超高层建筑疏散模拟的改进CA模型：避难层休息与疏散电梯偏好的协同优化研究

针对超高层建筑疏散研究中忽视避难层休息恢复和疏散电梯偏好的问题，本研究通过改进细胞自动机(CA)模型，结合实验验证的疲劳恢复参数，量化分析了休息阈值、停留时间、电梯偏好比例及性别比对疏散效率的影响。模型创新性地整合了避难层功能与电梯辅助疏散(EAE)机制，为优化超高层建筑应急方案提供了科学依据。

　　

随着全球建筑技术的飞速发展，超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，但随之而来的消防安全隐患也日益凸显。当火灾、地震等突发事件发生时，如何快速安全地疏散数百米高空中的密集人群，成为摆在工程师面前的重大挑战。传统疏散方案主要依赖楼梯，但超长垂直距离会导致逃生者体力透支，而避难层的功能价值却被长期忽视。与此同时，尽管现代电梯安全技术已允许其在紧急情况下辅助疏散，但人们对电梯使用的心理抗拒与实际选择行为间的矛盾尚未得到系统研究。

针对这些关键问题，中国建筑科学研究院的研究团队在《Simulation Modelling Practice and Theory》发表了一项创新性研究。他们通过改进细胞自动机(Cellular Automata, CA)模型，首次将避难层休息恢复效应与疏散电梯偏好行为纳入统一分析框架。研究首先在北京某46层办公楼开展两组真人疏散实验，量化测定疲劳状态下的速度衰减及避难层休息后的恢复效果。基于实验数据构建的改进CA模型，创新性地整合了空间配置、人员更新规则和电梯调度算法三大模块，系统模拟了休息阈值、停留时间、电梯偏好比例及性别构成等因素对总疏散时间(Total Evacuation Time, TET)的影响。

关键技术方法包括：1) 采用双阶段真人实验测定速度恢复曲线；2) 开发多模块集成的CA模型，引入动态决策算法模拟电梯选择行为；3) 通过参数敏感性分析评估关键变量影响。实验样本来自10名健康成年人(男女比例4:1)，在真实超高层建筑楼梯间进行连续上下行测试。

实验验证避难层休息效果
通过对比连续下行与中途休息组的运动速度，发现休息5分钟可使速度恢复至初始值的89.3%，且男性恢复速率显著快于女性。这为CA模型中速度恢复函数的参数设定提供了实证依据。

改进CA模型构建
模型创新点在于：1) 设置动态疲劳累积算法，当移动距离超过阈值时触发避难层休息决策；2) 引入电梯选择概率函数，反映不同人群的设施偏好差异；3) 设计电梯调度规则模拟实际运行逻辑。空间离散化采用0.4m×0.4m网格，精确表征建筑平面布局。

模拟结果分析
关键发现包括：1) 设置15层间隔的避难层可使TET缩短18.7%；2) 最优休息时长为3-5分钟，过长反而降低效率；3) 当30%人群选择电梯时形成最优分流，TET减少24.3%；4) 女性比例超过60%时需增加避难层密度。这些结论为制定差异化疏散策略提供了量化支持。

该研究首次在CA框架中实现了疲劳恢复动力学与多模式疏散行为的耦合模拟，其模型可精准预测复杂场景下的疏散动态。实践意义上，提出的避难层优化配置准则和电梯分流比例建议，已被纳入《超高层建筑消防安全设计指南》修订稿。理论层面，建立的"疲劳-恢复-决策"计算范式，为建筑安全领域的智能仿真开辟了新思路。未来研究可进一步整合烟雾扩散模型，提升多灾害耦合场景下的模拟真实性。