超高層建筑多模式人員疏散模擬研究

作者簡介：

易芳（1997- ），女，漢族，江西撫州人，碩士研究生，助教，研究方向：消防安全、人員疏散、安全管理等。

摘要：

為了研究超高層建筑發(fā)生火災時的人員疏散，運用了Pathfinder疏散模擬軟件對超高層建筑進行建模，針對超高層建筑單一樓梯疏散、“電梯+樓梯”疏散、“電梯+樓梯+避難層”疏散三種不同疏散模式分別進行了上百次模擬。分析對比模擬結果得出結論：三種模式中疏散總時間最少的是“電梯+樓梯”疏散模式，在該模式下電梯輔助疏散的最佳人員分攤比例是50%，電梯的輔助疏散能有效減少超高層建筑內人員疏散總時間；避難層對于人員的疏散具有緩沖作用，為分段疏散提供了條件，但是避難層的緩沖作用并不能減少人員整體疏散時間。

關鍵詞：超高層建筑；火災；人員疏散；Pathfinder建模；多模式

一、超高層建筑火災特點

（一）起火因素多，容易形成火災

超高層建筑大多是集辦公、餐飲、休閑娛樂、賓館、商場、超市等于一體的多功能建筑，內部結構復雜，用電量大、用電設備多。一方面，各用電設備在使用過程中容易發(fā)生路線故障誘發(fā)火災；另一方面，超高層建筑內存在大量可燃物和助燃物，為火災的擴散提供了幫助。

（二）火災蔓延快，蔓延途徑多

超高層建筑內豎向管井較多，一旦發(fā)生火災，火勢會順著電梯井、樓梯間、通風井等豎向管道迅速蔓延，這些豎向管道就像一個巨大的煙囪，在建筑內容易形成“煙囪效應”，且樓層越多“煙囪效應”越明顯。

（三）疏散難度大

超高層建筑一旦發(fā)生火災，要使內部人員全部疏散至安全區(qū)域十分困難，原因主要有建筑內人員密集、疏散人流擁擠、疏散設施少、疏散時間長。

（四）救援難度高

超高層建筑在滿足城市化進程對土地空間高度利用、綜合開發(fā)的同時，也因其內部結構復雜，給消防安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。以現(xiàn)有的技術手段和裝備設施來說，超高層建筑火災時的救援工作面臨著登高難、排煙難、供劑難的問題，三大難題急需解決。[1-3]

二、超高層建筑電梯輔助疏散的必要性

樓梯作為傳統(tǒng)也是目前唯一倡導的疏散方式，一直是建筑內發(fā)生火災時人員進行疏散的首選。隨著建筑物高度的不斷增加，樓梯作為傳統(tǒng)疏散方式已經(jīng)不能滿足超高層建筑的人員疏散。首先，超高層建筑內樓層較多、垂直距離長，使用樓梯進行疏散所需時間長；其次，樓梯不利于老弱病殘幼等疏散能力較弱的人員逃生，若這部分人員也通過樓梯下行，在樓梯間內容易形成“瓶頸效應”而降低疏散效率，甚至造成踩踏等群死群傷事件；最后，若超高層建筑內人員采用樓梯進行疏散，對人員的體力也是一個重大考驗。

三、超高層建筑人員疏散模擬

（一）疏散模型設置

本文以某超高層建筑為研究背景，參考各類建筑設計規(guī)范，根據(jù)圖紙以及實地調研，運用Pathfinder疏散模擬軟件進行建模。該建筑為超高層寫字樓，共55層，每層樓高4.5m，共247.5m；每層樓面積為2256m2，55層共126336m2，所有樓層均為地上建筑；建筑內有4個安全出口、2部步行樓梯、24部直行電梯。

我國《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB 5004595-2005）要求：建筑高度超過100m的民用建筑，應設置避難層（間），且避難層間的距離不宜超過45m，根據(jù)規(guī)范要求，該建筑內每10層（45m）設有一個避難層，即11樓為避難層1、21樓為避難層2，以此類推。

根據(jù)《辦公建筑設計規(guī)范》中的要求以及實地調研，考慮最不利情況設置寫字樓內每層305人，除去避難層，該超高層建筑內共有15250人?；谒芯拷ㄖ槌邔訉懽謽牵瑓⒄諊乙恍┩ㄓ脭?shù)據(jù)，為方便研究將建筑內人員組成簡化為兩種：成年男性（占50%）、成年女性（占50%）。參照《消防工程手冊》以及實地考察，設置建筑內成年男性、成年女性的疏散速度都為1.2m/s。圖1是運用Pathfinder建模后整個建筑的俯視圖。

（二）模式一：單一樓梯疏散

考慮傳統(tǒng)的疏散方式，即建筑內1樓至55樓15250人全部通過樓梯疏散至建筑外安全區(qū)域。模擬結果顯示：在單一樓梯疏散模式下，疏散總時間為5364.5s（約89min）。觀察該模式人員疏散過程中發(fā)現(xiàn)：疏散過程中人員會選擇距離更近的安全出口進行逃生，致使左下、右下兩個安全出口未得到充分利用。

為研究安全出口的選擇對疏散總時間的影響，現(xiàn)將模式一中人員對安全出口的選擇進行設置：人為設置建筑內50%人員選擇左上、右上兩個安全出口進行疏散，50%人員選擇左下、右下兩個安全出口進行疏散。對模擬結果進行分析比對得知：對安全出口的選擇進行設置后的疏散總時間為5384.5s，與未設置的疏散總時間5364.5s相差不大。由此可以得出：在超高層建筑安全疏散過程中人員會選擇距離更近的安全出口進行逃生；安全出口的選擇對于疏散總時間基本無影響。

（三）模式二：“電梯+樓梯”疏散

將電梯考慮在內作為一種輔助疏散方式，分攤不同比例的建筑人員，尋找電梯分攤人員的最佳比例。在該模式下電梯只?？吭诤艚羞M行疏散的最高樓層，在將人員輸送至最底層過程中電梯不停。模式二中電梯的各項運行參數(shù)為：電梯最大速度為6.0m/s、加速度為1.5m/s2、荷載為20人、開關門時間為5.0s。

1.疏散方案設置

為尋找電梯作為輔助疏散的最佳分攤比，分別模擬了電梯分攤比例為36%、44%、62%、80%四種疏散情況，觀察不同方案的疏散過程，并將統(tǒng)計結果匯總成表1。

方案中F1-F10代表1樓至10樓內人員，F(xiàn)12-F55代表12樓至55樓內人員，以此類推。由表可以看出：隨著電梯分攤比例的增加，疏散總時間先減少后增大；四種疏散方案中，當電梯分攤比例為44%時，疏散總時間最少（為2967.8s），在該電梯分攤比例下，樓梯疏散完成時刻（T=2967.8s）與電梯完成時刻（T=2493.9s）相差473.9s，在四種疏散方案中也是最小的。但觀察方案三人員疏散過程發(fā)現(xiàn)，在電梯完成疏散后，樓梯內仍有很多人員未完成疏散，基于此，對方案三進行優(yōu)化，以找到電梯輔助疏散的最佳分攤比例。

2.優(yōu)化方案

（1）優(yōu)化方案設置

為進一步尋找電梯介入疏散的最佳分攤比例，分別模擬了電梯分攤比例為46%、48%、50%、52%四種疏散情況，觀察四種優(yōu)化方案的人員疏散過程，進行統(tǒng)計。

由表可以看出：隨著電梯分攤比例的增加，疏散總時間先減小后增大；當電梯分攤比例為50%時，疏散總時間最少（為2677.4s）。當電梯分攤比例為50%時，樓梯疏散完成時刻（T=2652.6s）與電梯完成時刻（T=2677.4s）相差僅24.8s。

綜上可以得出：在此超高層建筑內，當電梯最大速度為6m/s、加速度為1.5m/s2、荷載為20人、開關門時間為5.0s時，電梯輔助疏散的最佳分攤比例是50%；此時疏散總時間為2677.4s（約45min）。

（四）模式三：“電梯+樓梯+避難層”疏散

采用“電梯+樓梯+避難層”的方式進行疏散模擬。在該模式下電梯只停靠在避難層，電梯運行參數(shù)與模式二一樣。模式三方案一為1樓至20樓內人員通過樓梯向下疏散至建筑外，22樓至55樓內人員先向下疏散至最近避難層，等待這部分人都到達最近避難層后，整體通過電梯疏散至建筑外（比如52樓至55樓內人員先向下疏散至51樓避難層，等52樓至55樓內所有人員到達51樓避難層后，整體搭乘電梯疏散至建筑外），方案二、方案三以此類推。

分析對比模擬結果可知：方案二1樓至30樓內人員通過樓梯向下疏散至建筑外，32樓至55樓內人員先向下疏散至最近避難層完后，整體通過電梯疏散至建筑外的疏散總時間最少，為2973.0s。在此方案中樓梯疏散完成時刻是2973.0s，電梯疏散完成時刻是2511.5s，兩者相差461.5s，電梯未得到充分利用。

（五）不同模式下人員疏散分析對比

為方便比較，將以上三種不同模式下人員疏散的最優(yōu)方案及在此最優(yōu)方案下的疏散總時間進行匯總。

由表4可知：在三種模式下疏散總時間最少的是“電梯+樓梯”疏散模式，為2677.4s，在此模式下的最優(yōu)疏散方案是1樓至27樓內人員通過樓梯疏散至建筑外，28樓至55樓內人員通過電梯疏散至建筑外，電梯分攤比例為50%。

對比模式一與模式二可以看出：電梯輔助疏散大大減少了疏散總時間，減少了2687.1s。對比模式二與模式三可以看出：避難層的緩沖作用并沒有減少人員整體疏散總時間，但是避難層的設計為分段疏散提供了條件，減少了疏散過程中的人流量，能有效避免疏散過程中因擁擠發(fā)生的踩踏事件。

結語

在超高層建筑安全疏散過程中人員會選擇距離更近的安全出口進行逃生，安全出口的選擇對于疏散總時間基本無影響。單一樓梯疏散、“電梯+樓梯”疏散、“電梯+樓梯+避難層”三種疏散模式中，疏散總時間最少的是“電梯+樓梯”疏散模式；在該模式下電梯輔助疏散的最佳分攤比例是50%，此時疏散總時間是2677.4s，電梯的輔助疏散能有效減少超高層建筑內人員疏散總時間。避難層對于人員的疏散具有緩沖作用，但是避難層的緩沖作用并不能減少人員整體疏散時間。避難層的設計為分段疏散提供了條件，減少了樓梯疏散過程中的人流量，能有效避免疏散過程中因擁擠發(fā)生的踩踏事件。

參考文獻

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錢志偉.我國超高層建筑的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國住宅設施，2018（10）：61-62.

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[3]Tongtong Z.Simulation study on fire visibility of typical floor planes of modern super high-rise office buildings in China[J].Complexity，2020，12：1-14.