火場中電梯疏散失敗的FTA分析與探討

王國文

(沈陽航空航天大學(xué)民航與安全工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110136)

2010年“11·15”上海高層住宅特大火災(zāi)事故的發(fā)生，再次引起了人們對于高層建筑發(fā)生火災(zāi)時人員安全疏散問題的關(guān)注。其中高層建筑利用電梯進(jìn)行疏散有眾多優(yōu)越性，但人們對其在火場中運(yùn)行的可靠性也存在很多質(zhì)疑。

1994年，美國的John H.Klote等人提出了電梯緊急疏散系統(tǒng)(Emergency Elevate Evacuation Systems，EEES)的概念，并對其進(jìn)行了研究，初步探索了利用電梯進(jìn)行高層建筑人員疏散的可能性。之后，又有許多學(xué)者從事高層建筑的電梯疏散系統(tǒng)的研究，并對其概念進(jìn)行了發(fā)展和延伸。然而至今為止，關(guān)于電梯疏散的許多研究成果仍處于概念階段，并沒有在實(shí)際中得到充分的應(yīng)用。

在中國，相關(guān)領(lǐng)域的研究開展得較少。出于對火場中電梯運(yùn)行可靠性的質(zhì)疑，現(xiàn)行的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》均明確規(guī)定電梯在火災(zāi)時不能用于疏散。最近幾年，隨著高層建筑火災(zāi)數(shù)量增多，火災(zāi)情況下人員疏散問題越發(fā)突出，一些建筑、消防、機(jī)械等方面的專家學(xué)者開始關(guān)注電梯用于應(yīng)急疏散的可行性。2005年底，公安部上海消防研究所與上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院合作，完成了針對高層建筑火災(zāi)情況下電梯應(yīng)急疏散可行性的研究，這是中國第一次系統(tǒng)、全面地從風(fēng)險的角度審視高層建筑電梯疏散的可行性，得出了在火災(zāi)情況下有條件地利用電梯進(jìn)行應(yīng)急疏散可行的重要研究結(jié)論。2011年3月29日，國內(nèi)首次“高層電梯防火、隔熱、隔煙技術(shù)研討會”在杭州舉行，這次會議提出了為電梯增設(shè)“火災(zāi)應(yīng)急疏散運(yùn)行”模式、建立高層建筑火災(zāi)疏散應(yīng)急管理體系、改進(jìn)電梯機(jī)電式安全裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念等觀點(diǎn)。

在美國，2009年新發(fā)布的NFPA101《生命安全規(guī)范》的附錄B中，新添加了一條說明“在火災(zāi)情況下，可以有條件地使用電梯”，這也為中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制(修)訂提供了重要的借鑒。

1 火場中電梯運(yùn)行可靠性

1.1 電梯疏散故障樹的建立

在火場中可能對電梯運(yùn)行可靠性形成威脅的主要有4個主要設(shè)備系統(tǒng)，分別是電梯機(jī)房、電梯廳門系統(tǒng)、電梯轎廂系統(tǒng)、招呼面板系統(tǒng)。眾多實(shí)際案例表明，發(fā)生火災(zāi)時，著火點(diǎn)大多位于建筑物的公共區(qū)域或倉庫，極少情況發(fā)生在電梯機(jī)房，而且機(jī)房做為電梯設(shè)備專用這一特性在建筑設(shè)計(jì)時已經(jīng)被考慮進(jìn)去。因此，本文研究時暫不考慮電梯機(jī)房系統(tǒng)著火的情況。而主要考慮建筑物其他區(qū)域著火時，火場中電梯廳門、電梯轎廂系統(tǒng)、招呼面板系統(tǒng)因發(fā)生火災(zāi)而失效以及電梯供電中斷迫使電梯退出正常運(yùn)行，從而導(dǎo)致電梯疏散失敗的情況，具體見圖1所示。

圖1 火災(zāi)導(dǎo)致電梯疏散失敗的故障樹

其中頂事件T為火災(zāi)導(dǎo)致電梯疏散失敗;E1電梯供電中斷;E2電梯門系統(tǒng)失效;E4轎廂系統(tǒng)失效;F1水導(dǎo)致短路保護(hù)斷電;F2水毀壞供電線路;F3門掛輪失效;F4廳門失效;F5門球失效;F6門滑塊失效;F7門鎖失效;F8招呼面板受熱失效;F9招呼面板遇水失效;F10轎廂光幕失效，F(xiàn)11人不能進(jìn)入轎廂，F(xiàn)12轎頂門機(jī)遇水失效。X1供電中斷;X2電梯部件受到水侵害;X3供電線路無防水保護(hù);X4電梯部件受到高溫侵害;X5供電線路無高溫保護(hù);X6門掛輪變形;X7廳門變形;X8門球變形;X9門滑塊變形;X10門鎖變形;X11招呼面板變形;X12招呼面板進(jìn)水;X13轎廂受到煙霧侵害;X14光幕受到煙霧影響不關(guān)門;X15煙霧使人不能承受;X16水進(jìn)入井道。

1.2 故障樹的最小割集和最小徑集

最小割集指割集中任一事件不發(fā)生，頂事件不發(fā)生。利用布爾代數(shù)法求得該故障樹最小割集有13 個，分別為:{X1}，{X2，X3}，{X4，X5}，{X4，X6}，{X4，X7}，{X4，X8}，{X4，X9}，{X4，X10}，{X4，X11}，{X2，X12}，{X13，X14}，{X13，X15}，{X2，X16}。

最小徑集指故障樹中某些事件不發(fā)生，則頂上事件不發(fā)生的最低限度的基本事件的集合。通過求解最小徑集就可以知道要使頂上事件不發(fā)生的幾種可能的方案，從而為控制頂上事件不發(fā)生提供依據(jù)?？梢酝ㄟ^對偶樹法、布爾代數(shù)法和行列式法3種方法求解。通過布爾代數(shù)法求解得出故障樹的最小徑集共有11個，分別為:{X1，X2，X4，X13}，{X1，X2，X4，X14，X15}，{X1，X2，X5，X6，X7，X8，X9，X12，X13，X16}，{X1，X2，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13}，{X1，X2，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X14}，{X1，X3，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13}，{X1，X3，X5，X6，X7，X8，X9，X12，X13，X16}，{X1，X3，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X14，X15，X16}，{X1，X3，X4，X10，X11，X13}，{X1，X3，X4，X12，X13，X16}，{X1，X3，X4，X12，X14，X15，X16}。

1.3 結(jié)構(gòu)重要度和割集重要度系數(shù)

故障樹中個基本事件的發(fā)生對頂事件的發(fā)生有著程度不同的影響，為了明確最易導(dǎo)致頂事件發(fā)生的事件，以便分出輕重緩急采取有效措施，控制事故的發(fā)生，必須對基本事件進(jìn)行重要度分析。

本文中的故障樹的結(jié)構(gòu)重要度分析可以用二次近似式計(jì)算:

式中:φ(Xi)為基本事件的重要度系數(shù)值;Kj為包含基本事件Xi的全部最小割集;nj為第j個基本事件Xi所在Kj(割集)的基本事件總數(shù)。通過計(jì)算得到火災(zāi)導(dǎo)致電梯疏散失敗故障樹的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。如下表1所示:

表1 故障樹結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

用故障樹的最小割集可以表示其等效故障樹。在最小割集所表示的等效故障樹中，每一個最小割集對頂事件發(fā)生的影響同樣重要，而且同一個最小割集中的每一個基本事件對該最小割集發(fā)生的影響也同樣重要。

式中:Kj為包含基本事件Xi的全部最小割集;故障樹中共有R個最小割集，第j個最小割集中含有mj個基本事件.通過計(jì)算可得火災(zāi)導(dǎo)致電梯疏散失敗故障樹的割集重要度系數(shù)。如下表2所示:

表2 故障樹割集重要度系數(shù)表

2 故障樹分析與可采取的防范措施

從最小割集的計(jì)算與分析可知，每一個最小割集都表示頂事件發(fā)生的一種可能。由故障樹的最小割集可以直觀地判斷哪種故障模式最危險，哪種次之，哪種可以忽略，以及如何采取措施降低事故發(fā)生概率。由本故障樹可知，如果不考慮每個基本事件發(fā)生的概率，或者既定各基本事件發(fā)生的概率相同，則指含有一個基本事件的最小割集發(fā)生概率最大，即供電中斷對頂事件發(fā)生的危險最大。

從最小徑集的計(jì)算與分析可知，對事件最小徑集加以控制即可控制頂事件的發(fā)生，由該故障樹的最小徑集可以知道控制 X1、X2、X4、X13的發(fā)生即可控制頂事件發(fā)生。即當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，通過防止人為的斷電操作、防止電梯零部件火災(zāi)情況下受到高溫和水侵害以及防止電梯轎廂受到煙霧侵害就可以保證電梯在火災(zāi)情況下安全運(yùn)行。

從結(jié)構(gòu)重要度分析可知，基本事件X1、X4、對頂事件的影響最大，基本事件X2、X13影響次之，其余的基本時間影響相同，并列影響最小。由于結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)是從故障樹結(jié)構(gòu)上反映基本事件的重要程度，這就給系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)者選用部件可靠性及改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

在本故障樹中供電中斷以及電梯部件受到高溫侵害對電梯停梯的影響最大。這就要求管理人員應(yīng)為電梯設(shè)置備用電源，并保證備用電源能在火災(zāi)發(fā)生后迅速啟動。保證電梯的持續(xù)供電。防止因供電中斷而導(dǎo)致停梯。此外管理人員還應(yīng)優(yōu)先防止高溫對電梯部件造成傷害。解決辦法是可以在電梯前室設(shè)置感溫探頭，當(dāng)檢測到高溫可能對電梯部件的造成傷害的臨界溫度時，采取對電梯豎井和前室進(jìn)行加壓送風(fēng)等降溫防煙措施或者停止電梯使用，以免電梯運(yùn)行過程中停梯，乘客被困其中，陷入危險狀態(tài)。

從割集重要度分析可知，割集重要度和結(jié)構(gòu)重要度相比，基本事件的重要程度大致相同。其中X1由于是單事件最小割集，而且X1只是一個最小割集中的基本事件，所以基本事件X1的結(jié)構(gòu)重要度最大，割集重要度卻不是最大。即供電中斷對于電梯疏散失敗的故障樹結(jié)構(gòu)上重要性最大，卻不是引起頂事件發(fā)生模式中重要性最大的事件。本事件X4的發(fā)生對于頂事件的發(fā)生重要性最大，控制住X4的發(fā)生可能性，能迅速有效地降低頂事件的發(fā)生可能性。其次是基本事件X2，接下來是X1、X13。其余的基本事件結(jié)構(gòu)重要度均為0.0385，可以近似認(rèn)為最不重要、最不敏感?？梢宰詈笠罁?jù)實(shí)際條件進(jìn)行靈活處理。

由以上分析可知，導(dǎo)致電梯停梯重要性最大的事件是X4、X2。即電梯部件受到高溫侵害以及電梯部件受到水侵害而停梯。管理人員優(yōu)先采取對電梯做防高溫和防水方面做出改進(jìn)和保護(hù)措施。能有效地降低電梯挨個停梯發(fā)生的可能性。除了在電梯前室設(shè)置感溫探頭以及對電梯豎井進(jìn)行加壓送風(fēng)之外，還應(yīng)對動力與控制電纜、電線以及電梯組成各部件采取防水保護(hù)措施。消防電梯間前室門口宜設(shè)置擋水設(shè)施等方法來提高電梯正常運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)論

相比只利用樓梯進(jìn)行疏散，高層建筑利用電梯疏散雖然具有很多優(yōu)越性，但是，一旦發(fā)生火災(zāi)，會有很多未知的突發(fā)事件發(fā)生，電梯疏散系統(tǒng)的可靠性顯然不如樓梯疏散系統(tǒng)可靠。這也就是我國幾十年來一直禁止利用電梯進(jìn)行疏散的原因。希望通過對發(fā)生火災(zāi)時導(dǎo)致電梯疏散失敗的故障樹分析，從眾多因素中找出影響電梯停梯的主要因素。從而針對性的對主要因素采取改進(jìn)措施，在發(fā)揮電梯疏散的優(yōu)點(diǎn)的同時，以最小的成本，消除潛在危險，提高電梯運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性。

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