高层建筑火灾初期人员疏散策略研究

赵小惠，王 恒

(西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048)

高层建筑火灾初期人员疏散策略研究

赵小惠，王 恒

(西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048)

为尽快将人员疏散到安全区域，最大限度地降低火灾造成的人员伤亡，在分析高层建筑人员疏散特点的基础上，构建火灾初期楼梯和电梯混合使用人员疏散模型.比较了3种不同疏散策略下的所需安全疏散时间，结果表明：该方式下楼梯、电梯混合疏散时间最短，且单梯5 min输送能力(PQ5)也有所提高.

高层建筑；火灾初期；楼梯；电梯；混合疏散

近年来，随着经济的发展和社会需求的增加，城市用地日益紧张，高层建筑便在这样的环境下应运而生.同时，新材料、新技术，如钢筋混凝土和乘客电梯等的出现和运用，为高层建筑的蓬勃发展提供了无与伦比的可能性.垂直方向上的建筑技术得到一定的发展，城市建筑越来越高，象征着“城市现代化”建设的成就.然而，随之而来的还有一系列潜在的安全隐患问题，其中高层建筑火灾对人们的生命、财产安全危害最大.据《中国消防年鉴(2014)》统计，2013年全国高层建筑火灾共发生4989起，死伤165人，直接经济损失达13 831.8万元，比2012年全国高层建筑火灾2499起增加了近1倍，且有愈演愈烈之势.

虽然全国消防部门加大了对高层建筑的防火管理力度，但高层建筑火灾的形势依然严峻，高层建筑火灾人员疏散已成为消防研究的一个热点.目前，国内已有部分学者对高层建筑火灾情况下楼梯、电梯混合疏散策略进行了研究.胡传平等[1]通过将楼层分区，高层利用电梯疏散，低层使用楼梯疏散，比较了不同分配方案下的疏散时间，得出楼层越高，利用楼梯、电梯混合疏散策略的优势越明显的结论；曹奇等[2]通过计算利用电梯疏散不同比例人数时的疏散总时间，得出了电梯疏散人数占总疏散人数的最佳比例；陈海涛等[3]提出了两种具有可行性的楼梯、电梯混合疏散策略，并对其进行了比较优化.因此，在已有研究成果的基础上提出了一种新的混合疏散策略.

1 火灾初期电梯疏散的可行性

1.1 电梯疏散的必要性

世界上的大多数国家普遍认为电梯在火灾情况下不能使用，高层建筑发生火灾时人员疏散只能使用楼梯，但近年来，不断有人提出高层火灾中应合理使用电梯逃生.早在1977年，美国学者Bazjanac和加拿大学者Pauls就分析了电梯在高层建筑发生危急情况下的作用，研究了使用电梯对疏散时间的影响；20世纪80年代，美、加合作进行了在火灾情况下使用电梯疏散时采用正压送风方法对烟气控制的实验；1994年，美国学者Klote等在研究美国联邦航空局(FAA)的航空交通控制塔工程中，首次将电梯疏散作为一个系统来考虑，提出了电梯紧急疏散系统的概念，从理论上初步确定了电梯在高层建筑中用于人员疏散的可行性.与此同时，英国、瑞典、挪威等欧洲国家及日本的许多学者也都纷纷开展电梯疏散研究，重点关注电梯疏散模型、电梯逃生情况下人的心理和行为、疏散风险评估等.美国“9·11”事件之后，出于对超高层摩天大楼里的人员安全考虑，如何利用电梯进行疏散又一次成为关注的焦点.截至2014年底，我国在用电梯数量已超过350万台，并以每年20%左右的速度增长.电梯是高层建筑中最常用的交通工具，火灾情况下使用电梯进行疏散，可充分利用现有资源，在最短的时间内疏散尽可能多的人员.

现如今，消防硬件设备的更新速度更是远远赶不上摩天大楼的发展.相关统计数据显示，中国是全球拥有250米以上超高层建筑最多的国家，共有122座，占全球总数的一半以上，而目前世界上最高的云梯消防车“擎天101”的曲臂最大举高为101 m.因此，高层建筑一旦发生火灾，现有的消防设备很难对起火点进行准确的灭火，导致火势进一步蔓延,救火难度不断增大，往往造成群死群伤的严重后果和重大经济损失.对于高层建筑火灾，必须坚持“预防为主，防消结合”的消防工作方针和“立足于自防自救”的根本原则，采用以楼梯疏散为主，电梯辅助疏散的混合疏散策略，充分发挥高层建筑自有的疏散能力.

1.2 电梯疏散的充分性

建筑火灾最初是发生在建筑物内的某个房间或局部区域，然后由此蔓延到相邻房间或区域以至整个楼层，最后蔓延到整个建筑物.火灾的发展过程可以用室内烟气的平均温度随时间的变化来描述，如图1所示.根据室内火灾温度随时间的变化特点，可以将火灾发展过程分为3个阶段：火灾初起阶段(OA段)，火灾全面发展阶段(AB段)，火灾熄灭阶段(B点之后).

图1 室内火灾温度-时间曲线

火灾初起阶段燃烧范围不大，仅限于初始起火点附近；室内温度差别大，在燃烧区域及其附近存在高温，室内平均温度相对较低；火灾发展速度较慢，在发展过程中，火势不稳定.火灾初起阶段持续的时间，对建筑物内人员的安全疏散，重要物资的抢救，以及火灾扑救，都具有重要意义.若室内火灾经过诱发成长，一旦达到全面发展阶段，则该室内未逃离火场人员的生命将受到威胁.

根据火灾初起阶段的特点可知，该阶段是灭火的最有利时机，也是人员安全疏散的最有利时机.一般火灾从起火到猛烈燃烧需要20～30 min，在此期间，火灾对电梯的安全运行几乎并未构成威胁，人员可以利用电梯进行疏散，并能大大提高疏散效率.如果能够对电梯疏散系统进行改进，如采取正压送风、防水、保电措施，在每一层楼的电梯前室安装感温、感烟、感光装置，可进一步提高电梯疏散的安全性，增加人员安全疏散时间.而且，在火灾情况下使用电梯成功逃生的案例也有不少.1974年2月5日，巴西圣保罗市焦马大楼发生火灾，而在火灾初期，4部电梯共成功疏散了300人，占422名生还者的71%；1996年10月28日，日本广岛一栋高层公寓楼发生火灾，后来通过调查发现，这次火灾中有一半以上的人员都是利用电梯逃生的；2006年，上海江宁路凯迪克大厦发生火灾，不少在大厦工作的白领见到浓烟后匆忙撤离，其中有的人就是直接利用电梯逃生的.所以，火灾初期利用电梯进行人员疏散具有一定的可行性.

2 疏散时间计算模型

显然，高层建筑利用电梯进行人员疏散的最大特点就是运送时间短，而楼梯疏散的安全、可靠性又是其他疏散方式难以取代的，所以，单独地使用楼梯或电梯并不能达到最好的疏散效果，而必须将这两种疏散方式结合在一起，以追求在最短的时间内疏散尽可能多的人员.

高层建筑在发生火灾后，随着时间的推移，会产生强烈的高温辐射和大量有毒、有害气体，降低能见度，直接或间接地损害人体健康，从而影响人员的安全疏散.为了确保人员在火灾时能够安全疏散，其所需疏散时间应满足关系式：

tp+ta+trs=RSET≤ASET，

(1)

式中：tp为从着火到发现火灾所经历的时间；ta为从发现火灾到开始疏散之间所耽误的时间；trs为人员转移到安全地点的运动时间；RSET为所需安全疏散时间；ASET为可用安全疏散时间，它是一个时间极限值，指火灾发展到对人的生命安全造成危害所需的时间.

人员转移到安全地点的运动时间trs是指人员从开始疏散到离开建筑物的间隔时间，它是疏散时间的主体部分.人员的运动时间与疏散距离、疏散通道的宽度、人员数量以及人员行走速度都密切相关.trs包括楼层水平通道运动时间tl、层间垂直通道运动时间tv和通过建筑物出口的时间te，即trs=tl+tv+te，它们3者在时间序列上并不是首尾相接的，而是相互之间具有重叠部分，因此它们的时间和也并不是简单意义上的3个数值相加.层间垂直通道运动时间又分为楼梯疏散时间ts和电梯疏散时间tel.

2.1 水平通道疏散时间

楼层水平通道运动时间是指疏散人员通过走廊移动到楼梯间或电梯间的行走时间，它主要由疏散距离和人员行走速度决定，而人员行走速度又受人流密度的影响，其计算公式为

tl=L/v，

(2)

(3)

式中：L为疏散距离(m)，v为人员行走速度(ms)，ρ为人流密度(人m2).由于受到层间垂直疏散通道的影响，走廊上的人流密度是一个与时间有关的变量，从而人员行走速度也是一个关于时间的变量.

2.2 楼梯疏散时间

楼梯疏散模型一般都是基于流体力学模型建立的，就是把人群看成一个连续的、流动的整体，不考虑人与人之间、人与环境之间的相互作用对人员运动的影响.疏散开始时，楼梯上的人流密度相对较小，人群以速度vs匀速下楼，不受人流密度的影响.当人群运动到下一层时，在楼层平台处与下一层的疏散人群形成汇流，人流密度迅速上升超过某一临界值ρs，然后趋于稳定，此时疏散行动表现为集群流动，具有流体力学的特征[4].研究资料表明，当疏散通道中人流密度超过3.57人m2时，会造成疏散中的危险.

根据防火专家Pauls的研究成果，集群流动时下楼梯的人员流量f(人s)与楼梯的有效宽度w(mm)和使用楼梯的人数p有关，其计算公式为

s.t. 0.1

(4)

疏散开始时楼梯上的人员流量计算公式为

f=vs×ρs×w.

(5)

Pauls通过大量的火灾演习，得出走廊、楼梯间等处的人员流量取决于有效宽度而不是实际宽度的结论.有效宽度为实际宽度减去人流距墙的距离，这段距离是由于人员不想太贴近墙行走而产生的，它在疏散时并未用到.

楼梯疏散时间的计算公式为

ts=S/vs+P/f,

(6)

式中：S为人员以速度vs行走的路程(m)，P为楼梯疏散的总人数，f为集群流动时下楼梯的人员流量.

2.3 电梯疏散时间

高层建筑发生火灾时，电梯的运行模式与平时不同，须采用新的停靠规则实现最为有效的疏散[5]，即疏散开始时，人员首先选择楼梯进行疏散，电梯自动计算运行到最高层时，该层尚未疏散的人数是否大于(或等于)电梯额定人数，若大于(或等于)则选择停靠，并根据未疏散人数确定停靠在该层的电梯数量；若小于则不停靠，继续计算运行到下一层时未疏散人数是否大于(或等于)电梯额定人数，直到计算出运行到第2层时，该层的未疏散人数小于电梯额定人数，则电梯停止运行.假设疏散开始时电梯位于1层，且疏散途中不停靠上人，图2为电梯停靠楼层判定流程图.

图2 电梯停靠楼层判定流程图

设Ni为电梯第i次上行时建筑物内总人数，xi为电梯第i次停靠楼层数，Mi为电梯第i次停靠楼层的未疏散人数，nj为第j层的总人数，k为该部电梯从开始上行到停靠楼层之间其余电梯在该层停靠的总次数，l为该部电梯第i次上行与第(i+1)次上行之间其余电梯停靠的总次数，f为集群流动时下楼梯的人员流量，ti为电梯第i次上行时间，tin为电梯开关门1次和人员进入总时间，to为电梯开关门1次和人员离开总时间，a为被指派同时从1层上行到停靠楼层进行疏散的电梯部数，b为停靠在1层的可用电梯部数，q为电梯额定人数.根据前述电梯停靠规则，建立电梯第i次停靠楼层的计算模型为

s.t.xi≥2.

(7)

同时被指派进行疏散的电梯部数的计算模型为

(8)

式中：int(a)表示取不大于a的整数，min[a，b]表示取a和b中的较小者.

电梯第(i+1)次上行时建筑物内总人数的计算模型为

(9)

设tip为平均每个人进入电梯所用时间，top为平均每个人离开电梯所用时间，取tav=(tip+top)2为平均每个人进入(或离开)电梯时间，toc为电梯开关门1次所用时间，noc为电梯开关门过程中通过的人数，则电梯开关门1次和人员进入(或离开)总时间的计算公式为

(10)

设电梯疏散总次数为m，则电梯疏散时间的计算公式为

(11)

2.4 安全出口疏散时间

人群通过建筑物出口时间的计算公式为

te=P/f，

(12)

式中：P为通过建筑物安全出口疏散的总人数，f为安全出口处的人员流量，其计算公式同式(5).

3 实例

3.1 研究对象

以某大学公寓楼为例，该楼为9层高建筑，楼内装有火灾自动报警系统，1层为临街商铺，2～9层为学生宿舍，其简化的标准层平面示意图见图3(图中所示宿舍个数不等于实际数量).

图3 某大学公寓标准层平面示意图

3.2 数据采集

该公寓楼标准层每层有27个学生宿舍，每个宿舍住6人；水平通道长57m，宽1.8m.有2个疏散楼梯和1部电梯，每个楼梯的有效宽度为1.36m，2～1层的楼梯斜面长度为15.54m，其他层楼梯斜面长度为13.53m，楼梯间面积是29.41m2，1层楼梯口到安全出口的距离为9.42m.1楼大厅面积是36.99m2，安全出口的有效宽度为1.35m.

电梯开、关门时间均为3s，额定人数是14人，1层电梯口到安全出口的距离为5.15m.电梯从1层运行到各楼层的时间经多次测量取平均值，结果见表1.

表1 电梯运行至各楼层的时间和停靠次数

3.3 模型计算

基于多年事故经验及实验数据，火灾自动报警时间一般为着火开始后1 min，即tp=60 s[6]；根据英国《建筑火灾安全工程》中推荐的人员疏散准备时间，取ta=300 s.统计结果显示，当人流密度较小时，紧急状态下人员水平行走速度为1.35 ms，由上向下行走速度为1.06 ms[7]；根据邢君等[8]的研究结果，人员下楼速度受影响的临界人流密度为1.2人m2；取统计值tip=1 s，top=0.6 s，noc=2人，则tin=15.6 s.

因为pw=1622720=0.06<0.1，故不能使用式(4)来计算下楼梯的人员流量.采用Fruin提出的人均占用楼梯面积来计算通过楼梯的人员流量.根据进入楼梯间的人数，取楼梯中单位宽度的人流量为0.93人(m·s)，相应的人员下楼速度为0.4 ms[9].计算得出楼梯、电梯混合疏散策略中，电梯在各楼层的停靠次数(表1).针对该公寓楼，本文同时考虑了3种疏散策略，即全部人员仅用楼梯疏散、全部人员仅用电梯疏散和楼梯、电梯混合疏散策略，这3种疏散策略的计算结果见表2.

表2 不同疏散策略的计算结果

4 结语

在论证了火灾初期电梯用于人员疏散具有一定的可行性的基础上，提出了一种新的高层建筑楼梯、电梯混合疏散策略.以1幢学生公寓楼为例，计算了3种不同疏散策略下的所需安全疏散时间，结果表明该混合疏散策略最优，比仅用楼梯疏散时间缩短了28.1 s,且得出该条件下单梯5 min输送能力为4.94%，为以后紧急疏散情况下电梯交通流量分析提供了参考.

[1] 胡传平,杨昀.高层建筑火灾情况下利用电梯疏散的案例研究[J].自然灾害学报,2007,16(4):97-102.

[2] 曹奇,黄丽丽,肖修昆.超高层建筑人员电梯辅助疏散及其影响参数研究[J].火灾科学,2013,22(4):207-212.

[3] 陈海涛,仇九子,杨鹏,等.一种高层建筑楼、电梯疏散模型的模拟研究[J].中国安全生产科学技术,2012,8(10):48-53.

[4] 王芳,何胜学，向乐佳.突发事件下高层建筑楼梯疏散最佳策略分析[J].中国安全科学学报,2014,24(7):88-92.

[5] 王晓光,许雪龙.高层教学楼楼梯电梯混合疏散方案的研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2011,33(1):51-54.

[6] 伍颖,李卓球.高层建筑火灾人群疏散模型研究[J].安全与环境工程,2008,15(3):87-89.

[7] 黎锦贤.教学楼火灾安全疏散预测模型研究[J].宜春学院学报,2009,31(4):21-23.

[8] 邢君.紧急状态下楼梯间人员疏散基础数据的研究[J].消防科学与技术,2013,32(11):1212-1215.

[9] 赵忠洋.老年公寓楼人员安全疏散可靠性评估[J].武警学院学报,2011,27(4):34-37.

(编辑 武 峰)

Evacuation Strategies in the Initial Stage of High-rise Building Fire

ZHAO Xiaohui，WANG Heng

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China)

Based on the analysis of evacuation characteristics of high-rise buildings,a blended evacuation model of the use of stairways and elevators in the initial stage of the fire was established to evacuate the personnel to the safe area as soon as possible to minimize the casualties caused by the fire.The required safe evacuation time under three different evacuation strategies is compared.The results showed that the time of blended evacuation model with stairs and elevators is the shortest, and the 5 minutes delivery capacity (PQ5) of a single elevator is also increased.

high-rise building; initial stage of the fire; stairs; elevators; blended evacuation

2016-07-16

陕西省自然科学基金项目(2014JM9364)；陕西省教育厅科学研究项目(15JK1304)；西安工程大学专业综合改革试点项目

赵小惠(1970-)，女，教授，博士，硕士生导师，主要从事物流和供应链管理研究.

X913.1

A

1674-358X(2016)04-0027-06