防灾避难场所功能区布局优化方法研究.pdf

第 卷第 期 年 月灾 害 学 王志涛 吴金峰 郭小东.防灾避难场所功能区布局优化方法研究.灾害学 ():.():/防灾避难场所功能区布局优化方法研究王志涛 吴金峰 郭小东(北京工业大学 城市建设学部 北京)摘 要:防灾避难场所是应对城市灾害重要的灾民安置设施 其场地功能布局的合理性影响到应急设施使用便捷性和场所综合服务效能 针对防灾避难场所功能区空间效率评估和设施布局方法量化研究不足的问题 该文提出应用空间句法和系统布置规划()两阶段进行避难场所功能布局的评估与优化设计方法 首先 通过空间句法评估避难场所功能区空间效率和布局合理性 其次 引入 方法对避难场所空间强度与非空间关系进行分析 探析各功能区的关联强度 由此构建避难场所各功能区综合相互关系 并运用 关系表法生成功能区拼块图 可以为防灾避难场所功能区布局优化提供支撑关键词:防灾避难场所 功能区布局 空间句法评价 系统布置规划()中图分类号:文献标志码:文章编号:():/城市防灾避难场所是用于因灾害产生的避难人员进行灾时避难和灾后正常生活、恢复社区建设配置应急保障基础设施和避难生活服务设施的避难场地和避难建筑 是城市应急防灾的保障条件 科学合理地规划建设不同类型的城市防灾避难场所使其在灾难发生后 最大限度地发挥避难与救灾要求 已成为现代城市发展的内在要求关于避难场所空间布局的研究多采用网络优化模型、两步移动搜寻法、模型、技术、空间句法、多边形、社会网络分析等研究方法 研究中心城区、历史古城、山地城市等多个避难场所的场所选址、可达性、适宜性、责任区划分、避难容量等 并基于北 京市、徐州市、上海市、苏州古城等具体实际案例进行实践 当前的研究尺度主要集中于街区层面 对单体避难场所功能区空间布局的量化研究涉及较少 防灾避难场所功能区的研究主要集中于概念解析、设施配置、规划设计、流线分析、空间结构等方面 认为合理的功能分区为防灾避难场所规划提供清晰的结构 防止各功能区间互相干扰 但目前避难场所功能区布局方法主要依靠规划人员凭借主观经验在原有设施功能和空间的基础上规划防灾应急功能 这种布局方式容易产生灾时功能分区混乱、避灾流线交织等问题 防灾避难场所作为一个相互联系的系统 应从全局的角度考虑各个功能区之间的相互关系 分析法作为工业工程主要的分析方法 最早是为解决工厂的设施布置问题 主要根据各个功能区之间的密切程度布置功能区位置以提高生产或服务系统的效率 后来广泛应用于校园、活动场地、医院、物流园区等功能区布局的研究 较少运用于城市防灾减灾领域本文以避难场所功能区布局为研究对象 通过空间句法评价防灾避难场所功能区空间效率探究空间效率与防灾功能之间的内在影响因素并基于 方法提出功能区布局优化策略 本研究在理论上扩宽了避难场所空间布局的研究视角更为全面地揭示了场所功能区布局的影响机理在方法上首次将 方法应用到避难场所功能区布局 为其布局优化提供了相关依据 在实践上为防灾避难场所功能区布局提供了相关对策 为提升场所运营效率和综合服务水平提供了参考途径 研究对象与研究方法 研究对象 防灾避难场所基于“平灾结合”的理念进行建设 基本以场地面积大小和原有公园功能分区结构作为避难场所功能区布局的依据 从整体布局来看 防灾避难场所的功能区主要有应急宿住区、应急医疗区、应急停机坪、应急物资储备区、应急指挥区、应急救灾队伍驻扎区、应急管理区(图)根据避难场所防灾设施的服务功能差异将防灾设施划分为应急宿住区、应急服务区和应急设施区(表)收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()“复合灾害情景下城市应急服务设施系统协同鲁棒优化与防灾韧性提升”第一作者简介:王志涛()男 汉族 河北任丘人 副教授 硕士生导师 主要从事城市防灾减灾研究.:通信作者:郭小东()男 汉族 江苏南通人 教授 博士生导师 主要从事城市防灾减灾研究.:灾 害 学 卷表 防灾避难场所功能区分类项目编号功能区域说明应急宿住区弱势群体宿住区弱势群体安置区域宿住区避难人员生活区域应急服务区应急医疗区承担医治受伤人员、卫生防疫等工作应急指挥区统筹灾害救援各项工作应急管理区对各种信息进行收集、传达、处理和分析 协调避难场所内各区域的使用状况应急设施区及其他应急停机坪避难人员转移和救灾物资转运应急救灾队伍驻扎区救灾队伍驻扎区域应急物资储备区应急物资集散区域图 防灾避难场所功能布局平面图 经过现场调研 发现功能作业关联强度较高的功能区摆放不合理 应急指挥中心和部队驻扎区、物资储备区和应急宿住区等功能区的关联强度较高但距离间隔较长 功能区所处空间位置与应急功能不相符 应急停机坪承担着灾时救援物资的运输、灾民以及受伤人员转移的重要功能 位于场所东侧并且东侧河流将其与场所核心功能区域相隔 导致应急停机坪与场所内其他应急功能区关联性较弱降低场所的中转效率 综上 该避难场所的功能区布局存在较大提升优化的空间 研究方法 空间句法理论空间句法理论是由 提出 以拓扑关系为基础的空间理论和分析工具 可以揭示空间局部或整体的通达度 通过空间句法 不仅可以表达避难场所功能区之间的空间网络关系而且能反映应急防灾设施的可达性和避难人员空间位置分布情况 本文运用空间句法 对避难场所功能区布局效率展开分析 采用整合度分析空间可达性 采用连接度分析空间渗透性 采用选择度分析空间紧密性 构建防灾避难场所功能区空间效率分析框架(表)在空间句法相关研究中三个指标参数计算的方式不同 且各自表示不同的空间含义 三者之间具有相互独立的关系()空间可达性分析 空间可达性是指从空间单元到达避难场所内部任一位置的便捷度 对个体能否及时获得避难服务具有重要影响 可达性能够有效评价功能区布局的均衡性与合理性句法模型中整合度指标表示局部空间到达其他空间难易程度 以此作为空间可达性评价指标 整合度值越高表示空间可达性越好()空间渗透性分析 空间渗透性可采用某空间节点与其连接的节点数作为衡量指标 在实际空间系统中 某个空间的连接值越高 则表示其空间渗透性越强 反之 空间渗透能力越弱()空间紧密性分析 选择度表示系统中某节点被任意两节点之间最短路径通行时所穿越的频率 在防灾避难场所系统中 如果某条道路的选择度越高 说明其被避难人员途经的概率越高则通过此道路联系的功能区 关系更加紧密 系统布局规划系 统 布 局 规 划()是由 提出 是综合各部门、区域之间的活动关系得出各功能区之间的相互关系根据相互关系的密切程度决定各功能区之间的距离 布置其相互位置的一种方法 方法将功能区之间的密切程度关系分为、六个等级 其中 级为绝对重要 占比 级为特别重要 占比 级为较重要占比 级为一般 占比 级为非必要 占比 级为不联系比例视情况而定 见表 本文通过 方法定量分析防灾避难场所功能区之间的空间强度和非空间强度 进而得到各功能区的综合强度关系在此基础上考虑各功能区相对位置 为功能区布局优化提供依据表 防灾避难场所空间效率评价指标及含义指标表达式解释内涵与表征连接度 是指空间单元 和 之间的关系 相交时为 不相交为 表示与某空间节点邻接的节点数量连接度越高的空间在系统中渗透性越强 易于向其他空间扩散资源整合度 ()()代表整合度数值 代表平均深度值 为某一空间到达其他空间的连接数表示空间节点在整个系统拓扑中被其他空间到达的能力 整合度越高的空间 易集聚人群 用于判断避难人员能否快速地到达某一场所选择度 ()()()()()为研究系统中包含的道路数量()为道路 途经 到 的最小转角距离()为道路 到 的最小转角距离表示系统中的任一节点到达其他相应节点均存在最短拓扑路径 除去节点本身作为起点和终点外 所要经过某一特定节点的次数 选择度越高的道路 其相连接的功能区关系更加紧密 期王志涛 等:防灾避难场所功能区布局优化方法研究表 密切程度等级代码及含义密切程度等级代码含义量化评分划分标准绝对重要 特别重要 重要 一般 非必要 不联系 基于空间句法和 功能区布局框架防灾避难场所作为灾后人们长时间避难和集中救援的场所 能够为避难者提供基本的生活条件和安全保证 其功能布局合理性影响到灾时应急设施的使用和场所综合服务效能 方法侧重于从防灾功能、应急设施和应急物资对防灾避难场所进行系统规划与设计 进而优化人流、物流、信息流以达到经济有效、安全的建设目标 但在空间层面缺少对防灾避难场所空间结构与应急功能特征的关系、人流集聚区域等布局因素的量化空间句法强调应急避难功能区空间本身的社会属性 通过图论关系解释防灾空间结构与个体行为之间的关联性 进而分析场所空间结构产生的避难服务效应 因此 为了进一步解释 计算结果 可以结合空间句法功能区空间效率评估分析结果 科学合理地优化避难场所功能区布局 具体优化流程如图 图 防灾避难场所功能区布局框架 避难场所功能区空间布局评价 研究数据获取运用 软件 通过空间分割将 避难场所的空间形态转化为可量化的图示语言 通过解释图示和数据间的关系 分析功能区空间特征为了保证研究的科学性和严谨性 根据最少且最长的轴线地图绘制原则 通过 软件整合可行层空间 将场所可行层空间结构转译为可被软件识别的轴线地图 经整理 场所共有 条轴线结合轴线在图中分布情况和对应数值 对路轴依次进行编号 分别为 号轴、号轴、以此类推 将轴线模型图保存为 格式 导入 计算场所道路的句法变量值 图中轴线颜色色相的高低表示不同的特征值数值 颜色越暖则数值越高 反之 数值越低 空间句法评价 空间可达性评价通过空间句法计算 将获得空间数据分析图和每条轴线对应的空间数据 通过对每个功能区整合度的轴线数据整理形成表 对应的整合度评价图(图)防灾避难场所整合度平均值为 场所可达性呈西中部向场所四周减弱的分布状态 其中应急管理区和特殊群体宿住区整合度平均值分别为 和 其空间可达性相对较高 避难人员在灾时更容易到达这两处空间符合应急功能的空间需求 应急宿住区和应急留白区整合度平均值分别为 和 不利于避难者快速到达 通过现场调研 可达性较差的原因可能与河流从场所内部穿过有关表 功能区整合度统计功能区平均值轴线编号整合度轴线编号整合度应急指挥区 应急医疗区 救援队伍驻扎区 应急物资储备区 应急停机坪 应急管理区 特殊群体宿住区 宿住区 应急留白区 图 防灾避难场所整合度评价图 空间渗透性评价在应急避难功能中 应急物资储备区、应急灾 害 学 卷停机坪和应急管理区为保证将应急物资快速地运送到其他功能区 其所处位置对空间有较高要求的渗透能力 从表 和图 知 防灾避难场所整体空间连接度平均值为 应急物资储备区和应急管理区连接度平均值分别为 、低于平均值 功能区所处位置空间渗透效果不明显 应调整其位置表 功能区连接度统计功能区平均值轴线编号连接度轴线编号连接度应急指挥区 应急医疗区 救援队伍驻扎区 应急物资储备区 应急停机坪 应急管理区 特殊群体宿住区 宿住区 应急留白区 图 防灾避难场所连接度评价图 空间紧密性评价通过空间句法计算 得到选择度分析图(图)将数据整理形成选择度统计表(表)由表 知 选择度值较高的轴线为、轴线 形成场所主要的活动中心 经调研发现 该空间是一处较为开阔且位于核心位置的广场 人们易于在此停留 与四周功能区联系较紧密 此外 和 两个功能区有三条轴线进行连接 选择度值较高交通潜力大 两个功能区联系较为紧密表 功能区选择度统计表功能区对轴线编号选择度值功能区对轴线编号选择度值 图 防灾避难场所选择度评价图 功能区相互关系分析 空间强度分析 方法通过空间强度等级评价各功能区空间关系的紧密程度 将章节 空间紧密性评价结果 参考表 密切程度等级划分标准 绘制出反映防灾避难场所功能区空间关系的空间强度相关表(图)其中密切程度为 级的关系对有 密切程度为 级有 对 即 、密切程度为 级有 对即、级和 级功能区对数分别为 和 对图 功能区空间强度相关表 期王志涛 等:防灾避难场所功能区布局优化方法研究 非空间强度分析防灾避难场所功能区布局不仅考虑空间强度的影响因素 也要考虑非空间因素的影响 虽然这些要素与空间布局并无直接的关系 但在一定程度上会对场所的综合服务效能产生影响 参考相关文献 将非空间因素归纳为:一是安全因素考虑避难人员及时获得灾情消息、物资需求和满足避难人员大规模的快速转移 二是应急医疗考虑救治场所内部避难人员和接收外部受伤人员三是组织管理 考虑各功能区组织管理 保证灾时避难场所有序运作 四是物资储备与发放 考虑应急物资的快速装卸和搬运 五是垃圾处理考虑避难人员产生的生活垃圾和医疗垃圾的转移与处理 综合分析防灾避难场所功能区的非空间影响因素 并结合专家意见和表 密切程度等级划分 得到防灾避难场所功能区的非空间强度相关表(图)图 功能区非空间强度相关表 功能区综合相互分析防灾避难场所功能区布局是一个复杂且高度结合各因素的过程 需综合考虑空间与非空间的关联和影响因素的权重 计算得出各功能区之间的综合关系 具体步骤如下:()结合相关专家意见 将空间强度和非空间强度比值定为()参考表 量化密切程度指标 其中 ()计算功能区综合关系值 和 代表防灾避难场所内的两个不同功能区 计算公式为:()式中:和 分别为空间关系与非空间关系密切程度等级的量化值 由此 得出各功能区之间综合关系分值 综合分值在 之间 将结果分为 个等级范围 具体等级划分见表 综上 绘制功能区综合相互关系表(图)表 综合关系分值等级划分强度关系等级功能区对数百分比/图 功能区综合相互关系表 运用 关系表法得出功能区拼块图 方法使用线型图法“试错”生成平面布置图 步骤较为复杂繁琐 而 引进关系表技术 逻辑条理更为清晰明了 本文将 方法得出的防灾避难场所功能区综合关系图进一步转化为 关系表(表)进而对功能区绘制无面积拼块图 具体步骤如下:将功能区无面积化抽象处理 面积相同的正方形代表应急避难功能区 并在正方形中央标出功能区名称和编号正方形四个角分别放功能区与其他功能区之间的关系代码、和编号 级对功能区布置影响较小 不做处理 将关系为 的功能区相邻拼接 关系为 的功能区对角相接 按照等级依次对布置各拼块的位置表 关系表、结合表 的数据 对防灾避难场所功能区进行无面积拼接 得到空间布局图如 所示 无面积拼块图显示功能区之间的相对位置 并不代表平面布置的实际位置 可以为功能区优化布局提供参考依据 因此 规划人员要综合考虑功能区空间效率与应急需求规划防灾避难场所功能区平面图图 功能区布局拼块图灾 害 学 卷 平面布局优化 平面布局优化策略基于图 功能区块拼图布置方案 结合空间句法评价结果 在原有防灾避难场所规划平面的基础上 提出功能区布局优化策略 最终形成布局方案如图 所示图 功能区布局优化图()布置应急宿住区 宿住功能是防灾避难场所的一项基本功能 考虑到搭建帐篷的因素 宿住区一般设置在地势平坦的地区 并且要优先考虑弱势群体宿住区位置 此外 应急宿住区所处位置要求空间具有较高的集聚能力 一般位于场所中可达性较高的区域 由空间句法可达性评价可知 现状弱势群体宿住区位于场所中可达性较高的区域 因此 其位置不发生改变 根据整合度评价图(图)应急宿住区西北区域的可达性低于专业救援队伍所在位置的空间可达性 将其位置互换()布置应急服务区 场所应急服务区主要包括应急医疗区、应急指挥区、应急管理区 和 关系等级为 应优先布置 应急医疗功能区要满足避难人员快速到达并接收外部受伤人员 避免因转移延误而耽误救治 现状应急医疗区位于南侧博物馆内且毗邻弱势群体宿住区 并与南侧主干路相邻 因此 其位置不宜发生改变 考虑应急管理区对空间要求较高的渗透能力 并结合拼块图 与、与 紧邻布置 因此将 布置在 右侧连接度较高 号和 号轴处 应急指挥中心与 弱势群体宿住区相邻布置 位置不发生改变()布置应急设施区及其他 应急设施区包括应急停机坪、应急救灾队伍驻扎区、应急物资储备区和应急留白区 和 具有快速疏散的作用 应布置在渗透能力较高的区域 因此布置在场所北部入口区 与 紧邻布置 应急留白区可达性较差 并且四周被河流包围 位置不发生改变 平面布局优化后评价应灾效率是衡量避难场所防灾效能的重要标准之一 高效的应灾效率可以缩短避难者的停留时间、移动距离并缓解场所内人员拥挤情况 场所规模、物资发放效率、避难距离等都会对应灾效率产生影响 但就场所功能区布局优化而言避难距离和移动成本可作为应灾效率提升的调节因素因此 本优化方案主要围绕应急避难功能区之间的相互位置关系和场所位置特征进行完善部队驻扎区设置在西南位置 并与应急指挥区相邻 灾时可将救灾指令快速地传达给救灾人员物资储备区设置在应急宿住区和弱势群体宿住区之间 缩短了避难人员获取各类救灾物资的移动距离 应急停机坪设置在场所中道路可达性较高的区域 灾时便于将物资快速运至物资储备区也便于危重伤员转移救治 应急管理区设置在南侧入口处 便于管理人员对避难人员进行登记、管理等工作 其空间所处位置连接度值高 渗透能力强 可缓解应急出入口人流拥挤的压力 综合以上分析 优化方案缩短了移动距离和时间成本 提高了场所应灾效率和综合服务效能 结论与讨论本研究提出了一种防灾避难场所功能区布局优化的方法 包括功能区空间效率评价和功能区空间布局两方面 将场所可行空间转译成轴线地图 基于 平台实现功能区空间效率评价过程 并结合 方法对 防灾避难场所进行功能区布局优化实例验证 得到以下结论:()提出防灾避难场所功能区布局方法框架将功能区的综合关系通过空间强度和非空间强度进行计算并量化展示 形成功能区空间布局定性与定量相结合的优化方案()针对空间效率评估结果 应用 和 关系表对应急避难功能区布局优化 通过对功能区空间强度和非空间强度进行计算 确定各功能区的相对位置 并解决了因功能区布置不合理造成的避灾效率低下的问题 在此基础上结合场所现状从应急宿住区、应急服务区和应急设施区提出布局优化策略 可为防灾避难场所功能区布局提供量化支撑()本研究采用定量化方法为避难场所功能区布局提供支撑 但避难场所布局是一个复杂且考虑各因素的过程 在具体的实践中要综合考虑场所内部设施、周边环境、专家经验和标准规范等因素 对功能区布局进行优化设计参考文献:初建宇 苏幼坡 刘瑞兴.城市防灾公园“平灾结合”的规划设计理念.世界地震工程 ():周爱华 谌丽 朱海勇 等.社区尺度的北京中心城区应急避难场所布局合理性研究.安全与环境学报 ():徐一婷 陈虹 王巍 等.国外应急避难场所标准研究.灾害学 ():魏本勇 谭庆全 李晓丽.北京市应急避难场所的空间布局与服务 效能 评估 .地 震 研 究 ():周晓猛 刘茂 王阳.紧急避难场所优化布局理论研究.安全与环境学报 ():周爱华 付晓.基于两步移动搜寻法的北京城区应急避难场所可达性研究.安全与环境学报 ():初建宇 马丹祥 苏幼坡.基于组合赋权 模型的城镇固定避难场所选址方法研究.土木工程学报 ():期王志涛 等:防灾避难场所功能区布局优化方法研究季婉婧 曲建升 徐丽.基于 和 技术的兰州市应急避难场所减灾能力评价.遥感技术与应用 ():叶明武 王军 刘耀龙 等.基于 的上海中心城区公园避难可达性研究.地理与地理信息科学 ():周爱华 张景秋 张远索 等.下的北京城区应急避难场所空间布局与可达性研究.测绘通报 ():吴家荣.基于空间句法的小城市防灾避险绿地空间网络效率评价:以上杭县为例.长沙:中南林业科技大学 武文杰 朱思源 张文忠.北京应急避难场所的区位优化配置分析.人文地理 ():陈明洁 吕飞.基于社会网络分析的苏州古城区应急避难场所布局优化研究.城市发展研究 ():樊君健 陆伟.基于空间感知的城市避难场所布局研究:以唐山市中心城区为例.建筑与文化 ():徐嵩 曾坚 任兰红.基于可达性分析的山地村镇防灾避难场所研究:以阜平县不老树村为例.建筑学报():李文静 翟国方 陈伟.基于多目标约束的避难场所选址研究综述.城市问题():袁昀 刘杨 朱思洪 等.应急避难场所选址最大准备度盖模型及其算法.自然灾害学报 ():初建宇 马丹祥 苏幼坡.基于理想点的已知部分属性权重信息中心避难场所选址方法研究.自然灾害学报():吴超 王其东 李珊.基于可达性分析的应急避难场所空间布局研究:以广州市为例.城市规划 ():刘少丽 顾小平 裴友法 等.徐州市避震疏散场所的可达性与公平性.经济地理 ():曹珂 彭祥宇 王雨琪 等.使用者视角下城市应急避难场所适用性评价研究:以重庆市沙坪坝区为例.安全与环境工程 ():费文君 史莹 徐爽.常州青枫公园防灾避险适宜性分析研究.绿色科技 ():刘朝峰 杜金泽 张嘉鑫 等.基于 模型的城市应急避难场所适宜性分析.灾害学 ():吕伟 李承旭 马亚萍.基于 位置分配的城市应急避难场所责任区划分.清华大学学报(自然科学版)():初建宇 梁建文 苏幼坡 等.防灾避难场所布局优化与责任区划分方法.世界地震工程 ():陈志芬 周健 王家卓 等.应急避难场所规划中避难人口预测的简便方法:以地震灾害为例.城市规划 ():李延涛 苏幼坡 刘瑞兴.城市防灾公园的规划思想.城市规划 ():陈明利 陈川南.体育馆作为应急避难场所的发展及功能研究.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():冯海成 孟祥雨 章立科 等.城市地震应急避难场所的确定方法和功能设计研究.自然灾害学报 ():吉慧.公共安全视角下的体育场馆设计研究.广州:华南理工大学 赵薇薇.应对城市防灾避难的体育馆建筑设计初探.广州:华南理工大学 屠梦慈 朱颖 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