超高層建筑快速疏散問題初探

●張 鑫

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

眾所周知，超高層建筑的安全疏散一直是大眾關(guān)注的問題，也是業(yè)內(nèi)人士重點(diǎn)研究的問題。“9·11事件”釀成數(shù)千人重大傷亡事故的主要原因之一就是快速疏散問題。從有關(guān)報(bào)道資料來看，世界貿(mào)易中心被飛機(jī)撞擊到完全坍塌經(jīng)過近1 h(南樓56 min)，在這段時間里大樓內(nèi)只有一部分人員得以逃生。因?yàn)樵诰o急狀態(tài)下，幾千人都要從疏散樓梯向下疏散，再加上人多相互擁擠，其所需疏散時間是相當(dāng)長的。世界貿(mào)易中心南北塔樓高均為110層，每個塔樓標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為4 032．25 m2，每個塔樓每層可容納辦公和參觀人員之和約500人，每個塔樓內(nèi)有4部疏散樓梯。根據(jù)我國《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱《高規(guī)》)第6．1．13條的條文說明給出的使用一部寬度為1．10 m的疏散樓梯將高層建筑里的人員疏散到室外的時間表可知，如此規(guī)模的超高層建筑，要使樓內(nèi)人員全部疏散到室外，至少需4 h以上。

試想，如果世界貿(mào)易中心里有一種快速疏散通道，使得大樓里的人員在30 min內(nèi)就能完全疏散到室外安全地帶，就不會造成如此巨大的人員傷亡了。在超高層建筑里工作和生活的人們能否保證在大樓一旦發(fā)生意外時，在最短的時間內(nèi)快速疏散到安全地帶是十分重要的。隨著人類社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超高層建筑的快速疏散問題將成為各國建筑師們研究的課題。從當(dāng)前世界各地已經(jīng)建成的或正在建造的超高層建筑來看，疏散方法仍舊是采用普通的疏散樓梯。在一些報(bào)道中雖然也有采用疏散滑袋和專用疏散電梯等方法，但因受各種條件所限，有些新的疏散方法也很難滿足成百上千人在較短的時間內(nèi)從高樓大廈里疏散出來。另外，因有些新方法成本高構(gòu)造復(fù)雜也很難普及應(yīng)用。因此，關(guān)于超高層建筑快速疏散問題，到目前為止，仍然未能找到經(jīng)濟(jì)、適用、方便、可行的方法。筆者針對這一問題進(jìn)行分析研究，大膽地提出一種快速、新穎、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的疏散方式——快速疏散滑道。它較傳統(tǒng)的疏散樓梯疏散速度要快得多，可解決超高層建筑快速疏散這一難題。

1 快速疏散滑道的設(shè)想

我們知道，人在平地上行走的速度大約是1 m·s-1，成年人若以較快的速度行走可在1 min內(nèi)走完100 m的路程。對于100 m高的大樓，人從頂層由疏散樓梯向下行走至樓外，至少需要30 min。應(yīng)該說采用傳統(tǒng)的樓梯疏散方式來解決超高層建筑的快速疏散問題，無論如何是不可能在較短的時間內(nèi)疏散高樓內(nèi)所有人員的。由于在緊急疏散時樓梯里人員眾多，其疏散速度會更慢，疏散時間會更長。那么，是否有更好的辦法使得人員在100 m高度以上的大樓內(nèi)，僅需十幾分鐘或半個小時就可疏散到地面安全出口呢?回答這樣的問題不應(yīng)該是完全否定的，是有可能解決的。如滑雪者借助于雪山的斜坡和地球引力產(chǎn)生的下滑力，只需幾分鐘就可從幾百米高的雪山頂滑到山腳，也就是說人在坡道上滑行要比步行快得多。人之所以能在坡道上向下滑移，其主要原因是地球的吸引力G使得在坡道上的人或物體產(chǎn)生向斜坡方向的拉力F。當(dāng)F大于摩擦力f時，人或物體就會以加速度向下(斜坡方向)滑行，當(dāng)F小于摩擦力f時，人或物體在斜坡方向處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖1所示。為了控制人在斜坡上下滑的速度，可通過調(diào)整滑道的坡度和表面材料，以達(dá)到人們可以承受的下滑速度。

圖1 人在斜坡下滑時的受力圖

由此可見，設(shè)想在超高層建筑物中設(shè)計(jì)一種螺旋形下滑坡道(快速疏散滑道)，當(dāng)有人坐在或半臥在這種坡道上時，由于地球引力，人就會自動向下滑移。超高層建筑內(nèi)的每層疏散樓梯1 min只能通過幾十人，快速疏散滑道每層1 min可疏散上百人甚至更多。對位于上百層高樓內(nèi)的人群來說，選擇快速疏散滑道不但疏散速度快，而且其疏散能力也較普通疏散樓梯要大得多，這也許是超高層建筑快速疏散的一種好方法。當(dāng)然，快速疏散滑道的疏散能力與其坡度和寬度等因素有關(guān)，具體參數(shù)有待于試驗(yàn)研究確定。

2 快速疏散滑道設(shè)計(jì)方案探討

經(jīng)上述分析可知，采用滑道疏散比采用傳統(tǒng)樓梯疏散要快得多。但有一個難題必須解決，就是人在螺旋式滑道中向下滑行時，不到30 s大多數(shù)人就會頭暈?zāi)垦?。?dāng)人從幾十層高樓滑到底層時，可以說所有的人都會感到天旋地轉(zhuǎn)，短時間內(nèi)根本無法站立和行走。當(dāng)上部仍有大量的人員從滑道向下滑到底層時，會出現(xiàn)人員堆壓而釀成踩踏事故。由此可見，螺旋形滑道無法用于高層建筑的快速疏散。如何設(shè)計(jì)一種滑道可以使人們在其中向下滑行時不會頭暈?zāi)?借鑒兒童用娛樂滑梯的形式，同時結(jié)合人的生理特點(diǎn)，即當(dāng)人圍繞一個圓沿一定方向快速行走時，走不了幾圈頭就會發(fā)暈。而當(dāng)其繞“8”字形布置的兩個圓，分別以順時針、逆時針連續(xù)快速行走時(筆者自己也體驗(yàn)過)，不論走多長時間，頭都不會發(fā)暈。為此，以兩個圓組成“8”字形作為疏散滑道的平面基本形式，如圖2所示。

圖2 快速疏散滑道的形式

疏散滑道平面形式為以兩個內(nèi)徑2 m的圓組成的“8”字形，滑道與水平面夾角暫定為30°，滑道寬度暫定為0．5 m(只考慮每次單人滑行)。繞“8”字形每循環(huán)一次，以滑道中心線標(biāo)高變化為準(zhǔn)，其下降高度為8．16 m，如圖3所示。

圖3 滑行高度示意圖

對于層高在3 m左右的高層建筑，每層樓都可設(shè)置輔助滑道進(jìn)入“8”字形主滑道。主滑道布置有兩種方式，輔助滑道可以從(不同標(biāo)高的樓面)3個點(diǎn)與主滑道相連，如圖4所示。由圖4可見，不論“8”字形如何布置，在繞“8”字循環(huán)一次的8．16 m高度范圍內(nèi)，大約有3處可以和主滑道相連接(如圖4中3個箭頭所示)，即這種形式的滑道可適用于各種層高的建筑?？赏ㄟ^調(diào)整“8”字形滑道的內(nèi)徑、坡度等來滿足建筑的快速疏散。

3 快速疏散滑道應(yīng)用的可行性分析

圖4 滑道布置方式及入口

超高層建筑采用快速疏散滑道是否可行，可從以下幾個方面進(jìn)行討論:(1)人們的心理承受能力。當(dāng)一幢超高層建筑一旦發(fā)生意外，樓內(nèi)廣播系統(tǒng)會通知人們進(jìn)行緊急疏散，人們首先想到的是如何盡快地離開危險(xiǎn)之地?？焖偈枭⒒李愃朴趦和珗@內(nèi)的螺旋形滑梯。只要人員坐(或半臥)在其上，人的身體在重力的作用下會自動下滑?？焖偈枭⒒纼蓚?cè)有防護(hù)設(shè)施，人是不可能滑到滑道之外而產(chǎn)生危險(xiǎn)的。如果在滑道上坐不穩(wěn)可以半臥(或躺在)其上也能滑到大樓的底層，并在底層設(shè)置緩沖段以確保下滑人員的安全。由于采用“8”字形滑道，不論人員從多少層向下滑，在以順時針和逆時針不斷交替方式下滑時，一般不會發(fā)生頭暈現(xiàn)象，對于成年人來說是可以接受的。(2)人們的生理承受能力。當(dāng)人們坐或半臥在這種快速疏散滑道上時，由于重力的作用人的身體就會自動向下滑移。人的臀部、背部等身體部位要接觸到滑道的表面，如遇夏天因衣服穿的較少，這些部位的局部皮膚在較長時間的摩擦下有可能受到損傷。為了解決這一問題，可在每層樓安全出口處(即在快速疏散滑道入口處)，按該層樓最多疏散人數(shù)存放足夠數(shù)量的(類似于救生衣的)輔助下滑防護(hù)墊。這種輔助下滑防護(hù)墊可用耐磨材料制成寬約0．6 m的矩形墊塊，每個防護(hù)墊設(shè)兩對快速扣緊的繩扣，它可保護(hù)人的臀部和背部在下滑時不會被擦傷。防護(hù)墊與滑道面接觸的材料要滿足兩點(diǎn):一是要耐磨，可經(jīng)過試驗(yàn)確保在下滑全過程中不會被磨破;二是與滑道接觸的面要光滑，摩擦力要小。當(dāng)滑道表面材料確定之后，防護(hù)墊與滑道之間的摩擦系數(shù)基本可以確定了。因此，可以計(jì)算出滑道采用多大坡度較合適，以滿足滑動速度的要求。由此可見，快速疏散滑道對于大部分人的身體是可以接受的。這種疏散不像人員在疏散樓梯中行走，如果前面的人行走緩慢則直接影響后面的人員疏散。一旦有人在樓梯中摔倒，那后果就不堪設(shè)想。在快速疏散滑道中則不存在這種現(xiàn)象。假設(shè)有人躺在其上，在重力的作用之下，凡是在滑道上的人員都會自動向下滑移，不可能像疏散樓梯中若有人摔倒，有可能相互踩踏而導(dǎo)致人身傷亡事故。人員在快速疏散滑道上滑行充其量不過受些皮肉之傷，而無性命之憂。(3)快速疏散滑道的應(yīng)用范圍。快速疏散滑道目前在世界上還沒有應(yīng)用的先例。對于超高層建筑(或高層建筑)采用快速疏散滑道來解決緊急疏散，應(yīng)該是比較先進(jìn)、實(shí)用、方便的方法，它較專用疏散電梯的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何動力，即使在全樓停電的狀況下也不會影響疏散。惟一的缺點(diǎn)是在超高層(或高層)建筑中每層需增加約30 m2的建筑面積。但它疏散的效率較普通疏散樓梯要快6～7倍。如《高規(guī)》第6．1．13條的條文說明中列舉的50層高樓，每層240人，所需疏散時間為131 min。50層高樓(層高平均以3 m計(jì))總高約150 m，如圖3其“8”字形快速疏散滑道總長約360 m。位于頂層的240人進(jìn)入滑道的時間大約(以每人3～5 s計(jì))需12～20 min。人在滑道上滑行100 m約需時間12 s，滑行360 m所需時間約為43．2 s。由此可估算出最后一位滑到底層所需時間約為(240×5+43．2≈1 243 s≈20．8 min)21 min。由此可見，采用快速疏散滑道疏散時間還不到30 min，其疏散時間僅為普通疏散樓梯的16%，大大縮短了疏散時間，充分體現(xiàn)出了快速疏散滑道的優(yōu)勢。

4 快速疏散滑道的應(yīng)用問題探討

快速疏散滑道的應(yīng)用首先涉及到試驗(yàn)研究問題?？焖偈枭⒒朗且环N新的疏散方法，要使其在超高層建筑(或高層建筑)中得到應(yīng)用，還需要進(jìn)一步去研究實(shí)踐。它的構(gòu)造原理實(shí)際上是很簡單的，就是利用地球引力使得人員在坡道上下滑。下滑的速度和坡道的坡度及其表面的光滑度有關(guān)。除此之外，快速疏散滑道的設(shè)計(jì)主要涉及到以下幾個問題:一是快速疏散滑道的坡度;二是“8”字形快速疏散滑道的寬度;三是坡道表面采用何種材料等一些實(shí)際應(yīng)用問題。本文只是初步探討快速疏散滑道，這些實(shí)際問題不再贅述。

［1］傅剛，費(fèi)菁．“雙塔——隨風(fēng)而逝”［J］．世界建筑，2001，(10)．

［2］F哈特，W海恩，H桑塔格．鋼結(jié)構(gòu)建筑資料集［G］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1983:162．

［3］GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2005年版)［S］．