地震快速逃生裝置研究

張　鑫

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上?！?00041)

0　引言

2018年5月12日是2008年四川汶川發(fā)生8.0級(jí)大地震10周年紀(jì)念日。根據(jù)2008年7月2日的統(tǒng)計(jì)，四川汶川地震造成69 195人遇難，失蹤18 389人[1]。也就是說那次地震共有8.7萬余人失去了生命，成千上萬家庭遭遇了巨大打擊，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來了重大損失。我國是世界上地震多發(fā)國家之一，根據(jù)國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，2008—2017年全國共發(fā)生地震367起，其中一般地震災(zāi)害(5.0～6.0級(jí))有313起；較大地震災(zāi)害(6.0～6.5級(jí))有30起；重大地震災(zāi)害(6.5～7.0級(jí))有19起；特別重大地震災(zāi)害(7.0級(jí)以上)有5起。目前地震預(yù)報(bào)還處于研究階段，絕大多數(shù)地震還不能給出臨震預(yù)報(bào)，地震的發(fā)生往往出乎預(yù)料。地震成災(zāi)具有瞬時(shí)性，地震作用的時(shí)間很短，最短十幾秒，最長兩三分鐘，就會(huì)造成山崩地裂，房倒屋塌，使人們猝不及防。由此可見，地震逃生最重要的一點(diǎn)是快速從建筑內(nèi)各樓層撤離到室外敞開的安全區(qū)域。地震發(fā)生時(shí)，建筑物因地震波的作用會(huì)有水平和豎向振動(dòng)或搖擺，這種情況下，人們?cè)谄降厣闲凶叨己芾щy，若是再從多層或高層建筑內(nèi)經(jīng)樓梯疏散到首層室外安全地帶，疏散時(shí)間長難度大。因此，研究用于地震情況下快速逃生工具十分重要。

1　快速逃生裝置的設(shè)計(jì)

筆者自2001年美國“9·11”事件之后一直在研究高層建筑快速疏散問題[2-6]。本文提出一種新型快速逃生裝置——無動(dòng)力滑道，由正、反向螺旋式滑道構(gòu)成，可用于在地震和火災(zāi)情況下高層建筑內(nèi)人員的快速逃生。該新型裝置主要特點(diǎn)有：(1)構(gòu)造形式簡單，使用十分方便，可用于一般人員和老、弱、病、殘人員在緊急情況下從較高的樓層快速疏散到首層；(2)無需任何動(dòng)力和體力，在完全停電狀態(tài)下也可正常使用；(3)它疏散速度快、容量大；(4)平時(shí)可用于高層建筑內(nèi)的部分垂直交通。

該新型逃生裝置的基本原理是以滑行代替步行，大大加快了人們從高層建筑內(nèi)向下疏散的速度。一般人步行的速度為1.1～1.8 m·s-1，人在滑道上滑行的速度可達(dá)到4.0～6.0 m·s-1，甚至?xí)?。步行與滑行示意如圖1所示。

為了避免人們?cè)诼菪交老禄瑫?huì)產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，根據(jù)“運(yùn)動(dòng)生理學(xué)”原理，經(jīng)過多次人體平面模擬試驗(yàn)，主滑道采用正、反螺旋交替布置使人體感受器官內(nèi)耳前庭在運(yùn)動(dòng)中得以平衡[7]。新型逃生裝置是由特種螺旋滑梯和分流閥等部件組合而成。特種螺旋滑梯的平面投影呈“8”字形，由正、反螺旋體組合而成。無動(dòng)力滑道平面投影如圖2所示，單、雙滑道立體示意見圖3和圖4。

圖1　步行與滑行示意圖

2　滑行速度研究

通過理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，可求出入口支滑道、主滑道和首層緩沖滑道與水平面的夾角分別為β1，β2，β3，且β1>β2>β3，可使下滑者分別以加速度、勻速度和減速度向下滑行，見主滑道縱剖面展開示意圖5。各類滑道坡度的確定，要滿足人員疏散和安全的要求。根據(jù)物理學(xué)牛頓定律[8]，調(diào)整滑道與水平面的夾角，按公式(1)計(jì)算加速度。

1.入口支滑道；2.單滑道的主滑道；3.上一樓層支滑道；4.雙滑道的主滑道；5.下一樓層支滑道

1.入口支滑道；2.順時(shí)針旋轉(zhuǎn)主滑道；3.逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)主滑道；4.分流閥；5.出口支滑道；6.下滑人員

1.入口支滑道；2.順時(shí)針旋轉(zhuǎn)主滑道；3.逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)主滑道；4.分流閥；5.出口支滑道；6.下滑人員

(1)

式中，a為沿滑道方向的加速度(m·s-2)，當(dāng)a>0時(shí)加速下滑，當(dāng)a<0時(shí)減速下滑，當(dāng)a=0時(shí)勻速下滑；F1為地球引力產(chǎn)生的拉力(N)；F2為摩擦力(N)。

1.入口滑道；2.主滑道；3.首層滑道

通過設(shè)定各段滑道的坡度，可得滑行速度。(1)設(shè)定β1(可設(shè)β1=40°)，使滑行者在入口支滑道上作加速下滑(a>0，F(xiàn)1>F2)，當(dāng)滑行者剛進(jìn)入主滑道時(shí)其速度為V0(設(shè)V0=4.0 m·s-1，通過試驗(yàn)研究可以得到)。(2)設(shè)定β2(可設(shè)β2=35°)，使滑行者在主滑道上以某一速度V作勻速下滑(a=0，F(xiàn)1=F2)。(3)設(shè)定β3(可設(shè)β3=20°)，使滑行者在該段滑道上作減速下滑(a<0，F(xiàn)1

人們?cè)谥骰郎匣兴俣壬婕暗街骰赖钠露?、材料、表面摩擦系?shù)等因素，除通過理論計(jì)算外，還要通過人體試驗(yàn)來驗(yàn)證，只有通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究，才能設(shè)計(jì)出適合人體下滑的速度，這項(xiàng)研究工作目前正在準(zhǔn)備中。

3　滑道的寬度

主滑道的凈寬可按成人體形來確定，滑道的凈寬度僅限單人滑行，一般單滑道凈寬度取0.4 m左右。在每層樓的滑道入口處可增加阻斷閥(正在研究中)。阻斷閥設(shè)在主滑道與入口滑道相交處，主要解決人員從入口支滑道滑行進(jìn)入主滑道時(shí)人與人產(chǎn)生碰撞問題，使得下滑者在主滑道上形成一定的間距依次下滑。

4　分流閥的設(shè)計(jì)

人員快速下滑到首層，且首層滑道的坡度最小，滑行者作減速下滑運(yùn)動(dòng)。如不采取一些技術(shù)措施，大量的人員到達(dá)首層時(shí)會(huì)產(chǎn)生擠壓和踩踏現(xiàn)象，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，在首層滑道的上部設(shè)計(jì)分流閥，利用人體下滑的推力，自動(dòng)將一個(gè)滑道上的人流分流到兩個(gè)滑道上，避免下滑者前后相擠，分流閥的形式如圖6所示。圖中A、B、C屬于人體下滑時(shí)經(jīng)過分流閥的三個(gè)狀態(tài)，A表示分流閥處于空置狀態(tài)；B表示第1個(gè)人通過了分流閥，而第2個(gè)人正要通過分流閥，此時(shí)分流閥下段右側(cè)分滑道已關(guān)閉，左側(cè)分滑道打開，使得第2個(gè)人順利地下滑到左側(cè)分滑道；C表示第2個(gè)人通過分流閥，而第3個(gè)人正要經(jīng)過分流閥，此時(shí)分流閥下段左側(cè)分滑道已關(guān)閉，右側(cè)分滑道打開，使得第3個(gè)人順利地下滑到右側(cè)分滑道。依此類推，分流閥不斷地左右搖擺，起到開關(guān)分流作用，將1股人流分為2股人流，當(dāng)人員進(jìn)入下段左右分滑道的同時(shí)，下滑者之間的間距也就拉大了。為了加大下滑者之間的間距，在首層主滑道上增加三道(或更多道)分流閥，如圖7所示。如此，可大大增加下滑者之間的間距，可避免大量人員下滑到首層時(shí)出現(xiàn)擠壓或踩踏事故。布置三道分流閥后，經(jīng)計(jì)算當(dāng)下滑者即將停下來時(shí)(V=0)，前后下滑者的間距將大于12.0 m[9]，可確保下滑者相互之間不會(huì)出現(xiàn)擠壓或踩踏現(xiàn)象。

1.上滑道；2.分流閥；3.右側(cè)支滑道；4.左側(cè)支滑道；5.下滑者

1.分流閥；2.主滑道；3.支滑道

5　結(jié)論

綜上所述，新型快速逃生裝置采用特種螺旋式滑梯，主滑道由正、反向螺旋滑道組合而成，解決了人體做螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象。它無需任何動(dòng)力和體力，構(gòu)造簡單、使用方便；它可用于多層、高層和超高層建筑內(nèi)各類人群(含老、弱、病、殘者)在應(yīng)急情況下快速逃生。在平時(shí)應(yīng)用它也可代替高層或超高層建筑內(nèi)部分垂直向下的交通，可節(jié)省能耗，減少電梯數(shù)量，節(jié)省工程總投資。該新型疏散設(shè)備的應(yīng)用，可解決當(dāng)今世界超高層建筑快速疏散的難題。

快速逃生裝置目前正處于研究階段，雖然對(duì)主滑道形式做了38次人體平面模擬試驗(yàn)，也獲得了很好地效果[3,10]，但還有很多研究內(nèi)容需要試驗(yàn)來驗(yàn)證。主要試驗(yàn)有：(1)滑道的坡度要根據(jù)不同材料表面與人體衣服摩擦的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。(2)人體下滑速度試驗(yàn)。(3)分流閥的人體模擬試驗(yàn)。(4)整體滑道人體下滑試驗(yàn)。這些試驗(yàn)還需要大量的人力和物力，希望國家和社會(huì)各界大力支持這項(xiàng)新型技術(shù)的研究，使它早日應(yīng)用于實(shí)際工程或既有建筑中，在地震或火災(zāi)情況下確保人民的生命安全。