基于Pathfinder 的醫(yī)院門診樓疏散設(shè)計(jì)優(yōu)化研究
——以復(fù)興醫(yī)院門診部為例

王梓楠 符 皓 張 雪

2023 年4 月18 日，北京市豐臺(tái)區(qū)北京長(zhǎng)峰醫(yī)院發(fā)生火災(zāi)，造成重大人員傷亡，嚴(yán)重沖擊了人民群眾的安全感和幸福感，令人痛心。醫(yī)院作為收容和治療病人的專業(yè)機(jī)構(gòu)，承載著社會(huì)救死扶傷的責(zé)任，也肩負(fù)著公共建筑在緊急狀況下保護(hù)和疏導(dǎo)人群的責(zé)任。在現(xiàn)有的醫(yī)院火災(zāi)事故中，也顯示大多數(shù)傷亡的人員為醫(yī)院的患者，他們自救能力差，應(yīng)對(duì)緊急情況的反應(yīng)能力與疏散運(yùn)動(dòng)速度均低于健康的人群，且在疏散過程中需要醫(yī)護(hù)人員以及醫(yī)院管理人員的協(xié)助，極大的降低了整個(gè)人群安全疏散的效率。由于醫(yī)院獨(dú)特的建筑環(huán)境和人員的特殊性，開展緊急情況下大醫(yī)院人群的疏散研究至關(guān)重要。

1 Pathfinder 疏散模擬軟件

1.1 Pathfinder軟件介紹

Pathfinder 是一款用于人員疏散研究的仿真軟件。在模擬中，人員會(huì)根據(jù)彼此之間的距離和整體疏散距離來(lái)確定最佳的疏散路徑。這種綜合考慮人員之間的互動(dòng)和整體疏散效率的方法，能夠更準(zhǔn)確的模擬實(shí)際情況下的人員行為和疏散過程，為疏散設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供了有力的工具。在醫(yī)院疏散的模擬中，2021 版的Pathfinder甚至可以模擬不同傷殘人員的疏散情況，包括運(yùn)用輔助工具的臥床病人和使用輪椅的人，所以Pathfinder 軟件能更加精確的模擬醫(yī)院人群各種各樣復(fù)雜的疏散情況。

1.2 使用疏散模擬軟件模擬醫(yī)院疏散的必要性

目前，隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的研究人員將可視化技術(shù)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，最優(yōu)化技術(shù)等逐漸融入到人群疏散的研究當(dāng)中。這些技術(shù)彌補(bǔ)了以往數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜、難以普及的缺點(diǎn)，因而得到了廣泛的運(yùn)用。例如，姜澤民[1]使用FDS+Evac 軟件對(duì)大型醫(yī)院進(jìn)行了計(jì)算機(jī)疏散模擬分析，并發(fā)現(xiàn)疏散人員的決策響應(yīng)時(shí)間和身體狀況是影響醫(yī)院人群疏散效率的重要因素。此外，陳巖[2]利用Pathfinder 軟件對(duì)醫(yī)院住院大樓進(jìn)行了模擬，并表明使用電梯疏散可以提高人群的疏散效率。王建廷等[3]結(jié)合空間句法和Pathfinder 研究了醫(yī)院急診大樓的人群疏散能力。研究結(jié)果表明，醫(yī)院疏散出口的不均勻分布可能導(dǎo)致某些出口瞬時(shí)人流量過大，從而增加了踩踏事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

然而上述關(guān)于醫(yī)院建筑的疏散模擬中，雖然都考慮了不同行動(dòng)能力的人員疏散時(shí)的行進(jìn)速度，但卻忽視了在實(shí)際疏散過程中，傷殘級(jí)別較高的人員需要相應(yīng)的輔助工具進(jìn)行疏散的情況，沒有考慮利用輪椅、移動(dòng)病床進(jìn)行疏散的過程，對(duì)于綜合性醫(yī)院的人員疏散研究具有一定的局限性。因此，本文在考慮不同傷殘級(jí)別人員疏散的情況下，利用Pathfinder 軟件對(duì)綜合性醫(yī)院門診處的疏散情景進(jìn)行可視化模擬分析，可為綜合性醫(yī)院應(yīng)急安全設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)提高綜合性醫(yī)院的人群疏散能力具有重要意義。

2 疏散模擬的前期準(zhǔn)備

2.1 研究場(chǎng)地的選擇

本文的研究對(duì)象為北京市復(fù)興醫(yī)院的門診樓。該門診部位于北京市月壇北街4 號(hào)，處于南禮士路與月壇北街十字交叉口西南側(cè)。復(fù)興醫(yī)院門診樓位于一塊占地面積為1446 m2的區(qū)域，總建筑面積為5897 m2，共有五層樓。門診樓的主入口位于建筑的東側(cè)，面向主要街道開放，用于接納門診患者的人流。同時(shí)，在西側(cè)設(shè)置了工作人員的次入口，以便工作人員進(jìn)出。此外，北側(cè)也設(shè)有一個(gè)次入口，用于管理建筑內(nèi)部的人流。該門診樓功能相較于院區(qū)內(nèi)的門診樓較小、形體單一，影響因素較少，所以作為醫(yī)院門診樓的人群模擬疏散研究載體會(huì)比較明顯。

2.2 Pathfinder醫(yī)院模型建立

在以往的Pathfinder 相關(guān)的疏散研究中，部分研究人員會(huì)先在Revit 里建立研究對(duì)象的BIM 模型，然后導(dǎo)出dxf 格式的文件，接著導(dǎo)入Pathfinder中進(jìn)行建模研究。本文拋棄了繁瑣的BIM 模型的建立過程，直接將簡(jiǎn)化后的CAD 平面導(dǎo)入Pathfinder 中，在Pathfinder 中勾選運(yùn)動(dòng)區(qū)域建立出符合研究模擬要求的1 ～5 層疏散平面。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該醫(yī)院門診部沒有設(shè)置疏散電梯，僅設(shè)置了2 臺(tái)普通電梯，而這種電梯在緊急疏散時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，所以建立疏散模型時(shí)沒有設(shè)置電梯相關(guān)的疏散方式。

2.3 研究對(duì)象的參數(shù)設(shè)定

人群的整體疏散能力，主要體現(xiàn)在疏散人員的身體寬度，反應(yīng)時(shí)間，運(yùn)動(dòng)速度的快慢以及是否運(yùn)用特殊方式進(jìn)行協(xié)助疏散等。

2.3.1 疏散人員運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

醫(yī)護(hù)人員和家屬都擁有正常行走、正常疏散的能力，但根據(jù)性別與年齡的差異，他們疏散的能力存在相當(dāng)大的差異。醫(yī)院里的患者，尤其是不具備行走能力的患者（例如癱瘓?jiān)诖驳龋麄冃枰谒说膮f(xié)助下利用輪椅或者移動(dòng)病床來(lái)進(jìn)行外出活動(dòng)以及緊急疏散[4]。這些具備不同運(yùn)動(dòng)能力的人群混合在一起進(jìn)行緊急疏散的過程，往往比普通人群進(jìn)行緊急疏散的過程要復(fù)雜，其疏散效率也會(huì)因此降低。所以軟件中醫(yī)院疏散人員的疏散速度要根據(jù)不同的行為特點(diǎn)分別設(shè)置。

2.3.2 疏散人員身體寬度的參數(shù)設(shè)置

不同身體寬度的人員在進(jìn)行疏散時(shí)會(huì)對(duì)整體疏散過程產(chǎn)生不同的影響，如成年人、兒童或老年患者等，其身體寬度各不相同。正常疏散人員的疏散寬度由身體寬度（肩寬）所決定，而運(yùn)用輔助疏散工具的人員則不同，在疏散過程中，不具備行走能力的患者在逃生時(shí)的疏散方式主要有2 種：第1，運(yùn)用輪椅進(jìn)行逃生；第2，運(yùn)用擔(dān)架或移動(dòng)病床逃生。通過輪椅逃生的人員疏散時(shí)需要一名人員（家屬或者醫(yī)護(hù)人員）的幫助，而通過擔(dān)架或病床逃生的患者則需要兩名護(hù)理人員的幫助。采用輪椅或者病床疏散的患者，基本都為需要家屬或者醫(yī)護(hù)人員的幫助，所以在疏散模擬時(shí)只考慮在人員幫扶的情況下疏散。

2.3.3 人體反應(yīng)時(shí)間參數(shù)設(shè)定

人體的反應(yīng)時(shí)間是指從火災(zāi)發(fā)生開始到人員開始疏散行為的時(shí)間。相關(guān)研究表明，中年青年人的心理和生理狀態(tài)比較健康，在察覺災(zāi)難發(fā)生時(shí)能夠快速做出反應(yīng)，但兒童和老年人對(duì)于緊急情況的反應(yīng)會(huì)比較緩慢。

綜上，本文結(jié)合相關(guān)研究[5-7]和醫(yī)院采集的大量數(shù)據(jù)，對(duì)醫(yī)院內(nèi)不同人員類型的反應(yīng)時(shí)間，空間占比，疏散速度進(jìn)行了設(shè)定，如表1 所示。

表1 疏散人員仿真疏散參數(shù)設(shè)置參照表

2.4 疏散場(chǎng)景設(shè)置

2.4.1 各層的人員疏散模擬

為保證試驗(yàn)的精確性和可靠性，本文通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和視頻記錄法，收集了復(fù)興醫(yī)院門診部工作日和雙休日兩個(gè)時(shí)段的各層人員平均分布數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)工作日（周一至周五）前往醫(yī)院的人數(shù)比雙休日（周六周日）的人數(shù)多，當(dāng)需要疏散時(shí)醫(yī)院承擔(dān)的疏散壓力比較大，為保證模擬結(jié)果能匹配醫(yī)院日常疏散要求，所以之后的場(chǎng)景搭建時(shí)按照工作日的最大值進(jìn)行設(shè)置。

2.4.2 疏散場(chǎng)景設(shè)置

本文主要研究在人群中存在運(yùn)用輪椅、移動(dòng)病床的病人的情況下的疏散過程，按照上文實(shí)際調(diào)研的情況進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置，其中醫(yī)護(hù)人員的位置大多都在房間內(nèi)，而患者的位置則大多在公共走廊行動(dòng)。所以將醫(yī)護(hù)人員限定在房間內(nèi)隨機(jī)布置，而其他人員限定在其可以到達(dá)的空間隨機(jī)設(shè)置。本文設(shè)置了5 個(gè)平行對(duì)照?qǐng)鼍埃謩e在5次隨機(jī)布置的情景下進(jìn)行疏散模擬。

3 疏散模擬過程分析

3.1 疏散完成時(shí)間

5 個(gè)不同分布情況下平行場(chǎng)景疏散模擬各自的疏散時(shí)間為：164.2、161.3、158、162.1、159.0 s，均符合公共建筑疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，且數(shù)據(jù)相似，所以本文選取疏散時(shí)間為161.3 s 模擬過程為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2 人群疏散密度分析

人群在公共建筑中疏散時(shí)，擁擠部分人群的人群密度（人數(shù)/m2）可以在一定程度上反映人群的擁擠程度，在Pathfinder 軟件的人群密度動(dòng)態(tài)演示窗口中，顏色越紅表示人員越密集，顏色越藍(lán)表示人員密集程度越低。經(jīng)觀察，人群最先發(fā)生擁堵的地方在于每層的樓梯間入口處、防火分區(qū)的疏散門與走廊交匯處附近，如圖1 所示，此時(shí)疏散時(shí)間為24.8 s。

之后，隨著疏散模擬的進(jìn)行，各樓層的人群相繼集中在建筑東西兩側(cè)的疏散樓梯處進(jìn)行疏散，此時(shí)西側(cè)1 ～4 層的樓梯間前疏散門處最為擁堵，也是危險(xiǎn)最容易發(fā)生的地方，而東側(cè)樓梯間，由于其較寬的樓梯梯段和樓梯間的疏散門，擁擠程度比較低，紅色區(qū)域比較少，瞬時(shí)情況如圖2 所示，此時(shí)疏散時(shí)間為41.8 s。

圖2 疏散時(shí)間為41.8 s 的人群密度動(dòng)態(tài)演示（來(lái)源：作者自繪）

當(dāng)疏散時(shí)間為132.5 s 時(shí)，東側(cè)樓梯間的人群已經(jīng)全部疏散完畢，而西側(cè)人群主要集中在1 層和2 層的樓梯間內(nèi)，擁擠程度比較嚴(yán)重。疏散時(shí)間到161.3 s 時(shí)，各層人員全部疏散完畢。

3.3 東西側(cè)疏散情況對(duì)比

在整體疏散過程中，東西兩側(cè)疏散情況差異較為明顯，這是由于兩側(cè)疏散樓梯的疏散效率所決定的，影響該建筑樓梯疏散效率的因素有：人員數(shù)量、人員構(gòu)成、疏散門寬度和樓梯梯段的寬度。在人員數(shù)量和人員構(gòu)成中東西兩側(cè)差距不大，但西側(cè)樓梯間的疏散門寬度和梯段寬度明顯較窄，在疏散過程中，人群會(huì)在疏散門前堆積，經(jīng)觀察，尤其是乘坐輪椅的人員通過時(shí)會(huì)將較窄的梯段和疏散門堵死，再加上其較慢的疏散速度更是會(huì)影響到整個(gè)疏散流程的疏散速度，所以疏散效率較低，東西兩側(cè)樓梯間擁擠時(shí)人員密度如圖3 所示。

圖3 東側(cè)與西側(cè)樓梯間疏散人群密度模擬過程圖（來(lái)源：作者自繪）

3.4 出入口分析

通過對(duì)首層3 個(gè)出口（北出口、東出口和西出口）的疏散人數(shù)與疏散時(shí)間（s）關(guān)系的分析，可以發(fā)現(xiàn)：北出口疏散人數(shù)最少且疏散時(shí)間最短。對(duì)比東出口和西出口的曲線，我們發(fā)現(xiàn)疏散速率與疏散完成時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，即疏散速率越快，疏散完成時(shí)間越早。東出口和西出口的疏散人數(shù)相近，但東出口的疏散時(shí)間為132.5 s，比西出口快28.8 s，疏散速率更快。

以上數(shù)據(jù)分析表明不同出口的疏散情況存在差異。北出口負(fù)責(zé)疏散首層的一部分人群，東出口和西出口則承擔(dān)著人員的疏散任務(wù)。東出口的疏散速率較快，疏散時(shí)間較短，而西出口的疏散速率較慢，疏散時(shí)間較長(zhǎng)。

4 優(yōu)化策略

4.1 優(yōu)化特殊人員疏散路徑

在公共建筑沒有疏散電梯的情況下，一遇到緊急狀態(tài)普通的運(yùn)載電梯會(huì)切斷電源，電梯也會(huì)在第一時(shí)間降到首層，位于高層的疏散人員就不得不要從疏散樓梯進(jìn)行疏散，而作為醫(yī)院中的弱勢(shì)群體（使用輪椅或者移動(dòng)病床的疏散人員），在通過較窄的梯段和疏散門時(shí)會(huì)堵塞在人群中難以移動(dòng)，再加上其緩慢的通過速度會(huì)嚴(yán)重影響整體的疏散速度，所以需要對(duì)這些特殊群體進(jìn)行專門疏散引導(dǎo)。由于西側(cè)樓梯間的疏散效率較低，梯段和疏散門的寬度較窄，希望醫(yī)護(hù)人員能在疏散現(xiàn)場(chǎng)指揮這些人員向具有較寬疏散門和梯段的東側(cè)樓梯間移動(dòng)。因此本文重新設(shè)計(jì)人群疏散行為，讓這些特殊人群盡量往東側(cè)行動(dòng)，并以此進(jìn)行疏散模擬。

由圖4 可知，整體人群疏散完成時(shí)間為153 s，比未優(yōu)化的疏散時(shí)間快了7 s，并且東西兩側(cè)疏散效率相似，完成疏散的時(shí)間差距不大，沒有存在東側(cè)入口空置使用的情況。

圖4 疏散路徑優(yōu)化后出入口疏散人數(shù)與時(shí)間的關(guān)系（來(lái)源：作者自繪）

4.2 增加疏散門寬度和樓梯梯段寬度

由上文東西側(cè)樓梯間疏散情況對(duì)比可知，在疏散過程中人群會(huì)在疏散門口和樓梯間內(nèi)部發(fā)生擁擠，進(jìn)而拖累整個(gè)人群的疏散效率。為了適應(yīng)正常患者和輪椅患者疏散時(shí)的必要寬度，該醫(yī)院的疏散門和樓梯間寬度應(yīng)該進(jìn)行適量的增加。該醫(yī)院西側(cè)樓梯梯段寬度為1.3 m，疏散門寬度為1.5 m。現(xiàn)將其樓梯梯段寬度優(yōu)化為1.5 m，疏散門寬度優(yōu)化為1.8 m。并以此情景進(jìn)行疏散模擬。模擬結(jié)果：整體人群疏散完成時(shí)間為151.8 s，比未優(yōu)化的疏散時(shí)間快了8.2 s，并且東西兩側(cè)疏散效率相似。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以北京復(fù)興醫(yī)院門診樓為研究對(duì)象，運(yùn)用疏散軟件Pathfinder 對(duì)該建筑在存在不同人員構(gòu)成的情況下的五個(gè)不同的疏散場(chǎng)景進(jìn)行模擬，通過觀察模擬過程中人群密度的實(shí)時(shí)變化和各個(gè)出口處疏散情況得出以下結(jié)論：

1）醫(yī)院門診樓中，人群擁擠最嚴(yán)重的地方主要發(fā)生在樓梯間，梯段寬度和疏散門寬度越窄，人群擁堵的情況就越明顯。醫(yī)院門診樓中，樓梯間和疏散門處是人群擁擠最嚴(yán)重的區(qū)域。樓梯梯段寬度和疏散門寬度的狹窄程度是導(dǎo)致人群擁堵的關(guān)鍵因素。因此，在門診樓的設(shè)計(jì)和規(guī)劃中，需要充分考慮到樓梯梯段和疏散門的寬度，以確保人群能夠順暢疏散，提高整體疏散效率。

2）在無(wú)法改造現(xiàn)有疏散條件的情況下，優(yōu)化特殊群體（輪椅使用者和移動(dòng)病床）的疏散路徑可以緩解人群疏散壓力。例如，通過醫(yī)護(hù)人員、廣播和疏散標(biāo)識(shí)，幫助其選擇疏散效率更高、更安全和更便捷的疏散方向，可以減輕擁堵，增加疏散效率，減少整體人群完成疏散的時(shí)間。

3）在醫(yī)院建筑的疏散中，為了提高整體疏散效率，不光要在建筑設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出疏散效率更高的醫(yī)院，還要從醫(yī)院全周期的服務(wù)中關(guān)注這些弱勢(shì)群體（老人、兒童和特殊工具使用者）的特殊需求，才能實(shí)現(xiàn)真正的“人民醫(yī)院為人民 ”。