地震災害下的老舊社區避難場地規劃方法研究

徐柏剛，唐 建

（大連理工大學建筑與藝術學院，遼寧大連 116024）

1 背景

地震是“由地球的內動力作用而引起的一種地質現象”［1］。我國位于世界兩大地震帶中的太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，既存在板塊內部地震又存在板塊邊緣地震。地震活動具有頻率高和影響范圍大的特點。

1.1 社區韌性防災理念

近年來，我國各地發生了多起地震，災害造成重大的人員傷亡與財產損失［2］。如何在地震發生后保證普通居民可以安全與高效的進行避難，是衡量城市防災能力的重要體現之一。

“韌性防災”起源于“韌性城市”（Resilience City）的概念。其主要指城市系統能夠化解和抵御各種自然災害的沖擊，并使受災地區可以快速的恢復正常。“韌性防災”不同于以往通過防災設防來減輕災害損失的思想，其更加偏向于強調受災地區面對災害時的抗災性與抵御災害的能力［3］。目前，“韌性防災”是防災規劃設計與研究領域的重要方向及熱點之一。

1.2 老舊社區韌性防災現狀及內涵

老舊社區普遍建筑的建設年代久遠，規劃布局落后、基礎設施短缺、居民年齡偏大、收入較低、人口密度及入住率較高［4］。以“韌性防災”理念作為老舊社區防災規劃與設計的出發點，最大限度的激發出老舊社區自身的防災能力，對于震后提升城市整體的防災能力、減少人員傷亡與財產損失具有十分重要的意義。

老舊社區的“韌性防災”建設體現于災前準備、災時減災與災后恢復重建三個部分。災前準備部分，包含通過培訓普通居民的防災能力并建立災時救災自愿者體系等多項措施以增強老舊社區的防災能力。災時減災部分，通過完善與合理布局老舊社區內的各項防災基礎設施來最大化的消減各種災害的沖擊。災后恢復重建部分，包含重建與修復各類防災基礎設施，恢復老舊社區的承災能力與防災體系等多項措施。該研究的研究過程與成果主要用來提升老舊社區的災時減災能力。

1.3 國內外相關研究

1.3.1 關于“韌性社區”防災的相關研究

（1）針對“韌性社區”防災的基礎研究

BULLEY［5］通過改進社區自身NGO組織的管理能力，以提升由于貧富差距和文化差距所影響的社區防災能力；舒誠憶［6］從資本投入角度對社區韌性進行度量研究，拓展了現有“韌性社區”的研究范圍；孫美玲［7］通過構建社區自身的防災與災時營救組織，增強社區的防災能力與韌性；俞澤昊［8］從社區的代際融合及資源回收角度，提出了改進社區韌性能力的方法。

（2）針對“韌性社區”防災的定量研究

國外方面，CUTTER等［9］建立地方防災能力模型（DROP），該模型以地震災害為基礎，可以用來改進社區的防災能力；COHEN等［10］建立社區防災能力的評估模型（CCRAM），該模型以“防災準備”等六個因素作為考察點，研究結論可以作為評價社區防災“韌性”能力強弱的依據。國內方面，楊雅婷［11］以地震災害為基礎，從穩定性、冗余度、效率性及適應性四個方面對韌性社區進行闡釋，運用層次分析法來確定各個指標的權重，得出相應的改進策略；姚世民［12］運用空間句法方法，結合Depthmap軟件進行震后道路層級的分析，得出各個等級道路的震后實際情況。

1.3.2 基于“韌性防災”理念下的老舊社區避難場地布局的相關研究

基于“韌性防災”理念下的避難場地優化布局即是在老舊社區中尋找可改進與合適的場地與空間。日本學者OKUBO等［13］通過分析加德滿都老舊社區在2015年尼泊爾大地震后的實際情況，運用設計手法把傳統庭院與避難場地進行綜合利用，以提升社區的整體防災能力。我國學者陳宣先［14］運用李克特量表法建立了山地城市災害風險評估指標體系。同時以風險值作為權重系數，創建了避難場地選址模型，并運用Lingo軟件編程得出沙壩老舊社區避難場地的最佳布局方案；楊哲飚［15］選取四川某縣作為研究對象，提出一種考慮層間位移角和面外加速度耦合影響的地震墜物實驗方法并運用BIM與VR場景進行仿真模擬，繼而依此技術手段對老舊社區內的避難場地布局提供定量分析。

整體來說，國內外以地震災害為基礎，依托“韌性社區”理念，在社區的組織結構、運行規則與模式等方面的相關研究較多；在定量仿真模擬分析和計算模型等方面的相關研究有一定的技術創新，但把這些技術應用于老舊社區避難場地方面的研究則處于起步階段，國內外學者的相關研究成果均較少。

2 老舊社區避難場地韌性防災基礎研究

2.1 基礎數據分析

2.1.1 現狀建筑老舊程度劃分

根據日本等防災發達國家依據多次地震災后建筑倒塌的實際情況，同時結合我國的實際建筑建設情況。可以把大連工人村社區現有建筑劃分為5個等級，即A類（1959年以前）、B類（1960年～1980年）、C類（1981年～2000年）、D類（2001年～2020年）和E類（無法準確確定建成年代）如圖1所示。

圖1 現狀建筑老舊程度劃分（以大連工人村社區為例）Fig.1 Existing building aging degree division（Dalian Workers Village community）

2.1.2 現狀社區人群構成

老舊社區內的現狀人口組成特點及密度將直接影響震后的避難情況。對比新建社區，老舊社區因為區位優勢及房租相對便宜等原因，導致社區內部存在著一定數量的外來居民，同時老舊社區內的老年居住者比例也相對較高。

2.2 防災基礎設施分析

2.2.1 避難道路

避難道路指各種災害發生后，可以用于居民及各種車輛進行疏散避難的道路。目前世界通行做法為在進行場地規劃設計時，除非個別地區設置專用的避難道路，一般情況下均考慮將場地內的交通性道路與避難道路合并并統一進行考慮。我國老舊社區建成年代基本位于改革開放前，因此現有道路寬度普遍較窄，同時由于社區內存在一定的私搭亂建，因此部分路段會更加狹窄［16］。

2.2.2 避難場地

地震災害具有發生突然、破壞力大以及伴隨次生災害的特點，因此需要布置一定數量的避難場地。此類避難場地是臨時性的，因此不需要配置相應的防災配套設施，其用途是用來保證普通居民災后可以躲避災害的沖擊，及作為向更高層級避難場所轉移的臨時安置點。老舊社區一般存在無法提供足夠的室外公共空間及路網布局較為混亂的問題［17］，因此可以考慮把臨街空地、學校場地及社區公園作為臨時避難場地如圖2所示［18-19］。老舊社區內避難場地建設的質量與數量，將會直接決定與體現所在社區的防災能力與水平。

圖2 老舊社區的臨時避難場地（以大連工人村社區為例）Fig.2 Old communities’emergency shelter（Dalian Workers Village community）

2.3 地震災害影響情況分析

2.3.1 建筑倒塌情況

地震發生后，避難道路路面覆蓋大量建筑瓦礫并且機動車輛也基本喪失了行動能力，因此災后普通居民的避難只能以步行為主。目前，震后建筑倒塌產生的瓦礫范圍，還不能完全準確的進行預測［20］。我國學者田青蕓等［21］和馬東輝等［22］以建筑物上部樓層傾倒模型為基礎，結合動力學分析，得出基于建筑高度的震后瓦礫分布范圍統計表。日本學者兼重直毅和今井健太郎等以過往地震災后實地考察作為依據，經過分析與推算，得出在7.5級地震的情況下，建筑瓦礫的主要覆蓋范圍為建筑高度的0.5～0.6之間，包括日本高知縣在內，許多日本城市的防災文件也均以此數據作為防災的基礎計算數據［23-25］。對比國內外的研究結果并進行互相校準，該研究選擇建筑高度的0.58作為現狀建筑倒塌后瓦礫的流出范圍。

2.3.2 避難道路堵塞情況

避難道路被建筑瓦礫完全覆蓋，其通行能力極低。避難道路被建筑瓦礫部分覆蓋，其通行能力會有一定程度的折減如圖3所示。

圖3 震后建筑倒塌范圍Fig.3 Building collapse rangedue to earthquake

目前，我國針對道路在瓦礫不完全覆蓋下通行率的相關研究較少，日本等國家的研究經驗相對比較豐富與成熟。通過對比多個現存的道路閉塞率計算公式及公式適用的城市形態，該研究選用日本學者源貴志的研究結果，該公式相對比較符合老舊社區的實際情況［26］。

式中：r為沿街老舊建筑比例；n為影響避難道路的沿街建筑物數量；P2為道路閉塞率。

3 基于地震災害的老舊社區避難場地韌性防災定量分析的體系構建

3.1 多智能體仿真模擬技術及特點

把多智能體仿真模擬技術應用于地震災害分析和城市規劃設計等研究方面，可以有效的提升研究的科學性與準確性，是近年來地震災害學和城市規劃等領域重要的定量分析手法之一。

針對多智能體仿真模擬平臺主要有兩種類型：一種是應用型的仿真模擬平臺，即仿真模擬平臺已經預先設定好相應的程序與用途，使用者只能按照既定的程序運行相應的模擬，但其具有缺乏可拓展性的缺點；另一種為具有底層開發功能的仿真模擬平臺，包括Artisoc、SWARM、Repast Simphony/J和Netlogo等，Repast Simphony等仿真模擬平臺在可拓展性上具有一定的優勢。以GIS為基礎信息平臺，在Repast Simphony多智能體仿真模擬平臺具有智能體之間互相影響以及與周邊環境互相影響的特點，因此根據具體研究條件及需求通過編程來設定各個智能體的行為模式，可以更加真實的表現出老舊社區普通居民震后避難的實際情況。

3.2 基于多智能體的震后老舊社區避難場地仿真模擬定量分析體系構建

以老舊社區GIS數據庫為基礎，在Repast Simphony仿真模擬平臺上依據研究需求進行二次開發。整個仿真模擬運行體系結構分為三個部分，即：基礎數據準備階段、仿真模擬運行階段與韌性防災避難場地規劃方法試驗階段如圖4所示。

圖4 老舊社區多智能體仿真模擬運行體系Fig.4 Multi-agent simulation operating system for old communities

基礎數據準備階段主要依托GIS數據平臺，通過調取現狀老舊社區的建筑與道路數據，計算震后現狀建筑的倒塌程度及社區內道路的堵塞程度，并以此作為仿真模擬的基礎數據。

仿真模擬運行階段，首先在Repast Simphony平臺中，通過二次編程建立整個仿真模擬體系，在場地內隨機生成多種類型多智能體，各類多智能體代表不同種類的人群并被賦予不同的避難速度，然后通過Dijkstra算法（最短路徑算法）自行尋找最近的避難場地，最終在規定時間內進入避難場地的多智能體即被確認為成功完成整個避難行為過程。此方法在過往單一智能體之間相互影響的情況下，建立多智能體塊的概念，使多智能體群之間再次進行互相影響，互相學習，以體現出老舊社區中普通群眾的從眾心理。

“韌性防災”避難場地規劃方法試驗階段即按照研究需求在GIS基礎數據庫中分別新增多類避難場地并進行仿真模擬實驗，得出結果并進行優劣對比分析。

4 震后避難場地韌性防災規劃研究——以大連市工人村社區為例

4.1 大連工人村社區概況

大連工人村社區位于大連市東部，隸屬于大連香爐礁街道，占地總面積0.38 km2。該社區始建于1954年，當時是以蘇聯模式為基礎進行的規劃設計，其建設的主要目的是為其周邊的大連造船廠職工及家屬提供必要的住所。大連工人村社區主要是由多層住宅建筑構成。由于居住位置位于老城區、周邊商業、醫療等公共服務配套設施齊全并且房屋出租租金較低，因此，除了本社區的原有長期居民以外，還有一些城市外來居民居住于此。

4.2 仿真模擬環境設定

工人村社區位于大連市香爐礁街道的東南部，大連市位于郯城-營口地震帶的東側，1975年海城大地震即發生于該地震帶所在區域。根據統計，大連地區曾發生7級以上地震3次，該區域的地質結構具有再次發生7級以上地震的可能性［27］，因此大連市的地震災害風險十分嚴重。

按照本地區地震災害可能出現的破壞情況，該研究設定的地震為7.5級。需要避難人口數按照社區內的人口數峰值進行設定，以日本政府通行的震后避難時間1小時來控制避難完成時間。代表普通居民的智能體通過尋找周邊最近的避難場地并成功進入避難場地即為完成整個避難過程。

4.3 仿真模擬基礎數據分析

4.3.1 現狀工人村社區建筑情況

工人村內現存的建筑大部分建設時間為20世紀50年代至20世紀90年代之間。住宅戶型普遍較小，建筑面積很少超過80 m2，大部分戶型的建筑面積為60 m2以下。根據實地調查，現狀大部分建筑為磚混結構，少部分高層建筑為框架結構。由于建設時間較久，缺乏維護等原因，導致建筑自身防災能力相對較弱。根據統計，工人村社區內現有A類建筑65棟，B類建筑147棟，C類建筑74棟，D類建筑23棟，E類建筑15棟。

4.3.2 工人村社區現狀人口情況

目前，我國的人口統計只是按照社區戶數及單位進行統計，因此只存在一組較為準確的人口數據，各個時間段的具體人口數量沒有統計。由于工人村社區居民主要為大連低收入人群及外來務工人員，因此住房空置率很低。根據第六次人口普查統計，大連工人村社區主要居住戶數為3 211戶，居住人口為10 200人，其中包含正常人群與受照顧群體（14歲以下兒童與65歲以上的老人）。其中常住居民8 558人（正常人群6 897人和受照顧群體1 661人），外來居民占總居住人口的比例為16.1%，約1 642人（正常人群1 323人和受照顧群體319人）［28］。同時依據2021年大連市統計年鑒，工人村社區內現有3所小學與1所中學，因此存在著2 862人的固定流動人群（其中小學生1 758人、中學生900人和教職人員204人）。按照地震時人口數最多的原則，大連工人村社區內需要避難的人數為13 062人，其中受照顧群體為4 038人。（包含社區內的3所小學全部學生及1所中學的初一全部學生）

程家喻［29］通過對唐山大地震震后建筑倒塌情況的分析，換算得出在7.5級地震下的建筑倒塌比率為28.09%；傅征祥［30］也根據唐山大地震得出在無特殊地震預報下的地震人員傷亡計算公式：

式中：Log（RD）為死亡率；RBC為建筑倒塌率。

大連工人村社區內建筑建設年代、建筑層數、建筑結構與發生唐山大地震時期唐山市內的社區情況相仿，因此該研究選用程家喻與傅征祥的研究結論作為研究基礎，根據公式（2）估算得出大連工人村社區震后直接死亡人數為606人，需要避難人數為12 456人（常住居民8 161人、外來居民1 566人和固定流動人群2 729人），其中受照顧群體共3 851人（常住居民受照顧群體1 584人、外來居民受照顧群體304人和固定流動人群受照顧群體1 962人）。

4.3.3 工人村社區現狀避難道路情況

根據公式（1）可以得出工人村社區在7.5級地震設定下各條道路的閉塞率如圖5所示。繼而分析可以得出：震后工人村社區內宅間路大部分為完全堵塞狀態，只有少數的宅間路可以通行。主干路與次干路有一定程度的堵塞，震后會減緩普通居民在其上的避難行走速度。

圖5 大連工人村老舊社區震后道路閉塞率Fig.5 Road congestion rate of Dalian Workers Village community after the earthquake

4.3.4 工人村社區現狀避難場地情況

根據大連工人村社區的實際情況，三種類型的避難場地共有6塊（圖6中1號、2號、5號和6號為學校場地，3號為臨街空地和4號為社區公園）總面積為6 951 m2。社區內的1所中學與小學的運動場地為主要的避難場地，最大的面積為2 669 m2。一旦發生地震災害，如果按照1 m2/人的標準來計算［31］，社區還缺少將近5 500人的避難空間，工人村社區現存的避難場地無法滿足普通居民基本的地震災害避難需求，同時現狀避難場地主要分布于社區的北部，社區人口較多的東南部及西南部則分布很少如圖6所示。

圖6 大連工人村老舊社區現狀及新增避難場地Fig.6 Current and new emergency shelters of Dalian Workers Village community

4.3.5 工人村社區現狀居民避難情況

有瓦礫覆蓋的道路，道路可通行寬度會有一定程度的縮減，通行能力會有顯著的降低，各類居民通過其進行避難的步行速度會有一定的折減；對于完全堵塞的道路，居民只能在建筑瓦礫上面步行，因此步行速度會極其緩慢。

工人村社區內的居民由常住居民（包含外來居民）及固定流動人群兩種類型組成，兩種類型內均包含有一定數量的弱勢群體，因此由于不同類型居民內的弱勢群體災后辨別道路能力及避難行動能力差異很小，因此該研究把常住居民（包含外來居民）及固定流動人群內的弱勢群體進行統一考慮；常住居民中的正常人群與外來居民中的正常人群由于對社區內現狀環境認識的差異會間接的影響震后人群的步行速度，因此該研究對社區內所有人群的避難速度劃分為三種類型。

當前，我國缺乏針對震后各類人群避難速度的相關研究，因此該研究從居民的身體素質和文化認知水平等方面進行考慮，同時綜合分析現有的研究成果，最終選用竹島小一郎的研究結論做為該研究中各類人群的基礎避難速度［31］，同時根據我國居民的實際情況及工人村社區不同類型居民震后避難行為的特點，對各類人群的基礎避難速度進行了一定的修正見表1。

表1 大連工人村老舊社區現狀人群避難速度Table 1 Evacuation rate of Dalian Workers Village community residents

5 震后大連工人村老舊社區仿真模擬定量分析研究

5.1 仿真模擬過程及結果

大連工人村社區需要避難的人口總數為12 456人，依據現有計算機的運行能力，按照1（智能體個數）：20（實際需要避難人口數）比例在Repast Simphony平臺中分別生成相應的三類人群多智能體（常住居民409個、外來居民79個和弱勢群體137個），并隨機分布于工人村的老舊社區中。對于學校和市場等地點，增加30%的弱勢群體多智能體分布密度來體現其人口分布的特殊性。

運用GIS數據庫及Repast Simphony仿真模擬平臺對大連工人村社區進行多次仿真模擬實驗并得出具體數據如圖7-8所示，結論如下：

圖7 大連工人村老舊社區仿真模擬過程Fig.7 Simulation process of Dalian Workers Village community

（1）當7.5級地震發生后，大連工人村社區在人口數量最大的情況下避難成功率為52.85%，弱勢群體與社區外來居民由于自身的原因，在各個統計時間段的避難成功率均低于社區內的正常人群。

圖8 大連工人村老舊社區現狀避難成功率Fig.8 Summary of Dalian Workers Village community residents’evacuation success rate

（2）災害發生的最開始10分鐘內，由于避難場地主要分布于工人村社區的東部與北部，因此距離較近的居民可以就近快速的進入避難場地避難。該時間段內各類人群的避難成功率均處于整個模擬過程的最高值。10分鐘～30分鐘的時間段內，盡管整體避難成功率有所下降，但仍然處于整個模擬過程的相對較高水平；30分鐘～60分鐘的時間段內，由于工人村社區內有些避難場地已經達到了可容許避難人數的上限，因此避難成功率的增速開始逐漸下降，并且增速下降的速率也在加快。50分鐘～60分鐘時間段內，避難成功率雖然整體上還在增加，但是增速僅僅為2%。

（3）在震后1個小時的時限內，將近6 000名各類人群可以完成避難。剩余的各類人群，由于避難場地的現有容量及避難距離等原因，無法按時完成災后避難。

5.2 改進實驗方案的設計與分析

5.2.1 避難場地規劃改建方案設計

根據大連工人村社區的實際情況，從改建工程的可行性及降低改建強度的角度出發，以現狀建筑倒塌情況做為分析的基礎，按照同時滿足未被建筑瓦礫覆蓋及場地允許被改建這兩個條件，尋找可以做為兩類新增避難場地的備選地塊。通過與多名規劃專家、現狀社區居民進行分析與討論，在新增相同避難場地面積的情況下，提出新增集中性避難場地與新增分散型避難場地兩種改建方案如圖6所示。

5.2.2 改建方案數據分析

通過多智能體仿真模擬實驗對兩種新增避難場地改進方案進行分析并得出具體數據結果見表2。在1個小時內，新增兩類避難場地類型對于大連工人村老舊社區的避難成功率均有所提升。但是在新增一定的避難場地面積（＜500㎡）時，新增集中型避難場地對于整體的避難成功率提升相對較高；但是如果社區內擁有可以進行較大新增與改建避難場地的條件時，每新增一處分散型避難場地都可以有效的提升整體的避難成功率。當老舊社區內可以增加的避難場地面積超過一定數值時，新增分散型避難場地比新增集中型避難場地對于避難成功率的提升效果要更加明顯。

表2 新增避難場地改進實驗具體數據Table 2 Date of new emergency shelters experiment

6 結論

（1）通過對大連工人村老舊社區進行多智能體仿真模擬實驗。整個模擬過程可以清晰與準確的展現出在7.5級地震發生后工人村社區各種類型人群的避難情況。模擬實驗獲取的各類型數據準確。研究方法與結論可以作為基礎數據應用于地震及韌性社區的其他相關研究中。

（2）近年來，盡管我國政府及學者越來越重視老舊社區的相關防災與避難問題。但我國老舊社區還是很難完全滿足震后普通居民的避難需求。以大連工人村老舊社區為例，根據仿真模擬實驗，一旦發生地震災害，現狀1小時內的普通居民避難成功率只有52.85%，老舊社區的防災能力亟需進一步的提升。

（3）基于韌性防災理念的老舊社區避難場地規劃改進實驗。以仿真模擬定量分析為基礎，通過設計新增相同面積的“分散型”與“集中型”避難場地。得出在現有老舊社區改建能力有限時，新增集中型避難場地對于提升震后避難成功率的效果相對較好；當現有老舊社區具有較好的改建條件時，新增多處分散型避難場地可以更好的提升老舊社區的防災能力。