散道路暢通性情況，一共進行5組模擬實驗，每組實驗同樣重復進行15次。由于模擬實驗場景過多，此處僅展示部分虛擬場景，依次是半徑為1.5 m位于道路中央布置的單株喬木圓形樹池坐凳的模擬場景[見圖4(a)]、邊長為4.5 m偏于道路一側布置的單株喬木方形樹池坐凳的模擬場景[見圖4(b)]、邊長為4.5 m位于道路一側并排布置的單株喬木方形樹池坐凳的模擬場景[見圖4(c)]、邊長為3.0 m位于道路中央等距布置的成團方形樹池坐凳模擬場景[見圖4(d)]。由于篇幅限制，本文僅展示部分模型某次不同時刻的模擬運行情況截圖，如圖5、圖6、圖7所示。

圖4 部分模擬場景截圖Fig.4 Simulation scene model

圖5 未布置休憩設施與邊長為3.5 m單株喬木方形樹池坐凳作用下模擬截圖Fig.5 Simulation screenshots under the action of no bench and a 3.5 m-square bench

圖6 邊長為3.0 m×3.0 m成團方形樹池坐凳位于道路兩側不等距布置作用下模擬截圖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

圖7 邊長為3.0 m×3.0 m成團方形樹池坐凳位于道路中央等距布置作用下模擬截圖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 模擬結果與討論

結合前文的模擬實驗，以成團樹池坐凳和單株喬木樹池坐凳等常見休憩設施為例，探討休憩設施利于疏散道路暢通性的高效性布置原則。

4.1 單株喬木樹池坐凳的高效性布置

單株喬木樹池坐凳包括4種較為常見的布置形式(見圖8)，比較上述模擬實驗結果，坐凳的形狀、尺寸和布置形式會影響疏散道路暢通性。單株喬木方形樹池坐凳對疏散道路暢通性影響的不利程度比相同面積圓形樹池坐凳更加顯著，當平面面積增大，兩者間的疏散時間差距越大，方形樹池坐凳的劣勢更加明顯。單株喬木方形樹池坐凳的平面邊長是制約疏散道路暢通性的因素，兩者呈現負相關的關系，其平面邊長越大，對疏散道路暢通性的制約性越強，越不利于應急疏散的高效性。但單株喬木方形樹池坐凳的平面邊長小于4.5 m時，不同平面邊長對疏散道路暢通性的制約程度明顯弱于平面邊長大于4.5 m時的制約性(見圖9)。將單株喬木圓形樹池坐凳的平面半徑作為控制變量時，得到不同平面半徑的單株喬木圓形樹池坐凳的15組模擬結果(見圖10)，去掉最大值與最小值并取平均值后發現單株喬木圓形樹池坐凳半徑為2.50 m時的疏散耗時最長，疏散時間為116.692 s，但與平面半徑為2.8 m、3.1 m、3.4 m所對應的疏散時間的差值均不超過2 s，因此單株喬木圓形樹池坐凳不同平面半徑對疏散道路暢通性的制約程度相差不大。相同條件下，單株喬木樹池坐凳位于疏散道路一側布置時模擬結果的平均值小于位于道路中央布置的模擬結果平均值，對疏散道路暢通性的制約作用更弱。

圖8 單株喬木樹池坐凳的常見布置形式Fig.8 Common arrangement forms of single-tree benches

圖9 不同平面邊長單株喬木方形樹池坐凳模擬實驗 結果Fig.9 Simulated experimental results of square benches of different sizes

圖10 不同平面半徑單株喬木圓形樹池坐凳模擬實驗 結果Fig.10 Simulated experimental results of round benches of different plane sizes

喬木寬大的樹冠作為頂部覆蓋面與地面形成光影變化豐富的林下空間，起到美化商業中心區外部空間環境的作用。基于疏散人群的尺度，滿足疏散道路暢通性的前提是實現疏散行進階段人群的視線可達與行為可達(見圖11)。單株喬木樹池坐凳建議選取高桿喬木，疏散人群可通過喬木的樹下空間直線疏散。商業中心區運營管理階段應及時修剪植物枝葉，保證樹下凈空高度宜大于1.8 m，既可滿足人們在樹下空間內進行各種交往活動的需求，又考慮到了人員在應急疏散過程中能夠有效規避疏散路徑前方的危險，避免疏散路線迂回的需求。

圖11 單株喬木樹池坐凳樹下空間與可達性的關系Fig.11 Relationship between accessibility and space under trees of single-tree benches

4.2 成團樹池坐凳的高效性布置

成團樹池坐凳將樹陣與坐凳相結合，形成空間領地感較強的半私密游憩空間。在線性步行空間內成團樹池坐凳的布置形式包括位于疏散道路兩側不等距布置(S)、位于疏散道路兩側等距布置(S)、位于疏散道路中央等距布置(S)和位于疏散道路中央矩陣布置(S)4種，見圖12。疏散環境條件相一致的情境下，對比于無休憩設施(S)的模擬實驗結果發現：不同成團樹池坐凳的布置形式S、S、S、S的平均疏散時間均高于未布置成團樹池坐凳S(對照組)的平均疏散時間，不利于疏散道路的暢通性。

圖12 成團樹池坐凳的常見布置形式Fig.12 Common layout forms of cluster-tree benches

比較不同布置形式下的模擬實驗結果，成團樹池坐凳位于道路兩側布置時對疏散道路暢通性的制約程度弱于位于疏散道路中央布置時的制約性，見圖13。

圖13 不同成團樹池坐凳常見的布置形式(S1～S4) 和對照組(S5)的模擬實驗結果Fig.13 Simulated experimental results of different common layout forms of cluster-tree benches (S1-S4) and the control group (S5)

5 結論與展望

5.1 研究結論

樹池、花池等景觀元素與休憩坐凳“一凳多用”的集約化組合方式不但能滿足市民社會交往、休憩娛樂等需求，更提升了商業中心區的空間品質和市民的空間體驗感，因此設計師常將其布置在商業中心區外部空間中。另外，疏散道路暢通性是確保疏散行動快速完成的重要保障。休憩設施的布置必須滿足疏散道路有效寬度的要求，在充分發揮自身功能以及景觀作用的基礎上保證疏散的高效性。

二次設計階段，為了充分保證疏散道路暢通性，若在商業中心區室外疏散薄弱的區域布置單株喬木樹池坐凳，則坐凳的平面形狀優先考慮圓形，采用方形的坐凳形式時，建議坐凳的平面邊長不宜大于4.5 m。以布置形式作為控制變量時，位于疏散道路兩側等距布置、位于疏散道路兩側不等距布置、位于疏散道路中央矩陣布置、位于疏散道路中央等距布置的成團樹池坐凳對疏散道路暢通性的制約程度依次增加，設計師可以通過事先對疏散道路在應急疏散方面的認知，采取適當的設計措施，在疏散較為薄弱的環節較好地兼顧疏散道路暢通性，選擇利于疏散的成團樹池坐凳布置形式。

5.2 研究意義與展望

疏散道路暢通性是城市防災規劃不容忽視的重要內容，商業中心區作為高密度人群的聚集場所，更需要具備良好的應急疏散能力。休憩設施作為疏散道路內的物質實體影響應急疏散下疏散道路的暢通性，從應急步行疏散的角度出發研究突發事件下休憩設施對疏散道路暢通性的影響具有必要性。對于該問題，當前研究主要是從疏散道路安全方面的定性研究、因子篩選與評價、系統動力學宏觀仿真等角度來進行的。安全工程研究領域逐漸從技術性觀點轉向行為學觀點，人員在應急疏散中的心理和行為表現決定了設施的應災安全性。基于人員行為對疏散問題微觀角度的研究目前主要集中在建筑室內，外部空間的相關研究尚較為缺乏。

本研究以商業中心區疏散道路暢通性為研究對象，詳盡調查了當前主流商業中心區疏散道路休憩設施的特征現狀，并根據調研數據通過計算機模擬，以人的尺度為依托從微觀角度建立休憩設施影響疏散道路暢通性的仿真假設模型，采用兼顧人員個體差異的微觀仿真方法探索了休憩設施對疏散道路暢通性的影響。在學術層面上，本研究拓展了當前商業中心區外部空間應急疏散方面的研究方法和研究視角，獲取了商業中心區外部空間常見休憩設施的基本類型、平面形式、尺度、布局位置等數據，補充了關于休憩景觀設施與人員應急疏散的基礎數據。在應用實踐層面上，本研究結果可為商業中心區前期的疏散安全規劃與設計、現有商業中心區疏散道路安全性評估與改造以及相關安全政策制定提供建議和參考，并依據應急疏散對疏散道路的需求在建筑、景觀設計領域提供更加全面的思考。

應急疏散是一項綜合且復雜的課題，今后的研究仍需不斷拓展休憩設施的種類形式以及不同公共景觀設施設計的規律性，深入研究人群的疏散行為與心理特征，從而建立更加準確的仿真模型，健全應急步行疏散方面的研究成果。