高層建筑樓梯與電梯耦合的安全疏散策略研究*

楊海明，趙道亮，劉沛辰，張 琪，孫康嫻，劉 謙

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)，上海 201418)

0 引言

對于“電梯不能作為疏散樓梯”的規(guī)定已經(jīng)沿用多年，在一定歷史條件下，是有理且合理的，其主要原因是擔(dān)心電梯在緊急情況下無法可靠供電，易受到煙氣侵害、活塞效應(yīng)的不利影響，這是當(dāng)時(shí)制造技術(shù)無法保證火災(zāi)情況下的安全使用以及公眾對電梯疏散習(xí)慣性思維造成的[1-3]。曾有實(shí)驗(yàn)表明，在緊急情況下，雖然被告知可以使用電梯疏散，但還是有三分之二的受訪者表示不會使用電梯逃生[4]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前高層建筑電梯大都設(shè)有防煙前室及防排煙設(shè)施，電梯轎廂的封閉性和防護(hù)性能能夠有效阻擋煙氣進(jìn)入[5]。在飛機(jī)、汽車和電梯3種運(yùn)輸形式中，電梯的事故死亡率是最低的[6]。利用電梯疏散符合人的 “歸巢”心理、可縮短疏散時(shí)間、避免踩踏事故、節(jié)省人員體力、應(yīng)對日益嚴(yán)重的老年化等問題[1,5]。配備引導(dǎo)員則可以在疏散初始階段，快速明確疏散目標(biāo)，大大縮短疏散時(shí)間、提高疏散效率、避免傷亡[7-9]。故在配備完備的硬件設(shè)施以及在過渡期加入電梯引導(dǎo)員的情況下，電梯疏散將成為高層建筑疏散的必然趨勢。

早在1974年，Bazjanac[4]就提出了“另一條出路?”的問題，初步探討了火災(zāi)時(shí)使用電梯疏散的可能性。90年代中期，Klote[10]等首次將電梯疏散作為1個(gè)完整的系統(tǒng)來考慮，提出了電梯緊急疏散系統(tǒng)(EEES)的概念，并從理論和實(shí)踐上證實(shí)了在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高層建筑使用電梯疏散的可行性。當(dāng)建筑高度超過400 m，若人員全部采用樓梯進(jìn)行疏散，其整體疏散時(shí)間往往需要2 h甚至更久[11]；Bukowski[12]等發(fā)現(xiàn)，對大多數(shù)建筑而言，通過常規(guī)客運(yùn)電梯疏散，則疏散時(shí)間可控制在40 min左右；根據(jù)M. J. Kinsey[4]等對23個(gè)國家約468人的調(diào)查，人們是否選擇電梯疏散，很大程度上取決于建筑的高度、人群密度和預(yù)計(jì)的電梯等待時(shí)間；Richard[6]等認(rèn)為，只要通過經(jīng)常性的演習(xí)、培訓(xùn)以及標(biāo)牌和信號，電梯疏散可以幫助普通人甚至是殘疾人自行撤離；Michael Kinsey[13]等的模擬實(shí)驗(yàn)表明：使用恰當(dāng)?shù)鸟詈喜呗钥蓪?0層建筑的總疏散時(shí)間縮短一半，但由于其組合策略十分復(fù)雜，所以實(shí)用性不強(qiáng)；Hikita[14]等提出緊急救援樓層的概念，提倡疏散的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮；E Ronchi[15]等也得出采用電梯、樓梯耦合電梯、轉(zhuǎn)換樓層和天橋組合使用的策略疏散效率最高，但其有效性取決于向被疏散人員提供的信息；郭曉明[16]等基于pathfinder建立了高層建筑電梯樓梯協(xié)同人員疏散的優(yōu)化模式。而在實(shí)際生活中，我國于2016年投入使用的上海最高建筑“上海中心大廈”，設(shè)置了13臺安全疏散電梯，分別服務(wù)于4個(gè)避難層，一旦發(fā)現(xiàn)火情，建筑物的每個(gè)分區(qū)將有至少2部電梯將所在區(qū)域人員送至設(shè)置在該區(qū)的“避難區(qū)”[17]。

本文運(yùn)用BuildingEXODUS從不同建筑層高度、人群密度、人員類型3個(gè)方面，結(jié)合電梯運(yùn)行的4種模式進(jìn)行模擬，以得出每種情況的最優(yōu)疏散策略。

1 疏散模型建立

1.1 模型構(gòu)造及尺寸

建筑模型標(biāo)準(zhǔn)層長寬均為32 m×32 m，每層高3 m，樓層平面圖如圖1所示。樓梯和電梯設(shè)置數(shù)量如下：10層建筑設(shè)置1個(gè)樓梯井和2個(gè)電梯井；20，30，40，50，60，70，80層建筑除了設(shè)置2個(gè)樓梯井之外，還分別設(shè)置了4個(gè)，6個(gè)，7個(gè)，8個(gè)，10個(gè)，11個(gè)，12個(gè)電梯井。模型中部為中空結(jié)構(gòu)，2個(gè)樓梯設(shè)置在2個(gè)對角，12部電梯設(shè)置在模型中部，根據(jù)不同高度按上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置可運(yùn)行的電梯數(shù)量。

圖1 建筑模型樓層平面Fig.1 Building model floor plan

10層建筑模型底層設(shè)有1個(gè)寬為2 m的出口；20，30層模型底部設(shè)置了2個(gè)出口寬度為3 m的出口； 40，50層模型底部2個(gè)出口寬度為4 m；60，70，80層模型底部2個(gè)出口寬度為5 m。設(shè)置出口寬度的原則為保證人員不會在出口處產(chǎn)生擁擠，從而影響總疏散時(shí)間。

1.2 樓梯物理參數(shù)設(shè)置

按照最新修訂的GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定， 樓梯設(shè)置為寬1.40 m，垂直高1.50 m，延伸長3.78 m，參數(shù)設(shè)置如圖2所示。樓梯轉(zhuǎn)彎處，即2個(gè)樓梯連接處有長3 m、寬1.5 m的平臺，承接上下2個(gè)樓梯。

圖2 樓梯參數(shù)設(shè)置Fig.2 Settings of stair parameters

1.3 電梯參數(shù)設(shè)置

一般而言，決定電梯輸送能力的主要參數(shù)為電梯數(shù)量、額定速度、開關(guān)門時(shí)間和電梯容載量。

電梯參數(shù)的設(shè)置參照GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、JGJ67-2006《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》、2009JSCJ《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》和GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》。住建部提供的電梯按人數(shù)分配的參考標(biāo)準(zhǔn)為：經(jīng)濟(jì)級350人/臺；常用級300人/臺；舒適級250人/臺；豪華級小于250人/臺[18]。按照此標(biāo)準(zhǔn)，本文電梯數(shù)量設(shè)置在“常用級”和“舒適級”之間。電梯運(yùn)行數(shù)量隨著樓層的增加逐漸增加。

由于本文模擬的情景為緊急狀況下的疏散，電梯運(yùn)行狀態(tài)為緊急疏散模式，因此將電梯的運(yùn)行速度設(shè)置為3.0 m/s，即高速電梯模式；根據(jù)GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》，電梯加速度設(shè)置為±1.0 m/s2[19]；電梯關(guān)門時(shí)間不得少于3.0 s，以防止電梯夾人，故緊急狀態(tài)時(shí)的電梯關(guān)門時(shí)間設(shè)置為3.0 s；高層寫字樓的電梯容載量一般為15～20人，最高不超過24人，根據(jù)實(shí)地勘測，大多數(shù)寫字樓的電梯容載量為17人，故本模擬選取的電梯容載量為17人。

在BuildingEXODUS中，電梯主要有3種運(yùn)行模式：A型Shuttle Floor模式、B型Shuttle Floor模式和Sky Lobby模式。

1)A型Shuttle Floor模式：該模式下，電梯依次在每層?？浚珪?yōu)先?？孔罡邩菍?。在最高層電梯坐滿后直接下降至底層，上下行中不?？浚敝磷罡邩菍尤藛T全部疏散完畢。因?yàn)槊繉油？?，所以能夠搭載更多的人，尤其是老弱病殘等行動(dòng)不便人員，能夠節(jié)省人員體力。但在此模式下，低層人員也可使用電梯疏散，疏散效率不高。

2)B型Shuttle Floor模式：該模式需提前設(shè)定電梯?？繕菍?，電梯只在設(shè)定樓層和底層?？俊ＴO(shè)定樓層根據(jù)總樓層數(shù)和電梯數(shù)量進(jìn)行選擇和分配。人員疏散方式隨機(jī)選擇，在沒有電梯的樓層人員會均勻的走樓梯疏散。與A型Shuttle Floor相比，哪種方案具有最高的疏散效率，需要大量的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。但B型Shuttle Floor模式相對于A型Shuttle Floor模式要靈活許多，此模式下電梯無需每層都?？浚筛鶕?jù)策略更改電梯?？糠绞?，故能夠有效縮短疏散總時(shí)間。缺點(diǎn)是操作過于復(fù)雜，實(shí)用性不高。

3)Sky Lobby模式：該模式即是指避難層模式。提前設(shè)置好避難層，電梯只在避難層和底層?？?，并在其間來回運(yùn)行，在避難層之外的其他層不?？俊ky Lobby模式區(qū)別于B型Shuttle Floor模式在于，所有避難層之上的人員都會集中到避難層等待電梯疏散，所有避難層以下的人員將全部走樓梯疏散。該模式相當(dāng)于將人員集中于某層后批量疏散，因此電梯的運(yùn)行時(shí)間將會大大縮短，操作相對較為容易。

1.4 人群設(shè)置

疏散人群統(tǒng)一設(shè)置為每層50人。依據(jù)高層寫字樓實(shí)際情況，年輕人較多，年長者較少。具體人員構(gòu)成比例設(shè)置為：17～29歲男性占比25%；30～50歲男性占比20%；51～80歲男性占比5%。女性與男性占比相同。

2 高層建筑人員疏散仿真模擬分析

2.1 建筑層數(shù)對疏散時(shí)間的影響

本次模擬選取建筑層數(shù)為10，20，30，40，50，60，70，80層，由于本文目的為探究高層建筑垂直疏散效率問題，故暫不考慮建筑結(jié)構(gòu)對疏散的影響。疏散方式為：僅使用樓梯疏散、僅使用電梯疏散、2種不同策略的樓梯電梯耦合疏散等4種方式，分別對應(yīng)BuildingEXODUS中電梯運(yùn)行的幾種模式。每種方式各模擬5次，取其平均值。人員屬性設(shè)置為逃生模式，考慮人員意識及行為對疏散的影響。

2.1.1 不同樓層下“僅樓梯疏散”效果

10，20，30，40，50層樓梯疏散時(shí)間線性擬合結(jié)果如圖3所示，由圖3可見，當(dāng)樓梯寬度符合設(shè)計(jì)要求，且不設(shè)置其他障礙時(shí)，疏散時(shí)間與建筑樓層成正比例關(guān)系。

圖3 樓梯模擬時(shí)間線性擬合結(jié)果Fig.3 Linear fitting results of stair simulation time

2.1.2 不同樓層下多種疏散策略比較分析

為探究幾種不同疏散策略在不同建筑高度(層數(shù))下對人員疏散時(shí)間的影響及規(guī)律。對所選定的10，20，30和50層4種不同層數(shù)的建筑，分別進(jìn)行4種模式的疏散模擬實(shí)驗(yàn)，具體設(shè)置如下。

1)模式1：僅使用樓梯。所有人員都從樓梯逃離，所有電梯均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)模式2：僅使用電梯，即A型Shuttle Floor模式。電梯優(yōu)先?？孔罡邔樱缓笠来螐母咧恋褪枭?，所有人員不走樓梯，全部乘坐電梯疏散至底層。

3)模式3：耦合疏散方案1，即B型Shuttle Floor模式。每種建筑都進(jìn)行多次試驗(yàn)，采用多種組合方式，表1所示為數(shù)種組合方式中的最優(yōu)解。

4)模式4：耦合疏散方案2，即Sky Lobby模式。不同高度的建筑需要設(shè)置與之對應(yīng)的避難層，并進(jìn)行多次試驗(yàn)。運(yùn)用BuildingEXODUS模擬過程的三維視圖和模擬完成后的結(jié)果文件進(jìn)行分析，當(dāng)避難層以上人員使用

表1 B型Shuttle Floor模式電梯?？坎呗约翱偸枭r(shí)間Table 1 Elevatorparking strategy and total evacuation time for type B of shuttle floor mode

電梯疏散的時(shí)間與避難層以下人員使用樓梯疏散的時(shí)間相同，即疏散效率最高時(shí)，則該避難層為最佳分離樓層。電梯最優(yōu)?？坎呗约翱偸枭r(shí)間如表2所示。

經(jīng)過多次、反復(fù)對幾種不同的疏散策略進(jìn)行疏散模擬實(shí)驗(yàn)，得出如圖4所示的模擬結(jié)果(50層建筑僅用電梯疏散耗時(shí)太多，已失去參考意義，故在圖中未列出)。

表2 Sky Lobby 模式電梯停靠策略及總疏散時(shí)間Table 2 Elevatorparking strategy and total evacuation schedule for Sky Lobby)

圖4 各樓層不同疏散策略的模擬結(jié)果示意Fig.4 Simulation results for each floor

從模擬結(jié)果可看出,模式2在所有建筑中均耗時(shí)最多，效率最低，且樓層越高劣勢越明顯；以模式3和模式4為代表的樓梯電梯耦合疏散方案優(yōu)于模式1與模式2，模式3僅在10層建筑疏散時(shí)效率不如模式1，其主要原因是樓層較低時(shí)，等待電梯的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)大于直接選擇樓梯疏散的時(shí)間；模式4耗時(shí)最短，效率最高，故對其以及模式1做了80層的詳細(xì)對比分析，結(jié)果如表2和圖5所示。

由圖5可知，模式4隨著樓層與電梯數(shù)量的變化，其呈線性變化趨勢，且所用疏散時(shí)間越來越接近樓梯疏散時(shí)間的二分之一。在模式4模擬中，第40層以及第70層的疏散時(shí)間在擬合趨勢線上方、疏散時(shí)間較長，這可能是由于電梯分布不對稱造成的；10～80層樓疏散效率分別提高了1.06%、45.76%、69.86%、60.19%、73.77%、90.76%、81.19%、81.99%，但隨著樓層增高，人員疏散時(shí)間也隨之增加，所以當(dāng)樓層越高，所需要的分離樓層，即避難層也越多。

圖5 模式1及模式4函數(shù)擬合圖Fig.5 Function fitting diagram of mode oneand mode four

2.2 人群密度對疏散時(shí)間及最佳分離樓層的影響

以30層建筑為例，分別進(jìn)行每層20、40、50、60、80人的樓梯疏散和Sky Lobby模式耦合疏散模擬，模擬結(jié)果如表3所示，由表3可見，在電梯數(shù)量、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和建筑樓層不變的前提下，最佳分離樓層也保持不變，即，最佳分離樓層和建筑內(nèi)的人數(shù)無關(guān)。這也說明，對于1個(gè)層數(shù)、電梯都固定的建筑而言，其避難層的選擇是唯一的。

最佳分離樓層不變的原因，是因?yàn)闃翘莺碗娞?個(gè)疏散過程相互獨(dú)立，互不影響，且在沒有擁擠的情況下，每個(gè)過程的人員流量恒定。因此，在建筑總?cè)藬?shù)不變的前提下(各樓層人員分布均勻)，必然存在1個(gè)樓層，使此樓層上部和下部的人員在相同或相近的時(shí)間全部疏散完畢。而這個(gè)時(shí)間，則是建筑內(nèi)人員安全疏散的最短

表3 30層建筑不同人群密度模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of different occupants’ density in 30-storey building

時(shí)間，因?yàn)榇藭r(shí)2個(gè)疏散方式都被充分利用。如果某1個(gè)疏散方式(如樓梯)已經(jīng)完成，另1個(gè)方式(電梯)還在疏散，則說明此時(shí)電梯在超負(fù)荷運(yùn)行，而樓梯被閑置，沒有實(shí)現(xiàn)資源的充分利用，疏散時(shí)間也必然加長。需要說明的是，此結(jié)論成立的前提是假設(shè)各樓層人員分布均勻。

2.3 人員類型對疏散時(shí)間的影響

在模式4的基礎(chǔ)上，選取不同人員類型構(gòu)成3個(gè)方案，分別為：逃生能力較強(qiáng)的青年人、青年人與老年人混合人群、逃生能力較弱的老年人，然后將包含不同人員類型的3個(gè)方案圍繞疏散逃生時(shí)間進(jìn)行對比分析。3個(gè)方案如下所示。

1)方案1：疏散人群全部由年齡在17～29歲之間的青年人組成，男女人數(shù)相同。

2)方案2：17～29歲占比50%，30～50歲占比40%，51～80歲占比10%。

3)方案3：疏散人群全部由51～80歲的人員組成。

30層建筑不同方案的模擬結(jié)果如表4所示。

表4 30層建筑不同人員類型模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of different types of occupants in 30-storey building

由表4可知， 當(dāng)人員類型發(fā)生變化，即全部人員的平均疏散能力發(fā)生變化時(shí)，最佳分離樓層也會變化。主要是因?yàn)?，人員的平均疏散能力決定了樓梯流速，而在電梯參數(shù)不變的情況下，2種疏散方式在相同時(shí)間內(nèi)能夠疏散的總?cè)藬?shù)必然會發(fā)生變化，所以最佳分離樓層也會改變。當(dāng)人員平均疏散能力增加時(shí)，最佳分離樓層會上移，因?yàn)榇藭r(shí)樓梯能夠疏散更多人員；當(dāng)人員平均疏散能力下降時(shí)，則相反。因此，在設(shè)置最佳分離樓層時(shí)，應(yīng)對相關(guān)建筑的日常使用人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定年齡分布情況，從而確定人員平均疏散能力。一般而言，一棟建筑內(nèi)的人員類型不會發(fā)生較大變化，因此，最佳分離樓層的設(shè)置相對固定。

3 結(jié)論

1)任何層數(shù)的高層建筑都存在1個(gè)或數(shù)個(gè)最佳分離樓層，運(yùn)用這些樓層進(jìn)行分離疏散時(shí)，樓梯電梯耦合疏散的效率最高，此時(shí)樓梯疏散與電梯疏散過程幾乎同時(shí)完成，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，這些樓層是作為避難層的最佳選擇。耦合方案2，即Sky Lobby模式較好地兼顧了效率與可操作性，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2)高層建筑人員疏散在運(yùn)用樓梯以及耦合方案2時(shí)，疏散時(shí)間與建筑高度均呈線性關(guān)系，而且耦合方案2所用疏散時(shí)間隨著樓層的增加越來越接近樓梯疏散時(shí)間的二分之一，疏散效率也逐漸提高。

3)不同人群密度與最佳分離樓層無關(guān)。這也說明，對于1個(gè)層數(shù)、電梯都固定的建筑而言，其避難層的設(shè)置情況是唯一的。

4)不同人員類型決定了建筑日常使用者的整體疏散能力，以及最佳分離樓層的設(shè)置。當(dāng)人員平均疏散能力較高時(shí)，最佳分離樓層會上移，反之則會下降。一般而言，一棟建筑內(nèi)的人員類型不會發(fā)生較大變化，因此，最佳分離樓層的設(shè)置相對固定。。