高層建筑安全疏散問(wèn)題研究

張峰

摘要：文章圍繞高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)內(nèi)部人員的疏散問(wèn)題，以人員疏散設(shè)施及輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)和管理為切入點(diǎn)，深入研究了高層建筑人員疏散相關(guān)理論，包括可用安全疏散時(shí)間、必須安全疏散時(shí)間和人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間的特征參數(shù)等，并基于FDS+Evac軟件對(duì)人員安全疏散問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值化模擬，量化了影響人員安全疏散的基本要素，為高層建筑的消防安全管理研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高層建筑;安全疏散;消防安全管理;FDS+Evac

高層建筑安全疏散問(wèn)題，是消防安全管理研究的重點(diǎn)內(nèi)容，也是評(píng)定火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大小的重要依據(jù)[1]。高層建筑人員密度大、流動(dòng)性高，一旦發(fā)生火災(zāi)，勢(shì)必造成內(nèi)部人員的恐慌，在這種心理作用下，往往會(huì)給人員疏散帶來(lái)極大的困難，容易引起并發(fā)（如人員踩踏）事件的發(fā)生。因此，如何科學(xué)合理地疏導(dǎo)擁堵人員，既能夠給火災(zāi)撲救爭(zhēng)取時(shí)間，又能夠確保建筑內(nèi)部人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全，是高層建筑防火設(shè)計(jì)中需要考慮的首要問(wèn)題[2]。

一、高層建筑火災(zāi)安全疏散影響因素分析

由高層建筑火災(zāi)中熱風(fēng)壓、火風(fēng)壓以及火煙蔓延、擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，高層建筑一旦起火，若未能在火災(zāi)發(fā)展初期采取有效的滅火措施，使火災(zāi)發(fā)展到成長(zhǎng)期乃至后期，將會(huì)造成重大人員生命財(cái)產(chǎn)損失[3]。因此，如何在允許的時(shí)間內(nèi)采取有效措施，使建筑內(nèi)部的人員生命和財(cái)產(chǎn)免遭火災(zāi)損害，是高層建筑防火安全的一個(gè)重要課題。

高層建筑安全疏散就是使室內(nèi)人員和重要物資在一定安全時(shí)間內(nèi)，在熱、煙污染來(lái)到之前，通過(guò)特定的安全空間，才能確保其安全的遷移和運(yùn)動(dòng)。由走道、樓梯間前室、樓梯間等安全空間，將室內(nèi)人員和重要物資轉(zhuǎn)移到安全場(chǎng)所。

（一）安全疏散與避難設(shè)施

火災(zāi)會(huì)造成建筑材料的燃燒，釋放大量的熱和有毒煙霧，同時(shí)建筑內(nèi)部的電纜、照明等設(shè)施也會(huì)相繼損壞，給人員的安全疏散帶來(lái)極大的不便。此外在遭遇火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)部人員會(huì)產(chǎn)生不同程度的心理壓力，從而影響其應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力[4]。

火煙是造成人員傷害和影響人員迅速撤離的主要因素，據(jù)研究表明，在火災(zāi)中，當(dāng)火煙進(jìn)入通道，使環(huán)境溫度超過(guò)45℃以上，就已超出人體可忍耐的限度，從而引起人體出現(xiàn)出汗、脫水、疲勞、心跳加快的現(xiàn)象發(fā)生[5]。根據(jù)我國(guó)模擬火場(chǎng)試驗(yàn)，火煙污染環(huán)境對(duì)人體生理作用的實(shí)測(cè)，在火煙所污染的通道和開(kāi)門(mén)的房間中，一氧化碳的濃度為1.28%，或二氧化碳的濃度為10%，或房間溫度達(dá)到149℃時(shí)，任何一項(xiàng)指標(biāo)均可以造成室內(nèi)人員獲救生還的時(shí)間極限范圍為2.1～11.5min[6]。因此，在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中，自始至終保持安全疏散通道中的安全環(huán)境，是保證人員迅速撤離的關(guān)鍵，為了確?；馂?zāi)時(shí)人員安全疏散，減少人員傷亡，高層建筑進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)置消防設(shè)施和安全疏散設(shè)施。

建筑的安全疏散和避難設(shè)施主要包括疏散走道、疏散樓梯、疏散出口、避難層、避難間以及消防照明系統(tǒng)等，安全疏散和避難設(shè)施的設(shè)置與建筑的高度、區(qū)域的面積及內(nèi)部布置、室內(nèi)空間高度和可燃物的數(shù)量等密切相關(guān)，對(duì)滿足人員安全疏散起到至關(guān)重要的作用。

1.安全出口

安全出口主要是指樓梯間、室內(nèi)外樓梯的出入口等，火災(zāi)發(fā)生時(shí)安全出口的重要性不言而喻，《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[7]《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[8]等相關(guān)規(guī)范對(duì)高層防火設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)安全出口的間距、面積等重要參數(shù)做出了規(guī)定，此外工作人員必須做到定期檢查并對(duì)相關(guān)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)。

2.疏散出口

高層建筑層高較高、樓層多，有些高層建筑體型相對(duì)復(fù)雜，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)開(kāi)設(shè)的疏散出口數(shù)量、形式需要根據(jù)擬建建筑的用途、人員密度等情況進(jìn)行確定，必須滿足人員撤離時(shí)的最小間距。常見(jiàn)的疏散通道主要指疏散門(mén)，在門(mén)的開(kāi)設(shè)位置，應(yīng)當(dāng)根據(jù)人員疏散時(shí)的方便性而定。

3.安全疏散距離

安全疏散間距是根據(jù)建筑物內(nèi)的用途、人口密度進(jìn)行確定的，人在火災(zāi)情況下易出現(xiàn)恐懼，逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的行為會(huì)表現(xiàn)出逃生無(wú)組織、慌亂的現(xiàn)象，若安全疏散距離過(guò)長(zhǎng)，勢(shì)必造成人員更加恐懼的心理。

4.疏散走道

疏散走道應(yīng)當(dāng)保證具有一定的寬度，在一定的人口密度下，火災(zāi)緊急情況能夠使人在較窄的疏散走道內(nèi)發(fā)生擁堵、踩踏等事件，為了避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其寬度滿足要求。

5.消防照明系統(tǒng)

消防照明系統(tǒng)是用于建筑內(nèi)人員的安全疏散、逃生、避難和消防作業(yè)等應(yīng)急行動(dòng)的重要消防設(shè)施。其主要功能是在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為人員的逃生提供照明，同時(shí)又為滅火救援工作的持續(xù)開(kāi)展提供應(yīng)急照明。

（二）室內(nèi)人員密度

房間中人員密度大小，直接影響到該房間內(nèi)的人員安全迅速撤離房間進(jìn)入安全疏散通道中的時(shí)間長(zhǎng)短，即安全疏散時(shí)間的長(zhǎng)短。各種不同用途房間的人員密度如表1所示。

上述各種用房的人員密度，決定了一旦發(fā)生火災(zāi)，每層樓所需要進(jìn)入疏散通道中的人數(shù)以及群集遷移時(shí)的流動(dòng)速度，也是疏散通道尺寸大小和出口寬度的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。

（三）輔助疏散手段

高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，緊急疏散和撤離全部人員需要較長(zhǎng)時(shí)間，特別是“9·11”事件中，世貿(mào)中心雙塔內(nèi)的被困人員絕望中從100多層縱身跳下的慘烈情景震撼人心，激發(fā)了世界各國(guó)對(duì)高層建筑輔助消防設(shè)施的重視。

1.轎廂式疏散設(shè)備

轎廂式疏散設(shè)備是一種高層建筑緊急疏散和逃生裝置，無(wú)需外部電源，緊急情況下只需簡(jiǎn)便滑出后即可實(shí)現(xiàn)群體疏散自救，其結(jié)構(gòu)主要包括速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、拽引輪、復(fù)繞輪、轎廂、承重及換向定滑輪、配重繩及換向定滑輪。常見(jiàn)的轎廂式室外疏散設(shè)備根據(jù)速度調(diào)節(jié)原理的不同有空氣阻尼式和磁阻尼式。

2.柔性救生滑道

柔性救生滑道是一種能使多人依次從高處在其內(nèi)部緩慢滑落的逃生用具，采用摩擦限速原理，達(dá)到降落的目的。通常在其內(nèi)部的導(dǎo)套具有抗靜電性能，可以避免人體滑落時(shí)因摩擦熱而灼傷，外部具有一定的防火性能和抗輻射性能。該裝置可以供多人同時(shí)使用、成本低廉，但是受高度限制，需要經(jīng)常檢查維護(hù)。

3.自動(dòng)救生充氣墊

該裝置是一種利用充氣產(chǎn)生緩沖效果的高空救生設(shè)備。其材料為高強(qiáng)度的纖維材料，由高壓氣瓶提供氣源，該裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、可以供多人反復(fù)使用，氣墊充氣并拋到樓下后人往上跳起即可逃生，但是該裝置僅限于高度為3～4層的樓房使用。

二、人員安全疏散相關(guān)理論

人員從著火的建筑物中疏散到安全區(qū)域所需要的時(shí)間為必需安全疏散時(shí)間（RSET），火災(zāi)對(duì)人體構(gòu)成威脅的時(shí)間為可用安全疏散時(shí)間（ASET）。人員能否安全疏散取決于著火建筑物的人員是否能在火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)之前到達(dá)安全區(qū)域[9]。

（一）必需安全疏散時(shí)間（RSET）

必需安全疏散時(shí)間表示從起火時(shí)刻到人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間。

R^_SET=T_det+T_alarm+T_pre+T_move（1）

式中：T_det為火災(zāi)探測(cè)時(shí)間;T_alarm為接受警報(bào)時(shí)間;T_pre為人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間;T_move為人員疏散時(shí)間。

（二）可用安全疏散時(shí)間（ASET）

可用安全疏散時(shí)間表示從起火時(shí)刻開(kāi)始到火災(zāi)對(duì)人員安全構(gòu)成威脅的時(shí)間，該時(shí)間的判定指標(biāo)有輻射熱、煙氣溫度、有毒氣體等。

ASET = min{T_a，T_b，T_c，T_d，T_e，T_f}? ? ? （2）

式中：T_a為人體達(dá)到不能承受的熱輻射通量臨界狀態(tài)的時(shí)間;T_b為人體達(dá)到不能承受的煙氣溫度臨界狀態(tài)的時(shí)間;T_c為組織人員逃生的能見(jiàn)度狀態(tài)來(lái)臨時(shí)間;T_d為人體達(dá)到不能承受的有毒氣體臨界狀態(tài)時(shí)間;T_e為達(dá)到任何一種有害燃燒產(chǎn)物的臨界濃度時(shí)間;T_f為其他危險(xiǎn)有害因素臨界狀態(tài)到達(dá)的時(shí)間。

（三）人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間基本特征參數(shù)

人員的流動(dòng)系數(shù)和人員移動(dòng)速度是計(jì)算人員從建筑物內(nèi)某一個(gè)地方運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)地方時(shí)間的關(guān)鍵。人流密度、疏散通道寬度和人員的行走速度的乘積值為某一時(shí)間段內(nèi)通過(guò)某一個(gè)定點(diǎn)的人員流量，疏散通道寬度和人流密度影響人員在疏散通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，若疏散通道很窄，疏散通道內(nèi)的人流密度會(huì)相應(yīng)地增加，疏散人員運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)相應(yīng)地降低。人員的空間要求、人員密度、人員流量和人員移動(dòng)速度構(gòu)成了研究人員疏散基本參數(shù)。下文列出了一些經(jīng)驗(yàn)公式中常用的基本特征量與它們之間的關(guān)系。

1.人員空間要求

人員活動(dòng)的重要方面之一是一個(gè)人所占空間的面積。一定的空間被一個(gè)人占據(jù)，當(dāng)這個(gè)人走動(dòng)時(shí)，會(huì)有規(guī)律地釋放并再次占據(jù)一定空間。除此以外，一個(gè)人與其周?chē)沫h(huán)境以及其他行人需要保持一定的距離，因此還存在一定的緩沖空間。

2.人員密度

單位面積人員的數(shù)量就是人員的密度。人員密度是確定疏散通道大小及各層樓進(jìn)入疏散通道的人數(shù)的重要依據(jù)。為：

D = N/LW（人/m²）（3）

式中：N為人流的人員流量;L為人流長(zhǎng)度;W為人流的密度。

人員密度分類(lèi)如表2所示。

3.人員流量

在空間的單位寬度、單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)的人數(shù)定義為人員的流動(dòng)系數(shù)，計(jì)算公式為：

S=V×D×L（4）

人員在樓梯的步行速度是指人員沿著樓梯斜面步行的實(shí)際速度。人員的步行速度與人員的密度相關(guān)，人與人之間的間距越大，人員密度就越小，人員行走速度就相對(duì)較快，反之，人員的移動(dòng)就會(huì)相對(duì)較緩。

4.人流的移動(dòng)速度

單位時(shí)間內(nèi)人流的行走距離就是人流移動(dòng)的速度。因?yàn)樵诎l(fā)生火災(zāi)進(jìn)行疏散時(shí)人們都會(huì)處在群集的狀態(tài)，而在群集的場(chǎng)合，人群密度決定了人員移動(dòng)速度。通常情況下，建筑中如果人員的密度越大，人移動(dòng)的速度就越慢，進(jìn)行疏散需要時(shí)間就越長(zhǎng)。人員行走速度表示為：

S=K×（1-0.226M）（5）

式中K為常數(shù)，具體取值如表3所示。

三、安全疏散模擬

文章基于FDS+Evac軟件構(gòu)建高層建筑火災(zāi)安全疏散模型，其中FDS軟件用于搭建火災(zāi)模型，通過(guò)對(duì)影響火災(zāi)中危險(xiǎn)因素的量化分析，計(jì)算出可用安全疏散時(shí)間;Evac軟件則用于搭建疏散模型，計(jì)算出必需安全疏散時(shí)間，利用上述2個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)，綜合判斷建筑物安全性。

（一）模型的建立

在設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)，可以用物質(zhì)分解率、物質(zhì)分解物、火災(zāi)增長(zhǎng)速率、熱釋放速率等參數(shù)來(lái)表現(xiàn)其特征。

火災(zāi)增長(zhǎng)曲線是概括設(shè)計(jì)火災(zāi)特征的最常用方法。單位時(shí)間內(nèi)火源所釋放的熱能被描述為熱釋放速率，熱釋放速率是認(rèn)定火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)、是火災(zāi)模擬研究的基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)可用疏散時(shí)間也有重要的影響，其隨著時(shí)間變化的典型火災(zāi)增長(zhǎng)曲線可以分為火災(zāi)增長(zhǎng)期、穩(wěn)定燃燒期和衰減期等階段。

現(xiàn)階段描述火災(zāi)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外通常采用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的兩類(lèi)模型，其中穩(wěn)態(tài)模型將整個(gè)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的熱釋放速率看作一個(gè)定值，即將整個(gè)火災(zāi)過(guò)程理想化。t2火模型是非穩(wěn)態(tài)模型的典型代表。而火災(zāi)時(shí)實(shí)際的燃燒過(guò)程是由火災(zāi)初期緩慢增長(zhǎng)的孕育期和中后期顯著增長(zhǎng)的燃燒期組成的。

其模型公式為：

Q_f=α（t-t₀）²（6）

式中：Q_f為熱釋放速率;α為火災(zāi)增長(zhǎng)因子;t為火災(zāi)有效燃燒發(fā)生后的時(shí)間;t₀為開(kāi)始有效燃燒所需的時(shí)間。

火災(zāi)增長(zhǎng)因子α應(yīng)當(dāng)考慮可燃物載荷密度（α_f）及墻和吊頂?shù)挠绊懀é?sub>m），即：

α=α_m+α_f（7）

α_f= 2.6×10^-6q^5/3（8）

文章擬對(duì)設(shè)有噴淋的高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，主要分析火災(zāi)發(fā)生時(shí)室內(nèi)有毒氣體、溫度、能見(jiàn)度等相關(guān)指標(biāo)對(duì)安全疏散的影響?；谖墨I(xiàn)中的案例，最大熱釋放速率為1500kW，標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景設(shè)置為t²火，且α值為0.04689;根據(jù)式（5～6）得t = 178.65s，即火源功率在0～178.65s由0增長(zhǎng)到1500kW，并假定火源增長(zhǎng)到最大功率后保持穩(wěn)定狀態(tài)。

（二）模擬結(jié)果分析

1.標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景人員疏散模擬

圖1為標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景疏散人數(shù)曲線圖，從圖中可以看出，進(jìn)入北側(cè)樓梯的第一個(gè)疏散人員為22s，最后一個(gè)疏散人員為47s，北側(cè)樓梯用了25s疏散24人;進(jìn)入南側(cè)樓梯的第一個(gè)疏散人員為23.5s，最后一個(gè)疏散人員為43.5s，南側(cè)樓梯用了20s疏散24人，說(shuō)明南側(cè)樓梯的疏散效率高于北側(cè)樓梯。若在疏散時(shí)有人合理地進(jìn)行疏散引導(dǎo)將會(huì)有效縮短疏散所用時(shí)間。在47s時(shí)疏散人員已經(jīng)全部進(jìn)入疏散樓梯，再加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接受火警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間為15s，故所需安全疏散時(shí)間為62s。

2.不同因素對(duì)疏散時(shí)間的影響

（1）性別因素

標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景設(shè)置全為男生，為了研究性別因素對(duì)疏散時(shí)間的影響，可以設(shè)置全部為女生的情況，如圖2所示。

從圖2可知，49s時(shí)南側(cè)樓梯疏散了22人，53s時(shí)北側(cè)樓梯疏散26人，此時(shí)人員全部疏散完畢，再加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接收火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間為15s，故全部為女生時(shí)的所需疏散時(shí)間為68s，比全部為男生時(shí)疏散時(shí)間長(zhǎng)了6s，這說(shuō)明在相同的場(chǎng)景下，男生疏散過(guò)程中比女生的運(yùn)動(dòng)速度要快。

（2）疏散出口人數(shù)的影響

從圖3可知，當(dāng)只有一個(gè)南側(cè)疏散樓梯出口可以疏散時(shí)，建筑物內(nèi)人員在55s時(shí)全部疏散完成。加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接收火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間15s，故該樓層只有南側(cè)一個(gè)疏散樓梯出口時(shí)的所需疏散時(shí)間為70s。這說(shuō)明該層只存在南側(cè)一個(gè)疏散樓梯出口時(shí)需要的疏散時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景延遲了8s。

從圖4可知，當(dāng)只有一個(gè)北側(cè)樓梯出口時(shí)，建筑物內(nèi)人在58s時(shí)全部疏散完成。加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接收火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間15s，故該樓層只有北側(cè)一個(gè)疏散樓梯時(shí)的所需疏散時(shí)間為73s。這說(shuō)明該層只存在北側(cè)一個(gè)疏散樓梯出口時(shí)需要的疏散時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景延遲11s。

四、結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)高層建筑的人員安全疏散問(wèn)題進(jìn)行研究，在詳細(xì)剖析影響人員安全疏散的諸多因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合人員安全疏散時(shí)間、必須安全疏散時(shí)間、人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間基本特征參數(shù)等相關(guān)理論，采用FDS+Evac軟件建立高層建筑人員安全疏散數(shù)值模型，并通過(guò)模型分析了性別因素和疏散出口數(shù)對(duì)疏散時(shí)間的影響，對(duì)消防安全的科學(xué)管理研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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