Fire Evacuation Strategies for Hospital Inpatient Wards under Different Fire Source Locations

기술 요약: 서로 다른 화원 위치에 따른 병원 입원 병동의 화재 대피 전략

문제 제기
병원 입원 병동은 높은 인구 밀도, 환자의 취약성(거동 불능 및 와상 환자 포함), 고층 의료 시설 특유의 복잡한 건물 구조로 인해 화재 대피 시 독특한 과제를 안고 있다. 기존 연구는 주로 일반적인 대피 역학이나 화재 확산 자체에 집중하며, 특정 화원 위치와 그로 인한 대피 제약 사이의 결정적인 상호작용을 간과하는 경우가 많다. 고밀도 공공장소에서 환자의 이동성 제한과 연기 위험이 결합되면 심각한 혼잡, 정체 및 인명 피해 위험 증가를 초래할 수 있다. 본 연구는 화재 위험의 동적 확산과 병원 거주자의 구체적인 이동성 제한을 모두 고려한 맞춤형 대피 전략을 개발함으로써 기존의 공백을 메우고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 중국의 12층 규모 2차 병원 입원 부서를 사례 연구로 하여 2단계 시뮬레이션 프레임워크를 채택하였다.

1. 화재 역학 시뮬레이션 (PyroSim):

   • 시나리오 설계: 화원 위치의 영향을 테스트하기 위해 6층(인구 밀도가 높은 입원 층)에 세 가지 뚜렷한 화재 시나리오를 모델링하였다.
     • 시나리오 A: 두 피난 계단 사이에 화원 위치.
     • 시나리오 B: 계단 1 입구 근처에 화원 위치.
     • 시나리오 C: 계단 2 입구 근처에 화원 위치.
   • 매개변수: 화재는 "빠른" 성장형 화재($\alpha = 0.04689 \, kW/s^2$)로 모델링되었으며, 최대 열방출률은 2.5 MW이다.
   • 위험 분석: 시뮬레이션은 연기 층 높이, 온도, CO 농도 및 가시성을 추적하였다. 인체 허용 한계(예: 가시성 < 5 m, 온도 > 60°C, CO > 500 ppm)를 기준으로 **가용 안전 대피 시간(ASET)**을 결정하였다.

2. 대피 시뮬레이션 (Pathfinder):

   • 거주자 모델링: 모델에는 787명의 거주자(환자 300명, 간병인 300명, 의료진 187명)가 포함되었다. 환자는 이동성에 따라 분류되었다(와상 환자 13%, 휠체어 이용자 17%, 거동 불능자 30%). 대피 속도는 성별, 연령 및 이동 상태에 따라 할당되었다.
   • 행동 설정: 동적 경로 계획 및 충돌 회피를 시뮬레이션하기 위해 "Steering" 모드를 사용하였다. 사전 대피 반응 시간은 60초로 가정하였다.
   • 전략 테스트: 다섯 가지 대피 전략을 시뮬레이션하고 이를 ASET과 비교하였다.
     • S1: 비조직적 대피 (대조군).
     • S2: 차등 출구 배정 (예: 와상 환자를 특정 출구로 유도).
     • S3: S1에 우선순위 설정 추가 (취약 계층 우선순위 지정).
     • S4: S2에 우선순위 설정 추가.
     • S5: S4에 3층 이상 층의 지정된 피난 구역(refuge areas) 추가.

주요 결과

• ASET 결정: 모든 시나리오에서 가시성이 가장 결정적인 제한 요인으로 식별되었다. 시나리오 A의 경우, 출구에 따라 6층 복도가 안전하지 않게 되는 시간은 100250초 사이였다. 시나리오 B에서는 이 시간 창이 61166초로 현저히 짧아졌다. 시나리오 C에서는 화원 위치가 계단 2를 차단하여 대피에 부적합하게 만들었다.
• 대피 효율성 (ASET vs. RSET):
  • 비조직적 대피 (S1): 가장 긴 대피 시간(986.9초)을 기록하였으며, 출구 02/계단 2에서 심각한 혼잡이 발생하여 시나리오 A와 B에서 6층 환자들을 안전하게 대피시키지 못했다.
  • 차등 출구 (S2): 출구 사용을 균형 있게 조절함으로써 총 대피 시간을 727.9초로 단축하였다. 그러나 와상 환자의 느린 이동으로 인해 혼잡은 지속되었다.
  • 우선순위 설정 (S3 & S4): 우선순위 적용만으로는(S3) S1 대비 9%의 시간 단축 효과가 있었으나, 출구 차등화보다는 효과가 낮았다. 우선순위와 출구 차등화를 결합한 경우(S4) 비피난 전략 중 가장 좋은 결과(667.5초)를 나타냈다.
  • 피난 구역 (S5): 와상 환자를 위한 피난 구역을 포함한 경우 가장 효율적인 대피(427초)가 이루어졌다. 와상 환자가 계단으로 즉시 진입하는 것을 방지함으로써 혼잡이 크게 줄어들었고, 전체 대피 곡선이 완만해졌다.
• 시나리오별 결과:
  • 시나리오 A에서 S5는 모든 거주자의 안전한 대피를 보장하는 유일한 전략이었다.
  • 시나리오 B에서는 표준 60초의 반응 시간을 고려할 때, 최적화된 전략(S4 및 S5)조차 ASET(61초) 내에 거주자를 대피시킬 수 없었다. 안전한 대피는 반응 시간을 23초(S5) 또는 18초(S4)로 단축해야만 가능했다.
  • 시나리오 C에서는 계단 2를 폐쇄하고 계단 1로 대피자를 우회시키는 것이 S4 및 S5 전략 하에서 안전한 대피를 가능하게 했다.

주요 기여

1. 통합 시뮬레이션 접근법: 본 연구는 화재 역학(PyroSim)과 보행자 대피(Pathfinder)를 성공적으로 통합하여, 화재 원인을 독립적인 변수로 취급하는 대신 특정 화원 제약 조건 하에서의 대피 전략을 평가하였다.
2. 전략 최적화: 본 연구는 우선순위 설정이 도움이 되기는 하지만, 물리적인 출구 배정과 피난 구역의 활용이 병원 병동의 대피 시간을 단축하는 데 훨씬 더 영향력이 크다는 것을 입증하였다.
3. 피난 구역의 효능: 본 연구는 피난 구역이 이동 불능 환자의 움직임을 주요 대피 흐름으로부터 분리함으로써 전체 대피 시간을 유의미하게 단축한다는 정량적 근서를 제공한다.
4. 위치 의존적 전략: 연구 결과는 단일한 대피 계획은 불충분하며, 전략은 계단 및 출구와의 근접성에 따라 조정되어야 함을 강조한다.

의의 및 주장
본 논문은 연구 결과가 고층 병동의 화재 안전 관리를 위한 실질적이고 실행 가능한 전략을 제공한다고 주장한다. 가시성이 주요 위험 요소이며, 출구 배정과 피난 구역의 결합이 가장 강력한 해결책임을 식별함으로써, 본 연구는 인명 피해를 효과적으로 줄이기 위한 경로를 제시한다. 저자들은 거주자가 가용 안전 대피 시간(ASET) 내에 대피할 수 있도록, 화원 위치에 따라 대피 경로와 대응 프로토콜을 조정하는 동적인 대피 계획이 반드시 필요하다고 강조한다. 결론적으로, 출구 선택을 최적화하고, 거주자 우선순위를 설정하며, 피난 구역을 구현하는 것이 복잡한 의료 대피 시나리오의 안전성을 높이는 데 필수적인 구성 요소임을 밝힌다.