基于递进优化策略的医院疏散仿真研究

Research on Hospital Evacuation Simulation Based on Progressive Optimization Strategy

摘要: 为了探究火灾下医院建筑的合理疏散策略，本文利用Pathfinder和PyroSim软件分别对某医院住院部进行疏散和火灾仿真，依次探究消防电梯数量、重点病区楼层优化、医护与病人、电梯运行、分区引导和分阶段疏散六种策略的优化方案，以及六种策略递进实施下的疏散时间和伤亡比率。结果表明，在设施与人员配置方面，需根据《高层民用建筑设计防火规范》设置消防电梯数量、根据《医疗机构基本标准(试行)》配备护士(每个床位至少配备0.4名护士)，无需将重点病区设置在低楼层；在疏散策略方面，应限制着火楼层以下人员仅使用楼梯疏散，着火楼层以上的失能病人使用消防电梯、其他人员使用楼梯，且关闭离火源最近的楼梯。此外，前五种优化策略的优化组合可使总疏散时间和伤亡人数分别降低41.77%和50.50%。本文结果为常态下医院设施和人员配置提供了参考，为火灾下医院疏散方案的制定指明了方向。

Abstract: To explore rational evacuation strategies for hospital buildings under fire scenarios, this study utilizes Pathfinder and PyroSim software to simulate evacuation and fire in a specific hospital ward. Six optimization schemes are sequentially investigated, including the provision of fire elevators, optimization of key ward floors, allocation of medical staff and patients, elevator operation, zoning guidance, and phased evacuation. The study examines the optimized solutions and evacuation times and casualty rates under the implementation of these strategies in a progressive manner. Results indicate that, in terms of facility and personnel configuration, the provision of fire elevators should adhere to the “Code for Fire Protection Design of High-rise Civil Buildings”, and nursing staff should be allocated according to the “Basic Standards for Medical Institutions (Trial)”. It is unnecessary to allocate key wards to lower floors. In terms of evacuation strategies, individuals below the floor of the fire should be restricted to using only the stairs for evacuation, disabled patients above the floor of the fire should use the fire elevator, others should use the stairs, and the stairway closest to the source of the fire should be closed. Furthermore, the optimized combination of the first five strategies leads to reductions of 41.77% in total evacuation time and 50.50% in casualties. These findings offer insights into the configuration of hospital facilities and personnel under normal conditions and provide guidance for formulating evacuation plans in the event of a fire in hospitals.

1. 引言

近年来，中国人口老龄化速度明显加快，截至2023年年末，全国60岁及以上人口占总人口21.1%。老年人易于患病，对医院的需求度逐年增加，医院设施的使用率也越来越高。然而，随着灾害和突发事件的增加，医院的安全问题日益凸显，近年来国内发生多起医院火灾事故，如2018年台湾省新北市台北医院发生火灾，导致9人死亡，15人受伤；2022年1月8日，湖南省衡阳市来雁医院发生火灾，造成6人死亡，8人受伤；2023年4月18日，北京市长峰医院发生火灾致29人死亡，42人受伤。由此可见，医院人员组成复杂且大部分病人属于失能人员，一旦发生突发事件可能造成重大的人员伤亡和社会影响。

目前已有不少学者开展了针对医院人员疏散的研究，对医院内人群移动速度进行采集[1] [2]，随后不少学者对医院进行建模仿真，提出一系列优化措施。电梯在疏散优化方面的应用是研究重点，陈娟[3]等分析不同人数情况下自由疏散、受控疏散策略的影响规律，发现控制使用电梯人数为10%~20%疏散效率最高。顾陈成[4]针对邯郸市某三甲医院构建Pathfinder模型，仿真电梯是否分层以及火灾情况下电梯停用等场景，提出延时开启部分出口的优化策略。Wang [5]等研究自由疏散、优先疏散、区域疏散以及电梯辅助疏散等策略对疏散时间的影响，结果表明合理使用电梯和区域疏散对疏散时间有较大优化效果，但是电梯的过度使用会使得疏散时间增加。常见的优化措施还有扩充疏散门宽度[6]-[8]、行动能力较差病区放在低楼层[9] [10]、调整医院布局或强制区域疏散[11] [12]。一些学者针对仿真模拟过程中发现的问题，进一步提出对医院疏散预案的优化建议。张庆顺和李泽林[13]由ICU火灾安全疏散预案中提到的疏散模式及优先层级、应急管理及团队责任、人员调集及资源储备等内容，提出平面优化组合、监护区空间优化、节点与廊道空间优化等优化方向。冯丽萍[14]等采用系统仿真的方法对某医院建模并疏散，从防火安全措施、报警程序和应急疏散程序等方面对应急预案进行优化。上述医院研究对于优化措施考虑较为全面，但是研究内容只是针对某种单一措施的优化效果，缺少多种措施组合使用对于疏散时间等影响的研究，而且大部分优化措施的优化效果只以疏散时间作为评价指标，比较片面。

火灾也是重要的研究方向。陈俊[15]模拟医院第五层不同位置发生火灾时烟气蔓延区域、火灾烟气温度、可见度和CO参数的变化。Chiangaek和Patvichaichod [16]模拟了4种医院火灾场景，发现需要扩大逃生门、病人需要医护帮助。Sun和Turkan [17]探究了火灾情况下人员死亡率与建筑空间布局设计(门道宽度、出口数量)之间的关系。Wang [18]等提出多出口火源位置选择模型，采用Pyrosim进行地下购物中心火灾模拟，发现建筑内人员数量、提前疏散时间、安全出口宽度等对地下商场火灾疏散风险影响显著。王维平[19]从烟气蔓延、CO浓度和能见度等方面分析，发现能见度迅速降低是降低疏散速度的重要原因。Zheng [20] [21]等分析了火灾情况下火场面积、火灾蔓延速度对疏散时间的影响，并进一步探究人员密度、火灾位置、出口宽度、烟雾蔓延速度等因素，其中火灾速度和烟雾蔓延速度对于人员疏散影响较大。Kodur [22]等探究了楼梯位置、楼梯数量、火灾位置、出口宽度、低速乘员人数对疏散效率影响，其中楼梯位置对总疏散时间有显著影响。Li [23]等评估了火灾情况下初始火灾位置、疏散延迟时间和疏散行为对于疏散过程的影响。学者们研究了火灾情况下的不同场景，分析了影响伤亡人数以及火灾发展的因素，但是危险性的评定只考虑出口处的判断指标是否超过安全范围，这并不代表人员在疏散过程各判断指标未超过安全范围，不能反映火灾场景真正的危险性。

虽然前人已有很多关于医院疏散和医院火灾场景疏散的内容，也提出一些有效的疏散优化策略，但是提出的大多是单一优化策略，没有将多个最优策略组合起来探究其优化效果。而且对于火灾伤亡方面的研究大多只考虑出口位置的伤亡因素，未考虑整个疏散路径上一氧化碳浓度、温度和能见度的影响。本文利用Pathfinder软件仿真人群疏散过程，结合PyroSim软件的仿真结果，依次讨论多种优化措施(包括消防电梯数量、重点病区楼层、医护与重点人群比例、电梯运行策略、分区域引导策略以及分阶段疏散)逐步递进时的疏散时间和伤亡人数的变化，进而讨论不同措施的作用效能，为医院疏散优化以及应急预案的制定提供参考。

2. 模型介绍

2.1. Pathfinder疏散仿真模型

Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的一个基于人员进出和运动的模拟器。本文中医院模型结合文献[11] (同时参考人员设置和病区设置)中的S院模型以及北京市长峰医院，共有8层，高30.6 m，每层面积约为2622 m²。医院共有4个疏散楼梯、7部电梯、4个安全出口。医院1楼为大厅和门诊科室，2~8楼为住院部，医院分为南北两部分，南部共有9间普通病房和1间重症观察室，每间普通病房可以容纳3名病人，重症观察室可以容纳6名病人，共可容纳33名病人；北部有23间病房，每间容纳3名病人，共可容纳69名病人。即整个医院每层可住102名病人。图1是该医院Pathfinder模型结构，图2是医院平面布局图。

2.2. 人员设置

参考医院的实际情况，在Pathfinder模型中设置了10类人群，包括医护人员和9类病人，其中病床病人和轮椅病人称为完全失能病人(必须要医护人员的帮助才能进行疏散)，双拐病人和单拐病人称为部分

Figure 1. The hospital Pathfinder model

图1. 医院Pathfinder模型

Figure 2. The hospital floor plan

图2. 医院平面布局图

失能病人(无需医护人员帮助，但速度较慢)，另外5类病人称为非失能病人。表1是各类人群的移动速度和高度等信息，表2是不同楼层人员分布，人员参数设置参考文献[11]中相关设定并进行简化，其中病床病人设置为1.9 m * 0.6 m，轮椅病人为0.5 m * 0.6 m。

Table 1. Parameters of personnel in the Pathfinder model

表1. Pathfinder模型人员参数

人员分类	速度(m/s)	肩宽(cm)	高度(cm)
医护人员	1.15~1.95	49.18	170~175
患病老人	0.72~0.96	39.09	160~165
双拐病人	0.69~0.94	74.85	170~175
单拐病人	0.43~0.6	64.82	170~175
骨科一般病人	0.85~1.3	49.18	170~175
患病儿童	0.86~1.12	29.86	90~100
患病女青年	1.2~1.52	39.09	160~165
患病男青年	1.44~1.76	49.18	170~175
病床病人	0.13~0.4	-	80
轮椅病人	0.18~0.53	-	45

Table 2. Distribution of patients across hospital floors

表2. 医院楼层病人分布

(a)
楼层	轮椅病人	病床病人	患病男青年	患病女青年	患病儿童		患病老人	病人总数	医护人数
1楼	-	-	-	-	-		-	-	102
其他病区	13.33%	6.67%	8%	8%	4%		60%	102	102
(b)
楼层	轮椅病人	病床病人	单拐病人	双拐病人	患病老人	骨科一般病人		病人总数	医护人数
骨科病区	37.5%	12.5%	25%	10%	12.5%	2.5%		102	102

2.3. PyroSim火灾仿真模型

PyroSim是由美国国家标准与技术研究院研发专用于火灾动态仿真模拟的软件。为研究火灾烟气等因素对人员健康的影响，在PyroSim中构建了与Pathfinder一致的建筑模型。根据文献[24] [25]，将模型中的热释放速率设定为6000 kW，火源面积为1.5 m × 1.5 m，初始温度为20℃。模拟网格大小设置为0.5 m × 0.5 m × 0.5 m，整个模型共有814,592个网格。为了更真实知道各位置各时刻的烟雾浓度等信息，在医院内部安装了多个探测器，主要设置在走道两旁、电梯和楼梯这些容易产生拥堵的位置。起火点设置在了5楼南侧的一个房间，图3是5楼的平面图，由图可见起火点及探测器。

Figure 3. The fifth-floor layout diagram in the PyroSim model

图3. PyroSim模型5楼平面图

火场中的一氧化碳(CO)浓度、温度以及降低的可见度会对疏散人群产生不利影响。根据文献[15] [24] [26] [27]，分别将CO浓度的安全阈值、温度的安全阈值和可见度的安全阈值设置为1 × 10^-3 mol/mol、65℃和4 m。将Pathfinder中的路径轨迹点与PyroSim中最近探测器数值进行对比，当任一数值超过上述阈值时该人员将被判定为伤亡。

3. 医院设施与人员配置优化

3.1. 消防电梯数量

在紧急情况下如何快速疏散完全失能病人是需要考虑的难题，借助电梯是常用方案。但是火灾情况下只能使用消防电梯，因此消防电梯数量的选择是首先要面临的关键问题。本节共设置了4个场景(每个场景仿真5次)，通过依次递增消防电梯数量开展仿真，并分别统计总疏散时间$t_s$ 、平均疏散时间$t_m$ 、平均拥堵时间$t_j$ 和伤亡人数。其中$t_s$ 是5次模拟最长疏散时间的平均值，$t_m$ 是5次模拟中所有人的疏散时间和除以总人数，$t_j$ 是5次模拟中所有人拥堵时间和除以总人数。在无消防电梯场景下，所有完全失能病人以担架的形式由两名医护人员协助通过楼梯进行疏散。仿真结果如表3所示。

Table 3. Evacuation and casualty scenarios under different numbers of fire elevators

表3. 不同消防电梯数量下疏散与伤亡情况

消防电梯数量	总时间$t_s$ (s)	平均时间$t_m$ (s)	平均拥堵时间$t_j$ (s)	伤亡人数(人)
无消防电梯	1306.92	396.46	250.90	522.80
1部消防电梯	3309.30	628.71	472.73	589.48
2部消防电梯	2524.11	530.20	415.47	348.27
3部消防电梯	2059.66	457.63	350.63	331.99

由表3可知，随着消防电梯数量的增加，疏散时间及伤亡人数都呈现先上升后下降的趋势。虽然无消防电梯情况下$t_s$ 小于其他的场景，但是模型中未考虑医护人员搬运病人过程中体力的消耗，在实际情况下很难达到这一时间。1部消防电梯时各疏散时间增加是因为病人在消防电梯前耗费了大量时间进行等待，当消防电梯数量增加，消防电梯运送病人的效率增加，所以疏散时间及伤亡人数都减少。使用消防电梯后疏散时间比无消防电梯长，是因为使用消防电梯数量少，且模型中完全失能病人占病人总数23.95%，电梯需求过大，文献[28] [29]也指出使用电梯疏散不一定能提高疏散效率。

图4是$t_s$ 及伤亡人数随消防电梯数量变化图，由图可知，消防电梯数量大于1部后，总疏散时间呈现线性下降趋势，而伤亡人数在3部消防电梯时下降幅度较小。由于伤亡人数是较为重要的衡量指标，所以综合考虑优化效果及造价，在场景中配置2部消防电梯是最佳优化方案。《高层民用建筑设计防火规范》[30]中指出，高层一类民用公共建筑，当每层建筑面积大于1500 m²但不大于4500 m²时，应设置两台消防电梯，本文中每层面积约为2622 m²，该优化方案符合相关规范要求。

Figure 4. Evacuation time and casualties versus elevator quantity graph

图4. 疏散时间及伤亡人数随电梯数量变化图

3.2. 重点病区楼层

骨科病区失能病人占比大，需要重点关注。本节设置场景中有2部消防电梯，场景中所有人员均可以使用消防电梯疏散，将骨科病区分别放置在2楼(低层)、5楼(中层)和8楼(高层)，结果如表4所示。

Table 4. Evacuation and casualty situations for orthopedic departments on different floors

表4. 不同骨科所处楼层下的疏散与伤亡情况

骨科所处楼层	总时间$t_s$ (s)	平均时间$t_m$ (s)	平均拥堵时间$t_j$ (s)	伤亡人数(人)
2楼	2611.27	549.03	433.81	304.28
5楼	2524.11	530.20	415.47	348.27
8楼	2504.42	538.87	423.74	346.89

由表4可知，随着骨科病区楼层的增加，$t_s$ 呈现减少趋势，而$t_m$ 和$t_j$ 变化幅度较小，且都在骨科在5楼时取最小值。由此可知，将完全失能病人集中层设置在低层在减少疏散时间方面并无明显有益效果。为进一步探究该现象产生原因，绘制三种情况下的疏散时间累计频率图(见图5)，可以看出三种情况下疏散情况都可以分为两个阶段，拐点约为240 s：前期疏散速率快，并且大部分疏散人员是医护人员和非完全失能病人(包括部分失能病人以及其他病人)；后期疏散曲线变得平缓，因为过了拐点后未疏散人员都聚集在消防电梯处(见图6)，等待消防电梯停靠，疏散曲线上升幅度慢且是线性趋势。疏散后期所需疏散时间约占全部疏散时间的90%。由于这段时间病人主要依靠消防电梯进行疏散，因此限制此阶段疏散效率的关键因素是消防电梯的装载能力以及运行效率。由此可见，将完全失能病人放在低楼层并不能缩短疏散总时间。从表4中还可以看出$t_m$ 远小于$t_s$ ，这也是因为疏散后期小部分完全失能病人疏散时间太长。为进一步了解拐点处电梯使用情况，截取骨科2楼240 s疏散结果电梯1处等待情况，即图6。由图6可知，等待电梯的病人还有部分非失能病人(图6中蓝色圆柱)，占用了消防电梯资源，可以通过限制这部分人使用消防电梯来让完全失能病人更大限度使用消防电梯。

3.3. 医护与重点人群比例

根据《北京丰台长峰医院“4·18”重大火灾事故调查报告》，医护不足是造成此次事故伤亡重大的主要原因之一。根据《医疗机构基本标准(试行)》中的规定，每床至少配备0.4名护士。基于此探讨不同协助医护人数对疏散及伤亡情况的影响：假设在3.2中最不利的情况下(骨科设置在5楼)，将具有协助行为的医护人员人数从占病人人数20%依次递增20%，直到100%，其余不具备协助行为的医护人员直接疏散。得到的疏散及伤亡情况如表5所示。

Figure 5. Evacuation time cumulative frequency plot for different orthopedic floor scenarios

图5. 不同骨科楼层场景下个人疏散时间累计频率图

Figure 6. Screenshot of 240 s Orthopedics 2nd floor at elevator 1

图6. 240 s骨科2楼电梯1处截图

Table 5. Evacuation and casualty situations under different numbers of assisting medical staff

表5. 不同协助医护人数下的疏散与伤亡情况

协助医护占比	总时间$t_s$ (s)	平均时间$t_m$ (s)	平均拥堵时间$t_j$ (s)	伤亡人数(人)
20%	2785.88	527.40	370.04	299.93
40%	2540.60	523.82	406.63	308.09
60%	2503.51	521.16	406.45	314.50
80%	2504.35	520.96	407.00	325.24
100%	2524.11	530.20	415.47	348.27

由表5可知，随着每层协助医护人数的增加，$t_s$ 出现先减少后基本保持不变的趋势，$t_m$ 没有出现明显变化，而$t_j$ 先上升后基本保持不变。通过观察疏散过程，发现产生此现象的原因在于2~8层完全失能病人的占比23.95%，医护人员不足时会造成部分医护人员折返从而延长疏散时间。当医护人员过量时，医护会先去查看病人，这会造成病房出口处和电梯进口处的拥堵，也会延长疏散时间。由此可见，在本文研究的医疗建筑中，《医疗机构基本标准(试行)》中的规定(每床至少配备0.4名护士)是较为合理的安排。

值得关注的是伤亡人数随着协助医护占比逐渐增加，在协助医护占比为20%时伤亡人数最少，这是因为在伤亡人数中占比较大的是完全失能病人以及协助医护人员，而在协助医护占比20%的情况下医护不足，由同一批协助医护折返来疏散完全失能病人，所以判断为伤亡的医护人数少于其他场景，使得伤亡人数较少，但是现实情况下第一次医护人员存在伤亡就无法继续协助，所以协助医护为40%是最为合适的医病比。

4. 疏散策略优化

4.1. 电梯运行策略

在3.2中发现存在非完全失能病人占用消防电梯资源，要限制其他人员使用消防电梯使得完全失能病人更大限度有效使用消防电梯。在3.3中医护比40%的优化场景下进一步优化，提出3种优化方案，分别为：(1) 仅让失能病人(包括完全失能病人和部分失能病人)使用消防电梯疏散；(2) 仅让完全失能病人使用消防电梯疏散；(3) 电梯优先停靠5、6楼，其余楼层按照top-to-down (优先疏散高楼层)规则。优化结果见表6。

Table 6. Evacuation and casualty situations under different elevator protocols

表6. 不同电梯规则下的疏散与伤亡情况

场景	总时间$t_s$ (s)	平均时间$t_m$ (s)	平均拥堵时间$t_j$ (s)	伤亡人数(人)
未限制电梯	2540.60	523.82	406.63	308.09
仅失能病人可用	2011.61	361.63	226.12	228.39
仅完全失能病人可用	1971.58	361.99	225.24	229.19
优先停靠5、6楼	2557.86	551.74	435.54	456.15

由表6可知，前两种优化场景可以有效减少$t_s$ 、$t_m$ 、$t_j$ 和伤亡人数，而且两种优化效果差距较小，而第三种优化场景起到了反作用，各项指标出现了上升。“优先停靠5、6楼”$t_s$ 与未限制电梯差距小，但是伤亡人数上升48.06%，查看结果发现由于5楼完全失能病人占50%，需要的疏散时间大于疏散7、8楼完全失能病人的时间，导致7、8楼伤亡人数大幅上升。图7是不同情况下伤亡人数中各类人员占比，从图7中可以看出优化的三种场景协助医护人员占比最大减少约6.31%，但是其他医护人员以及其他病人的占比都出现上升，因为他们无法使用电梯疏散，会使用离起火点较近的楼梯疏散，导致伤亡比率增大。失能病人使用电梯和完全失能病人使用电梯场景伤亡占比差距较小，因为双拐病人和单拐病人仅占总人数2.33%且他们也可以通过楼梯疏散，所以影响较小。由表6及图7可知最佳电梯优化策略为失能病人使用电梯。

Figure 7. Distribution of personnel types in different scenarios

图7. 不同场景各人员类型占比

4.2. 分区域引导策略

在4.1中发现存在部分其他医护人员及其他病人使用离起火点较近楼梯疏散，从而使得伤亡人数增加。本节在4.1的基础上引入分区域引导策略，即不同疏散区域的人员使用不同的疏散方式，共有2个疏散场景：(1) 2~4层所有人只能使用楼梯疏散，5~8层失能病人使用消防电梯进行疏散，非失能病人使用楼梯疏散；(2)在(1)的基础上，关闭离起火点较近的楼梯1。优化结果见表7。

Table 7. Evacuation and casualty situations under different zone guidance strategies

表7. 不同区域引导下的疏散与伤亡情况

场景	总时间$t_s$ (s)	平均时间$t_m$ (s)	平均拥堵时间$t_j$ (s)	伤亡人数(人)
未限制楼层	2011.61	361.63	226.12	228.39
2~4楼梯，5~8电梯	1435.70	290.91	155.48	210.20
关闭最危险楼梯	1469.73	310.33	161.83	172.40

由表7可知，随着限制条件的增加，$t_s$ 、$t_m$ 、$t_j$ 都先减少后增加，且都在“2~4楼梯，5~8电梯”取得最小值。伤亡人数随限制条件增加而下降，在“关闭最危险楼梯”取最小值。从3.2中可知占大部分疏散时间的是使用电梯的完全失能病人，而根据电梯top-to-down运行规则，后期疏散对象为低楼层完全失能病人，“2~4楼梯，5~8电梯”让低楼层完全失能病人通过楼梯疏散，省掉了他们等待电梯的时间，所以三种疏散时间都有所减少，受影响最大的是$t_s$ ，减少了28.63%。“关闭最危险楼梯”中限制楼梯使用后各疏散时间都出现小幅上升，一方面是因为原本离楼梯1较近的人员需要花费时间走到其他楼梯，另一方面是可使用的楼梯变少，各楼梯的使用人数增加。图8是不同场景各楼梯使用人数，可以看到“2~4楼梯，5~8电梯”中楼梯1、3、4使用人数都有所上升，但是楼梯使用不均衡，在“关闭最危险楼梯”中3个楼梯使用均衡。在“关闭最危险楼梯”中楼梯使用人数增加，人数的增加导致拥堵，从而疏散时间小幅增加。综上所述，令低楼层病人使用楼梯疏散可以有效减少疏散时间，关闭离起火点最近楼梯以及均衡使用楼梯可以有效减少伤亡人数。

Figure 8. The number of individuals using different staircases in various scenarios

图8. 不同场景各楼梯使用人数

4.3. 分阶段疏散策略

在前面研究中发现电梯是影响完全失能病人疏散的重要原因，但是在4.1中提出电梯优先运行到起火层及以上楼层的优化策略并没有起到优化效果，在4.2的最优策略基础上，本节提出分阶段疏散策略：当发现火灾时5、6楼的人员立即进行疏散，而其他楼层人员等待一段时间再疏散，设置了等待60 s、120 s和180 s疏散的三种场景，结果见表8。

由表8可知$t_s$ 无明显变化，$t_j$ 先上升后下降，$t_m$ 与伤亡人数随延迟时间增加而上升。为探究伤亡增加原因，图9是不同等待时间下各楼层伤亡人数，由于1~4楼变化较小且伤亡人数少，所以只取5~8楼数据，可以看出随着等待时间的增加，高楼层(即7、8楼)伤亡人数显著增加，随时间增加7楼伤亡人数分别增长163.16%、87%、86.90%，因为限制了非失能病人通过楼梯疏散，等待时间越长，楼梯处烟雾越浓，危险越大；6楼的伤亡人数减少，而5楼伤亡基本不变，这是因为5、6楼优先疏散导致6楼伤亡人数会减少，但是等待时间不足以将6楼失能病人完全疏散，所以对5楼人员几乎无影响。综上所述，分阶段疏散策略会使得高楼层伤亡人数增加，整体伤亡人数增加，未达到优化效果。

Table 8. Evacuation and casualty situations under different waiting times

表8. 不同等待时间下的疏散与伤亡情况

等待时间(s)	总时间$t_s$ (s)	平均时间$t_m$ (s)	平均拥堵时间$t_j$ (s)	伤亡人数(人)
0	1469.73	310.33	161.83	172.40
60	1477.74	356.56	168.06	220.20
120	1433.93	362.58	138.86	283.80
180	1475.34	389.45	129.20	407.60

Figure 9. Changes in casualties on the 5th to 8th floors under different waiting times

图9. 不同等待时间下5~8楼伤亡人数变化

5. 讨论

将第3章和第4章优化措施的总疏散时间和伤亡人数进行对比，可以更直观看出各措施递进优化效果，结果如图10所示。

Figure 10. Curve depicting the variation of total evacuation time and casualties with evacuation strategies

图10. 总疏散时间及伤亡人数随疏散策略变化曲线

由图10可知，总疏散时间和伤亡人数都在5种最优组合疏散策略时达到最优，此时总疏散时间为1469.73 s，与2部消防电梯场景相比疏散时间下降了41.77%，伤亡人数为172.4人，下降了50.50%。根据图10以及3~4章的讨论，可以得出如下结论：

1) 增加消防电梯且让病患自由选择乘坐电梯和楼梯会使得疏散时间增加，但是伤亡人数会减少。前者是因为选择电梯的人数过多导致排队，后者是因为使用消防电梯会避免人员经过充满烟气的楼梯。根据《高层民用建筑设计防火规范》选择消防电梯的数量，是较优的选择。

2) 当不限制消防电梯的使用人群，将失能人群占比较大病区放置在低楼层对疏散时间和伤亡比率无明显影响。

3) 调整医护比例可以进一步降低伤亡人数占比(−11.54%)，并根据《医疗机构基本标准(试行)》中的规定，每床至少配备0.4名护士时，可保证疏散时间较短且伤亡比率较低。

4) 优化电梯运行策略可大幅减少疏散时间(−20.82%)和伤亡人数(−25.87%)，具体措施为仅失能病人可用消防电梯。

5) 分区域疏散策略同样有效减少疏散时间(−26.94%)和伤亡人数(−24.52%)，具体措施为着火楼层以下人员使用楼梯疏散，着火楼层及以上仅失能病人使用消防电梯、其他病人使用楼梯疏散，且关闭离火源最近的楼梯。

6) 分阶段疏散对疏散时间影响不大，但会增加伤亡人数(+27.73%)，不建议采取该措施。

6. 结论

本文通过Pathfinder及PyroSim对某医院建模，在考虑火灾对人员的伤害因素下，探讨了依次优化消防电梯数量、重点病区楼层、医护与重点人群比例、电梯运行策略、分区域引导策略以及分阶段疏散策略。结果表明：

1) 在设施与人员配置方面，需根据《高层民用建筑设计防火规范》设置消防电梯、根据《医疗机构基本标准(试行)》配备护士(每个床位至少配备0.4名护士)，无需将重点病区设置在低楼层。

2) 在疏散策略方面，应限制着火楼层以下人员仅使用楼梯疏散，着火楼层以上的失能病人使用消防电梯、其他人员使用楼梯，且关闭离火源最近的楼梯。

本文通过对递进优化策略作用效果的探究，为医院设施和人员配置提供了参考，为疏散方案的制定指明了方向。然而，本文仅考虑了一种较为常见的病人组成，针对某些病人组成较为特殊的专科医院(如骨科医院)还需进一步探究。

基金项目

国家自然科学基金项目(72374141)；国家自然科学基金项目(52102414)；福建省自然科学基金面上项目(2022J01515)。

NOTES

^*通讯作者。