高層火災(zāi)樓梯電梯協(xié)同疏散策略研究

王恒

摘要： 近年來(lái)，高層建筑火災(zāi)頻發(fā)，為提高疏散效率，減少人員傷亡，提出了一種高層火災(zāi)樓梯、電梯協(xié)同疏散策略。該疏散策略中，電梯根據(jù)到達(dá)目標(biāo)樓層滿載關(guān)門(mén)后該層及以上樓層是否還有待疏散人員來(lái)判斷是否?？吭搶?，疏散過(guò)程中，最理想的情況就是從樓梯中下來(lái)的最后一個(gè)人與從電梯中下來(lái)的最后一個(gè)人同時(shí)到達(dá)出口處。然后，據(jù)此建立了疏散時(shí)間計(jì)算模型，利用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，得到最短所需安全疏散時(shí)間。

Abstract： In recent years， high-rise building fire occurs frequently. In order to improve the evacuation efficiency and reduce the casualties， this paper puts forward a kind of staircase and elevator coordinated evacuation strategy in the high-rise building fire. In this evacuation strategy， the elevator determines whether to stop at the floor according to the floor and above the floor whether is still to be evacuated personnel after reaching the target floor full load and closing the door， the ideal situation is down from the stairs in the last one and down from the elevator in the last one to reach the exit at the same time. Then， the calculation model of evacuation time is established， and the shortest required safe evacuation time is obtained by using the example.

關(guān)鍵詞： 高層建筑；火災(zāi)；樓梯；電梯；協(xié)同疏散

Key words： high-rise building；fire；stairs；elevators；collaborative evacuation

中圖分類(lèi)號(hào)：TU972+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0064-03

0 引言

隨著我國(guó)人民生活條件的提高和交通運(yùn)輸?shù)谋憷?，大量農(nóng)村人口遷入城市，大大加快了城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)程，城市用地出現(xiàn)一度緊張，而高層建筑的到來(lái)不僅緩解了用地緊張的問(wèn)題，也成為了各個(gè)城市的標(biāo)志性建筑。中國(guó)是全球擁有高層建筑最多的國(guó)家，僅上海一地，高層建筑數(shù)量就從上世紀(jì)八十年代的121棟發(fā)展至今天的3萬(wàn)多棟。然而，隨之而來(lái)的還有一系列潛在的安全隱患問(wèn)題，其中高層建筑火災(zāi)對(duì)人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全危害最大。據(jù)《中國(guó)消防年鑒》（2015）統(tǒng)計(jì)，2014年全國(guó)高層建筑火災(zāi)共發(fā)生5571起，死傷人數(shù)107人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9565.9萬(wàn)元，比2013年全國(guó)高層建筑火災(zāi)4989起增加了11.7%，且有愈演愈烈之勢(shì)。

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了提高疏散效率，減少人員傷亡，在有限的時(shí)間內(nèi)疏散盡可能多的人員，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種樓梯結(jié)合電梯進(jìn)行人員疏散的協(xié)同疏散策略。

1 電梯疏散的可行性

長(zhǎng)期以來(lái)，受到“火災(zāi)時(shí)禁止使用電梯”規(guī)定的影響，我國(guó)的消防部門(mén)和科研工作者們一直忽視了對(duì)高層建筑火災(zāi)情況下利用電梯進(jìn)行人員疏散的研究，致使發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散混亂，效率不高。但是，任何事物都不是一成不變的，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電梯的安全性能也得到了很大提高，這使得火災(zāi)情況下利用電梯進(jìn)行人員疏散具有了一定的可行性。

早在1974年，美國(guó)學(xué)者Bazjanac第一次提出了電梯疏散的思想，此后，逐漸有更多的專家投身于對(duì)高層建筑火災(zāi)電梯疏散系統(tǒng)的研究中來(lái)[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者王躍琴等人利用實(shí)例分析的方法論證了火災(zāi)情況下電梯用于人員疏散的可行性[2]；宋文華等人從電梯的改進(jìn)措施方面說(shuō)明了電梯進(jìn)行人員疏散具有一定的可行性[3]。

高層建筑火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程可以分為三個(gè)階段，即火災(zāi)初期階段、全面發(fā)展階段和火災(zāi)減弱階段?；馂?zāi)初期階段燃燒范圍不大，僅限于初始起火點(diǎn)附近；室內(nèi)溫度差別大，在燃燒區(qū)域及其附近存在高溫，室內(nèi)平均溫度相對(duì)較低；火災(zāi)發(fā)展速度較慢，在發(fā)展過(guò)程中，火勢(shì)不穩(wěn)定。若火災(zāi)經(jīng)過(guò)誘發(fā)成長(zhǎng)，一旦達(dá)到全面發(fā)展階段，則該室內(nèi)未逃離火場(chǎng)的人員將受到生命威脅[4]。

根據(jù)火災(zāi)初期階段的特點(diǎn)可知，該階段是人員安全疏散的最有利時(shí)機(jī)[5]，在此期間，火災(zāi)對(duì)電梯的安全運(yùn)行幾乎并未構(gòu)成威脅，人員可以利用電梯進(jìn)行疏散，并能大大提高疏散效率。如果能夠?qū)﹄娞菔枭⑾到y(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如采取正壓送風(fēng)，防水、保電等措施，在每一層樓的電梯前室安裝感溫、感煙、感光裝置，可進(jìn)一步提高電梯疏散的安全性，增加人員可用安全疏散時(shí)間。而且，在火災(zāi)情況下使用電梯成功疏散的案例也有不少。1974年2月5日，巴西圣保羅市焦馬大樓發(fā)生火災(zāi)，而在火災(zāi)初期，4部電梯共成功疏散了300人，占422名生還者的71%；1996年10月28日，日本廣島一棟高層公寓樓發(fā)生火災(zāi)，這次火災(zāi)中有一半以上的人員都是利用電梯逃生的；2006年，上海江寧路凱迪克大廈發(fā)生火災(zāi)，不少在該大廈工作的白領(lǐng)見(jiàn)到濃煙后匆忙撤離，其中有的人就是直接利用電梯逃生的。所以，高層建筑火災(zāi)初期利用電梯進(jìn)行人員疏散具有一定的可行性。

2 樓梯、電梯協(xié)同疏散模型

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了充分利用建筑物的自有疏散設(shè)施，可采用樓梯結(jié)合電梯的疏散模式。但電梯的運(yùn)行方式與平時(shí)不同，須采用新的?？恳?guī)則實(shí)現(xiàn)最為有效的疏散，即疏散開(kāi)始時(shí)，人員首先選擇樓梯進(jìn)行疏散，電梯自動(dòng)計(jì)算運(yùn)行到最高樓層時(shí)，該層尚未疏散的人數(shù)是否大于（或等于）電梯額定人數(shù)，若大于（或等于）則選擇?？?，并根據(jù)未疏散人數(shù)確定?？吭谠搶拥碾娞輸?shù)量，若小于則不?？浚^續(xù)計(jì)算運(yùn)行到下一層時(shí)未疏散人數(shù)是否大于（或等于）電梯額定人數(shù)，直到計(jì)算出運(yùn)行到第二層時(shí)，該層的未疏散人數(shù)小于電梯額定人數(shù)，則電梯停止運(yùn)行。且設(shè)定疏散開(kāi)始時(shí)電梯位于一層，即使未滿載，疏散途中也不?？可先?。下面是計(jì)算疏散時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。

2.1 計(jì)算樓梯疏散時(shí)間

2.2 計(jì)算電梯疏散時(shí)間

設(shè)Ni為電梯第i次上行時(shí)建筑物內(nèi)總?cè)藬?shù)，xi為電梯第i次停靠樓層數(shù)，Mi為電梯第i次?？繕菍拥奈词枭⑷藬?shù)，nj為第j層的總?cè)藬?shù)，k為該部電梯從開(kāi)始上行到?？繕菍又g其余電梯在該層停靠的總次數(shù)，l為該部電梯第i次上行與第（i+1）次上行之間其余電梯?？康目偞螖?shù)，f為下樓梯的人員流量，ti為電梯第i次上行時(shí)間，tin為電梯開(kāi)關(guān)門(mén)一次和人員進(jìn)入總時(shí)間，to為電梯開(kāi)關(guān)門(mén)一次和人員離開(kāi)總時(shí)間，q為電梯額定人數(shù)。根據(jù)前述電梯?？恳?guī)則，建立電梯第i次?？繕菍拥挠?jì)算模型見(jiàn)式（3）。

3 模型應(yīng)用

3.1 基本情況

本文以某公寓樓為例，樓內(nèi)裝有感溫式火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，靈敏度為一級(jí)。該建筑物地上34層，首層層高3.9m，2到34層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3m。水平疏散通道為內(nèi)通道，呈直線型布置，在水平通道的兩端各有一部樓梯和一部電梯用于人員疏散，該段疏散路徑形式簡(jiǎn)單，逃生人員能夠較快熟悉，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，有利于人員快速選擇出正確的疏散路徑。由于首層為臨街商鋪，與標(biāo)準(zhǔn)層不共用任何疏散通道，疏散過(guò)程中相互之間沒(méi)有影響，所以，在模型計(jì)算時(shí)，只需考慮標(biāo)準(zhǔn)層的人員疏散時(shí)間即可。

3.2 數(shù)據(jù)收集

該公寓樓標(biāo)準(zhǔn)層每層有162人，水平通道長(zhǎng)57.4m，寬1.8m。從一層上二層的第一個(gè)梯段有16個(gè)踏步，第二個(gè)梯段有10個(gè)踏步，標(biāo)準(zhǔn)層樓梯的每個(gè)梯段都有10個(gè)踏步；每個(gè)踏步長(zhǎng)1.6m，寬0.3m，高0.15m；樓梯井寬度為0.2m；樓梯休息平臺(tái)長(zhǎng)3.4m，寬1.7m。首層安全出口處的大廳面積是39.1m2，一層樓梯口到安全出口的距離為9.32m，安全出口的寬度為1.65m。

實(shí)測(cè)電梯開(kāi)、關(guān)門(mén)時(shí)間均為2.5s，電梯額定運(yùn)行速度為4m/s，加速度為1m/s2，額定載重量1600kg，可乘21人，一層電梯口到安全出口的距離為4.99m。

3.3 模型計(jì)算

基于多年事故經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警時(shí)間為60s[8]；根據(jù)英國(guó)《建筑火災(zāi)安全工程》中的推薦，人員疏散準(zhǔn)備時(shí)間取300s[9]。該公寓樓居住人員以成年男性為主，取緊急狀態(tài)下人員水平行走速度為1.35m/s，由上向下行走速度為1.06m/s，tin=20.2s。hi為第i層到一層地面的垂直高度，通過(guò)計(jì)算得出電梯從一層運(yùn)行到各樓層的上行時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表1。

一部疏散樓梯的有效寬度為1.36m，每層待疏散人數(shù)為162人，因?yàn)閜/w=162/（1360×2）=0.06<0.1，故不能使用式（1）來(lái)計(jì)算下樓梯的人員流量。采用Fruin提出的人均占用樓梯面積來(lái)計(jì)算通過(guò)樓梯的人員流量[10]，根據(jù)進(jìn)入樓梯間的人數(shù)，取樓梯上單位寬度的人流量為0.91人/m·s，相應(yīng)的人員下樓速度為0.4m/s。稱任意一部電梯為甲，則另一部電梯為乙，計(jì)算得出樓梯、電梯協(xié)同疏散策略中，甲、乙電梯在各樓層的停靠次數(shù)見(jiàn)表1。

以該公寓樓的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，本文將其他條件不變，樓層總數(shù)分別為10層和20層兩種情況與樓層總數(shù)為34層情況下的疏散結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，每種情況同時(shí)考慮了三種疏散策略，即全部人員僅用樓梯疏散，全部人員僅用電梯疏散和樓梯、電梯協(xié)同疏散策略，不同樓層總數(shù)和策略下的疏散結(jié)果見(jiàn)表2，表中RSET為人員所需安全疏散時(shí)間。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)表2中樓層總數(shù)相同情況下的不同疏散策略和同疏散策略不同樓層總數(shù)情況下的疏散結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下幾條結(jié)論。

①樓層總數(shù)分別為34層、20層和10層情況下的樓梯、電梯協(xié)同疏散人員所需安全疏散時(shí)間，均比全部人員僅用樓梯疏散時(shí)的所需安全疏散時(shí)間短，說(shuō)明電梯參與高層建筑人員疏散時(shí)能夠提高疏散效率。

②樓層總數(shù)分別為34層、20層和10層的樓梯、電梯協(xié)同疏散策略下，電梯疏散人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例分別為16.5%、17.7%和20.2%，說(shuō)明隨著樓層總數(shù)的增多，相應(yīng)的最佳協(xié)同疏散策略中，電梯疏散人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例逐漸減小。

③樓層總數(shù)分別為34層、20層和10層的樓梯、電梯協(xié)同疏散策略下，電梯疏散時(shí)間與樓梯疏散時(shí)間的比率分別為0.975、0.923和0.908，說(shuō)明隨著樓層總數(shù)的增多，在樓梯、電梯協(xié)同疏散策略中，電梯疏散時(shí)間與樓梯疏散時(shí)間的比率趨近于1，基本符合最理想的情況，即從樓梯中下來(lái)的最后一個(gè)人與從電梯中下來(lái)的最后一個(gè)人同時(shí)到達(dá)出口處。

④樓層總數(shù)分別為34層、20層和10層的情況下，樓梯、電梯協(xié)同疏散比全部人員僅用樓梯疏散的效率分別提高了13.4%、12.7%和11.0%，隨著樓層總數(shù)的增多，樓梯、電梯協(xié)同疏散的效率逐漸提高，說(shuō)明高層建筑的樓層越高，該協(xié)同疏散策略的優(yōu)勢(shì)越明顯。

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