超高層建筑疏散滑梯的優(yōu)化設(shè)計(jì)及可行性分析

王曼曼　張曉慶　韓孝朋　李雨薇　馬禎徽　鐘委

摘要：人口的日益增多加速了城市建筑的高層化，但此類建筑在發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為解決超高層建筑的人員疏散問題，提出了一種新型的疏散裝置。該裝置占據(jù)單獨(dú)的滑梯間，主體是雙螺旋結(jié)構(gòu)的疏散滑梯，并采用分段設(shè)計(jì)配合建筑內(nèi)的避難層使用。它既提高了建筑空間的利用率，而且可以達(dá)到快速疏散的目的。同時(shí)采用EVACNET4軟件模擬出樓梯和滑梯的疏散時(shí)間，論證滑梯疏散的可行性和高效性。

關(guān)鍵詞：超高層建筑;火災(zāi);疏散滑梯;雙螺旋

中圖分類號(hào)：TU976

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.003

1 研究背景

隨著中國(guó)城市化水平的提高，城市人口快速膨脹，城市土地供需矛盾日益嚴(yán)峻，因此修建高層乃至超高層建筑已成為目前中國(guó)城市建設(shè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。超高層建筑能夠節(jié)約城市用地，推動(dòng)社會(huì)投資，提升城市形象，甚至某些超高層建筑已成為城市的象征。近年來，中國(guó)各大城市興起了修建超高層建筑的熱潮，超高層建筑的數(shù)量和高度不斷刷新。目前，中國(guó)已建成超高層建筑近7 000座，位居世界第一。

超高層建筑的快速發(fā)展也埋下了嚴(yán)重的火災(zāi)隱患。由于建筑垂直高度高，火災(zāi)時(shí)人員疏散距離超長(zhǎng)，導(dǎo)致人員疏散時(shí)間過長(zhǎng);同時(shí)擁擠的人群通過有限的樓梯疏散，可能發(fā)生混亂甚至踩踏，這也進(jìn)一步增大了火災(zāi)損失。例如，2001年美國(guó)世貿(mào)大樓發(fā)生大火，導(dǎo)致6 291人受傷，2 996人死亡。2015-12-31迪拜阿德里斯酒店突發(fā)大火，火災(zāi)造成1人死亡，15人受傷，超過3 000人緊急撤離。

目前超高層建筑主要的疏散方式是通過防煙樓梯間向下疏散，這種方式主要缺陷在于疏散距離長(zhǎng)，對(duì)疏散者體力要求高。近年來部分超高層建筑使用穿梭電梯輔助高樓層人員疏散[1]，研究表明穿梭電梯結(jié)合樓梯的方式可以有效縮短疏散時(shí)間，然而該方式需要設(shè)置專用的穿梭電梯，投資較高。超高層建筑中另一種可行的方式是設(shè)置滑降管道，利用人體重力實(shí)現(xiàn)快速疏散[2]。該方式對(duì)疏散者無體力要求，無需訓(xùn)練即可掌握，疏散效率高，然而其需要在建筑內(nèi)部設(shè)置專用滑道，占據(jù)建筑空間，因此并未得到推廣。

2018年頒布的《建筑高度大于250米民用建筑防火設(shè)計(jì)加強(qiáng)性技術(shù)要求（試行）》規(guī)定：同一樓層中建筑面積大于2000m²防火分區(qū)的疏散樓梯不應(yīng)少于3部，且每個(gè)防火分區(qū)應(yīng)至少有1部獨(dú)立的疏散樓梯。因此，可以考慮使用疏散滑梯來取代新增的第三部疏散樓梯，達(dá)到提升建筑疏散能力的目的。本文設(shè)計(jì)一種適用于超高層建筑內(nèi)使用的疏散滑梯，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑內(nèi)人員安全高效地疏散。

2 疏散滑梯的設(shè)計(jì)研究

2.1 滑梯結(jié)構(gòu)

該疏散裝置由雙螺旋滑梯和中心柱等部分組成。疏散滑梯占據(jù)垂直方向的貫通獨(dú)立滑梯間，分為螺旋下滑段和直線下滑段;中心柱為一種類似于環(huán)形跑道的結(jié)構(gòu)，兩邊為半圓柱，中間為矩形柱，圍繞圓柱建造螺旋下滑段，圍繞矩形柱建造直線下滑段。

半圓柱尺寸固定，矩形柱的寬度與建筑每層高度成正比?；莶捎梅侄卧O(shè)計(jì)，以每?jī)蓚€(gè)避難層之間為一段。疏散時(shí)依靠人員自身重力下滑，每下滑一層繞中心柱旋轉(zhuǎn)360°（出口層除外），基本形式如圖1所示。滑梯間與主體建筑通過防火平臺(tái)相連接，滑梯入口即每層平臺(tái)處的開口，并與主滑道自然相切。滑梯人口如圖2所示。

2.2 滑道寬度和螺旋升角

為了縮短疏散時(shí)間，采用兩人并行疏散。考慮到人員滑行時(shí)的舒適度，取滑道寬度為1.3 m[3]。根據(jù)滑梯國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)新配置要求，在滑行方向上，整體滑行區(qū)與水平面的夾角（螺旋滑梯的整體螺旋升角）應(yīng)不大于40°。

分析人在滑道上的受力由牛頓定律得：式（l）中：α為加速度，m/s²;F為重力產(chǎn)生的滑行動(dòng)力，N;f為摩擦力，N;m為人的質(zhì)量，kg;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s²;u為摩擦系數(shù);θ為螺旋升角。

參考人們?cè)谛蓍e草坪上休息時(shí)坡度在20°- 30°為舒適角度。常用的樓梯坡度范圍在20°- 45°，其中以30°左右較為適宜。

2.3 中心柱

當(dāng)滑梯的螺旋升角和層高確定，每下滑一層所經(jīng)路程也確定。環(huán)形跑道的設(shè)計(jì)可以滿足不同層高的需要，而且還能減少人在滑行過程中的眩暈感?；菀宰畹蜆?biāo)準(zhǔn)2.5 m[4]的高度設(shè)計(jì)圓柱，當(dāng)層高增加時(shí)，采用增加矩形柱寬度的方法，此時(shí)的圓柱側(cè)面展開如圖3所示。

每下滑一層所經(jīng)路徑即從A到B，滑梯的螺旋升角為θ，可計(jì)算得中心圓柱直徑：

D=h/πtanθ

（2）

式（2）中：D為中心圓柱直徑，m;h為層高，m。由此可得中心柱兩邊半圓柱的半徑為0.689 m。

當(dāng)建筑每層高度增加時(shí)，設(shè)層高為h，與2.5 m相比增加高度為（h- 2.5）m，增加的高度需在圍繞矩形段的滑道完成，矩形柱的寬度為：

L=h-2.5/2tanθ

（3）

以3m的住宅建筑和4m的公共建筑為例，計(jì)算得L分別為0.433 m、1.299 m，矩形柱寬度與建筑層高成正比。

3 滑梯安全防護(hù)

3.1 減速

考慮到人體的安全，出口梯段設(shè)置有一段減速帶，其材質(zhì)應(yīng)為摩擦系數(shù)大、質(zhì)軟且耐磨的材料。在滑行過程中，人員會(huì)因速度的增加產(chǎn)生恐懼，可設(shè)置扶手使人員可以主動(dòng)控制速度。在滑梯出口處設(shè)置緩沖墊，使人員快速減速。

3.2 加壓送風(fēng)

當(dāng)超高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，80%以上的人員都是在逃生時(shí)被煙塵窒息而死，所以能為逃生人員補(bǔ)給新鮮空氣就顯得尤為重要。對(duì)滑梯間進(jìn)行防煙設(shè)計(jì)，具體是在中心柱內(nèi)設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)管道，由于滑梯間上下貫通，為保證其全高度范圍內(nèi)風(fēng)量、風(fēng)壓均勻一致，一般每隔兩三層在滑梯中心空柱中設(shè)一個(gè)常開百葉加壓送風(fēng)口，加壓送風(fēng)機(jī)與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)將感煙火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警信號(hào)作為加壓送風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，對(duì)疏散滑梯間進(jìn)行加壓送風(fēng)，利用風(fēng)壓延緩煙氣的蔓延，保證滑梯間內(nèi)人員疏散的安全性[5]。

4 疏散時(shí)間分析

為了解滑梯疏散，本文通過EVACNET4軟件來計(jì)算滑梯和樓梯疏散所用時(shí)間，并將得到的時(shí)間進(jìn)行比較來得出結(jié)論。EVACNET搭載的是一個(gè)水力疏散模型，它模擬人員在建筑物內(nèi)行走并最終疏散至安全地點(diǎn)的全過程。

2018年頒布的《建筑高度大于250 m民用建筑防火設(shè)計(jì)加強(qiáng)性技術(shù)要求（試行）》規(guī)定：同一樓層中建筑面積大于2000 m²防火分區(qū)的疏散樓梯不應(yīng)少于3部。對(duì)于超高層建筑每個(gè)防火分區(qū)允許的最大面積為3 000 m²[6]。對(duì)于一座高度大于250m的超高層建筑，按最大防火分區(qū)3 000 m²，辦公人員人均占有的面積為10 m²[7]來算，這個(gè)防火分區(qū)可容納300人同時(shí)辦公。按照新規(guī)定，該防火分區(qū)疏散樓梯至少為3部，每部平均疏散100人。在另外2部樓梯不變的情況下，本文設(shè)計(jì)的滑梯可以用于取代新增加的第3部疏散樓梯，所以可以用EVACNET4軟件比較2個(gè)避難層之間人員分別使用一條滑道和一部樓梯疏散至下面避難層所需時(shí)間。我們假定2個(gè)避難層之間有11層，平均每部疏散裝置每層有100人待疏散，得到結(jié)果分別為582 s和768 s。

結(jié)果表明采用一條滑道用于疏散的效果優(yōu)于一部樓梯，滑梯較樓梯用時(shí)縮短近24.22%。上述是一條滑道與樓梯的對(duì)比，本文提出的滑梯有兩條獨(dú)立滑道，可增加疏散人數(shù)，在同時(shí)間下可疏散人數(shù)是一條滑道的2倍。

5 結(jié)論

本文針對(duì)超高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散困難的問題提出了一種適用于超高層建筑的疏散滑梯，配合建筑的避難層進(jìn)行使用。不僅打破了對(duì)以往疏散時(shí)人員的限制，并通過疏散時(shí)間的分析，進(jìn)一步說明了該疏散滑梯的可行性和高效性。因此本文提出的疏散滑梯可以有效適用于超高層建筑。

參考文獻(xiàn)：

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[6]公安部天津消防研究所.GB 50016-2014建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[7]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50189-2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2015.