社會主義現(xiàn)代化建設過程中高樓應急集體逃生的設想與逃生裝置的設計研究

唐偉 余建業(yè) 王衛(wèi)宇 梅才濤

摘? 要：人類社會飛速發(fā)展，人們的生活日益趨近于自動化、信息化、密集化，因而導致大量人口涌入城市。為緩解住房壓力，順應耕地保護政策，高層樓房應運而生，且越建越高。高樓林立固然有效地解決了城市空間不足與人口過多之間的矛盾，但隨之而來的一些關于安全的問題也日漸鮮明。在面對諸如火災、地震等突發(fā)危險狀況時，如何快速實現(xiàn)安全逃離成為了一個急需解決的難題。現(xiàn)階段，我國乃至全社會應急求援裝備發(fā)展落后與發(fā)生危險急待救援樓層高度迅速攀升之間的矛盾越來越尖銳，與發(fā)生危險急需救援人員所處樓層數(shù)越來越高這一現(xiàn)狀相對的是應急救援裝置救援能力發(fā)展的不足。本論文提出一種高樓集體逃生裝置的設想，并對其實施可行性進行分析和研究。

關鍵詞：現(xiàn)代化;高樓突發(fā)危險;應急集體逃生

中圖分類號：X928? ? 文獻標識碼：A

一、引言

人類社會飛速發(fā)展，人們的生活日益趨近于自動化、信息化、密集化，因而導致大量人口涌入城市。為緩解住房壓力，順應耕地保護政策，高層樓房應運而生，且越建越高。高樓林立固然有效地解決了城市空間不足與人口過多之間的矛盾，但隨之而來的一些關于安全的問題也日漸鮮明。在面對諸如火災、地震等突發(fā)危險狀況時，如何快速實現(xiàn)安全逃離成為了一個急需解決的難題?，F(xiàn)階段，我國乃至全社會應急求援裝備發(fā)展落后與發(fā)生危險急待救援樓層高度迅速攀升之間的矛盾越來越尖銳，與發(fā)生危險急需救援人員所處樓層數(shù)越來越高這一現(xiàn)狀相對的是應急救援裝置救援能力發(fā)展的不足。首先，現(xiàn)有救援裝置普遍存在體積大，機動性差，無法實現(xiàn)即時快速的救援的缺陷，須知，災難降臨的危急時刻，時間就是生命。其次，現(xiàn)有救援裝置有效救援高度有限，噴射裝置達到8樓之后將后繼無力，即便是救生云梯面對20層以上的高層次樓層時也只能望樓興嘆，而現(xiàn)階段都市中，20層以上的樓房比比皆是。最后，現(xiàn)有諸如救生云梯之類的消防救援裝置還有一個普遍的缺點——高樓層救援時同一批次只能實現(xiàn)2～3人的救援，而這根本就無法滿足突發(fā)事故發(fā)生時高樓層危險居民迅速逃生的需求。 因此，在消防救援車輛尚未到達之前，使用高樓應急集體逃生裝置，進行自我援救意義重大。

二、社會主義現(xiàn)代化發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析

（一）城市人口逐年增多

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國城市人口數(shù)量逐年增多，從15年的7.71億發(fā)展到19年的8.48億，城市人口超過了總人口的60%，且呈逐年增多態(tài)勢，隨著現(xiàn)代化進程的推進，越來越多的農(nóng)村人口轉移到城鎮(zhèn)發(fā)展，城鎮(zhèn)化成為趨勢。

（二）高樓數(shù)量逐年增大

據(jù)住建部統(tǒng)計，截止2019年，我國高層建筑數(shù)量達34.7萬幢，位居世界第一。其中上海、北京等超一線城市高層建筑數(shù)最多，高層建筑數(shù)量受城市現(xiàn)代化進程影響較大。

（三）火災事故頻繁發(fā)生

據(jù)統(tǒng)計，我國高層建筑應急事故中占比最高的是高層建筑火災，近十年高層建筑火災共發(fā)生約3.1萬起，死亡人數(shù)達474人，造成直接財產(chǎn)損失15.6億。

（四）現(xiàn)有逃生器設想

隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷推進，城人口不斷增多，高層建筑不斷建造，火災事故頻繁發(fā)生，高樓應急逃生裝置應運而生。一批批學者、工程師開始提出各種各樣的高樓應急逃生器的設想，現(xiàn)常見的逃生裝置原理及產(chǎn)品設計如下：

①救生氣墊：遇險人員的充氣軟墊，是消防救生和空中作業(yè)人 員人身保護的安全設備，它可減少下跳人員在著地 時所受到的沖擊，起到緩沖和保護作用。但其應用高 度有限，若使用不當，容易誘導跳樓 [3]。

②緩降器：緩降器：此類裝備主要用于單人操作 ，由安全鉤、安全帶、調(diào)速器、鋼絲繩等結構組成，承載能力為 100 kg以內(nèi)的單個人員 ，使用時無需動力，安全緩降被困人員到達地面。

③逃生軟梯：逃生軟梯是一種用于營救和撤離火場被困人員的移動式梯子 ，可收藏在包裝袋內(nèi)，在 樓房建筑物發(fā)生火災或意外事故時，樓梯通道被封 閉的危急情況下，是進行救生用的有效工具。

④逃生滑道：逃生滑道是一種內(nèi)部緩慢滑降的逃生用具，適用于許多人從高處順序滑下，其在外層 防火并有反光條、中層抗熱輻射隔煙、內(nèi)層導滑，每層均為高抗拉力并經(jīng)靜電處理的布做成，內(nèi)層具有松緊性，讓人的身體經(jīng)過時產(chǎn)生一定的阻力緩沖，約以每米一秒的速度安全降下。逃生者以等速緩慢下降，即使有兩位逃生者碰撞亦不會發(fā)生危險，適于連續(xù)逃生[2]。

（五）現(xiàn)有技術的不足

通過對上述逃生裝置的研究，仍存在一些不足之處，總結如下：

①大多數(shù)僅適用于個人，不能做到突發(fā)事故時高樓層人員短時間內(nèi)的大規(guī)模逃生;

②大部分產(chǎn)品體積較大，成本較高，不能普遍應用于每一個普通的高樓層居住者;

③適用于集體的裝置逃生高度受限，50m以上樓層難以涉及;

④部分逃生器使用諸如電力等動力驅(qū)動，這在火災、地震等突發(fā)事故發(fā)生時具有很大的束縛性;

⑤沒有考慮到兒童、老年人、殘疾人及在災難中出現(xiàn)休克等難以自行逃生人員的逃離方法。

（六）高樓應急集體逃生器設想

本文提出一種高樓集體逃生方法及對應的裝置。通過對裝置進行結構分化，使得逃生裝置能夠在同一時刻實現(xiàn)多個人的同時于高樓層逃生，且由于每一個居民家庭放置的皆為逃生裝置的子裝置，所以具有占用空間小、成本低廉易普及、操作簡便等特點。由于結構上借鑒了杠桿摩塊原理，故而該逃生裝置適用于各種體型的逃生者，甚至可以由成人攜帶幼兒或殘疾人共同逃生。在該裝置的主裝置中，通過結構的設計，盡可能的避免了能量的使用，僅僅探測火災、地震等緊急情況的產(chǎn)生及控制卡位裝置釋放安全繩索需要微弱電力，此能量使用自備電源提供即可。

三、新型高樓應急集體逃生裝置結構設計

（一）裝置組成

1.主裝置

本裝置由后支撐座、前支撐座、電磁鐵軸、小軸位彈簧、內(nèi)部壓桿、連接桿、接頭及手柄組成。其中摩擦片由耐磨材料制成，手抓與內(nèi)部壓桿接觸處以及內(nèi)部壓桿對應處采用上窄下寬的楔形結構，便于更好地承載手柄處傳來的下拉力。手抓處于筒體內(nèi)部的部分有兩個限位彈簧，用來限定無作用力時手抓抓頭的作用狀態(tài)，使之保持以較小力抓住安全繩，保證自己本身不會下落。內(nèi)部壓桿與手抓通過小于子裝置一產(chǎn)生的摩擦力，從而使得逃生者在無動作狀態(tài)下以較慢的速度（V=20+10cm/s）進行類勻速下滑。下方與外筒體通過連接繩連接有腳踏板，逃生者可以通過腳踏腳踏板來調(diào)節(jié)作用于安全帶上的重力，從而實現(xiàn)摩擦力的改變，由于在此過程中外筒體所受整體下拉力不變，故而可以在一定程度上改變下滑速度。

2.子裝置

3.2.1子裝置一組成

本裝置由外筒體、手抓、手抓軸、摩擦片、限摩擦軸套、安全褲、連接繩以及腳踏板組成。與子裝置二的區(qū)別在于改變了內(nèi)部壓桿與筒體內(nèi)部抓頭的相對位置，從而使得在逃生者全部重力通過安全帶、連接桿以及內(nèi)部壓桿作用于手抓上時產(chǎn)生的摩擦力小于子裝置一產(chǎn)生的摩擦力，從而使得逃生者在無動作狀態(tài)下以較慢的速度（V=20+10cm/s）進行類勻速下滑。下方與外筒體通過連接繩連接有腳踏板，逃生者可以通過腳踏腳踏板來調(diào)節(jié)作用于安全帶上的重力，從而實現(xiàn)摩擦力的改變，由于在此過程中外筒體所受整體下拉力不變，故而可以在一定程度上改變下滑速度。

3.2.2子裝置一工作介紹

在發(fā)生諸如火災、地震等緊急情況從而安全繩迅速下落并被接收裝置固定牢固后，逃生者穿好安全褲并做好逃生準備后，用手撐開子裝置一的手抓，使之抓牢安全繩并固定在安全繩上，此時同樣裝好子裝置二的手抓，同時使身體緩慢伸出窗外，逐漸脫離出窗戶，用安全手柄支撐逃生者全部質(zhì)量使得逃生者不至于掉下。此時，逃生者整體重力施加到手柄處，手柄通過手柄連桿和連桿接頭把力作用在壓桿連接桿上，壓桿連接桿拉動內(nèi)部壓桿下接頭，從而向內(nèi)擠壓手抓在筒體內(nèi)部分，同時克服彈簧彈力使得手抓抓緊安全繩，從而使得逃生者相對靜止于該位置，從而進行下一步動作。除此之外，子裝置一還能在緊急情況下實現(xiàn)迅速制動，從而面對突發(fā)事件，使得逃生者逃生時的安全得到更大的保障。

（三）子裝置二

1.子裝置二組成

本裝置是在子裝置一的基本結構下進行部分改動形成的。由外筒體、手抓、摩擦片、限位彈簧、內(nèi)部壓桿、連接桿、壓桿接頭、安全帶接頭、限位軸組成。

2.子裝置二工作介紹

在發(fā)生諸如火災、地震等緊急情況從而安全繩迅速下落并被接收裝置固定牢固后，逃生者穿上安全褲，然后，通過窗口把子裝置一固定在安全繩上。之后，以同樣的方式把子裝置二固定在子裝置一上方，使之不下落。做完之后，在手抓牢手柄的情況下逐漸脫離窗戶，保持懸空狀態(tài)，此時迅速確定安全褲、腳踏板處的外伸裝置與主裝置安全繩相互配合以及上下安全情況，確保安全后，松開子裝置一手柄。此時，在自身重力作用以及通過壓桿連接桿傳遞從而產(chǎn)生的摩擦力的作用下，逃生者以較為緩慢的速度（V=20+10cm/s）進行類勻速下滑。若逃生者遇到需要加速亦或自愿想進行加速的話，雙腳踩腳踏板，從而使得逃生者通過安全帶、連接桿、內(nèi)部壓桿以及手抓作用在主裝置安全繩上的摩擦力減小從而達到增大下滑速度的目的。此過程中，逃生者踏動腳踏板時，安全褲會與主裝置安全繩相離，但是由于限位裝置及軸套作用下，作用于內(nèi)部連接桿的力依舊向下保持不變，從而實現(xiàn)加速下滑過程的穩(wěn)定。此外，由于子裝置一一直處于子裝置二下方，會隨著子裝置二一起下滑，所以逃生者可以保持隨時抓住子裝置一實現(xiàn)緊急制動。

四、選材、校準與可行性分析

（一）主裝置

該裝置安裝在較高樓層的樓頂以實現(xiàn)同時承載30人左右的逃生者。因此，該裝置的選材、校準以及安全性分析至關重要。該裝置最主要承重部件為安全繩、承重大軸、承重軸承以及前后安全座。

1.安全繩

該裝置主裝置上的安全繩需要能夠一次性至少承受30個成年人體重所產(chǎn)生的下拉力。

2.承重大軸

承重大軸用來收放安全滑索并承受逃生者自身重力所產(chǎn)生下拉力的部件，是安全繩與固定在高樓頂部的前、后支座相連接的主要零件。其主要承受鋼絲繩給軸的壓力和兩邊支點給軸向上的支撐力。 該軸主要承受彎矩，經(jīng)實踐經(jīng)驗及理論計算可知，將繩子固定端設在軸的最左端，則繩子全部纏在軸上時軸所受的彎矩最大，校核時設定繩子的重力集中在軸的中間。承重大軸選用材料為45號鋼調(diào)質(zhì)處理，45號調(diào)質(zhì)鋼的許用彎曲應力。

3.大軸軸承

大軸軸承是連接承重大軸和支撐座的部件，使得運動部件與靜止部件不會直接接觸，從而減少摩擦與磨損。其所受來自承重大軸的力分為向下的徑向壓力及由于安全滑索帶動承重大軸旋轉所產(chǎn)生的軸向力。大軸的直徑=60mm，且由于存在一定的軸向力，查閱《機械設計手冊》，根據(jù)實際情況選取型號為NUP2312E的圓柱滾子軸承。

4.接收裝置

接收裝置是用來接收危急情況發(fā)生時自動或手動落下的凸頭并對其進行卡位的裝置，該裝置與快速落下的凸頭相接觸時會迅速吸收凸頭所產(chǎn)生的沖量，并帶動限位桿旋轉，因此需要對凸頭下落所產(chǎn)生的沖量與限位桿重端轉動所需要的最小沖量進行計算、分析，以保證凸頭可以產(chǎn)生足夠的沖量使接收裝置成功限位。

（二）子裝置

該裝置使逃生者固定在安全繩某一位置便于實現(xiàn)進一步逃生，同時保證在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)迅速制動。因此，要實現(xiàn)內(nèi)部壓桿及手抓傳遞的力經(jīng)過杠桿轉變的程度以及摩擦塊的耐久及較大摩擦力的產(chǎn)生。其主要可行性分析部件為手抓連接軸、摩擦塊、手抓、連接桿以及連接塊軸。

1.手抓連接軸

手抓連接軸的固定端受到的彎矩最大，故而其所在截面為危險截面。

2.連接桿軸

連接桿軸是把連接桿固定在外筒體上并起杠桿支點作用的軸，該軸主要承受逃生者通過手柄、連接桿傳遞過來的一部分下拉力，該裝置對其可靠性要求較高。

3.連接塊軸

連接塊軸是連接塊上與連接桿相連的軸，其要求能夠完全承載逃生者自重所產(chǎn)生的下拉力，且能夠保持一定的強度與剛度。

4.摩擦片分析

手抓、手柄等與鋼絲滑索直接接觸產(chǎn)生滑動摩擦的補位皆設有摩擦片，其中手抓與鋼絲滑索接觸處，由于手抓需要提供給鋼絲滑索一定的摩擦力以保持逃生者靜止狀態(tài)，故而選擇硬質(zhì)橡膠，而其他補位選擇較為耐磨的碳化硅保護層。

5.連接壓桿的分析

連接壓桿是連接逃生者與手抓的主要裝置，通過杠桿原理來實現(xiàn)力的轉化，從而達到無論是什么體重的逃生者，只要不超過裝置所能承受的極限，都能夠?qū)崿F(xiàn)在鋼絲滑索固定位置的懸空定位。

五、結論

本論文提出了一種用于高樓層公共逃生的新型裝置。其裝置由一個主裝置及兩個子裝置組成，能夠?qū)崿F(xiàn)在緊急情況下高樓層居民大規(guī)模、快速度的逃生，同時在逃生時能夠?qū)崿F(xiàn)慢速類勻速下滑、加速下滑、減速下滑以及緊急制動等操作。此外，主裝置附有應急感應器，在出現(xiàn)危機事故時可以自動亦或手動使得主裝置自動釋放安全繩并與特殊設計的接收裝置相結合實現(xiàn)卡位固定，當危機情況解除后，人工解除接收裝置的卡位，并打開電機回收安全繩，以便于下次使用。

該裝置把主裝置與子裝置分開，從而使得子裝置體積小、造價低，有益于該裝置的普及;同時，該裝置操作簡便，對逃生者身體素質(zhì)沒有特殊要求，還可以由成人帶一老人、兒童或殘疾人 同時使用;此外，該裝置可在緊急事故發(fā)生時供多名逃生者同時逃生，形成公共逃生路徑，從而極大的保障了高樓居民的人身安全權益。然而，該裝置存在一些缺陷。最大的缺陷在于接收裝置，盡管接收裝置設有強磁鐵來吸引凸頭，但是強磁鐵范圍有限，當遇到強風、地面劇烈運動等情況時，很可能會發(fā)生凸頭距離接收裝置較遠而無法成功的自動接收安全繩，此時需要進行人工接收，否則逃生者逃生時會出現(xiàn)劇烈旋轉等不確定的運動，存在安全隱患。

參考文獻

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