耿雅潔,林 耕,王 瀅

(天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院,天津 300384)

0 引言

城市安全建設(shè)是我國建設(shè)的重中之重,“十三五”規(guī)劃綱要及《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) “十三五” 規(guī)劃》均對城市安全建設(shè)提出了明確具體的要求。城市化進(jìn)程的不斷加快暴露出越來越多的城市安全問題,城市環(huán)境要素類不斷增加,城區(qū)快速蔓延,人口聚居點呈現(xiàn)出數(shù)量多,密度大的特點,城市脆弱性顯著增強(qiáng),伴隨著一系列的自然災(zāi)害、人為災(zāi)害以及各種公共安全事件,直接威脅人類的生命及財產(chǎn)安全,而地震作為最具威脅性的災(zāi)害之一,嚴(yán)重影響人的日常生活及社會秩序,為城市安全帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。2008年5月12日,四川汶川發(fā)生8.0級地震,死亡69 225人,失蹤17 923人,受傷374 640人,受災(zāi)4 624萬人[1],給中國人民帶來巨大的災(zāi)難與損失。事實證明我國地震災(zāi)害綜合風(fēng)險管理水平較低,尤其在應(yīng)急避難與管理方面存在較大弊端。

我國歷史悠久,歷史文化街區(qū)分布廣泛,其具有建筑密度大,建筑年限長,街巷尺度狹小,基礎(chǔ)設(shè)施落后等眾多特點,因此具有較高的抗風(fēng)險脆弱性與風(fēng)險的不可預(yù)測性。避難空間作為城市防災(zāi)空間的重要組成部分,對于災(zāi)民災(zāi)時逃生、避難、災(zāi)后提供住所、醫(yī)療及各種應(yīng)急物資提供等發(fā)揮重要作用,而避難空間的規(guī)劃布局與應(yīng)急服務(wù)效能對災(zāi)民的生命及財產(chǎn)安全起決定作用,在城市綜合防災(zāi)規(guī)劃中居于的核心地位。

當(dāng)前對城市避難空間的研究主要集中在指標(biāo)體系建立及空間規(guī)劃布局兩個方面[2]。Harris[3]基于城市規(guī)劃基礎(chǔ)理論,提出與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的規(guī)劃決策支持系統(tǒng);李玟紋、王媛等[4]通過建立地理數(shù)據(jù)庫從宏觀上分析了中國應(yīng)急避難空間的現(xiàn)狀,并運(yùn)用回歸分析方法提出現(xiàn)狀問題及其影響因素,進(jìn)而為響應(yīng)總體國家安全觀背景下的城市綜合防災(zāi)規(guī)劃提供理論支持;季鈺、聶麗等[5]提出城市防災(zāi)避險公園服務(wù)效率的量化評價方法并對其進(jìn)行實證研究,為規(guī)劃決策與資源配置提供了量化依據(jù);李文靜、翟國芳[6]總結(jié)日本福祉避難所建設(shè)的經(jīng)驗,從避難需求、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、配套設(shè)施及日常維護(hù)等方面為我國避難空間規(guī)劃建設(shè)提供啟示;張佳瑜、白林波等[7]基于LA模型理論與GIS空間分析方法構(gòu)建地震應(yīng)急避難場所配置模型;Manuela、Vanessa 等[8]提出災(zāi)害管理中臨時避難場所選擇與選址的多準(zhǔn)則決策模型;Füsun、Sema等[9]提出基于軟計算方法設(shè)計能夠響應(yīng)不同住戶類型和災(zāi)難場景的避難空間,創(chuàng)造更具社區(qū)感的鄰里模式;Sabouhi、Tavakoli等[10]提出基于概率規(guī)劃的多目標(biāo)選址模型,為災(zāi)害救援站和避難場所定位提供技術(shù)支持。綜上,國內(nèi)外對避難空間的研究重點集中于綠地,對城市中能夠為災(zāi)民提供避難功能的其他開敞空間及建筑型避難場所關(guān)注較少,缺少城市空間內(nèi)部疏散網(wǎng)絡(luò),研究區(qū)域主要集中在中心城區(qū)、老舊社區(qū)及高密度中心商務(wù)區(qū)等幾個方面,較少涉及歷史文化街區(qū)。因此,以地震避難需求為出發(fā)點,基于安全性、可達(dá)性、時效性及應(yīng)急功能性等原則,深入街區(qū)內(nèi)部空間進(jìn)行土地適宜性評價,為使有限的避難空間能夠服務(wù)更多位于其最大服務(wù)半徑之內(nèi)的設(shè)施需求點,運(yùn)用集合覆蓋模型、最大化覆蓋范圍模型和最小化設(shè)施點數(shù)模型,在設(shè)施數(shù)量和最大覆蓋范圍中計算平衡點,對避難空間進(jìn)行優(yōu)化布局,并以天津市14個歷史文化街區(qū)為例,證實了該方法的科學(xué)性與實用性。

1 歷史文化街區(qū)避難空間選址方法

歷史文化街區(qū)通常房屋建筑密度大,內(nèi)部空間狹小,道路組織結(jié)構(gòu)混亂,有限的疏散通道不能滿足充分的地震避難需求;且建筑年代久遠(yuǎn),房屋建筑質(zhì)量較低下,人口密度高,日常管理與維護(hù)措施不到位,因此,其避難空間規(guī)劃原則與方法均應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)狀需求,以解決日益激化的供需雙向矛盾。

1.1 歷史文化街區(qū)公共服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化模型

當(dāng)前對公共服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化的模型主要包括設(shè)施分配經(jīng)典模型、最佳公平優(yōu)化模型、多目標(biāo)布局模型、動態(tài)和隨機(jī)區(qū)位模型以及分級規(guī)劃模型等多種類型[11]。OWEN[12]等總結(jié)了P-中位模型(P-Median Problem),位置集合覆蓋模型(Location Set Covering Problem),最大覆蓋模型(Maximum Covering Location Problem)等模型以尋求效率與覆蓋范圍之間的平衡點;WANG等[13]提出在衡量無障礙程度的基礎(chǔ)上布局公共服務(wù)設(shè)施以達(dá)到距離成本最小化、設(shè)施數(shù)量最小化以及服務(wù)無蓋最大化的目標(biāo);田玲玲等[14]于2019年提出建立在公平與效率雙目標(biāo)下的二次優(yōu)化布局模型,該模型是在保證供求之間的公平與效率最大化的基礎(chǔ)上對設(shè)施進(jìn)行二次布局的混合優(yōu)化模型。綜合歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀特點以及各種設(shè)施區(qū)位模型的適宜性,選取集合覆蓋模型、最大化覆蓋范圍模型和最小化設(shè)施點數(shù)模型,在滿足研究區(qū)最大覆蓋范圍的基礎(chǔ)上對設(shè)施點數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗?在設(shè)施數(shù)量和最大覆蓋范圍之間尋求平衡關(guān)系,對避難空間進(jìn)行優(yōu)化布局。

1.2 歷史文化街區(qū)避難空間類型

根據(jù)避難空間的規(guī)模,主要包括大型避難空間、中型避難空間及小型避難空間三種類型[15]。街區(qū)范圍的避難空間通常包括固定避難空間和緊急避難空間兩類,通常以鄉(xiāng)政府機(jī)構(gòu)、廣場,有一定規(guī)模的公園綠地及學(xué)校操場作為固定避難空間,可達(dá)距離為步行1 h的范圍;緊急避難空間一般為街頭開敞空間、小型公園、停車場以及小學(xué)操場等,步行15 min可以到達(dá)。以《防災(zāi)避難空間設(shè)計規(guī)范》[16]為參考標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合歷史文化街區(qū)特點,在規(guī)劃避難空間時遵循如下標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 歷史文化街區(qū)避難空間標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The standard for emergency shelters

1.3 歷史文化街區(qū)避難空間評價指標(biāo)

季鈺,高曉路等[17]建立多主體模型,基于避難者的疏散行為對避難空間的服務(wù)效率提出量化標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮各指標(biāo)的優(yōu)缺點,選取避難空間有效面積、總服務(wù)人口、服務(wù)人口占比及服務(wù)人口缺口等四個指標(biāo)對天津市14個歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀避難空間進(jìn)行評價,評價指標(biāo)如表2所列。

表2 避難空間評價指標(biāo)Table 2 The evaluation indicators of emergency shelters

2 歷史文化街區(qū)避難空間規(guī)劃方法

首先,通過評價道路易損性[18]、災(zāi)害易發(fā)性等指標(biāo)保證疏散通道的安全性及便捷性;其次,運(yùn)用土地適宜性評價方法評估現(xiàn)狀避難空間的安全性、可達(dá)性、時效性及應(yīng)急功能性(圖1);最后,針對現(xiàn)狀未規(guī)劃或需新增避難空間的范圍,綜合考慮避難需求,對歷史文化街區(qū)避難空間進(jìn)行優(yōu)化布局(圖2)。

圖1 用地適宜性評價方法Fig.1 Land suitability evaluation method

圖2 避難空間規(guī)劃技術(shù)路線Fig.2 Technical route for shelter space planning

2.1 歷史文化街區(qū)疏散通道評價方法

疏散通道評價是現(xiàn)有通道的易損性及災(zāi)害易發(fā)性疊加分析的結(jié)果。通道安全性是在確定防災(zāi)因子的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)狀疏散通道逐一進(jìn)行評價,運(yùn)用AHP層次分析法確定各類因子的權(quán)重,將各類單因子評價加權(quán)疊加得出通道的安全性評價結(jié)果;基于研究區(qū)域災(zāi)害易發(fā)性數(shù)據(jù)評價其危險性,并將評價結(jié)果疊加到通道安全性評價結(jié)果中,得到疏散通道評價結(jié)果[19]。

2.2 歷史文化街區(qū)避難空間評價方法

以疏散通道規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)為支持,綜合研究區(qū)域用地適宜性評價結(jié)果,運(yùn)用最大化覆蓋范圍模型對現(xiàn)狀避難空間進(jìn)行評價。通過避難空間有效面積、總避難人口、總服務(wù)人口、服務(wù)人口占比及人口服務(wù)缺口等指標(biāo)闡釋避難供需關(guān)系,根據(jù)評價結(jié)果對未覆蓋區(qū)域進(jìn)行新增避難空間規(guī)劃。

2.3 歷史文化街區(qū)用地適宜性評價方法

避難空間規(guī)劃應(yīng)考慮安全性、可達(dá)性、時效性及應(yīng)急功能性及眾多因素,將單因子評價結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并賦予各單因子權(quán)重得出規(guī)劃區(qū)域的用地適宜性評價。

2.4 歷史文化街區(qū)避難空間優(yōu)化布局方法

基于現(xiàn)狀避難空間評價結(jié)果,針對現(xiàn)狀缺乏或未實現(xiàn)全覆蓋的范圍進(jìn)行避難空間優(yōu)化布局。首先基于人口數(shù)據(jù)劃分防災(zāi)基本單元,得出規(guī)劃區(qū)域的避難需求點;基于道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集,將避難需求點規(guī)定時間內(nèi)步行可達(dá)的范圍與安全有效的避難空間服務(wù)范圍進(jìn)行疊加,運(yùn)用最大覆蓋范圍模型得到可實現(xiàn)全覆蓋的避難空間備選點;運(yùn)用最小化設(shè)施點數(shù)模型在所有備選點中挑選出數(shù)目盡量少的設(shè)施,在滿足研究區(qū)所需的最大覆蓋范圍的基礎(chǔ)上對設(shè)施點數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗?在設(shè)施數(shù)量和最大覆蓋范圍之間尋求平衡關(guān)系,對避難空間進(jìn)行優(yōu)化布局。

(1) 歷史文化街區(qū)規(guī)劃避難空間位置分配方法

根據(jù)現(xiàn)狀避難空間設(shè)置情況,其位置分配方法主要有兩種:

①現(xiàn)狀已設(shè)置避難空間時,將已有避難空間保留,并將其設(shè)置為避難空間規(guī)劃的必選項,僅考慮現(xiàn)狀避難空間未覆蓋的區(qū)域;

②現(xiàn)狀未設(shè)置避難空間時,需考慮兩種情況:若新增數(shù)量確定時,則考慮避難空間面積是否確定,面積確定則需用集合覆蓋模型計算設(shè)施點數(shù)量;面積不確定時,運(yùn)用最大化覆蓋范圍模型確定設(shè)施點數(shù)量,再根據(jù)覆蓋情況調(diào)整設(shè)施點數(shù)量;若新增避難空間數(shù)量不確定,則運(yùn)用最小化設(shè)施點數(shù)模型在請求點實現(xiàn)全覆蓋的基礎(chǔ)上選擇盡可能少的設(shè)施點數(shù)。

(2) 最大化覆蓋范圍模型

最大化覆蓋范圍模型是在所有候選的設(shè)施選址中挑選出給定數(shù)目的設(shè)施的空間位置,使得位于設(shè)施最大服務(wù)半徑之內(nèi)的設(shè)施需求點最多,并增加了一個限制條件:對于位于最大覆蓋范圍之外的需求點,它到與之最近的設(shè)施之間的距離也不得超過某一更大的范圍。具體計算公式[20]如下:

(1)

式中:N表示n個需求點的集合;di表示第i個需求點的需求數(shù)量;Cj表示設(shè)施點j的容量;A(j)表示設(shè)施點j所覆蓋的需求點集合;B(i)表示可以覆蓋需求點i的設(shè)施集合;P表示允許建立的設(shè)施點數(shù);yij表示需求點i被分配給設(shè)施節(jié)點j服務(wù)的部分,yij≤1;xj表示節(jié)點J是否被選中成為設(shè)施點,選中則賦值為1,否則為0。

(3)最小化設(shè)施點數(shù)模型

最小化設(shè)施點數(shù)模型是在最大化覆蓋范圍模型的基礎(chǔ)上,在所有備選的設(shè)施選址中挑選出數(shù)目盡量少的設(shè)施,使得位于設(shè)施最大服務(wù)半徑之內(nèi)的設(shè)施需求點最多,具體計算公式[21]如下:

目標(biāo)函數(shù):

min(p),S(j)={i,t(i,j)≤t0,tij=min}

約束條件:

(2)

式中:tij為供應(yīng)點j至需求點i的最短到達(dá)時間;djk為供應(yīng)點至約束點的距離;fij為供應(yīng)點對需求點提供服務(wù)的系數(shù),如果需求點i在供應(yīng)點j的服務(wù)范圍內(nèi),則fij的值為1,否則fij的值為0。

3 案例研究

3.1 研究區(qū)概況

天津市有“九河下稍”之稱,位于華北盤地斷裂的東北部,地震災(zāi)害頻發(fā)。1976年的唐山大地震使距唐山僅108 km的天津損失慘重,64%的房屋被破壞,14%的房屋被完全震毀,30%以上的公共設(shè)施在地震中倒塌或嚴(yán)重?fù)p壞,全市共傷亡達(dá)11萬余人,直接和間接經(jīng)濟(jì)損失近75億元[21]。地震造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失仍在持續(xù)增加,因此必須將防災(zāi)減災(zāi)工作提升到前所未有的高度。本文選取一宮花園、鞍山道、承德道、赤峰道、海河、解放北路、勸業(yè)場、泰安道、五大道、中心花園、解放南路、估衣街、古文化街和老城廂等14個歷史文化街區(qū),由于其地理位置集中,人口密度大,歷史文化街區(qū)震災(zāi)呈現(xiàn)出隱蔽性強(qiáng)、突發(fā)性明顯及破壞性大等特點,給城市帶來嚴(yán)重的傷亡事故及重大經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 天津市歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀疏散通道評價

現(xiàn)狀疏散通道評價是現(xiàn)狀通道的易損性及災(zāi)害易發(fā)性綜合評價的的結(jié)果。首先,基于天津市道路數(shù)據(jù),對不同寬度的道路進(jìn)行打分:>8 m的為3分、4～7 m的為5分、≤3 m為10分,得到疏散通道安全性評價;其次,根據(jù)災(zāi)害易發(fā)性數(shù)據(jù),將各災(zāi)害易發(fā)性級別分為一般易發(fā)性、較高易發(fā)性和極高易發(fā)性三級,由低到高不同級別分別為3分、5分、10分,得到災(zāi)害易發(fā)性評價;將通道安全性評價與災(zāi)害易發(fā)性評價以0.4和0.6的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加,最終得出現(xiàn)狀疏散通道評價(圖3)。

圖3 天津市歷史文化街區(qū)疏散通道評價Fig.3 Evaluation of evacuation channels in historical and cultural districts of Tianjin

3.3 天津市歷史文化街區(qū)避難空間評價

根據(jù)天津市人口數(shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù),通過避難空間有效面積、總避難人口、總服務(wù)人口、服務(wù)人口占比及人口服務(wù)缺口等指標(biāo)對天津市歷史文化街區(qū)現(xiàn)有避難空間進(jìn)行評價,評價結(jié)果如表3所列。

表3 現(xiàn)狀避難空間評價Table 3 Evaluation of existing shelters

由表可得,天津市14個歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀避難空間均存在缺口,其中估衣街歷史文化街區(qū)與解放北路歷史文化街區(qū)缺口最大,分別達(dá)到96.35%和81.53%。因此,14個歷史文化街區(qū)均需新增避難空間。

3.4 天津市歷史文化街區(qū)避難空間用地適宜性評價

避難空間用地適宜性評價是基于安全性、可達(dá)性、時效性及應(yīng)急功能性的原則,綜合考慮災(zāi)害潛質(zhì)、工程地質(zhì)條件、危險源、人工建成環(huán)境、交通便捷性與連接性、以及應(yīng)急保障和基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度等,運(yùn)用AHP層次分析法確定各評價因子的權(quán)重(表4)。加權(quán)疊加得出14個歷史文化街區(qū)的用地適宜性評價圖(圖4)?；跂鸥裼嬎愎δ?將適宜性等級分為不適宜建設(shè)區(qū)、有條件建設(shè)區(qū)、比較適宜建設(shè)區(qū)、適宜建設(shè)區(qū)與最適宜建設(shè)區(qū)等五類,得出各類用地面積(表5)及占比(表6)。將比較適宜建設(shè)區(qū)、適宜建設(shè)區(qū)和最適宜建設(shè)區(qū)作為避難空間的適宜候選用地。

表4 用地適宜性評價指標(biāo)Table 4 The evaluation indexes of land suitability

表5 各類適宜性用地面積統(tǒng)計Table 5 Area statistics of various suitable land

表6 各類適宜性用地面積占比Table 6 Area ratio of various suitable land

圖4 天津市歷史文化街區(qū)用地適宜性評價Fig.4 Evaluation of land suitability of historical and cultural district in Tianjin

3.5 天津市歷史文化街區(qū)避難空間規(guī)劃

基于天津市歷史文化街區(qū)選址適宜性評價結(jié)果,排除有條件建設(shè)區(qū)域與不適宜建設(shè)區(qū)域,每個歷史文化街區(qū)均篩選出符合條件的候選設(shè)施點。由于歷史街區(qū)位于天津市中心城區(qū),建筑密度大,防災(zāi)用地相對緊張,因此選擇了指標(biāo)的下限,即緊急避難空間的安全有效面積不低于0.2 hm2,固定避難場所的安全有效面積不低于1 hm2。

對避難空間進(jìn)行位置分配時,先利用集合覆蓋模型得出固定避難空間的數(shù)量,再通過最小化設(shè)施點數(shù)模型,將上一步確定的固定避難空間作為設(shè)施點選取的必選項,再將滿足條件的避難空間作為候選項,進(jìn)而確定緊急避難空間的數(shù)量及位置分配,位置分配如圖5。

圖5 天津市歷史文化街區(qū)避難空間位置分配圖Fig.5 Distribution map of refuge space in historical and cultural districts in Tianjin

3.6 天津市歷史文化街區(qū)新增避難空間評價

根據(jù)位置分配結(jié)果,確定各個歷史文化街區(qū)固定避難空間與緊急避難空間的數(shù)量及位置布局,通過上述評價指標(biāo)對新增避難空間進(jìn)行評價,評價結(jié)果如表7所示。其中,服務(wù)人口占比最大的為中心花園和古文化街區(qū),最小的為海河歷史文化街區(qū)與解放北路歷史文化街區(qū),其服務(wù)人口占比達(dá)到95.88%和96.73%,基本可以實現(xiàn)避難人口的全覆蓋,滿足避難空間規(guī)劃布局的基本要求。

表7 新增避難空間評價Table 7 The evaluation of added shelter space

4 討論

當(dāng)前對城市避難空間的研究主要集中在指標(biāo)體系建立及空間規(guī)劃布局兩個方面,研究成果比較豐富,但尚不全面,仍存在不足之處。①研究對象集中于廣場、學(xué)校、防災(zāi)公園等,對鄉(xiāng)政府機(jī)構(gòu)、停車場、街頭開敞空間及建筑型避難空間的研究較少;②缺少以心理學(xué)和行為學(xué)為理論指導(dǎo)的研究,較少關(guān)注對老弱病殘等特殊人群的關(guān)懷,忽視了不同人群的避難行為特征;③應(yīng)對災(zāi)種單一化,較少涉及面向各種災(zāi)害的多災(zāi)種應(yīng)對模式,規(guī)劃方法尚未根據(jù)應(yīng)對災(zāi)種的差異性將避難空間進(jìn)行分類[22];④研究內(nèi)容仍停留在滿足災(zāi)民的基本生活需求上,忽略了避難空間使用品質(zhì)的提升。因此,今后應(yīng)從避難空間規(guī)劃與設(shè)計的全面化、人性化、多樣化與品質(zhì)化等方面加以深入研究。

5 結(jié)論

避難空間規(guī)劃是城市安全建設(shè)的重中之重,對于防災(zāi)減災(zāi)工作安全有效地開展具有至關(guān)重要的作用。本文面向歷史文化街區(qū),基于ArcGIS10.2,運(yùn)用集合覆蓋模型、最大化覆蓋范圍模型及最小化設(shè)施點數(shù)模型等定量分析方法,探討歷史文化街區(qū)避難空間規(guī)劃方法、用地適宜性評價方法、避難空間評價指標(biāo)以及場所分配方法。以天津市14個歷史文化街區(qū)為例,在評估研究區(qū)域道路易損性的基礎(chǔ)上,選擇易損性較低的道路作為疏散通道;在對現(xiàn)有避難空間的評價基礎(chǔ)上對歷史街區(qū)用地進(jìn)行適宜性評價,選擇適宜性較高的用地作為新增避難場所的候選范圍;運(yùn)用公共服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化模型確定各個歷史文化街區(qū)避難空間的位置及數(shù)量,并運(yùn)用相關(guān)指標(biāo)對新增避難空間進(jìn)行安全性、時效性、便捷性及應(yīng)急功能性的評估,證實了該方法的科學(xué)性與實用性,為歷史文化街區(qū)避難空間的規(guī)劃與建設(shè)提供參考依據(jù)。