超高层建筑疏散滑梯的优化设计及可行性分析

王曼曼　张晓庆　韩孝朋　李雨薇　马祯徽　钟委

摘要：人口的日益增多加速了城市建筑的高层化，但此类建筑在发生火灾时会造成巨大的人员伤亡和财产损失。为解决超高层建筑的人员疏散问题，提出了一种新型的疏散装置。该装置占据单独的滑梯间，主体是双螺旋结构的疏散滑梯，并采用分段设计配合建筑内的避难层使用。它既提高了建筑空间的利用率，而且可以达到快速疏散的目的。同时采用EVACNET4软件模拟出楼梯和滑梯的疏散时间，论证滑梯疏散的可行性和高效性。

关键词：超高层建筑;火灾;疏散滑梯;双螺旋

中图分类号：TU976

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.003

1 研究背景

随着中国城市化水平的提高，城市人口快速膨胀，城市土地供需矛盾日益严峻，因此修建高层乃至超高层建筑已成为目前中国城市建设的重要发展趋势。超高层建筑能够节约城市用地，推动社会投资，提升城市形象，甚至某些超高层建筑已成为城市的象征。近年来，中国各大城市兴起了修建超高层建筑的热潮，超高层建筑的数量和高度不断刷新。目前，中国已建成超高层建筑近7 000座，位居世界第一。

超高层建筑的快速发展也埋下了严重的火灾隐患。由于建筑垂直高度高，火灾时人员疏散距离超长，导致人员疏散时间过长;同时拥挤的人群通过有限的楼梯疏散，可能发生混乱甚至踩踏，这也进一步增大了火灾损失。例如，2001年美国世贸大楼发生大火，导致6 291人受伤，2 996人死亡。2015-12-31迪拜阿德里斯酒店突发大火，火灾造成1人死亡，15人受伤，超过3 000人紧急撤离。

目前超高层建筑主要的疏散方式是通过防烟楼梯间向下疏散，这种方式主要缺陷在于疏散距离长，对疏散者体力要求高。近年来部分超高层建筑使用穿梭电梯辅助高楼层人员疏散[1]，研究表明穿梭电梯结合楼梯的方式可以有效缩短疏散时间，然而该方式需要设置专用的穿梭电梯，投资较高。超高层建筑中另一种可行的方式是设置滑降管道，利用人体重力实现快速疏散[2]。该方式对疏散者无体力要求，无需训练即可掌握，疏散效率高，然而其需要在建筑内部设置专用滑道，占据建筑空间，因此并未得到推广。

2018年颁布的《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》规定：同一楼层中建筑面积大于2000m²防火分区的疏散楼梯不应少于3部，且每个防火分区应至少有1部独立的疏散楼梯。因此，可以考虑使用疏散滑梯来取代新增的第三部疏散楼梯，达到提升建筑疏散能力的目的。本文设计一种适用于超高层建筑内使用的疏散滑梯，能够实现建筑内人员安全高效地疏散。

2 疏散滑梯的设计研究

2.1 滑梯结构

该疏散装置由双螺旋滑梯和中心柱等部分组成。疏散滑梯占据垂直方向的贯通独立滑梯间，分为螺旋下滑段和直线下滑段;中心柱为一种类似于环形跑道的结构，两边为半圆柱，中间为矩形柱，围绕圆柱建造螺旋下滑段，围绕矩形柱建造直线下滑段。

半圆柱尺寸固定，矩形柱的宽度与建筑每层高度成正比。滑梯采用分段设计，以每两个避难层之间为一段。疏散时依靠人员自身重力下滑，每下滑一层绕中心柱旋转360°（出口层除外），基本形式如图1所示。滑梯间与主体建筑通过防火平台相连接，滑梯入口即每层平台处的开口，并与主滑道自然相切。滑梯人口如图2所示。

2.2 滑道宽度和螺旋升角

为了缩短疏散时间，采用两人并行疏散。考虑到人员滑行时的舒适度，取滑道宽度为1.3 m[3]。根据滑梯国家新标准新配置要求，在滑行方向上，整体滑行区与水平面的夹角（螺旋滑梯的整体螺旋升角）应不大于40°。

分析人在滑道上的受力由牛顿定律得：式（l）中：α为加速度，m/s²;F为重力产生的滑行动力，N;f为摩擦力，N;m为人的质量，kg;g为当地重力加速度，m/s²;u为摩擦系数;θ为螺旋升角。

参考人们在休闲草坪上休息时坡度在20°- 30°为舒适角度。常用的楼梯坡度范围在20°- 45°，其中以30°左右较为适宜。

2.3 中心柱

当滑梯的螺旋升角和层高确定，每下滑一层所经路程也确定。环形跑道的设计可以满足不同层高的需要，而且还能减少人在滑行过程中的眩晕感。滑梯以最低标准2.5 m[4]的高度设计圆柱，当层高增加時，采用增加矩形柱宽度的方法，此时的圆柱侧面展开如图3所示。

每下滑一层所经路径即从A到B，滑梯的螺旋升角为θ，可计算得中心圆柱直径：

D=h/πtanθ

（2）

式（2）中：D为中心圆柱直径，m;h为层高，m。由此可得中心柱两边半圆柱的半径为0.689 m。

当建筑每层高度增加时，设层高为h，与2.5 m相比增加高度为（h- 2.5）m，增加的高度需在围绕矩形段的滑道完成，矩形柱的宽度为：

L=h-2.5/2tanθ

（3）

以3m的住宅建筑和4m的公共建筑为例，计算得L分别为0.433 m、1.299 m，矩形柱宽度与建筑层高成正比。

3 滑梯安全防护

3.1 减速

考虑到人体的安全，出口梯段设置有一段减速带，其材质应为摩擦系数大、质软且耐磨的材料。在滑行过程中，人员会因速度的增加产生恐惧，可设置扶手使人员可以主动控制速度。在滑梯出口处设置缓冲垫，使人员快速减速。

3.2 加压送风

当超高层建筑发生火灾时，80%以上的人员都是在逃生时被烟尘窒息而死，所以能为逃生人员补给新鲜空气就显得尤为重要。对滑梯间进行防烟设计，具体是在中心柱内设置机械加压送风管道，由于滑梯间上下贯通，为保证其全高度范围内风量、风压均匀一致，一般每隔两三层在滑梯中心空柱中设一个常开百叶加压送风口，加压送风机与火灾自动报警系统联动。当发生火灾时将感烟火灾探测器报警信号作为加压送风机的启动信号，对疏散滑梯间进行加压送风，利用风压延缓烟气的蔓延，保证滑梯间内人员疏散的安全性[5]。

4 疏散时间分析

为了解滑梯疏散，本文通过EVACNET4软件来计算滑梯和楼梯疏散所用时间，并将得到的时间进行比较来得出结论。EVACNET搭载的是一个水力疏散模型，它模拟人员在建筑物内行走并最终疏散至安全地点的全过程。

2018年颁布的《建筑高度大于250 m民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》规定：同一楼层中建筑面积大于2000 m²防火分区的疏散楼梯不应少于3部。对于超高层建筑每个防火分区允许的最大面积为3 000 m²[6]。对于一座高度大于250m的超高层建筑，按最大防火分区3 000 m²，办公人员人均占有的面积为10 m²[7]来算，这个防火分区可容纳300人同时办公。按照新规定，该防火分区疏散楼梯至少为3部，每部平均疏散100人。在另外2部楼梯不变的情况下，本文设计的滑梯可以用于取代新增加的第3部疏散楼梯，所以可以用EVACNET4软件比较2个避难层之间人员分别使用一条滑道和一部楼梯疏散至下面避难层所需时间。我们假定2个避难层之间有11层，平均每部疏散装置每层有100人待疏散，得到结果分别为582 s和768 s。

结果表明采用一条滑道用于疏散的效果优于一部楼梯，滑梯较楼梯用时缩短近24.22%。上述是一条滑道与楼梯的对比，本文提出的滑梯有兩条独立滑道，可增加疏散人数，在同时间下可疏散人数是一条滑道的2倍。

5 结论

本文针对超高层建筑发生火灾时人员疏散困难的问题提出了一种适用于超高层建筑的疏散滑梯，配合建筑的避难层进行使用。不仅打破了对以往疏散时人员的限制，并通过疏散时间的分析，进一步说明了该疏散滑梯的可行性和高效性。因此本文提出的疏散滑梯可以有效适用于超高层建筑。

参考文献：

[1]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.

[2]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.

[3]中国标准化与信息分类编码所.GB/T 10000-1988中国成年人人体尺寸[S].北京：中国标准出版社，1998.

[4]国家住宅与居住环境工程中心.健康住宅建筑技术要点[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[5]朱永江.高层建筑消防配套加压送风防烟系统设计[J].中华建设，2012 （6）： 220-221.

[6]公安部天津消防研究所.GB 50016-2014建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50189-2015公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社， 2015.