超高层建筑快速疏散问题初探

●张 鑫

(上海现代建筑设计集团华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

众所周知，超高层建筑的安全疏散一直是大众关注的问题，也是业内人士重点研究的问题。“9·11事件”酿成数千人重大伤亡事故的主要原因之一就是快速疏散问题。从有关报道资料来看，世界贸易中心被飞机撞击到完全坍塌经过近1 h(南楼56 min)，在这段时间里大楼内只有一部分人员得以逃生。因为在紧急状态下，几千人都要从疏散楼梯向下疏散，再加上人多相互拥挤，其所需疏散时间是相当长的。世界贸易中心南北塔楼高均为110层，每个塔楼标准层建筑面积为4 032．25 m2，每个塔楼每层可容纳办公和参观人员之和约500人，每个塔楼内有4部疏散楼梯。根据我国《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)第6．1．13条的条文说明给出的使用一部宽度为1．10 m的疏散楼梯将高层建筑里的人员疏散到室外的时间表可知，如此规模的超高层建筑，要使楼内人员全部疏散到室外，至少需4 h以上。

试想，如果世界贸易中心里有一种快速疏散通道，使得大楼里的人员在30 min内就能完全疏散到室外安全地带，就不会造成如此巨大的人员伤亡了。在超高层建筑里工作和生活的人们能否保证在大楼一旦发生意外时，在最短的时间内快速疏散到安全地带是十分重要的。随着人类社会的不断发展，科学技术的不断进步，超高层建筑的快速疏散问题将成为各国建筑师们研究的课题。从当前世界各地已经建成的或正在建造的超高层建筑来看，疏散方法仍旧是采用普通的疏散楼梯。在一些报道中虽然也有采用疏散滑袋和专用疏散电梯等方法，但因受各种条件所限，有些新的疏散方法也很难满足成百上千人在较短的时间内从高楼大厦里疏散出来。另外，因有些新方法成本高构造复杂也很难普及应用。因此，关于超高层建筑快速疏散问题，到目前为止，仍然未能找到经济、适用、方便、可行的方法。笔者针对这一问题进行分析研究，大胆地提出一种快速、新颖、经济、实用的疏散方式——快速疏散滑道。它较传统的疏散楼梯疏散速度要快得多，可解决超高层建筑快速疏散这一难题。

1 快速疏散滑道的设想

我们知道，人在平地上行走的速度大约是1 m·s-1，成年人若以较快的速度行走可在1 min内走完100 m的路程。对于100 m高的大楼，人从顶层由疏散楼梯向下行走至楼外，至少需要30 min。应该说采用传统的楼梯疏散方式来解决超高层建筑的快速疏散问题，无论如何是不可能在较短的时间内疏散高楼内所有人员的。由于在紧急疏散时楼梯里人员众多，其疏散速度会更慢，疏散时间会更长。那么，是否有更好的办法使得人员在100 m高度以上的大楼内，仅需十几分钟或半个小时就可疏散到地面安全出口呢?回答这样的问题不应该是完全否定的，是有可能解决的。如滑雪者借助于雪山的斜坡和地球引力产生的下滑力，只需几分钟就可从几百米高的雪山顶滑到山脚，也就是说人在坡道上滑行要比步行快得多。人之所以能在坡道上向下滑移，其主要原因是地球的吸引力G使得在坡道上的人或物体产生向斜坡方向的拉力F。当F大于摩擦力f时，人或物体就会以加速度向下(斜坡方向)滑行，当F小于摩擦力f时，人或物体在斜坡方向处于静止状态，如图1所示。为了控制人在斜坡上下滑的速度，可通过调整滑道的坡度和表面材料，以达到人们可以承受的下滑速度。

图1 人在斜坡下滑时的受力图

由此可见，设想在超高层建筑物中设计一种螺旋形下滑坡道(快速疏散滑道)，当有人坐在或半卧在这种坡道上时，由于地球引力，人就会自动向下滑移。超高层建筑内的每层疏散楼梯1 min只能通过几十人，快速疏散滑道每层1 min可疏散上百人甚至更多。对位于上百层高楼内的人群来说，选择快速疏散滑道不但疏散速度快，而且其疏散能力也较普通疏散楼梯要大得多，这也许是超高层建筑快速疏散的一种好方法。当然，快速疏散滑道的疏散能力与其坡度和宽度等因素有关，具体参数有待于试验研究确定。

2 快速疏散滑道设计方案探讨

经上述分析可知，采用滑道疏散比采用传统楼梯疏散要快得多。但有一个难题必须解决，就是人在螺旋式滑道中向下滑行时，不到30 s大多数人就会头晕目眩。当人从几十层高楼滑到底层时，可以说所有的人都会感到天旋地转，短时间内根本无法站立和行走。当上部仍有大量的人员从滑道向下滑到底层时，会出现人员堆压而酿成踩踏事故。由此可见，螺旋形滑道无法用于高层建筑的快速疏散。如何设计一种滑道可以使人们在其中向下滑行时不会头晕呢?借鉴儿童用娱乐滑梯的形式，同时结合人的生理特点，即当人围绕一个圆沿一定方向快速行走时，走不了几圈头就会发晕。而当其绕“8”字形布置的两个圆，分别以顺时针、逆时针连续快速行走时(笔者自己也体验过)，不论走多长时间，头都不会发晕。为此，以两个圆组成“8”字形作为疏散滑道的平面基本形式，如图2所示。

图2 快速疏散滑道的形式

疏散滑道平面形式为以两个内径2 m的圆组成的“8”字形，滑道与水平面夹角暂定为30°，滑道宽度暂定为0．5 m(只考虑每次单人滑行)。绕“8”字形每循环一次，以滑道中心线标高变化为准，其下降高度为8．16 m，如图3所示。

图3 滑行高度示意图

对于层高在3 m左右的高层建筑，每层楼都可设置辅助滑道进入“8”字形主滑道。主滑道布置有两种方式，辅助滑道可以从(不同标高的楼面)3个点与主滑道相连，如图4所示。由图4可见，不论“8”字形如何布置，在绕“8”字循环一次的8．16 m高度范围内，大约有3处可以和主滑道相连接(如图4中3个箭头所示)，即这种形式的滑道可适用于各种层高的建筑。可通过调整“8”字形滑道的内径、坡度等来满足建筑的快速疏散。

3 快速疏散滑道应用的可行性分析

图4 滑道布置方式及入口

超高层建筑采用快速疏散滑道是否可行，可从以下几个方面进行讨论:(1)人们的心理承受能力。当一幢超高层建筑一旦发生意外，楼内广播系统会通知人们进行紧急疏散，人们首先想到的是如何尽快地离开危险之地。快速疏散滑道类似于儿童公园内的螺旋形滑梯。只要人员坐(或半卧)在其上，人的身体在重力的作用下会自动下滑。快速疏散滑道两侧有防护设施，人是不可能滑到滑道之外而产生危险的。如果在滑道上坐不稳可以半卧(或躺在)其上也能滑到大楼的底层，并在底层设置缓冲段以确保下滑人员的安全。由于采用“8”字形滑道，不论人员从多少层向下滑，在以顺时针和逆时针不断交替方式下滑时，一般不会发生头晕现象，对于成年人来说是可以接受的。(2)人们的生理承受能力。当人们坐或半卧在这种快速疏散滑道上时，由于重力的作用人的身体就会自动向下滑移。人的臀部、背部等身体部位要接触到滑道的表面，如遇夏天因衣服穿的较少，这些部位的局部皮肤在较长时间的摩擦下有可能受到损伤。为了解决这一问题，可在每层楼安全出口处(即在快速疏散滑道入口处)，按该层楼最多疏散人数存放足够数量的(类似于救生衣的)辅助下滑防护垫。这种辅助下滑防护垫可用耐磨材料制成宽约0．6 m的矩形垫块，每个防护垫设两对快速扣紧的绳扣，它可保护人的臀部和背部在下滑时不会被擦伤。防护垫与滑道面接触的材料要满足两点:一是要耐磨，可经过试验确保在下滑全过程中不会被磨破;二是与滑道接触的面要光滑，摩擦力要小。当滑道表面材料确定之后，防护垫与滑道之间的摩擦系数基本可以确定了。因此，可以计算出滑道采用多大坡度较合适，以满足滑动速度的要求。由此可见，快速疏散滑道对于大部分人的身体是可以接受的。这种疏散不像人员在疏散楼梯中行走，如果前面的人行走缓慢则直接影响后面的人员疏散。一旦有人在楼梯中摔倒，那后果就不堪设想。在快速疏散滑道中则不存在这种现象。假设有人躺在其上，在重力的作用之下，凡是在滑道上的人员都会自动向下滑移，不可能像疏散楼梯中若有人摔倒，有可能相互踩踏而导致人身伤亡事故。人员在快速疏散滑道上滑行充其量不过受些皮肉之伤，而无性命之忧。(3)快速疏散滑道的应用范围。快速疏散滑道目前在世界上还没有应用的先例。对于超高层建筑(或高层建筑)采用快速疏散滑道来解决紧急疏散，应该是比较先进、实用、方便的方法，它较专用疏散电梯的优点是不需要任何动力，即使在全楼停电的状况下也不会影响疏散。惟一的缺点是在超高层(或高层)建筑中每层需增加约30 m2的建筑面积。但它疏散的效率较普通疏散楼梯要快6～7倍。如《高规》第6．1．13条的条文说明中列举的50层高楼，每层240人，所需疏散时间为131 min。50层高楼(层高平均以3 m计)总高约150 m，如图3其“8”字形快速疏散滑道总长约360 m。位于顶层的240人进入滑道的时间大约(以每人3～5 s计)需12～20 min。人在滑道上滑行100 m约需时间12 s，滑行360 m所需时间约为43．2 s。由此可估算出最后一位滑到底层所需时间约为(240×5+43．2≈1 243 s≈20．8 min)21 min。由此可见，采用快速疏散滑道疏散时间还不到30 min，其疏散时间仅为普通疏散楼梯的16%，大大缩短了疏散时间，充分体现出了快速疏散滑道的优势。

4 快速疏散滑道的应用问题探讨

快速疏散滑道的应用首先涉及到试验研究问题。快速疏散滑道是一种新的疏散方法，要使其在超高层建筑(或高层建筑)中得到应用，还需要进一步去研究实践。它的构造原理实际上是很简单的，就是利用地球引力使得人员在坡道上下滑。下滑的速度和坡道的坡度及其表面的光滑度有关。除此之外，快速疏散滑道的设计主要涉及到以下几个问题:一是快速疏散滑道的坡度;二是“8”字形快速疏散滑道的宽度;三是坡道表面采用何种材料等一些实际应用问题。本文只是初步探讨快速疏散滑道，这些实际问题不再赘述。

［1］傅刚，费菁．“双塔——随风而逝”［J］．世界建筑，2001，(10)．

［2］F哈特，W海恩，H桑塔格．钢结构建筑资料集［G］．北京:中国建筑工业出版社，1983:162．

［3］GB 50045-95，高层民用建筑设计防火规范(2005年版)［S］．