高層建筑安全疏散問題研究

■ 張峰 武漢市消防救援支隊

高層建筑安全疏散問題，是消防安全管理研究的重點內(nèi)容，也是評定火災風險大小的重要依據(jù)[1]。高層建筑人員密度大、流動性高，一旦發(fā)生火災，勢必造成內(nèi)部人員的恐慌，在這種心理作用下，往往會給人員疏散帶來極大的困難，容易引起并發(fā)（如人員踩踏）事件的發(fā)生。因此，如何科學合理地疏導擁堵人員，既能夠給火災撲救爭取時間，又能夠確保建筑內(nèi)部人員的生命和財產(chǎn)安全，是高層建筑防火設計中需要考慮的首要問題[2]。

一、高層建筑火災安全疏散影響因素分析

由高層建筑火災中熱風壓、火風壓以及火煙蔓延、擴散的運動規(guī)律可知，高層建筑一旦起火，若未能在火災發(fā)展初期采取有效的滅火措施，使火災發(fā)展到成長期乃至后期，將會造成重大人員生命財產(chǎn)損失[3]。因此，如何在允許的時間內(nèi)采取有效措施，使建筑內(nèi)部的人員生命和財產(chǎn)免遭火災損害，是高層建筑防火安全的一個重要課題。

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間內(nèi)，在熱、煙污染來到之前，通過特定的安全空間，才能確保其安全的遷移和運動。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)移到安全場所。

（一）安全疏散與避難設施

火災會造成建筑材料的燃燒，釋放大量的熱和有毒煙霧，同時建筑內(nèi)部的電纜、照明等設施也會相繼損壞，給人員的安全疏散帶來極大的不便。此外在遭遇火災時，建筑內(nèi)部人員會產(chǎn)生不同程度的心理壓力，從而影響其應對突發(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，在火災中，當火煙進入通道，使環(huán)境溫度超過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)我國模擬火場試驗，火煙污染環(huán)境對人體生理作用的實測，在火煙所污染的通道和開門的房間中，一氧化碳的濃度為1.28%，或二氧化碳的濃度為10%，或房間溫度達到149℃時，任何一項指標均可以造成室內(nèi)人員獲救生還的時間極限范圍為2.1～11.5min[6]。因此，在火災發(fā)展過程中，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鍵，為了確保火災時人員安全疏散，減少人員傷亡，高層建筑進行防火設計時需設置消防設施和安全疏散設施。

建筑的安全疏散和避難設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，安全疏散和避難設施的設置與建筑的高度、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，對滿足人員安全疏散起到至關重要的作用。

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，火災發(fā)生時安全出口的重要性不言而喻，《高層民用建筑設計防火規(guī)范》[7]《建筑設計防火規(guī)范》[8]等相關規(guī)范對高層防火設計時針對安全出口的間距、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相關設施進行維護。

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復雜，在建筑設計時開設的疏散出口數(shù)量、形式需要根據(jù)擬建建筑的用途、人員密度等情況進行確定，必須滿足人員撤離時的最小間距。常見的疏散通道主要指疏散門，在門的開設位置，應當根據(jù)人員疏散時的方便性而定。

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、人口密度進行確定的，人在火災情況下易出現(xiàn)恐懼，逃離火災現(xiàn)場的行為會表現(xiàn)出逃生無組織、慌亂的現(xiàn)象，若安全疏散距離過長，勢必造成人員更加恐懼的心理。

4.疏散走道

疏散走道應當保證具有一定的寬度，在一定的人口密度下，火災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，為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，應當結(jié)合實際情況進行設計，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)等應急行動的重要消防設施。其主要功能是在火災發(fā)生時，為人員的逃生提供照明，同時又為滅火救援工作的持續(xù)開展提供應急照明。

（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入安全疏散通道中的時間長短，即安全疏散時間的長短。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，每層樓所需要進入疏散通道中的人數(shù)以及群集遷移時的流動速度，也是疏散通道尺寸大小和出口寬度的主要設計依據(jù)。

（三）輔助疏散手段

高層建筑一旦發(fā)生火災，緊急疏散和撤離全部人員需要較長時間，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)了世界各國對高層建筑輔助消防設施的重視。

1.轎廂式疏散設備

轎廂式疏散設備是一種高層建筑緊急疏散和逃生裝置，無需外部電源，緊急情況下只需簡便滑出后即可實現(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、復繞輪、轎廂、承重及換向定滑輪、配重繩及換向定滑輪。常見的轎廂式室外疏散設備根據(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，達到降落的目的。通常在其內(nèi)部的導套具有抗靜電性能，可以避免人體滑落時因摩擦熱而灼傷，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使用、成本低廉，但是受高度限制，需要經(jīng)常檢查維護。

3.自動救生充氣墊

該裝置是一種利用充氣產(chǎn)生緩沖效果的高空救生設備。其材料為高強度的纖維材料，由高壓氣瓶提供氣源，該裝置構(gòu)造簡單、可以供多人反復使用，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)域所需要的時間為必需安全疏散時間（RSET），火災對人體構(gòu)成威脅的時間為可用安全疏散時間（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發(fā)展到對人體構(gòu)成危險之前到達安全區(qū)域[9]。

（一）必需安全疏散時間（RSET）

必需安全疏散時間表示從起火時刻到人員疏散到安全區(qū)域的時間。

式中：Tdet為火災探測時間；Talarm為接受警報時間；Tpre為人員預動作時間；Tmove為人員疏散時間。

（二）可用安全疏散時間（ASET）

可用安全疏散時間表示從起火時刻開始到火災對人員安全構(gòu)成威脅的時間，該時間的判定指標有輻射熱、煙氣溫度、有毒氣體等。

式中：Ta為人體達到不能承受的熱輻射通量臨界狀態(tài)的時間；Tb為人體達到不能承受的煙氣溫度臨界狀態(tài)的時間；Tc為組織人員逃生的能見度狀態(tài)來臨時間；Td為人體達到不能承受的有毒氣體臨界狀態(tài)時間；Te為達到任何一種有害燃燒產(chǎn)物的臨界濃度時間；Tf為其他危險有害因素臨界狀態(tài)到達的時間。

（三）人員運動時間基本特征參數(shù)

人員的流動系數(shù)和人員移動速度是計算人員從建筑物內(nèi)某一個地方運動到另一個地方時間的關鍵。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間段內(nèi)通過某一個定點的人員流量，疏散通道寬度和人流密度影響人員在疏散通道內(nèi)的運動速度，若疏散通道很窄，疏散通道內(nèi)的人流密度會相應地增加，疏散人員運動速度就會相應地降低。人員的空間要求、人員密度、人員流量和人員移動速度構(gòu)成了研究人員疏散基本參數(shù)。下文列出了一些經(jīng)驗公式中常用的基本特征量與它們之間的關系。

1.人員空間要求

人員活動的重要方面之一是一個人所占空間的面積。一定的空間被一個人占據(jù)，當這個人走動時，會有規(guī)律地釋放并再次占據(jù)一定空間。除此以外，一個人與其周圍的環(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入疏散通道的人數(shù)的重要依據(jù)。為：

式中：N為人流的人員流量；L為人流長度；W為人流的密度。

人員密度分類如表2所示。

表2 人員密度分類

3.人員流量

在空間的單位寬度、單位時間內(nèi)能夠通過的人數(shù)定義為人員的流動系數(shù)，計算公式為：

人員在樓梯的步行速度是指人員沿著樓梯斜面步行的實際速度。人員的步行速度與人員的密度相關，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較快，反之，人員的移動就會相對較緩。

4.人流的移動速度

單位時間內(nèi)人流的行走距離就是人流移動的速度。因為在發(fā)生火災進行疏散時人們都會處在群集的狀態(tài)，而在群集的場合，人群密度決定了人員移動速度。通常情況下，建筑中如果人員的密度越大，人移動的速度就越慢，進行疏散需要時間就越長。人員行走速度表示為：

式中K為常數(shù)，具體取值如表3所示。

表3 K 的取值

三、安全疏散模擬

文章基于FDS+Evac 軟件構(gòu)建高層建筑火災安全疏散模型，其中FDS 軟件用于搭建火災模型，通過對影響火災中危險因素的量化分析，計算出可用安全疏散時間；Evac 軟件則用于搭建疏散模型，計算出必需安全疏散時間，利用上述2 個來源的數(shù)據(jù)，綜合判斷建筑物安全性。

（一）模型的建立

在設計火災場景時，可以用物質(zhì)分解率、物質(zhì)分解物、火災增長速率、熱釋放速率等參數(shù)來表現(xiàn)其特征。

火災增長曲線是概括設計火災特征的最常用方法。單位時間內(nèi)火源所釋放的熱能被描述為熱釋放速率，熱釋放速率是認定火災危險性的重要參數(shù)、是火災模擬研究的基礎參數(shù)，對可用疏散時間也有重要的影響，其隨著時間變化的典型火災增長曲線可以分為火災增長期、穩(wěn)定燃燒期和衰減期等階段。

現(xiàn)階段描述火災的發(fā)展，國內(nèi)外通常采用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的兩類模型，其中穩(wěn)態(tài)模型將整個火災發(fā)展過程中的熱釋放速率看作一個定值，即將整個火災過程理想化。t2火模型是非穩(wěn)態(tài)模型的典型代表。而火災時實際的燃燒過程是由火災初期緩慢增長的孕育期和中后期顯著增長的燃燒期組成的。

其模型公式為：

式中：Qf為熱釋放速率；α為火災增長因子；t為火災有效燃燒發(fā)生后的時間；t0為開始有效燃燒所需的時間。

火災增長因子α應當考慮可燃物載荷密度（αf）及墻和吊頂?shù)挠绊懀é羗），即：

文章擬對設有噴淋的高層建筑進行數(shù)值模擬，主要分析火災發(fā)生時室內(nèi)有毒氣體、溫度、能見度等相關指標對安全疏散的影響?；谖墨I中的案例，最大熱釋放速率為1500kW，標準場景設置為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 增長到1500kW，并假定火源增長到最大功率后保持穩(wěn)定狀態(tài)。

（二）模擬結(jié)果分析

1.標準場景人員疏散模擬

圖1為標準場景疏散人數(shù)曲線圖，從圖中可以看出，進入北側(cè)樓梯的第一個疏散人員為22s，最后一個疏散人員為47s，北側(cè)樓梯用了25s 疏散24 人；進入南側(cè)樓梯的第一個疏散人員為23.5s，最后一個疏散人員為43.5s，南側(cè)樓梯用了20s 疏散24 人，說明南側(cè)樓梯的疏散效率高于北側(cè)樓梯。若在疏散時有人合理地進行疏散引導將會有效縮短疏散所用時間。在47s 時疏散人員已經(jīng)全部進入疏散樓梯，再加上疏散試驗假設的接受火警時間和人員預動作時間為15s，故所需安全疏散時間為62s。

圖1 標準場景疏散人數(shù)曲線圖

2.不同因素對疏散時間的影響

（1）性別因素

標準場景設置全為男生，為了研究性別因素對疏散時間的影響，可以設置全部為女生的情況，如圖2所示。

圖2 全部為女生時疏散人數(shù)與時間的關系曲線圖

從圖2可知，49s 時南側(cè)樓梯疏散了22 人，53s 時北側(cè)樓梯疏散26 人，此時人員全部疏散完畢，再加上疏散試驗假設的接收火災報警時間和人員預動作時間為15s，故全部為女生時的所需疏散時間為68s，比全部為男生時疏散時間長了6s，這說明在相同的場景下，男生疏散過程中比女生的運動速度要快。

（2）疏散出口人數(shù)的影響

從圖3可知，當只有一個南側(cè)疏散樓梯出口可以疏散時，建筑物內(nèi)人員在55s 時全部疏散完成。加上疏散試驗假設的接收火災報警時間和人員預動作時間15s，故該樓層只有南側(cè)一個疏散樓梯出口時的所需疏散時間為70s。這說明該層只存在南側(cè)一個疏散樓梯出口時需要的疏散時間比標準場景延遲了8s。

圖3 只有南側(cè)樓梯時疏散人數(shù)與時間的關系曲線

從圖4可知，當只有一個北側(cè)樓梯出口時，建筑物內(nèi)人在58s 時全部疏散完成。加上疏散試驗假設的接收火災報警時間和人員預動作時間15s，故該樓層只有北側(cè)一個疏散樓梯時的所需疏散時間為73s。這說明該層只存在北側(cè)一個疏散樓梯出口時需要的疏散時間比標準場景延遲11s。

圖4 只有北側(cè)樓梯時的疏散人員與時間的關系曲線

四、結(jié)語

文章針對高層建筑的人員安全疏散問題進行研究，在詳細剖析影響人員安全疏散的諸多因素的基礎上，結(jié)合人員安全疏散時間、必須安全疏散時間、人員運動時間基本特征參數(shù)等相關理論，采用FDS+Evac 軟件建立高層建筑人員安全疏散數(shù)值模型，并通過模型分析了性別因素和疏散出口數(shù)對疏散時間的影響，對消防安全的科學管理研究具有一定的指導意義。