加層對高層辦公建筑疏散時(shí)間的影響研究

趙國棟　肖澤南　白潔

摘要：某高檔辦公建筑局部加層，人員荷載略有增加。文章從樓梯容納能力、人員荷載變動(dòng)角度，對建筑的層疏散行動(dòng)時(shí)間、全樓疏散行動(dòng)時(shí)間進(jìn)行分析，以研究影響樓層人員疏散行動(dòng)時(shí)間的原因。

關(guān)鍵詞：疏散行動(dòng)時(shí)間；樓梯人員；荷載變化

中圖分類號：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0150-05

1 概述

某既有高檔辦公建筑，由于特殊原因，擬在頂部（28層）加建三層。加層前，業(yè)主對現(xiàn)狀租戶進(jìn)行了調(diào)研，獲得人均使用面積約為30m2/人，與目前北京市場高檔寫字樓的使用現(xiàn)狀是相當(dāng)?shù)摹＜訉又辉诰植吭O(shè)置，約占標(biāo)準(zhǔn)層面積的1/3，仍舊為高檔辦公建筑，三層合計(jì)面積約1800m2，使用人數(shù)不超過100人，作為一個(gè)防火分區(qū)。

無論是《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》還是《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，其疏散設(shè)計(jì)均針對層疏散。其他國家的規(guī)范也大致如此。即疏散樓梯，無論是數(shù)量、寬度，還是距離，均應(yīng)當(dāng)滿足全層同時(shí)疏散的需要。

同時(shí)，《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50116-2008 8.8.1）條還規(guī)定：“當(dāng)確認(rèn)火災(zāi)后，應(yīng)急廣播系統(tǒng)首先向全樓或建筑（高、中、低）分區(qū)的火災(zāi)區(qū)域發(fā)出火災(zāi)警報(bào)，然后向著火層和相鄰層進(jìn)行應(yīng)急廣播，再依次向其他非火災(zāi)區(qū)域廣播；3min內(nèi)應(yīng)能完成對全樓的應(yīng)急廣播?！?/p>

由上述規(guī)定可知，當(dāng)27層（含）以下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，新增三層與否，并不影響火災(zāi)初期同時(shí)疏散的人數(shù)的多少。但是，頂層（28層）發(fā)生火災(zāi)時(shí)，情況確有所不同：未增加三層時(shí)，僅27、28兩層人員疏散；增加三層后，27、28、新增三層人員都需要同時(shí)開始疏散。

從人員荷載的角度看，加層后同時(shí)疏散的人員增加了。一般認(rèn)為，新增樓層，必然對原建筑的人員疏散產(chǎn)生影響，疏散時(shí)間會(huì)延長。那么實(shí)際情況是否如此呢？影響疏散時(shí)間的因素有哪些呢？本文將根據(jù)這個(gè)實(shí)際工程案例，展開深入研究。

2 樓梯的擁堵點(diǎn)及每層樓梯的容納能力

建筑中的人員使用樓梯進(jìn)行疏散。一般來說，存在兩級擁堵點(diǎn)，參見圖1：

（1）一級擁堵點(diǎn)，在各層前室的入口門前會(huì)出現(xiàn)擁堵，形成扇形排隊(duì)情況。這一方面是由于前室門寬度的限制作用，另一方面是由于樓梯間內(nèi)的步速低于樓層內(nèi)水平步速的原因。這種情況一般是難以避免的，而且是正

常的。

（2）二級擁堵點(diǎn)，在樓梯間入口平臺(tái)，即上、下層交匯處，會(huì)出現(xiàn)擁堵。下層樓梯除了要承擔(dān)本層的人員疏散之外，還要承擔(dān)上層樓梯下來的人流。即兩個(gè)入口、一個(gè)出口。下層的樓梯梯段具備一定的容納能力，當(dāng)其容納能力大于兩個(gè)入口的人員荷載時(shí)，樓梯間內(nèi)不會(huì)發(fā)生擁堵；而下層的容納能力小于兩個(gè)入口的人員荷載時(shí)，如果上下兩股人流同時(shí)抵達(dá)交匯平臺(tái)處，則在樓梯間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生擁堵。

下面分析28層樓梯內(nèi)可能的擁堵情況。29層的人員進(jìn)入樓梯后，沿28層的樓梯下到28層的樓梯入口平臺(tái)時(shí)，會(huì)與28層進(jìn)入樓梯間的人員相遇。他們出現(xiàn)競爭，以向27層的樓梯間疏散。如果27層樓梯的疏散能力足夠強(qiáng)，兩股人流會(huì)順暢的向下流；反之，28層的樓梯間入口處、28層通往29層的梯段上都會(huì)出現(xiàn)擁堵。27層的2部樓梯容納能力見表1，為96人。28層有71人（參見表2）、29層有35人（按照人員、面積平均分配），合計(jì)106人。兩者人數(shù)較為接近，樓梯的容納能力略低于使用人數(shù)。需要注意的是，雖然火災(zāi)警報(bào)裝置與應(yīng)急廣播是同時(shí)通知28、29層的人員，但是29層人員要多跑一層樓梯才能下到28層樓梯入口平臺(tái)，此時(shí)28層人員已經(jīng)有部分人員經(jīng)過入口平臺(tái)、下到27層的樓梯里面了。所以，當(dāng)樓梯的容量與使用人數(shù)較為接近、上下層兩顧人流之間又存在時(shí)間差的情況下，樓梯間內(nèi)不會(huì)存在擁堵。

3 人員荷載現(xiàn)狀層疏散模擬分析

為了驗(yàn)證上節(jié)對層疏散能力與人數(shù)的分析以及驗(yàn)證現(xiàn)有人員荷載條件下新增三層后，樓梯間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)擁堵，進(jìn)行了對比模擬分析。層疏散模擬分析時(shí)，不是單純研究火災(zāi)層的疏散，而是根據(jù)前述《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求包括火災(zāi)層的上（如有）、下層。

分析以28層作為火災(zāi)層，對比分析新增三層前后疏散時(shí)間的差異。除了27層需要同時(shí)疏散外，其上層29層（新增首層）也需要同時(shí)疏散，另外，30（新增二層）、31層（新增三層）與29層（新增首層）是一個(gè)防火分區(qū)，也需要同時(shí)進(jìn)行疏散。疏散模擬的結(jié)果見表3，新增三層前后，28層的疏散行動(dòng)時(shí)間由41.7s變?yōu)?2.0m，幾乎沒有變化，這驗(yàn)證了上節(jié)的結(jié)論，即樓梯間內(nèi)沒有發(fā)生擁堵，因此，在28層人員密度較低的條件下，新增三層不會(huì)對原建筑28層的疏散行動(dòng)時(shí)間產(chǎn)生影響。

4 人員荷載現(xiàn)狀全樓疏散模擬分析

疏散的最不利情況是全樓同時(shí)疏散?，F(xiàn)行建筑規(guī)范都是面向?qū)邮枭⒖紤]而制定的，但是自“9.11”恐怖襲擊事件后，全樓整體疏散的情況，越來越引起人們的關(guān)注。因此，對新增三層前后的全樓疏散進(jìn)行了對比分析。

表4是新增三層前、后全樓疏散行動(dòng)時(shí)間對比表。從計(jì)算結(jié)果看，增加頂部3層的人員后，各層的疏散行動(dòng)時(shí)間變化非常小，在±6%之間。這個(gè)微小變化并非由于新增三層造成，而是由于人員屬性的隨機(jī)性造成，扣除這個(gè)因素來說，層疏散的時(shí)間幾乎未變。

全樓疏散行動(dòng)時(shí)間變化較小，是原疏散時(shí)間的105.3%。時(shí)間的變化主要是由于新增三層人員的行走距離較原建筑頂層疏散距離要遠(yuǎn)造成的。

5 假定人員荷載增加后的層疏散分析

5.1 模擬計(jì)算結(jié)果

前面的分析表明，在低密度情況下樓梯的疏散能力是充足的，加層基本不會(huì)對層疏散產(chǎn)生影響。那么，當(dāng)人員荷載增高是什么情況呢？模擬結(jié)果參見表5。與前述分析相同的是，模擬假設(shè)頂層（28層）為火災(zāi)層，并假設(shè)其與上（如有）、下層同時(shí)疏散。

5.2 人數(shù)變化與疏散時(shí)間變化的關(guān)系

樓層疏散的疏散行動(dòng)時(shí)間tmove，floor（s）的計(jì)算如公式（1）所示。右邊的第一項(xiàng)表示從疏散樓層的各個(gè)部位到預(yù)測的火災(zāi)樓層疏散場所的最大步行時(shí)間；右邊第二項(xiàng)表示疏散路線上，在最小寬度出口處的停留解除時(shí)間。

同樣的建筑布局、同樣的疏散人員，lmax，floor、N、Bmin、v均相同，可以作為常數(shù)，只有Pfloor是變數(shù)。公式（1）可以轉(zhuǎn)化為y=kx+b的標(biāo)準(zhǔn)線性函數(shù)形式，即層疏散行動(dòng)時(shí)間應(yīng)當(dāng)與疏散人數(shù)成正比。

實(shí)際模擬結(jié)果與公式（1）并不相同，加層前、后的模擬結(jié)果均為斜率增大的折線，即隨著人數(shù)增加，疏散行動(dòng)時(shí)間的增加將更大。什么原因造成這個(gè)結(jié)果呢？顯然，第二級擁堵點(diǎn)造成了斜率的增加。當(dāng)疏散人數(shù)較少、樓梯內(nèi)的通行能力較大時(shí)，沒有第二級擁堵點(diǎn)，層疏散的瓶頸就是樓梯前室的入口門（Bmin）；當(dāng)疏散人數(shù)較多、樓梯的通行能力不足以順暢通過上下層匯合的人流時(shí)，形成第二級擁堵點(diǎn)，此時(shí)層疏散的瓶頸是樓梯間入口平臺(tái)，即Bmin要縮小，也即斜率增加。還有一個(gè)原因，是造成斜率增加的原因：在同樣密度情況下，下樓梯的速度是要低于水平面行走的速度的，這也將導(dǎo)致層疏散的Bmin進(jìn)一步縮小。

5.3 人數(shù)變化時(shí)加層前后疏散行動(dòng)時(shí)間的變化

現(xiàn)狀人員密度較低，作為對比分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，此時(shí)加層前、后疏散行動(dòng)時(shí)間是基本不變的，說明樓梯的疏散能力足以滿足上下層人員共同使用。人數(shù)增加一半后，加層前、后的疏散行動(dòng)時(shí)間有了明顯的變化，達(dá)到三分之一左右；而人數(shù)增加一倍后，加層前后疏散行動(dòng)時(shí)間的差值達(dá)到了二分之一左右。上述現(xiàn)象說明：加層后的折線斜率更高，是匯合點(diǎn)的二次擁堵作用導(dǎo)致，疏散行動(dòng)時(shí)間顯著增加；變動(dòng)率折線斜率減小，是由于隨著樓梯的流量接近飽和，Bmin的變動(dòng)也趨近于0。

6 假定人員荷載增加后的全樓疏散分析

由表6可見，不管人數(shù)是否變動(dòng)，加層前、后，疏散行動(dòng)時(shí)間變動(dòng)始終在5%～6%之間，這恰好反映了加層對于全樓的影響：加層前、后，疏散人數(shù)增加約4.3%、疏散距離增加約11.9%（由274.9m增加為306.5m）。

當(dāng)人數(shù)發(fā)生變化，不管是加層前、還是加層后，全樓疏散行動(dòng)時(shí)間的變化率非常接近，反映了建筑情況基本不變，全樓的Bmin也基本恒定，全樓的疏散時(shí)間可以轉(zhuǎn)化為y=kx+b的標(biāo)準(zhǔn)線性函數(shù)形式。加層與否，并未本質(zhì)影響到斜率k，所以變化率很接近。

7 總結(jié)與展望

一般而言，疏散設(shè)計(jì)均針對疏散人數(shù)和疏散寬度。只要疏散寬度滿足規(guī)范規(guī)定的百人1m、疏散距離滿足相應(yīng)要求即可。本文通過加層前、后的對比，并輔以不同的人員荷載，對建筑的疏散能力進(jìn)行了深入的研究。研究結(jié)果表明，低密度的建筑，疏散樓梯的疏散能力是有一定裕量的；隨著人員密度的增加，樓梯內(nèi)會(huì)產(chǎn)生影響，從而會(huì)影響到層疏散。

同時(shí)我們也要注意到傳統(tǒng)的層疏散存在的問題：《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求火災(zāi)層及其相鄰的上、下層要同時(shí)進(jìn)行疏散，但是疏散設(shè)計(jì)中只考慮本層的人員荷載和疏散寬度，沒有考慮上、下層人員在樓梯間內(nèi)匯合導(dǎo)致的擁堵情況。本研究對比加層前、后疏散行動(dòng)時(shí)間的變化，清除地揭示了樓梯的容納能力、疏散能力對疏散快慢的影響。

高層建筑的主要疏散手段為樓梯，樓梯的容納能力、疏散能力對疏散有決定意義，但是目前的疏散研究均忽略了樓梯內(nèi)的疏散過程、忽略了可能出現(xiàn)的擁堵情況，把樓梯作為順暢的疏散安全場所。實(shí)質(zhì)上，在樓梯內(nèi)的每一層都存在嚴(yán)重的上下競爭、速度突減現(xiàn)象。而任何發(fā)生在樓梯內(nèi)的疏散遲滯，都會(huì)回饋至樓層、導(dǎo)致層疏散時(shí)間延長。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對樓梯內(nèi)疏散過程的基礎(chǔ)研究，為高層建筑的疏散設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)合理的支持。

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基金項(xiàng)目：國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題“大型及重要建筑結(jié)構(gòu)抗爆防火關(guān)鍵技術(shù)”，課題編號：2012BAJ07B05。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）