深埋地下空间电梯楼梯协同疏散的仿真实验研究*

杨萍茹，郑波涛，廖龙涛，唐　曦，徐　娜

(1.重庆市综合交通枢纽(集团)有限公司，重庆 400000；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

0　引言

20世纪70年代起，许多学者开始针对高层建筑火灾中使用电梯疏散的可行性进行研究[1]。Bazjanac及Paul等根据电梯疏散对总体疏散时间的影响对电梯疏散的可行性进行了探讨，并提出火灾情况下可以考虑将电梯作为行人疏散工具[2]；国内有学者认为超高层建筑应采用消防电梯辅助疏散，提出高层建筑应于避难层设置消防安全电梯帮助疏散，并利用Pathfinder软件对超高层建筑在混合疏散模式下的人员行为过程进行分析，研究使电梯只停靠在避难层时，电梯荷载、加速度等参数对疏散总时间的影响[3-12]。以上研究通过分析超高层建筑利用电梯进行疏散的可行性，为高层建筑中利用电梯进行疏散提供了一些理论参考。胡望社等以青岛某地下建筑为例，通过pathfinder软件对垂直疏散过程进行模拟，得出垂直疏散体的运力分配原则[13]；胡传平等回顾了电梯疏散的数值模拟、人员心理行为、避难层和火灾烟气等几个方面，同时展望了未来电梯疏散的研究方向[14]。

综上可知，目前我国针对电梯疏散的研究多集中在地上高层建筑，对于电梯用于深埋地下空间疏散的研究较少。由于人员上行疏散和下行疏散存在不同，且地面高层建筑和深埋地下建筑在能见度、疏散方式等方面存在不同，因此探究在深埋地下空间内电梯楼梯协同疏散的影响可为有效、及时疏散地下人员提供参考依据。

1　深埋地下空间电梯楼梯协同疏散的可行性

伴随着城市核心区域摩天大楼的大量涌现，地下多层人员密集场所也在逐渐增多，埋深不断由地下浅层向地下多层、地下多层向深埋方向发展。例如我国各大城市不断涌现的地下大型综合交通枢纽、地铁换乘站等。以重庆沙坪坝综合交通枢纽工程为例，其最大埋深已经达到了36.5 m，地下部分的垂直高差相当于12层的高楼，即灾害情况下最底层的人员至少须爬上相当于12层的楼梯才能抵达地面安全区域。据Tobias Kretz等[15]对德国汉诺威世博会荷兰馆室外的长距离楼梯中人员上行速度的观测，发现人员上行速度的范围为0.4～0.5 m/s，将其实验结果与短距离楼梯的上行疏散结果进行对比，发现长距离楼梯中的人员平均上行速度约为短距离楼梯中的1/2。人员体能在单人上行过程中是影响上行速度的重要因素，单人下行过程中人员体能对下行速度没有显著影响[16]，即在长距离上行疏散中，人员的体力和耐力对疏散速度影响极大。

我国《地铁设计规范》中规定：“在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6 min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台”。美国《轨道交通客运系统标准》规定：“人员撤离站台时间不大于4 min，疏散到安全地点的时间不大于6 min”。然而，我国目前典型的地下多层人员密集场所，以重庆沙坪坝综合交通枢纽工程为例，全部人员疏散到地面安全区域的时间大于30 min，是相应规范规定值的5倍以上，其灾害条件下疏散问题的复杂性可见一斑。

由此可见，地下多层人员密集场所的疏散安全设计与评估中往往存在大量的超规技术难题，现行的建筑设计规范中很难找到可以直接适用的条款。因此，在需要长距离上行疏散且能见度低的深埋地下空间尤其是密集人员场所中，如何利用有限的疏散方式，科学合理地规划人员疏散路线是关键问题。

深埋地下空间由于受到条件限制，出入口少，人员疏散方式较为单一，火灾时人员的疏散方向和烟气的蔓延方向一致，烟气的蔓延速度快于人员的上行速度，疏散通道很快会被烟气充斥；深埋地下空间无法依靠自然采光，发生火灾时只能依靠应急照明及疏散指示灯，能见度相对较低。在高温浓烟笼罩、能见度低的条件下进行长距离的上行疏散，会增加人员心理和生理上的压力，特别是对于人员密集的场所如地下交通枢纽，更容易造成踩踏事故，加大疏散的难度。我国现在虽明文规定灾时禁止使用电梯，但随着电梯技术日渐成熟，电梯作为深埋地下空间的人员疏散方式将成为未来深埋地下空间灾时疏散的趋势。

2　深埋地下空间电梯楼梯协同疏散的仿真实验设置

为了验证电梯楼梯协同疏散对于深埋地下空间的可行性，本文利用Pathfinder软件对沙坪坝综合交通枢纽地下空间人员疏散进行仿真模拟。

2.1　沙坪坝综合交通枢纽地下空间概况

重庆市沙坪坝综合交通枢纽工程位于重庆市沙坪坝区，项目总用地面积85 120 m2，总建筑面积约750 000 m2，其中地上约510 000 m2，地下约240 000 m2。以上盖广场为零标高，地下有7层，共36.5 m，主要是用于交通运输方面，建筑内布有商业店铺、公交车站、出租车站、换乘系统和地下停车库。

2.2　实验参数设置

1)电梯参数

发生火情时，首要任务是尽可能多疏散建筑物内人员，使用电梯进行疏散时的秩序好坏直接影响着疏散时间的长短，为了保证电梯疏散有序进行，本模型设定的电梯运行规则为：首先，所有电梯在初始时刻都停靠在地面层；其次，优先顺序从低到高，即如果有多个楼层同时呼叫电梯，优先停靠较低楼层；最后，设定电梯每次只能在一层楼停靠，即当该层所承载的人数小于电梯额定荷载时，不可以停靠其他楼层持续载人。有关电梯其他参数使用软件默认值，即每台电梯的额定负载人数为13人，加速度为1.2 m/s2，最大运行速度为2.5 m/s，开门和关门时间均为2 s。

2)人员参数

分析所使用的疏散人数应根据不同建筑场所功能不同，分别按人流量和区域密度进行计算，或使用设计方所提供的最大设计值确定。

根据沙坪坝设计资料确定：公交车换乘区高峰疏散人数为2 223人，出租车换乘区的高峰疏散人数为1 462人。轻轨9号线1号口和2号口的人员数量分别为1 711和1 948人。高铁出站厅的高峰疏散人数为1 380人。对于站台层人员疏散，需要考虑两列列车同时到达的情况，假设一列列车共有8节车厢，普通每节车厢有110人，则一列列车定员为880人，并考虑5%的站台上接站人员及其他人员，故站台层疏散人数为880×2×(1+5%)=1 848人。本实验取用最大设计值，该地下交通枢纽总共设置14 268人。

根据相关研究，在正常照明、照明失效、佩戴透光率为27%的眼罩、佩戴透光率为16%的眼罩的条件下，群集疏散过程中人员上行平均疏散速度分别为(0.74±0.17)，(0.59±0.08)，(0.64±0.14)和(0.50±0.05) m/s[17]。结合深埋地下空间能见度低的特点，本模型中将人员上行平均速度设置为0.5 m/s。

3)疏散时间上限

根据《建筑设计规范》(GB 50016—2014)第5.1.3规定：地下或半地下建筑(室)的耐火等级不应低于一级。

本文主要是研究人员疏散，所以以楼梯间和电梯井的墙的耐火极限为主，设置疏散时间上限为2 h。

2.3　疏散方案设置

本文主要研究地下发生火灾时人员疏散情况，故地下人员到达地面层即为安全。

考虑上行对人员体力的影响，下层人员应优先使用电梯疏散。根据本建筑的结构，主要对以下3种方案进行仿真模拟：

方案一：建筑物内人员全部利用楼梯疏散。

方案二：将建筑分为上、下2部分，上层人员全部利用楼梯疏散，下层人员部分利用电梯疏散。

方案三：将建筑分为上、中、下3部分，上层人员全部利用楼梯疏散，下层人员全部利用电梯疏散，中层人员部分利用电梯疏散。

3　深埋地下空间电梯楼梯协同疏散的仿真实验结果分析

3种方案实行方式及结果如下：

1)方案一：建筑物内所有人员选择楼梯疏散，总疏散时间为115.01 min。

2)方案二：基于方案一的结论，可优先使下层人员先使用电梯疏散，通过改变使用电梯疏散的层数K以及使用电梯疏散的人数比例进行数值模拟，疏散策略如表1所示。

表1　人员疏散策略(方案二)

通过改变K值及使用电梯疏散的人员比例，利用Pathfinder 模拟，得出疏散结果，如图1所示。

图1　疏散时间与电梯疏散人员比例关系(方案二)Fig.1　Evacuation time and the elevator evacuees(Scheme 2)

由图1所示，当K值为1和2时，改变使用电梯疏散的人员比例，随着比例的增大，疏散时间一直呈下降趋势，当K继续增大时，改变使用电梯疏散的人员比例，疏散时间曲线随着比例的增大先降低后升高，存在拐点即最低点。结果表明，无论如何改变负6层和负7层使用电梯疏散的人员比例，都会减少整体疏散时间。而随着使用电梯的楼层增加，改变使用楼梯或电梯疏散的人员比例，对疏散结果影响不同，使用电梯的楼层及人数越多，疏散时间反而有所增长。

3)方案三：跟据方案二的结果，固定负7层和负6层人员全部使用电梯疏散，通过改变负6层以上使用电梯疏散的层数L以及使用电梯疏散的人数比例进行数值模拟，疏散策略如表2所示。

表2　人员疏散策略(方案三)

通过改变L值及使用电梯疏散的人员比例，利用Pathfinder模拟，得出疏散结果，如图2所示。

图2　疏散时间与电梯疏散人员比例关系(方案三)Fig.2　Evacuation time and the elevator evacuees(Scheme 3)

从图2看出，L=1，2的2条曲线比较契合，L=3，4，5的曲线比较契合，即在固定6层和负7层人员全部乘坐电梯的条件下，改变负4层和负5层乘坐电梯的人员比例，疏散速度更快。可得上述结果中最小值在L=2的曲线上。

基于上面模拟的结果，为了得到最优疏散比例，本文在L=2即改变负5层和负4层电梯疏散人员比例的条件下，以10%为间隔来改变电梯疏散人员比例，统计人员分别使用电梯和楼梯的时间，统计结果如表3所示。

表3　不同电梯疏散人员比例下楼梯、电梯疏散时间(L=2)

图3为电梯、楼梯疏散时间与电梯疏散人员比例的关系，从图3中可以看出，当负4层和负5层电梯疏散人数比例取20%的时候，楼梯疏散时间和电梯疏散时间的两个点几乎重合，说明疏散效率最高。在该模拟实验中，数值间隔为10%，当电梯疏散人数比例取10%的时候，两点之间的差值略小于电梯疏散人数比例取30%时的两点间的差值，故可以判断这个最佳的比例在10%和20%之间并且向20%靠拢。

图3　电梯、楼梯疏散时间与电梯疏散人员比例关系Fig.3　The evacuation time of using stairs or elevators on different elevator evacuation ratio

为了得到更加精确的电梯疏散人员的比例值，本文使用Matlab软件，采用线性最小二乘法对表3中的数据进行线性拟合，分别得到了不同电梯疏散人员比例下楼梯疏散时间与人员比例之间的拟合函数f(x1)及电梯疏散时间与人员比例之间的拟合函数f(x2)。

不同电梯疏散人员比例下楼梯疏散时间与人员比例之间的拟合函数：

f(x1)=-1.212 1x2-23.860 6x+54.390 9

(1)

不同电梯疏散人员比例下电梯疏散时间与人员比例之间的拟合函数：

f(x2)=4.778 6x2+11.676 0x+47.589 5

(2)

通过联立方程f(x1)和f(x2)，求解2个函数之间的交点则为最短疏散时间下所对应的不同人员疏散比例。经计算得，当负5层和负4层乘坐电梯的人员比例达到19%时，疏散时间最短，为49.98 min。

将负5层和负4层使用电梯疏散的人员比例设置为19%，在方案三的条件下进行再次模拟，当建筑内人员全部疏散完时，疏散时间为49.31 min。相比较全部使用楼梯的疏散时间115.01 min，疏散时间减少了57.1%，此时使用电梯疏散的人员约占总人数的43%。

4　结论

1)当负6层和负7层人员全部使用电梯进行疏散，负4层和负5层19%的人员使用电梯进行疏散，剩下的人员使用楼梯进行疏散时，所得到的疏散时间最短，为49.31 min，相比较全部使用楼梯的疏散时间115.01 min，疏散时间减少了57.1%。对于整体疏散时间，建议通过增加楼梯和电梯数量的方式来进一步优化。

2)利用电梯辅助疏散可降低疏散距离、能见度、人员体能等对疏散的影响，而合理分配使用电梯疏散的人员比例可大大提高人员疏散效率。对于地下多层空间，电梯楼梯协同疏散时，将建筑分为上、中、下3部分，上部全部使用楼梯疏散，下部全部使用电梯疏散，中部楼梯、电梯结合疏散且楼梯疏散人员比例较高时，其疏散效率可达到最优，疏散时间相对楼梯疏散可减少一半。

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