高层建筑火灾逃生椅的设计

张 瑜 袁树杰

安徽理工大学 能源与安全学院

高层建筑火灾逃生椅的设计

张 瑜 袁树杰

安徽理工大学 能源与安全学院

对国内外高层建筑火灾逃生装备的研究现状进行介绍，总结各类逃生装备的优缺点及适用范围。结合高层建筑火灾逃生装备的研究现状，提出利用氦气气囊的浮力作用和空气气流对下降物体的阻力作用设计一种高层建筑火灾逃生椅的思路。该装置的适用范围不受建筑高度的限制，操作简单，且对逃生者的身体素质要求不高，应用前景广泛。

逃生装备；氦气气囊；逃生椅

随着社会的发展和城市人口的增加，建筑的层数越来越高，高度也随之增加。高层建筑的高度越来越高，一般的逃生装置根本无法使用，消防救援装备也难以到达相应高度。所以对高层建筑火灾逃生装备的研究是非常有必要的，有效的高层建筑火灾逃生装备可快速帮助火灾现场人员逃离现场，避免伤害[1]。

1 高层建筑火灾逃生装备研究现状

1.1 国外高层建筑火灾逃生装备研究现状

国外专家开展了大量的实验研究，开发出了一些适用于高层、超高层的群体逃生设备：日本研制出一种不锈钢螺旋型室外楼梯，发生火灾时建筑内的人员可通过楼梯滑下，该装置结构简单，但占地面积较大，因长久置于室外，不利于进行保养和维护，影响其使用寿命，且人员在逃生过程中易在旋转逃生梯内发生挤压、踩踏事故。德国发明的新型逃生电梯是折叠式可充气逃生舱，该装置提前被安置于高楼楼顶，火灾发生时，救援人员开启激活按钮，装置将自动充气，之后沿着建筑边缘下降。这种设备逃生效率较高且适于高层建筑内紧急疏散，但安装复杂，只能在有电的情况下才能运行，断电则无法启用。以色列发明了一种逃生装备，该装备用防火布做四面墙体，用玻璃纤维和树脂做成复合底板，形成一个5层的折叠逃生舱，每层可容纳30人。动力来源于两台安装在避难层或顶层的柴油发动机，逃生舱逐层下降打开，当5层折叠逃生舱都打开后逃生舱缓缓降落地面，逃生者一层一层地离开。该装置主要针对百米以上超高层建筑，疏散效率高，运行平稳，但造价昂贵，保养维护复杂[2-4]。

1.2 国内高层建筑火灾逃生装备研究现状

我国的高层建筑火灾逃生设备按照体积大小可以分为两类，一类是用于家庭或个人进行逃生的小型逃生设备，主要包括逃生绳、逃生软梯和绳索类缓降器等；另一类是用于公用建筑逃生的大型逃生设备，主要包括救生气垫、逃生滑道、箱式缓降器、滑翔飞行器类逃生设备等[5]。

逃生绳结构简单、体积小、易于储存，但是仅供掌握此种逃生方法且身体素质好的人员使用，并且逃生绳适用于高度不超过6m的建筑。相比逃生绳，逃生软梯的适用性更强，对逃生人员的身体素质要求不高，并且高度不超过15m的建筑都可以使用逃生软梯进行逃生。缓降绳索类逃生装备结构简单，易于使用，是应用最多的一类逃生设备，但是对使用者的身体素质有一定的要求，而且在逃生过程中的安全性差，不适用于高度较高的建筑。救生气垫操作简单、使用寿命长、有很好的缓冲效果、应用广泛，但是不适用于高度较高的建筑。滑道类逃生装备是建筑逃生的一种有效逃生手段，逃生人员只要进入滑道就可进行逃生，但是在逃生过程中易发生踩踏、挤压等事故，并且由于安装在室外其使用寿命短。箱式缓降器可在无电时使用，且最多容纳6人逃生，但是只能在顶层直接降到底层，不能在中间停留。滑翔类逃生装备具有可控性，可用于超高层建筑的逃生，但是具有足够能力和经验的专业人员才能使用。

2 高层建筑火灾逃生椅的设计思路

2.1 座椅结构设计

座椅的结构图，如图1，座椅由坐板、底座、椅背构成。逃生者使用所设计的高层建筑逃生椅进行逃生时，在下降过程中会产生一定大小的速度，落地后需要借助双腿进行缓冲，所以将逃生椅的底座与坐板设计为可分离的形式，避免底座在缓冲过程中带来的不便。

坐板是半径为20cm的圆形圆板，坐板的下面中间位置处设有三根长为15cm的卡槽，其结构图，如图2。底座的结构图，如图3，其上部是一个边长为15cm的正方形板，该正方形板可以契合在坐板的卡槽内，从而可以使坐板和底座连接在一起；底座的下部是一个边长为30cm的正方形板。椅背的宽度是30cm，高度是30～60cm。椅背上部装有安全包，包内装有安全带、橡胶绳、气囊拉绳和带有绳结的连接绳，安全带的长度可调，橡胶绳用于传送气囊；椅背上方焊接有圆形圆环，下方靠近坐板的位置安装有安全带的固定装置；椅背的高度可以调节，椅背的框架是三根圆杆，下面圆杆靠近顶部的侧面有一个圆形凸起，该凸起可以凹进圆环内。上面的圆杆可以套在下面的圆杆上，底部侧面有一个圆孔，该圆孔和下面圆杆的凸起完美贴合，从而可以调节椅背的高度。椅背圆环的结构图，如图4。

图1 座椅结构图

图2 坐板结构图

图3 底座结构图

图4 椅背圆杆结构图

2.2 气囊结构设计

气囊材料为阻燃tpu尼龙复合布，该材料经高温热合而成，具有耐高温、不易燃烧、强度高等优点。气囊的结构图，如图5，其形状是半径为1.0m、高度为4.0m、体积为12.56m3的圆柱体。底部圆心位置处装有进气阀门，可以向气囊充气。气囊内充装的气体是氦气，可以选用市面上压力为69MPa、体积为50L的高压钢瓶进行充气，一个钢瓶可以充满两个气囊。气囊充满气后产生的浮力可根据式（1）进行计算：

式中：

F—气囊产生的浮力，N；

Δρ—空气与氦气的密度差，kg/m3（空气密度为1.293kg/m3，氦气密度为0.1786kg/m3）；

V—气囊体积，m3；

g—重力加速度，N/kg。

根据式（1）可以得到一个气囊充满气后产生的浮力是139.4N。气囊底部边缘装有6根拉绳，每根长3m，左右两边的三根拉伸分别系在一起，两股拉绳由一根长度为0.8m且中间有固定绳结的中间绳连接。多个气囊一起使用时，用长度为2.0m且中间带有绳结的绳子分别固定在每个气囊中间绳的绳结处，将多个气囊连接为一个整体。

在空气中下降的速度如果低于2.5 M（马赫），可认为其阻力与阻力系数、迎风面积和下降速度成正比，如式（2）所示[6]。

式中：

Ff—空气阻力，N；

K—阻力系数，N·m-3·s；

S—迎风面积，m2；

v—下降速度，m/s。

垂直平面体的空气阻力系数为1.0左右[7]。人从空中降落到达地面的安全速度是不大于8m/s，根据式（2）可以得到一个气囊在空中下降所能产生的最大空气阻力为25.12N。在下降过程中忽略气囊、绳子、椅子等的重量，忽略多个气囊联合在一起对空气阻力系数的影响。为了保证逃生者的安全，不同体重的人进行逃生所需要的气囊个数，见下表。

为了保证下降过程中的平稳，选用3个气囊时，3个气囊分别固定在椅背的的三个圆环上，其布局图，如图6；选用4个气囊时，在椅背的左右两边分别固定两个气囊，其布局图，如图7；选用5个气囊时，中间固定一个，两边分别固定两个，其布局图，如图8；选用6个气囊时，三个圆环分别固定两个，其布局图，如图9。

表 不同体重的人进行逃生所需要的气囊个数表

图5 气囊结构图

图6 三个气囊的布局图

图7 四个气囊的布局图

图8 五个气囊的布局图

图9 六个气囊的布局图

2.3 具体实施方式

在没有火灾发生时，所设计的椅子可以当做家用椅使用。发生火灾时，逃生者将椅子的底座分离下来，并在椅背的安全包中拿出橡皮绳，将橡皮绳的一端固定在阳台上，救援人员根据逃生者的体重，确定所需要的气囊个数，根据不同个数气囊的布局图将气囊用连接绳连接为一个整体并进行充气，充好气的气囊通过橡胶绳传送给逃生者。当逃生者所在的位置较低，橡胶绳可以触及地面时，则可以在地面对气囊进行充气、传送。当逃生者所在位置较高时，救援人员在橡胶绳可以触及的楼层的阳台或窗户处进行充气、传送，充气时将气囊连接绳上的绳结穿入橡皮绳，并把气囊留在室外，然后用充气管将气囊的充气阀门和氦气储气瓶联通进行充气。充满气后撤掉充气管，利用浮力作用，气囊将沿着橡胶绳到达逃生者的位置。

逃生者将所需要的拉绳的一段固定在座椅椅背的圆环上，调整椅背的高度，坐在椅板上，打开安全包系好安全带。最后将所剩拉绳的另一端与气囊连接在一起，解开固定在阳台上的橡皮绳，消除对气囊的限制作用，即可进行逃生。

3 结束语

将气囊与必备家用座椅结合在一起，利用气囊的浮力作用和气流对气囊的阻力作用实现逃生。所设计的高层建筑火灾逃生椅适用于家庭、学校、医院、办公场所等高层建筑，且不需要逃生者具备相关的操作技能，对逃生者的身体素质要求不高，应用前景广泛。座椅的椅背设计为可伸缩的形式，可以避免因安全带佩戴不合理而造成的事故；底座和坐板设计为可分离的形式，可以避免在着地缓冲时底座对人体带来的不便；不在逃生现场进行气囊充气，可避免高压钢瓶受热发生爆炸。

[1]姚燕生,朱达荣,吴振坤.高层建筑火灾缓降逃生设备综述[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版）,2013,21(4)：41-45

[2]张文华,卢国建,王述洋,等.高楼火灾逃生装置的研究和分析[J].消防科学与技术,2014,33(3)：299-301

[3]尼姝丽,赵利铭,熊筠,等.高层建筑往复式应急逃生输送装置研究[J].能源研究与信息,2014,30(4)：241-244

[4]汪儒生,郭文墨,程士超,等.各国火灾逃生装置概述[J].科技创新导报,2015,28(5)：221

[5]张清林.高层建筑应急逃生装置研究综述[J].消防科学与技术,2012,31(1)：53-56

[6]黎少辉,汤文成.高层建筑逃生子母式降落伞的设计与实验研究[J].中国个体防护装备,2016,2(4)：8-11

[7]吴松林,龙云,陈体英,等.装备空投中降落伞配备的数学模型和数值计算[J].重庆师范大学学报（自然科学版）,2017,34(2)：134-140

张瑜（1993-），女，安徽理工大学能源与安全学院硕士研究生，主要从事灾害防治理论及技术研究。Email：1485580301@qq.com