山地景區(qū)觀光電梯故障情況下人員疏散分析

張雨 盧婷

摘 要：山地景區(qū)觀光天梯為連接山腳和山頂?shù)慕ㄖ^光電梯發(fā)生故障時(shí)，被困人員可通過電梯間內(nèi)樓梯同時(shí)向山頂和山腳的疏散口疏散。為研究這種疏散方式的特點(diǎn)并優(yōu)化不同?？繕菍拥氖枭⒉呗?，在已有單向疏散計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了電梯故障時(shí)被困人員雙向疏散過程的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，給出了最優(yōu)策略為向上疏散或向下疏散時(shí)電梯?？繕菍臃纸琰c(diǎn)的確定方式，并結(jié)合人員疏散仿真軟件Pathfinder和某景區(qū)觀光梯，將簡(jiǎn)化計(jì)算方法和模擬方法進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，模擬疏散時(shí)間與簡(jiǎn)化計(jì)算值較為吻合，簡(jiǎn)化計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出人員疏散時(shí)間，驗(yàn)證了簡(jiǎn)化方法的可靠性;相較于上下雙向疏散，單向疏散耗時(shí)更少，電梯?？繕菍臃纸琰c(diǎn)為建筑高度中點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：觀光建筑;電梯;疏散;策略

中圖分類號(hào)：X913，TU247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

觀光電梯在山地丘陵地區(qū)的旅游開發(fā)中有廣泛的應(yīng)用，目前在湖南張家界百龍、四川雅安碧峰峽、湖北施恩大峽谷和河南林州等地都建成了山地景區(qū)觀光電梯。與一般民用高層建筑緊急情況下人員只可以向下單向疏散不同的是，此類建筑由水平長(zhǎng)廊和垂直交通建筑聯(lián)系山腳和山頂，電梯故障情況下人員可在電梯?？繉咏?jīng)過樓梯同時(shí)向山頂和山腳安全出口疏散。目前對(duì)于緊急情況下人員經(jīng)樓梯、電梯、樓-電梯疏散的研究也較多。王芳等[1]提出了在高層建筑疏散中依靠樓梯疏散的潛在高風(fēng)險(xiǎn)樓層優(yōu)先疏散的策略;王超[2]通過定量分析電梯、樓梯的疏散表現(xiàn)，驗(yàn)證了高層電梯輔助疏散的高效性，提出了電梯提升效率的衡量指標(biāo);陳海濤等[3]、楊海明[4]、郭曉明等[5]運(yùn)用數(shù)學(xué)模型就高層建筑樓-電梯耦合疏散進(jìn)行了研究，指出存在使樓-電梯耦合疏散效率最高的最佳分離樓層。陳海濤[6-7]針對(duì)人員疏散的出口選擇行為進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的人員疏散模型，并進(jìn)一步研究了影響出口選擇的距離、密度和出口寬度等因素;袁慧[8]分別采用經(jīng)驗(yàn)公式和Pathfinder仿真模擬計(jì)算分析了高層建筑疏散時(shí)間;丁元春[9]根據(jù)建筑物特征、人員屬性等，通過運(yùn)用Pathfinder仿真模擬研究了疏散人群在樓梯的匯流情況等疏散特征。但是類似景區(qū)觀光天梯類建筑的人員疏散研究較少。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[10]，建筑的疏散樓梯宜直通屋面，可使人員多一條疏散路徑，有利于人員避難和逃生。因此，可將觀光建筑山頂方向疏散出口視為建筑屋面避難層。針對(duì)該情況，本文在已有單向疏散計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了電梯故障時(shí)被困人員雙向疏散過程的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際案例，采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法和人員疏散仿真軟件Pathfinder數(shù)值模擬進(jìn)行了對(duì)比研究，驗(yàn)證了天梯建筑簡(jiǎn)化疏散計(jì)算方法的有效性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了適用于該類建筑的疏散策略，以提高緊急疏散效率。

1 樓梯疏散計(jì)算模型

天梯建筑樓梯疏散時(shí)間的計(jì)算模型借鑒了MELINEK和BOOTH及PAULS等研究的經(jīng)驗(yàn)公式 [11-12]，該模型中人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間由人群經(jīng)過出口時(shí)的排隊(duì)時(shí)間和人員在樓梯上的穿行時(shí)間組成，即：

T=TD+TC。（1）

式（1）右邊第一項(xiàng)為通過各個(gè)出口時(shí)的排隊(duì)等待時(shí)間總和，第二項(xiàng)為樓梯中的穿行時(shí)間，分別按如下公式計(jì)算，

TD=∑i=ki=1NiWiCi;（2）

TC=rts。（3）

式中，k為經(jīng)過出口的數(shù)量;Ni為通過出口i的人數(shù)，人;Wi為出口i的寬度，m;Ci為出口i的通行速率，人·（m·s）-1;r為穿行的樓層數(shù);ts為通過一層樓的樓梯所需要的時(shí)間，s，常取16 s[13]，當(dāng)建筑層高較大時(shí);ts取值可適當(dāng)增大。

在考慮雙向疏散的情況下，假設(shè)ρ為向上疏散的人數(shù)比例，n為總的樓層數(shù)，按照式（1）—（3）可推導(dǎo)得上行運(yùn)動(dòng)時(shí)間TU、下行運(yùn)動(dòng)時(shí)間TL分別為：

TU=∑i=ki=1NiWiCi+rts;（4）

TL=∑i=ki=1NiWiCi+n-rts。（5）

依據(jù)式（4），式（5）可知，當(dāng)人數(shù)、出口給定的情況下，TU，TL是?？繕菍觬的線性函數(shù)，其基本示意見圖1所示。

圖1給出了ρ=1時(shí)（全部上行疏散）和ρ=0時(shí)（全部下行疏散）的疏散時(shí)間隨?？繕菍拥淖兓P(guān)系，兩個(gè)三角陰影區(qū)域（ΔABM，ΔDMC）分別繪出了在不同ρ值情況下人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間的上界和下界，交點(diǎn)M處的坐標(biāo)按如下方程計(jì)算：

∑i=ki=1NiWiCi+rts=∑i=ki=1NiWiCi+n-rts。 （6）

計(jì)算得到ro= n/2。當(dāng)ρ≠0或ρ≠1時(shí)，為雙向疏散，TU，TL曲線為上述三角形范圍內(nèi)過M點(diǎn)的兩條直線，疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間取TU，TL的大值，顯然在這種情況下，不會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)的疏散時(shí)間;當(dāng)ρ=0或ρ=1時(shí)，為單向疏散，最小疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間取為曲線BMC上的值，即當(dāng)r≤n/2時(shí)，取TU時(shí)可獲得運(yùn)動(dòng)時(shí)間的下限，當(dāng)r≥n/2時(shí)，取TL可獲得運(yùn)動(dòng)時(shí)間下限。因此，結(jié)合圖1，不難看出對(duì)于此類疏散，有如下特征：

（1）在ρ≠0或ρ≠1時(shí)，即雙向疏散時(shí)不可能獲得疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間的下限值，只能獲得疏散時(shí)間上下限之間的一個(gè)值，不能獲得最優(yōu)的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間;

（2）在ρ=0或ρ=1，即單向疏散時(shí)，若?？繕菍有∮趓o，則選擇向上疏散時(shí)，可獲得最小運(yùn)動(dòng)時(shí)間，當(dāng)?？繕菍哟笥趓o，選擇向下疏散可獲得最小疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

2 案例分析

2.1 工程概況

某景區(qū)觀光梯建筑，由山頂部分橫向120 m長(zhǎng)雙層觀光長(zhǎng)廊及配套建筑和山腳至山頂160 m（層高5.4 m）高的垂直交通聯(lián)系建筑（山腳直通山頂觀景平臺(tái)的觀光電梯）兩部分組成，見圖2所示。

山腳天梯建筑為垂直交通聯(lián)系建筑，可在0 m處通過觀光電梯直達(dá)-135 m山腳下，旅客可從山腳和山頂安全出口疏散至室外，垂直天梯設(shè)有三部觀光電梯，電梯門寬0.8 m，單個(gè)電梯荷載人數(shù)取18人，且電梯廳設(shè)有一部檢修樓梯，電梯到樓梯間距離約9 m，樓梯前室兩門均寬1.2 m，樓梯間寬3.0 m，單跑樓梯段寬度1.3 m，單跑梯段長(zhǎng)約4 m，檢修樓梯間詳圖如圖3所示，其可供檢修人員使用，也可作為觀光旅客疏散使用。

2.2 樓梯疏散時(shí)間數(shù)值模型

結(jié)合上述天梯建筑，為驗(yàn)證疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算公式的可靠性，運(yùn)用疏散仿真軟件Pathfinder進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析[14]。疏散過程中的人員組成、平面行走速度參考Simulex軟件的建議值進(jìn)行分析，人員在樓梯間疏散速度，參考了美國(guó)消防工程師學(xué)會(huì)（society of fire protection engineers，SFPE）手冊(cè)[15]，見表1所示。電梯門、樓梯間門、樓梯入口處的通行速率也參考了SFPE手冊(cè)，均取為0.8人·（m·s）-1。而對(duì)于樓梯段上運(yùn)行時(shí)間ts取值，由于該天梯建筑層高較高，按表1參數(shù)計(jì)算得到20 s[16]。

本文為分析不同?？繕菍拥氖枭⒉呗裕謩e用Pathfinder 模擬和式（4）、式（5）手算計(jì)算了停靠樓層為-4層、-8層、-10層、-12層、-16層時(shí)的疏散時(shí)間，數(shù)值模型見圖4、5所示，疏散模擬過程中ρ分別取為0，1，0.5 三種情況。

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)計(jì)算、數(shù)值模擬結(jié)果，各場(chǎng)景下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下圖4、5所示，圖4（a）給出了向上、向下單向疏散的結(jié)果，圖4（b）中給出了在50%向上疏散和50%向下疏散的結(jié)果;圖5（a）給出了最優(yōu)的單向疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，圖5（b）給出了最優(yōu)疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間與單向疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，顯然可知：（1）單向疏散或雙向疏散都具有上圖1所示的三角形區(qū)域的特征;（2）比較圖4（a）和圖4（b）不難發(fā)現(xiàn)，所有對(duì)應(yīng)樓層位置雙向疏散運(yùn)動(dòng)的時(shí)間均在單向疏散兩條包線劃定的時(shí)間范圍之內(nèi)，這與圖1所示的結(jié)果也是一致的;（3）由圖5（b）可以看出，在雙向疏散場(chǎng)景下，疏散時(shí)間為整個(gè)疏散時(shí)間的大值，所以，最優(yōu)的疏散時(shí)間出現(xiàn)在單向疏散的情況，雙向疏散時(shí)不可能獲得疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間的下限值。

另外，根據(jù)以上圖4、5可知，對(duì)于該景區(qū)觀光天梯建筑，在最優(yōu)疏散效率下，最佳分離樓層為建筑高度中間樓層，可將建筑高度中點(diǎn)作為電梯緊急?？繒r(shí)人員單向向上或向下疏散的疏散行為分界點(diǎn)。且由圖5（a）可知，在單向疏散條件下，建筑中間層位置疏散最優(yōu)時(shí)間出現(xiàn)折點(diǎn)，說明建筑最佳分離樓層上下相同距離處疏散時(shí)間基本一致，即建筑中點(diǎn)上下相同位置處的疏散時(shí)間具有對(duì)稱性。

以上各疏散時(shí)間對(duì)比圖可知，各樓層人員疏散時(shí)間簡(jiǎn)化公式計(jì)算結(jié)果與Pathfinder仿真模擬所得結(jié)果較為吻合，簡(jiǎn)化計(jì)算公式在運(yùn)用于天梯類建筑人員疏散分析時(shí)具有一定可靠性。

3 結(jié)論

為研究天梯觀光建筑電梯故障情況下的疏散特點(diǎn)及優(yōu)化疏散策略，分析了此類建筑的疏散特點(diǎn)，推導(dǎo)了人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，以一實(shí)際工程為研究對(duì)象，結(jié)合Pathfinder模擬進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）對(duì)于觀光天梯類建筑，對(duì)比分析表明，簡(jiǎn)化計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)人員的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間;結(jié)合疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間的三角形范圍，可以估計(jì)在一般雙向疏散情況下疏散時(shí)間的上下界。

（2）天梯建筑人員最小運(yùn)動(dòng)時(shí)間僅能在單向疏散的情況下獲得，雙向疏散情況下的總時(shí)間，總比按最優(yōu)單向疏散方式的時(shí)間大。

（3）在電梯?？繉釉诳偨ㄖ叨鹊囊话胍陨蠒r(shí)，單向向上疏散可獲得最小的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在電梯?？繉釉诳偨ㄖ叨鹊囊话胍韵聲r(shí)，單向向下疏散可獲得最小的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Analysis on Occupant Evacuation in Mountain Sightseeing Elevator

in the Case of Elevator Failure

ZHANG Yu1， LU Ting*2

（1.Faculty of Architecture and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500， China;

2.Technical Department of Yunnan Fire Rescue Corps，Kunming650200， China）

Abstract：

The mountain scenic spot sightseeing ladder is a building that connects the foot to the top of the mountain.When the sightseeing elevator fails，the trapped persons can be evacuated to the top of the mountain and the evacuation openings at the foot of the mountain through the stairs in the elevator room.In order to study the characteristics of this evacuation method and optimize the evacuation strategy，based on the existing one-way evacuation calculation formula，a simplified calculation method for the two-way evacuation process is derived.The strategy is to determine the way to determine the boundary point of the elevator stopping floors in case of evacuation upwards or downwards，and combined with the evacuation simulation software pathfinder and a scenic sightseeing elevator，the simplified calculation method and the simulation method are compared and analyzed.The results show that the simulated evacuation time is more consistent with the simplified calculation value.The simplified calculation method can calculate the evacuation time more accurately，which verifies the reliability of the simplified method.Compared with the upper and lower two-way evacuation，the one-way evacuation consumes less time.The stopping point is the midpoint of the building height.

Key words：

sightseeing building; elevator; evacuation; strategy