基于人員應急疏散仿真模擬的老舊住區戶外環境優化設計策略研究
——以鄭州市為例

畢 昕，邢素平，鄭東軍，曹 笛

引言

2020年《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中提出：“加強城鎮老舊小區改造和社區建設”[1]；國務院辦公廳《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》提出：“全面推進城鎮老舊小區改造的相關工作”[2]。我國所處的東亞地區屬于自然災害高發地區。2022年黨的二十大報告中指出要提高防災減災救災和急難險重突發公共事件處置保障能力。應急管理部救災和物資保障的統計數據顯示，僅2022年上半年，各種自然災害均有發生，共造成3 914.3萬人次受災，緊急轉移安置128.2萬人次；倒塌房屋1.8萬間，損壞房屋28.7萬間；直接經濟損失888.1億元[3]。

各地區多數老舊住區因建設初期缺乏合理規劃、設施未及時更新等導致戶外公共空間占用嚴重、交通擁堵、景觀缺失等，給災時人員緊急疏散留下較大隱患。加快城鎮老舊住區改造、提升老舊住區防減災能力成為亟待解決的城市發展問題，符合國家政策要求[4-6]。國內外相關領域研究主要集中在以下3個方面：居住區戶外空間更新理論與實踐研究[7-10]；人員應急疏散行為規律研究[11-14]；仿真疏散模擬的理論分析及控制措施[12-15]。

本研究對鄭州城區25個老舊住區進行實地調研，選取其中兩個典型住區作為研究對象，通過現場實測和仿真模擬對其戶外環境中的人員應急疏散行為規律及效率進行歸納總結，并提出老舊住區戶外環境優化設計策略。

1 鄭州市老舊住區現狀調研

調研對象的選取參考國務院辦公廳《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》中的建議：“各地要結合實際，合理界定本地區改造對象范圍，重點改造2000年底前建成的老舊小區”[2]和《鄭州市人民政府關于印發鄭州市老舊小區綜合改造工程實施方案的通知》中界定：“鄭州市內五區2002年以前建成投入使用的住宅小區列入綜合改造范圍”[16]。從鄭州市5個行政區（中原區、管城區、惠濟區、二七區、金水區）2000年以前建成的老舊小區（已列入棚戶區改造、三年內征收拆遷、“三供一業”改造移交計劃的老舊小區除外）中進行選取。

（1）規模分析：通過對鄭州市5個行政區超過3 500個居住區建成資料進行整理分析，2000年以前建成的老舊住區超1 357個，大多分布在三環內中心主城區。在這1 357個老舊住區中隨機選取200個，根據《城市居住區規劃設計標準》（GB 50180-2018）對老舊住區規模進行分類[17]，其中達到五分鐘生活圈規模有5個，占比2.50%；居住街坊規模有32個，占比16.00%；居住街坊以下規模住區163個，占比81.50%。分析上述數據可知，鄭州市城區2000年以前建成的老舊住區規模普遍較小，以居住街坊及居住街坊以下規模為主，占總數的95.00%以上。

（2）空間要素分析：影響住區戶外環境人員應急疏散效率的因素主要包括：建筑布局、交通組織和出入口位置[11]。根據這3個要素的差異，可將鄭州市老舊住區分為4種基本類型：行列式、周邊式、點群式、混合式[18]（表1）。對抽樣調查的鄭州城區200個老舊住區進行統計，其中行列式159個，占比79.50%；周邊式11個，占比5.50%；點群式住區5個，占比2.50%；混合式住區25個，占比12.50%。行列式老舊住區數量最多，是鄭州市老舊住區的主要類型。

（3）戶外環境分析：調研發現，鄭州市多數老舊住區有改造計劃但均未正式實施，道路空間擁擠，戶外空間場地類型單一，無障礙設施以及綠化植被布置匱乏等，導致人員應急疏散受到極大的影響（表2）。

2 老舊住區戶外環境疏散模擬

2.1 對象選取

本文從占比最大的行列式老舊住區中選取25個進行現場調研，并分別選取河醫家屬院、中州大學家屬院作為居住街坊規模及居住街坊以下規模的住區代表，于2022年7月對其進行現場實測及疏散仿真模擬研究，分析戶外環境要素對人員應急疏散效率的影響機制（表3）。

中州大學家屬院位于鄭州市二七區，1994年竣工，建筑呈行列式布局，唯一出入口位于住區西北側，通向京廣路，內有居住建筑5棟、建筑層數為5層，總戶數190戶，容積率2.0，綠化率約13%。住區主要道路沿東側和北側呈“L”形分布，無固定停車位，景觀綠化和活動場所未進行系統規劃。

河醫家屬院位于二七康復中街16號，建成于1996年，總體呈行列式布局，唯一出入口位于東側康復中街上，內有居住建筑15棟、共516戶，建筑層數5—7層，容積率2.1，綠化率15%，內部道路沿南北向呈網格狀正交分布、道路狹窄、人車混行、無固定停車位，私搭亂建情況嚴重。

2.2 模型搭建及參數設定

本文使用Building EXODUS軟件進行疏散仿真模擬，該軟件主要功能用于論證建筑行業規范，評估各種建筑物的逃離能力，以及調查環境中的人員移動效率[12]。

（1）建立戶外環境仿真模型：根據現場實測及天地圖確定住區內部建筑尺寸及布局關系，利用Building EXODUS軟件進行仿真疏散模擬，在幾何模式（即構建一個模擬結構）中，將住區內部住宅建筑擬定為房間，并根據住區與城市道路關系設定外部圍墻，根據住區既有出入口方位及數量設定為人員應急疏散出入口，并按照實際情況搭建其他戶外環境要素，同時將戶外環境中阻礙人員應急疏散的障礙空間設置為不可跨越的區域，住區整體疏散模型通過CAD包的DXF文件進行輸入[15]。

（2）設定疏散人員參數：在人員模式中，根據模擬住區戶數及樓層信息，參照《城市居住區規劃設計標準》（GB 50180-2018）中戶數及人口配比并結合實地調研數據，確定疏散總人數[17]。根據世界衛生組織對不同年齡段的劃分并結合實際情況，將老舊住區人員年齡結構組成分為少年（4—17歲）、中青年（18—59歲）及老年（60—89歲）。通過實地調研住區內人員構成比例并結合鄭州市統計年鑒，確定住區內少年、中青年、老年3個年齡段的人數比為3∶4∶3，采用對比分析法設置，取老年人占比30%、中青年占比40%及少年占比30%。根據人員應急疏散各項指標，對不同年齡段人員的生理屬性、心理屬性、經驗屬性分別進行設置。將少年步行速率設定為1.00—1.20 m/s，中青年設定為1.20—1.50 m/s，老年設定為0.80—1.20 m/s；老年人敏捷度為0—5；根據疏散人員所處不同樓層設置一定的反應時間；其他參數均采用Building EXODUS中默認數值[19]。

類型 典型住區衛星圖 圖示 特點行列式images/BZ_59_680_506_1116_860.pngimages/BZ_59_1147_501_1669_873.png多為板式多層住宅按一定朝向和間距成排布置的群體空間組織形式；住區內道路呈網格狀分布，一般設1-2 個出入口；部分住區設有沿街商業周邊式images/BZ_59_674_915_1122_1337.pngimages/BZ_59_1159_913_1658_1345.png住宅沿院落或街坊周邊布置，形成封閉或半封閉的內院空間；住區內道路呈環形布局，一般設有多個出入口；部分住宅一層被改為商用點群式images/BZ_59_674_1391_1122_1744.pngimages/BZ_59_1146_1395_1670_1745.png由多層點式住宅自成組團或圍繞中心公共空間布置，形成一定的空間組合關系；住區內道路呈網格狀分布，一般設有多個出入口混合式images/BZ_59_673_1802_1123_2159.pngimages/BZ_59_1154_1800_1662_2159.png由兩種或兩種以上住區布局組合而形成的不規則布局形式；建筑朝向、路網和出入口數量均無固定規則

2.3 住區現狀疏散過程模擬

基于上述參數設定，在Building EXODUS中對所搭建的兩個住區戶外環境現狀仿真模型進行人員應急疏散仿真模擬，監控疏散過程，并對發生擁堵區域及時長進行分析研究。

在中州大學家屬院疏散仿真模擬過程中，90.00 s時東側南北向道路開始出現擁堵，持續時長約180.00 s；150.00 s時連接出入口的東西向道路出現持續時長約200.00 s的擁堵（表4）。

在河醫家屬院疏散仿真模擬過程中，90.00 s時住區中部南北向道路開始出現擁堵，持續時長約為130.00 s；同時連接出入口的東西向道路也出現擁堵，持續時長約200.00 s；住區東側南北向道路同樣在90.00 s時開始出現擁堵，持續時長約為350.00 s（表5）。

過程/s 90.00 150.00 210.00 270.00 330.00人群密度周線圖images/BZ_60_428_2447_760_3051.pngimages/BZ_60_770_2453_1105_3063.pngimages/BZ_60_1131_2452_1471_3071.pngimages/BZ_60_1500_2447_1842_3066.pngimages/BZ_60_1865_2436_2205_3054.png

可以發現以下規律：（1）時間規律：疏散初期沒有出現明顯擁堵，疏散效率較高；疏散過程中期擁堵現象明顯，擁堵時長持續至疏散過程后期，甚至直至疏散過程結束。（2）擁堵區域分布規律：在住區道路交叉口、住區出入口和單元出入口等多人流匯入區域和視線出現遮擋的道路轉彎區域均存在不同程度的人員擁堵現象，其中有多方向人流匯入的連續轉彎區域擁堵最為嚴重。

2.4 現場試驗與數據校驗擬

為驗證模擬過程的合理性及數據的可靠性，在上述兩個住區內分別選擇各年齡段居民作為被試者，進行疏散行為與疏散效率的現場模擬實驗。

實驗條件：在每個住區內選取各年齡段居民6人（少年兩人、中青年兩人、老年兩人）于2022年7月4日20：00—22：00，晴間多云，26 ℃—34 ℃；2022年7月5日8：00—18：00、20：00—22：00，小雨轉陰，23 ℃—27 ℃進行實驗（圖1）。要求被試者穿戴ErgoLAB無線生理記錄儀、Tobii Glasses眼動追蹤儀分別從各自家門口（分布在不同樓棟的不同樓層）出發，按照個人習慣路線模擬緊急疏散步頻離開住區到達城市道路。實驗陪同人員持物理環境測量儀實時監控疏散過程中的物理環境并利用ErgoLAB V3.0人機環境測試云平臺分別記錄每人每次疏散路徑及疏散用時（圖2—3）。

圖1 《住區疏散實測基本情況表》樣表

圖2 中州大學家屬院白天現場數據實測

實驗結果：中州大學家屬院的6名被試者中最短疏散用時72.62 s，最長疏散用時為376.25 s；河醫家屬院中最短疏散用時47.21 s，最長疏散用時為523.32 s。通過對比可發現現場實測最長疏散用時均小于疏散仿真模擬的總疏散用時。中州大學家屬院現場實測最短疏散用時小于疏散仿真模擬的首位疏散用時，河醫家屬院最短疏散用時大于疏散仿真模擬首位疏散用時。由于現場實測過程中所有人員應急疏散行為并非同時發生，因此大規模人員擁堵、人員社會行為等耗時未被計算在內，同時考慮到兩種不同規模住區內部環境的復雜性以及被試者的個性可能導致最短疏散用時的不確定性，由此判斷模擬數據的可靠性。

3 人員應急疏散效率提升與環境優化

3.1 優化策略選取

住區戶外環境是一個多層次、多功能的復合空間，包括住宅建筑以外的所有內容[20]。住區規模、建筑形式、總體布局及人員數量是老舊住區中不易改變的社會因素[21]，本研究擬通過對住區出入口位置及數量、內部交通結構和其他戶外環境要素位置及數量的調整，探索有效提升人員應急疏散效率的老舊住區戶外環境優化策略[22]。結合對中州大學家屬院、河醫家屬院現狀模擬和現場試驗，選取優化策略如下：改變出入口數量、改變出入口位置、重塑路網結構、改變其他戶外環境要素（優化景觀環境、營造廣場空間、設置公共設施、重新規劃輔助用房等）。

過程/s 90.00 150.00 220.00 300.00 450.00人群密度周線圖images/BZ_61_406_1908_756_2229.pngimages/BZ_61_769_1912_1117_2223.pngimages/BZ_61_1136_1913_1477_2222.pngimages/BZ_61_1497_1909_1843_2222.pngimages/BZ_61_1864_1909_2224_2233.png

3.2 可行性分析

在Building EXODUS中分別搭建上述兩個住區戶外環境策略模型，為驗證戶外環境要素對人員應急疏散效率的影響程度，以及探索住區戶外人員最高效的應急疏散路徑，在仿真模型中去除所有戶外環境要素，僅保留住宅建筑、圍墻及出入口，保持疏散人員參數與現狀模擬一致，通過對比不同策略模擬后的結果驗證其可行性。仿真模擬過程分兩個步驟：步驟（1）單一策略疏散效率模擬；步驟（2）疊加所有策略進行模擬。

3.2.1 中州大學家屬院戶外環境疏散仿真模擬

步驟（1）單一策略疏散效率模擬：將住區出入口位置由北側臨路調整至中部臨路，其他因素不變進行模擬，首位疏散者到達出入口用時20.33 s，總疏散用時321.51 s，總疏散用時較現狀模型縮短了18.67%；保留原有北側出入口，在住區中部加設1個出入口，其他因素不變，首位疏散者到達出入口用時20.33 s，總疏散用時284.96 s，總疏散用時較現狀模型縮短了27.91%；保持出入口數量和位置不變，去除住宅建筑以外的（包括輔助用房、景觀綠化、公共設施等）所有戶外環境要素，模擬人員在空白場地的疏散效率，首位疏散者到達出入口用時39.16 s，總疏散用時358.46 s，總疏散用時較現狀模型縮短了9.32%（表6）。

步驟（2）疊加所有策略進行模擬：同時疊加步驟（1）中所有單一影響因素，此時模擬數據顯示，首位疏散者到達出入口用時14.23 s，總疏散用時254.31 s，總疏散用時較現狀模型縮短了35.67%（表6）。

3.2.2 河醫家屬院戶外環境疏散仿真模擬

步驟（1）單一策略疏散效率模擬：將出入口位置由東側臨路調整至南側中部臨路，保持其他因素不變，再次進行模擬，首位疏散者到達出入口用時25.05 s，總疏散用時532.09 s，總疏散用時較現狀模型縮短了1.63%；保留現狀出入口，在住區南側加設1個出入口，其他因素不變，首位疏散者到達出入口用時25.04 s，總疏散用時352.00 s，總疏散用時較現狀模型縮短了34.93%；保持其他因素不變，去除住宅和圍墻以外的所有戶外環境要素，模擬人員在空白場地的疏散效率，首位疏散者到達出入口用時35.35 s，總疏散用時538.77 s，總疏散用時較現狀模型縮短了0.40%（表7）。

步驟（2）疊加所有策略進行模擬：同時疊加步驟（1）中所有單一影響因素進行模擬，首位疏散者到達出入口用時24.83 s，總疏散用時284.77 s，總疏散用時較現狀模型縮短了47.35%（表7）。

對兩個住區分別使用單一策略與疊加策略的情況下進行人員應急疏散效率模擬，得到以下結論：使用改變出入口位置、增加出入口數量和改變其他戶外環境要素三種策略均能有效提升疏散效率；當三種策略疊加使用時，住區人員應急疏散效率得到大幅提升。根據模擬數據顯示，兩個住區總疏散時間較現狀縮短141.00 s和256.15 s，疏散效率分別提升35.67%和47.35%。

3.3 優化設計與效果分析

利用上述優化策略分別對中州大學家屬院、河醫家屬院戶外環境進行優化設計：將兩個住區出入口數量由1個增加至2個；根據上述變量疊加分析所得出的最佳人員應急疏散路徑重塑兩個住區的路網結構（表6—7）；根據《城市居住區規劃設計標準》（GB 50180-2018）中的相關要求，結合出入口及路網結構調整后的情況對兩個住區配套設施和公共綠地進行優化設計[7]。

兩個住區出入口的增設原則包括：連接城市道路；連接住區內主要道路；與原出入口拉開距離，盡量連接不同方向城市道路；不干擾住區內既有居住建筑、配套設施和公共綠地[13-14]。基于以上，將中州大學家屬院次出入口設置在與原出入口同側偏南的道路連接處（圖4），河醫家屬院次出入口設置在住區南側兩棟居住建筑之間的道路連接處（圖5）。結合新規劃的主次出入口，對兩個住區的路網結構進行重新規劃，增加各支路的通達性，適當拓寬住區主要道路。在不影響應急疏散路徑的區域設置機動車、非機動車停車位，保障住區內部有序停車（圖4—5）。

圖4 中州大學家屬院戶外環境優化設計平面

圖5 河醫家屬院戶外環境優化設計平面

模擬結果 現狀 改變出入口位置 改變出入口數量 去除戶外環境要素 變量疊加腳步周線圖images/BZ_63_482_2568_823_2878.pngimages/BZ_63_847_2560_1190_2877.pngimages/BZ_63_1218_2563_1543_2857.pngimages/BZ_63_1573_2570_1890_2856.pngimages/BZ_63_1918_2575_2230_2857.png首位疏散用時/s 35.42 25.05 25.04 35.35 24.83總疏散用時/s 540.92 532.09 352.00 538.77 284.77

在規劃后的路網和原有建筑空間結構基礎上對兩個住區配套設施（戶外活動場地、物業管理中心、商業用房、設備用房、垃圾收集點等）、公共綠地、管網線路等進行重新配置和優化設計[8]。優化設計原則包括：參照《城市居住區規劃設計標準》（GB 50180-2018），配套設施分區布置、合理安排，不阻擋人員應急疏散路徑和視線；同時考慮應急疏散弱勢群體，設置適老化設施和兒童友好型設置；設置應急疏散路徑導引系統（標識、廣播電視等）；保留現有綠地和植被的基礎上，設置平災結合的綠化場地，盡量增加綠化面積（圖4—5）[10]；拆除飛線，結合建筑布局重新規劃管網道路。

基于上述原則對兩個住區進行戶外環境優化設計，受制于住區既有用地規模、建筑密度和空間結構，建設規劃無法完全達到規范要求，但各項指標均得到大幅提升。其中，中州大學家屬院及河醫家屬院綠化面積分別由1 384.20 m2和2 654.10 m2增至1 597.20 m2和3 184.90 m2；規劃固定機動車停車位19個和30個（原住區內無固定機動車停車位）；非機動車停車位由50個和30個分別增至80個和54個；戶外活動場地面積由原來的914.50 m2和708.30 m2分別達到1 420.50 m2和1 059.80 m2；對現有道路進行拓寬，部分主要道路寬度達到9.00 m，滿足機動車雙向通行；每個入戶單元均規劃垃圾收集區及信報箱；完善住區配套設施建設（對物業管理中心、設備用房、商業用房等進行重新規劃）。

在Building EXODUS中分別搭建中州大學家屬院、河醫家屬院戶外環境優化設計模型，在人員參數與改造前一致的情況下進行應急疏散仿真模擬。對比優化設計前后模擬結果：中州大學家屬院人員首位疏散用時由90.07 s縮短至14.92 s，總疏散用時由395.31 s縮短至255.21 s，疏散效率提升35.44%；河醫家屬院人員首位疏散用時由35.42 s縮短至24.98 s，總疏散用時由540.92 s縮短至291.57 s，疏散效率提升46.10%（表8）。

模擬結果 中州大學家屬院 河醫家屬院腳步周線圖images/BZ_64_719_1709_1120_2433.pngimages/BZ_64_1415_1708_2188_2412.png首位疏散用時/s 14.92 24.98總疏散用時/s 255.21 291.57疏散效率對比images/BZ_64_499_2685_1327_3066.png images/BZ_64_1399_2674_2204_3079.png

綜上，通過優化設計，兩個老舊住區的出入口配比、配套設施、綠化率、路網結構及災時緊急疏散效率均得到明顯提升。

4 結語

對鄭州市典型老舊住區進行現場調研及疏散仿真模擬分析，發現現存老舊住區戶外環境存在大量問題：路網結構混亂、私搭亂建嚴重、景觀綠化環境差、缺乏基礎設施等，上述問題給老舊住區居民生活帶來諸多不便的同時也存在嚴重的安全隱患。

通過對住區戶外環境改造的相關理論研究和兩個典型住區人員應急疏散行為的仿真模擬，探究城市老舊住區戶外人員應急疏散效率的影響因素和機制，采用現場試驗加以校驗。根據影響因素和機制，歸納出針對住區出入口數量與位置、路網結構和其他戶外環境要素的老舊住區戶外環境優化設計策略，并通過應急疏散仿真模擬驗證可行性。

利用總結出的優化策略對兩個住區進行戶外環境優化設計。模擬結果顯示優化后兩個住區戶外人員應急疏散效率得到大幅提升，戶外環境得到明顯改善，老舊住區安全性得到保障，為城市老舊住區戶外環境優化設計提供借鑒。