多用途智能升降器在高層建筑消防逃生裝置中的應(yīng)用研究

雷 陽，劉夢妍，陳昱廷（.中都工程設(shè)計有限公司，廣東 廣州 50060；. 中建科技有限公司，廣東 深圳58000；.中科建建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 00044）

1 研究背景

現(xiàn)階段我國正處于城市化進程不斷加快的過程中，大規(guī)模的城市建設(shè)已經(jīng)全面展開，其中高層建筑占新建建筑的比例逐年上升，但與其相對應(yīng)的高層建筑防災(zāi)救災(zāi)及日常維護設(shè)備技術(shù)的發(fā)展卻依然緩慢。限于當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)水平，加上高深、空間狹小場所防災(zāi)技術(shù)相對滯后的影響等，我國高層，甚至是中高層、多層建筑在災(zāi)害發(fā)生時的逃生救援問題依然沒有得到根本有效的解決。因此，為高層建筑配一款機動靈活、行之有效、常備不衰的抗災(zāi)、逃生、救援裝備至關(guān)重要。多層和中高層建筑的防災(zāi)逃生和救援主要依賴各層的疏散通道和豎向的疏散樓梯，一旦發(fā)生地震、火災(zāi)等重大災(zāi)害就要靠人員自覺通過疏散通道逃生。救援人員也要通過疏散通道進入施救，或用消防云梯空中救援。如果災(zāi)害發(fā)生得很突然或劇烈，勢必釀成巨大損失。

2 多用途智能升降器的應(yīng)用分析

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，在國外建筑中配備較多的逃生器材主要有：固定式逃生梯、逃生滑道、逃生艙以及樓梯轉(zhuǎn)運椅等。根據(jù)逃生裝置的原理及方式，這些器材可大致分為以下幾大類: 樓梯通道類、滑降軟體管道類、緩降繩索類、升降機類等。

固定式逃生梯是一種布置在建筑外墻的緊急逃生通道。在國外建筑中有一定的配置，通常在多層建筑外墻靠近窗口位置樓層和樓層之間固定設(shè)置，一旦發(fā)生意外或火災(zāi)，就成為逃生的最佳途徑。美國消防法規(guī)對多層建筑緊急逃生通道有明文強制規(guī)定。設(shè)置固定式逃生梯的主要目的在于提供一個消防出口，如果室內(nèi)消防出口不足時，就必須設(shè)置該項目了。需要按照 NFPA（美國消防協(xié)會）和 ANSI/ASME（美國國家標(biāo)準(zhǔn)局/美國機械工程師協(xié)會） 的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、安裝。當(dāng)建筑缺少防排煙系統(tǒng)時，可以避免室內(nèi)通道被煙霧阻隔或造成人員窒息。

2017 年 6 月，英國倫敦 24 F 高的格倫費爾大樓發(fā)生大火，造成至少 80 人死亡。這一事故的發(fā)生也讓高層建筑消防難、逃生難的問題再次引起社會熱議。英國設(shè)計師針對高層建筑發(fā)明了新型逃生滑道。人們可以從不同樓層通往逃生滑道的安裝地點，啟動裝置釋放出一個垂直滑道，逃生者就能沿著管道滑向地面?；烙?3 層材料制成，最外層為防火材料，中層為彈性材料，內(nèi)層則加強了強度，確保能承受逃生者的重量。使用逃生滑道時，逃生者用手臂和腿腳擠壓四壁就能降低下滑速度，不擠壓則加速下滑。據(jù)了解，這套逃生滑道系統(tǒng)大概可以讓 25 人/min 從最高 105 m 的高樓逃生。大部分樓宇都可以安裝這套系統(tǒng)，不過受建筑物格局和復(fù)雜程度影響，系統(tǒng)的定價從 7 500 英鎊到 15 萬英鎊（約合人民幣 6.4 萬元～128.0 萬元）不等。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了 GB 21976.2～GB 21976.7 系列《建筑火災(zāi)逃生避難器材》。目前市場上有較多種類的逃生產(chǎn)品出售，主要有 2 大類：一類是用于公共建筑的大型逃生設(shè)備，如逃生艙、柔性滑道、救生氣墊等；另一類是家用的小型逃生設(shè)備，如逃生軟梯、緩降器、逃生繩等。

2.3 高層建筑逃生裝置存在的問題

(1) 高層建筑防災(zāi)裝備不足，逃生、救援能力差。在現(xiàn)有已建設(shè)使用的高層建筑中，民用建筑幾乎沒有設(shè)置機械式逃生、救援設(shè)施，有的只是以步行樓梯為主體的豎向疏散通道。疏散速度慢，容易被濃煙阻塞而影響逃生。公共高層建筑有的在屋頂設(shè)置了軌道式擦窗機，但這種設(shè)施不在災(zāi)害點上，也很難抵達(dá)災(zāi)害點供人員逃生和施救，且當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，必定停止供電不準(zhǔn)使用。有的高層公益性建筑在人員密集或集中的大堂臨外窗的位置設(shè)置了供緊急情況下逃生用的滑降繩索，但需要專業(yè)救援人員攜帶被救人員共同下降并控制速度。面對復(fù)雜的地理環(huán)境和高層、超高層建筑，地域狹小的空間一般的應(yīng)急救援逃生設(shè)施根本無法起到應(yīng)有的作用。

(2) 多數(shù)高層建筑外立面清洗和維修依賴“蜘蛛人”。配備擦窗機的高層建筑畢竟是少數(shù)。外立面清洗和維修多數(shù)還是依賴“蜘蛛人”。

(3) 多層和中高層建筑幾乎沒有設(shè)置固定防災(zāi)逃生、救援設(shè)施。防災(zāi)逃生和救援主要依賴各層的疏散通道和豎向的疏散樓梯。通過了解國內(nèi)外對逃生裝置研究的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，用于高層或超高層建筑逃生且技術(shù)比較成熟的設(shè)備很少，原因主要為：① 受到適用高度制約問題。大多數(shù)逃生裝置僅能適用于 60 m 以下高度的中低層建筑，對于 60 m 以上乃至超過 100 m 的超高層建筑，當(dāng)前的逃生裝置并不能很好地適用于逃生，故這些設(shè)備最大的問題在于其使用高度受限。② 能源輸入問題。當(dāng)前有適用于 150 m 建筑的逃生裝置，例如升降機類逃生艙裝置，該類裝置往往需要外部能源( 電能) 的輸入。然而，在火災(zāi)、地震等突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時，往往不能保證建筑用電，因此，當(dāng)前逃生設(shè)備的適用性受到一定的制約。③ 操作使用問題。逃生設(shè)備一般在運營狀態(tài)建筑中配備，現(xiàn)有的高層建筑逃生裝置的運用（操作）往往需要專門培訓(xùn)，還要克服高空心理恐懼，且對逃生人員的體能有一定要求。如緩降繩索類逃生裝置就不適合于小孩、老人以及殘障人士的逃生。在建造過程中，高層、超高層建筑安全逃生裝置較少配備，甚至在很多工程沒有配備，存在著巨大的安全隱患。

3 多用途智能升降器的技術(shù)原理

3.1 多功能智能升降器

多功能智能升降器如圖 1 所示，是一種自帶驅(qū)動的裝置，由特殊的輪系傳動、高能量電池組、電機驅(qū)動的機電和智能化控制系統(tǒng)等組成的一體化裝置。輪系傳動主要由摩擦輪組和安全繩索構(gòu)成。摩擦輪組采用多個增大繩輪間摩擦因數(shù)的傳動裝置，包括 V 型走線槽和輪間墊片，以確保安全繩索的進線深度，并可根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)整安全繩索與輪系內(nèi)壁的摩擦因數(shù)，以提供足夠的摩擦力和系統(tǒng)自持力。帶輪走線槽內(nèi)壁采用輪輻設(shè)計，摩擦輪間墊片的外緣采取滾花的加工方法，以進一步增大繩索、輪組摩擦力，提高回轉(zhuǎn)機構(gòu)的有效自持力。該裝置包括電池、電機驅(qū)動，自重不超過 13 kg，最大載重達(dá) 220 kg，最大速度可達(dá) 60.0 m/min，續(xù)航能力為 800 m，遙控距離為 800 m，上升速度為0～1.0 m/s，下降速度為 0～1.5 m/s。該裝置可理解為沿著繩子快速可控運動的便攜式載重機器人。該裝置負(fù)載大、重量輕、體積小、續(xù)航能力強、遙控距離遠(yuǎn)；可手動或遙控操作，可單人、雙人或物品通過裝置一起上下；自帶電源，可靈活使用于無電源場合；具有機械制動功能，可以空中停留作業(yè)及不耗電力受控下降；配備專用充電器，可實現(xiàn)簡單快捷地整機充電；可斜向、橫向等任意角度運動；可與高樓、野外、河岸及深邃場所安裝搭建生命通道實施救援作業(yè)。

圖1 多功能智能升降器

3.2 多功能智能升降器建筑設(shè)計要點

國家在抗震減災(zāi)和防災(zāi)方面制定了大量的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范，但目前很多高層，甚至是中高層、多層建筑在災(zāi)害發(fā)生時的逃生救援設(shè)施還不是很完善。多功能智能升降器在建筑上的布置形式主要有垂直式布置、斜拉式布置、水平式布置 3 種。填補了目前建筑救援不足的缺陷。該升降器的主要功能有如下 3 個方面。

(1) 多功能智能升降器作為高層建筑的救援設(shè)備，應(yīng)在建筑上設(shè)置永久的固定救援設(shè)施，解決災(zāi)害發(fā)生時人員逃生和救援問題。

(2) 在高層建筑樓頂四周安裝固定永久支撐架或設(shè)置固定點，并與安全繩索連接，需要時自動放下安全繩索，將安全繩索放到地面或預(yù)設(shè)的場所。安全繩索的另一端裝上多功能智能升降器，就可以實施救援工作。另外，多功能智能升降器可替代傳統(tǒng)的機械式擦窗機或工作吊籃，用于外立面的清洗和維修。

(3) 多功能智能升降器可利用建筑凹口、陽臺間或其他類似空間，配備專用的豎向通道，用作建筑火災(zāi)或遇到重大險情時人員逃生或救援的生命通道。

3.3 多功能智能升降器與建筑本體的錨固方式

多功能智能升降器固定點主要集中在建筑物屋頂進行設(shè)置，并將其與建筑本體進行有效的連接固定。多功能智能升降器安全繩索與建筑屋頂?shù)腻^固方式，針對不同屋頂建筑形式有所不同，可分為建筑屋頂采用固定支架式的錨固方式，帶繩索箱的錨固方式，預(yù)留鋼管固定的錨固方式和可利用的固定物臨時固定的錨固方式。固定支架的安裝載體應(yīng)選取承重墻、支撐柱等。

當(dāng)多功能智能升降器的安全繩索與建筑墻體進行固定連接時，可采用固定支架和繩索箱與基礎(chǔ)墻體進行固定連接，也可采用帶封閉吊環(huán)的穿墻螺栓與基層墻體進行固定，且?guī)Х忾]吊環(huán)的穿墻螺栓φ≥26 mm。

當(dāng)建筑屋頂形式為女兒墻時，多功能智能升降器的安全繩索與建筑屋頂?shù)倪B接宜采用可調(diào)節(jié)固定支架。

當(dāng)建筑屋頂采用預(yù)留鋼管固定方式時，預(yù)留鋼管應(yīng)沿著建筑屋頂周邊環(huán)形封閉布置。預(yù)埋鋼筋間距宜為 1 500 mm，預(yù)埋鋼筋的延伸端與掛點鋼管采用焊接的方式進行連接，多功能智能升降器可與鋼管的任何位置進行連接固定。

當(dāng)多功能智能升降器安全繩索采用斜拉式布置形式時，安全繩索的一段固定在建筑物屋頂上，另一段應(yīng)采用地腳預(yù)埋的方式固定在地面上。錨固點建立的數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑高度與人口密集程度來確定，確定后在建筑物屋頂安裝一定數(shù)目的安全繩索錨固點，安全繩索的一端固定在建筑物屋頂，另一端為連接多功能智能升降器的自由端。升降器斜拉式工作示意圖如圖 2 所示。

圖2 升降器斜拉式工作示意圖

4 多用途智能升降器的經(jīng)濟效益分析

4.1 項目的經(jīng)濟效益

截至 2017 年 12 月，我國已建成投入使用的高層建筑(24 m以上公共和 17 m 以上住宅建筑)達(dá) 61.9 萬棟，100 m以上的超高層建筑就有 6 457 棟，并且超高層建筑正在以每年 8% 的增長率增加，是世界平均增長水平的 2.5 倍。但其中配備有專業(yè)的防災(zāi)減災(zāi)救援逃生設(shè)備的建筑不到 10%。以其中 80% 為潛在客戶，按每棟高層建筑配備 5 套設(shè)備計算，則國內(nèi)高層建筑配備多用途智能升降器系列產(chǎn)品的容量高達(dá) 300 萬臺，接近 4 000 億元的銷售額度。

實現(xiàn)本課題研究目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備即多用途智能升降器（亦稱“爬繩智能機器人”“多功能智能機器”，簡稱“項目產(chǎn)品”“裝置”） 的研究、設(shè)計和制造已經(jīng)成功，并獲得多項發(fā)明專利。本課題的承擔(dān)單位之一廣東省某浩科技有限公司自成立以來，先后與清華大學(xué)、東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院、中國人民武裝警察部隊特種警察學(xué)院、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所等高等院校和科研院所建立了長期穩(wěn)定的戰(zhàn)略合作關(guān)系。初步銷售目標(biāo)如表 1 所示。

表1 項目產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及銷量預(yù)測

(1) 項目產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及銷量預(yù)測。2018 年該公司處于改革及轉(zhuǎn)型階段，產(chǎn)品銷售主要針對于消防、武警等應(yīng)急救援機構(gòu)，市場規(guī)模較小。2019 年公司在消防、武警等應(yīng)急救援機構(gòu)進行銷售外，逐步向民用市場如高空作業(yè)、橋梁檢測等方面進行市場推廣。2020 年，處于市場全力銷售階段，主要任務(wù)是加大力度進行市場開發(fā)，尤其是高層建筑配套方面的布局及銷售。加大產(chǎn)品研發(fā)，降低成本。

(2) 項目產(chǎn)品生產(chǎn)成本。① 對項目產(chǎn)品生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成因素進行分析，得出生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成因素有：材料費用、研發(fā)費用(含人員工資)、生產(chǎn)費用、管理費用、市場開拓、測試費及其他、知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)費及其他費用。② 預(yù)測產(chǎn)品的單位成本。產(chǎn)品單位成本預(yù)測結(jié)果如表 2 所示。③分析說明項目產(chǎn)品的價格及定價策略。根據(jù)目前國內(nèi)和國際相關(guān)產(chǎn)品價位和該產(chǎn)品所要投入的人力、物力和科技含量，本項目產(chǎn)品進入市場的單位銷售價格定為 26.8 萬元/臺（國外同類產(chǎn)品為 5 萬歐元）。本項目產(chǎn)品的定價是依據(jù)項目成本，并參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的價格趨勢、市場需求和經(jīng)過大量的市場調(diào)研而定，具有一定的科學(xué)性，并且隨著銷售量的提高，逐年降低研發(fā)成本，使產(chǎn)品在市場上占有價格優(yōu)勢，從而促進產(chǎn)品的銷售。

表2 產(chǎn)品單位成本預(yù)測 萬元

(3) 本項目產(chǎn)品經(jīng)濟效益預(yù)測如表 3 所示 。

表3 產(chǎn)品經(jīng)濟效益預(yù)測表

4.2 項目的環(huán)境效益

多用途智能升降器系列產(chǎn)品采用先進的清潔能源與節(jié)能技術(shù)，推進高耗能特種設(shè)備節(jié)能降耗，使用過程中只有輕微的摩擦聲響，不會產(chǎn)生其他有害物質(zhì)，其所配備的繩索、電池等均可進行回收利用。

4.3 項目的社會效益

目前課題承制單位將在未來幾年快速鋪開市場，以所在城市為起點，建立銷售服務(wù)團隊，采用招商代理輔以自主推廣的雙核營銷模式，積極推進全國市場的開發(fā)、銷售、服務(wù)和管理?，F(xiàn)目前公司產(chǎn)品主要針對消防、武警等應(yīng)急救援單位，民用及高層建筑市場正逐步開發(fā)?，F(xiàn)階段課題承制單位年產(chǎn)量 200 臺，銷售額 1 000 萬元，稅費 60 萬元，凈利潤－180 萬元?，F(xiàn)階段多用途智能升降器財務(wù)指標(biāo)預(yù)算如表 4所示。

表4 現(xiàn)階段多用途智能升降器財務(wù)指標(biāo)預(yù)算表

5 結(jié) 語

通過對高層建筑配備逃生、救援和立面作業(yè)多用途智能升降器的研究，打破了國外對高端繩索類升降設(shè)備領(lǐng)域高、新、尖產(chǎn)品及關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，填補我國在升降器技術(shù)領(lǐng)域的空白，推動和促進我國特種裝備向高端化、智能化、系列化發(fā)展，滿足野外或特殊高深環(huán)境下攀爬自動化的需求。通過攻克特種設(shè)備系列關(guān)鍵技術(shù)并實現(xiàn)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，形成自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力。

多用途智能升降器既可裝備于新建高層建筑，又可以在既有高層建筑上通過加裝固定掛點建立通道配備，提高了繩索升降技術(shù)的效率，以及高續(xù)航與大負(fù)載能力。作為高層建筑救災(zāi)和逃生的永久式補充裝備，救災(zāi)時可滿足多人同時升降的要求。平時用于對建筑物的安全檢測、立面清洗和維修作業(yè)，從而提高裝置的利用率和投資效益。其社會效益和間接經(jīng)濟效益顯著，在事關(guān)建筑防火安全、因災(zāi)自救、反恐防暴、建筑安全檢測等領(lǐng)域，尤其在高層建筑彌補固定滅火和逃生裝備不足方面具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。其產(chǎn)品的生產(chǎn)和配套可為國內(nèi)本產(chǎn)品上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新提供新的動力和市場空間，推動上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。