老年公寓设置室外逃生舱技术研究

许文杰，张建琪，甄 涛

(1.中国人民警察大学，河北 廊坊 065000； 2.太原市消防救援支队，山西 太原 030024)

进入21世纪以来，我国人口老龄化的现象越来越明显。有关数据表明，到2020年全国60岁以上老年人口预计将增加到2.55亿人左右，占总人口比重提升到17.8%左右，高龄老年人将增加到2 900万人左右，独居和空巢老年人将增加到1.18亿人左右，老年抚养比将提高到28%左右[1]。老年公寓作为老年人娱乐、生活、居住的主要场所在近年来发展迅速，但在老年公寓蓬勃发展的同时我们必须看到老年人所面临的火灾风险也在不断增加。自2015年至今，全国各类养老场所因火灾原因共造成77人死亡，其中2013年黑龙江海伦敬老院火灾和2015年河南鲁山养老院火灾两起特大火灾事故引发了社会对老年人疏散问题的极大关注和思考。

目前老年公寓的消防疏散方式主要是通过室内外楼梯、消防电梯等建筑内部设施进行疏散，在现实火灾情况下随着火势和烟气的不断蔓延发展，诸如老年人等疏散速度较慢的弱势人群在建筑内部很难在规定的疏散时间内到达安全场地。而依托阳台设置室外逃生舱可以减少烟气对人的伤害，增快疏散速度，提升疏散效率。因此，室外逃生舱的设置可以丰富老年人的疏散方式，缩短老年人的疏散时间。

以山西养老机构发展情况为例，截至2016年底，山西省现有各类养老服务机构927所，设有床位约16.8万张，全省投资上亿元的民办养老机构有10多个。预计到2020年，山西省老年人中需要护理服务的占13.69%，老年人有入住养老机构意愿的占27%，可以预见在今后几年中越来越多的老年人有意愿到老年公寓等养老场所生活或者居住。但在这些养老机构中，特别是民办养老机构仍存在消防设施不完善、安全出口设置不合理等实际问题。老年人由于身体机能的不断退化，发现火灾的能力和在火场中逃生的能力也在不断下降，现有的传统疏散方式已经远远无法满足老年人疏散的实际需要。所以室外逃生舱的设置既是对传统疏散方式的创新与发展，也是提升老年人疏散能力的有效措施。

1 老年公寓内设置室外逃生舱的必要性

1.1 缩短老年人疏散逃生距离

老年人属于社会弱势群体，伴随着老年人年龄的不断增长和身体机能的逐渐退化，其活动能力也受到了很大限制，老年人的肌肉和骨组织系统机能出现老化，腿纤维变细，肌力减退，弹性和收缩力下降，活动敏捷度降低，发生火灾时无法快速逃离火灾现场[2]。此外，大部分老年人基于生理等多方面原因导致视觉、听觉和触觉等感知器官均有不同程度的退化，发现火灾能力较弱。尤其是在老年公寓中存在一部分介助老人和介护老人，他们在灾害事故发生后需要依靠轮椅、拐杖等辅助行走设施或在他人帮助的情况下才可完成疏散逃生。一旦发生火灾这部分人群将会完全暴露在火灾危险中，无法独立、快速、有效地完成疏散逃生。以山西某老年公寓为例，80岁以上的老年人占全体入住老人的62.7%，90岁以上老年人有24人，占总人数的8.95%。在入住老年人身体状况方面，需要依靠护工或辅助行走器械才能完成疏散的老人有171人，占总人数的63.8%，其中完全无行动能力需要特殊护理的老人有11人。基于这种情况，只有减少老年人的行走时间，缩短疏散距离，才能确保所有人员在安全时间内完成逃生。而在老年公寓内设置室外逃生舱可以缩短房间至安全出口的疏散距离，使得疏散人群不需要通过着火及浓烟区域即可到达安全区域。

1.2 丰富老年公寓疏散设施

老年公寓中现有的疏散方式主要是通过疏散楼梯和消防电梯等室内建筑设施进行疏散，而且老年公寓在设计时主要依据的是《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014),规范中对安全疏散距离的要求为“一、二级耐火等级的老年人建筑位于两个安全出口之间的疏散门距离为25 m，位于袋形走道两侧或尽端的疏散门距离为20 m”。但现实情况中老年人的疏散速度一般为0.3～0.6 m·s-1之间，一般人在浓烟环境中停留半分钟就会受到烟气的伤害，即使老年人的疏散速度按照0.6 m·s-1计算，在半分钟内老年人的行走距离只有18 m，远远不足以到达安全区域。老年公寓房间内火灾荷载较大，大部分老年公寓的床单、衣服、被褥等针织物没有经过阻燃处理，一旦发生火灾会加速火势的蔓延扩大并产生大量的有毒有害气体。大量的烟气会弥漫在房间和过道中，如果老年人盲目地通过疏散楼梯进行疏散会造成大量人员由于吸入过量有毒气体而伤亡。由于部分老年人在疏散时需要借助轮椅、拐杖等辅助行走设施，当疏散至安全出口或疏散楼梯时辅助行走设施会占用净疏散宽度，加之老年人行动较慢，可能造成部分人员在疏散时间内无法到达安全区域，甚至出现踩踏事故。而通过室外逃生舱进行疏散可以大大缓解传统疏散方式的疏散压力，丰富老年公寓内部疏散设施，确保老年人可以在规定时间到达安全区域。

2 技术性能参数的确定

2.1 主体结构及工作原理

逃生舱一般设置在老年公寓窗外阳台位置，其核心组成结构共有10个部件。手动卷盘和电动启动按钮为逃生舱的两种启动方式，可采用一主一备的方式进行设置。设备箱内用于存放电机等维持设备工作的相关设施装置，升降轨道固定在建筑物的外墙上，逃生舱通过轨道上升或下降。当设备着地时，缓冲气囊和泄压口用于压力的吸收释放，起到缓冲减震的作用，人员拉开插销放下疏散门，形成疏散坡道进行疏散逃生。逃生舱结构如图所示，图1为闲置状态，图2为打开状态。

1.手动卷盘；2.电动启动按钮；3.设备箱；4.缓冲气囊；5.泄压口；6.顶棚；7.侧方疏散门；8.插销；9.栏杆；10.升降轨道

图2 打开状态下逃生舱结构

2.2 性能参数及可行性分析

2.2.1 性能参数

室外逃生舱除满足火灾现场逃生的需求外还应符合相关技术规范的要求和日常生活的需要。(1)目前我国老年公寓中每个房间居住的老年人一般为2人，床的尺寸一般为长2 m、宽1 m。考虑到介护老人在疏散过程中需要护工的帮助共同进行疏散，所以逃生舱的额定承载人数为4人，按照一个成年人的体重为80 kg计算，额定载重为320 kg。同时为方便介护老人的疏散，使得2名老人在护工的帮助下可以第一时间转移至逃生舱，逃生舱的尺寸设计为3.5 m×2.6 m×2.5 m。(2)室外逃生舱的启动方式主要为电动启动方式，所用电源可连接至室内民用电源，工作人员通过按动启动按钮控制逃生舱的升降。如果火灾发生时导致电源被切断，工作人员可以旋转手动卷盘人工进行升降。(3)室外逃生舱的材料选择上使用强度和硬度较强的合金钢材，其屈服强度应在1 370 MPa以上，抗拉强度在1 620 MPa以上，同时在钢材外部涂刷防火涂料，达到耐火等级的要求。(4)缓冲气囊主要起到逃生舱触地时的缓冲作用，缓冲气囊着地时承受逃生舱的压力，气囊压缩，当达到1.2 atm时，分布在气囊周围的六个排气口打开，通过向外排气吸收动能[3]。

2.2.2 可行性分析

国外一些发达国家在养老场所的人员疏散方面不仅满足依靠单独的疏散楼梯进行疏散，而且诸如避难滑梯、救生滑袋等垂直疏散装置已经被广泛运用到各类养老场所中。在美国，早在20世纪70年代美国消防协会定期修订的《生命安全规范》(NFPA 101)中就包含针对养老院消防疏散的要求。美国消防协会要求各类社会福利机构和公共建筑在设计、使用过程中，必须充分考虑残疾人、老年人的疏散逃生问题，并联合建筑部门建议通过设置无障碍通道和室内外的消防疏散通道来解决此类问题。在日本，由于日本属于灾害事故频发的国家，所以当地政府和企业机构格外重视灾害事故发生后人员的逃生问题。《日本医疗建筑的防灾设计》中提到建筑中的病房区每层要靠外墙设置避难空间。因此一种疏散阳台的装置在日本使用率较高，一个定额6人、额定载重480 kg的疏散阳台从二层到一层的时间只需要短短的30 s，而且造价便宜，便于安装。

在老年公寓设置室外逃生舱，首先可以显著缩短老年人的疏散距离，提升老年人的疏散效率，尤其是当老年公寓房间内部发生火灾时，大量烟气和有毒气体弥漫在走廊和楼梯间中，老年人不出房间就可以完成到室外安全区域的疏散。对于部分有自理能力和独立逃生能力的老年人，他们在利用逃生装置完成自我疏散的同时，还可以帮助其他行动能力较差的老年人进行疏散，节约了疏散时间。其次，对于消防救援部门来说，可以利用室外逃生舱开辟救生通道、设置水枪阵地和器材运输通道。当消防员进行火情侦查或者内攻时可以通过逃生舱垂直铺设水带，缩短水带铺设的距离，便于消防员第一时间到达火场内部进行灭火。最后，对于老年公寓来说，设置必要的逃生装置可以提升老年人的安全系数，便于老年人在最快的时间内完成疏散，同时通过必要的宣传方式可以使子女放心地把老年人送入老年公寓中进行赡养，大大增强老年公寓的品牌优势和核心竞争力。

2.3 升降速度

室外逃生舱升降速度的确定需要满足两个条件，一是保证老年公寓全体人员能在安全时间内疏散至室外区域；二是保证老年人在逃生舱中乘坐舒适，不会造成二次伤害。为保证全体人员在安全时间内成功疏散，必须使得必需疏散时间小于可用疏散时间。根据日本Togawa提出的疏散时间公式[4]：

(1)

式中，Te为疏散时间；Na为总疏散人员数量；Nb为出口处人员数量；Ks为人员按照出口宽度进行排列后所能达到的长度；v为人员的疏散速度，取0.4 m·s-1。

假定每层有28名老人和28名护工，考虑最不利情况所有老人都通过一个室外逃生舱进行疏散，最后可得所用疏散时间为127 s。按照室外逃生舱的承载能力计算疏散该层全部人员共需14个来回，单次疏散时间为4.53 s。因此，室外逃生舱的升降速度至少为1.5 m·s-1。

2.4 工作流程

当老年公寓建筑内部发生火灾后，工作人员打开窗户协助老年人进入到逃生舱中，然后按下电动启动按钮，观察逃生舱是否运动，若无运动趋势通过旋转手动卷盘的方式进行升降。到达地面后缓冲气囊通过泄压口释放内存压力气体，起到缓冲作用。工作人员拉开插销，释放疏散门进行疏散。具体流程如图3所示。

3 逃生舱的布置间距计算

室外逃生舱在布置的过程中要考虑两方面因素：一是确保当老年公寓发生火灾时所有老年人能在疏散要求的时间到达安全地点；二是根据老年公寓的房间结构特点和建筑面积尽可能地减少室外逃生舱的设置数量，减少企业的投入压力，提升布置的现实性与可行性。笔者以山西某老年公寓的建筑平面图(如图4所示)为参考基础，通过数学模型和Lingo数学软件估算标准层全部老年人通过室外逃生舱进行疏散需要的时间，为之后室外逃生舱的实际设置提供参考数据。

3.1 模型假设

假设：(1)每个房间的结构面积均相同，标准层共有14个房间，每个房间均为双人间且都住有老年人，房间进深为4.8 m。(2)设每个老年人的移动速度为0.4 m·s-1，且在第一时间就能发现火灾或获得疏散信号,计算得每个老人离开至房门需要12 s。(3)离开房间后，老人通过走廊横向步行至最近的室外逃生舱布置的房间，疏散至房间阳台位置算为疏散成功。(4)同一房间的2位老人不会走向不同的室外逃生舱布置的房间。(5)该层的所有老年人均通过室外逃生舱进行疏散。

3.2 符号说明

Xij为0,1整数变量，1表示第i个房间的老人选择第j个避难点，0表示不选择；Dj为第j个避难房间的坐标轴位置；PXi表示第i个房间的房门坐标轴位置；PTi表示第i个房间的老人到达避难点所花费的时间；N为避难点数目(待定)；t为离开房间的时间。

3.3 模型的建立

3.3.1 房间位置的假设

根据上文模型假设提出的相关要求，同时所有老年人都能通过自身或在护工的帮助下疏散至逃生舱内，可以确定每个房间的老年人选择室外逃生舱布置的房间模型公式为：

(2)

同时考虑到室外逃生舱房间的布置位置不能超过该层的长度和宽度，即坐标轴的横向坐标值范围，模型公式表达为：

0≤Dj≤54.6，j=1,2,…,N

(3)

3.3.2 疏散时间的假设

考虑到老年人进行疏散时最不利点的位置为袋形走道尽端两侧的房间，《建筑设计防火规范》第5.5.17条规定：一二级耐火等级的托儿所养老院等建筑位于袋形走道两侧或尽端的房间疏散门至最近安全出口的直线距离最大值为20 m。在现实情况下老年人的疏散速度一般为0.4 m·s-1。由此计算距逃生舱所布置房间最远的老年人只要在50 s内到达目标房间即为疏散成功。模型公式表达为：

(4)

3.4 模型的求解

综上所述，以标准层所有28名老人达到逃生舱设置房间坐标的总时间为目标，建立优化模型可得非线性方程为：

(5)

(6)

使用Lingo软件对式(6)求解，当在标准层只设置一个房间为室外逃生舱设置房间时软件模型无解，即一个室外逃生舱无法满足所有老年人疏散的要求。当在标准层选定两个房间为室外逃生舱设置房间时模型有解，最优避难点位置为14.3 m与35.5 m位置处，对应房间位置为左侧第4个房间和第11个房间，最优间距为21.2 m。

因此，在该老年公寓设置室外逃生舱时，在水平位置布置在4号房间和11号房间时全楼层人员通过逃生舱疏散时间最短。当火灾发生时，左侧7个房间的14名老年人进入4号房间乘坐室外逃生舱进行疏散，右侧7个房间的14名老年人进入11号房间乘坐室外逃生舱进行疏散。最终模拟所有老年人完成避难逃生的总时间为420 s，最慢的老年人疏散所用时间为46.5 s，满足前文所提及的老年人最慢疏散时间50 s的要求，因此，该模型成立。

4 结论

通过模型的假设、建立和求解可知设置室外逃生舱的房间水平布置时距离为21.2 m为宜，在此距离内可以满足该层所有老年人的疏散需求。同时，由于各老年公寓的建筑风格都独具地方特色，房间布局和大小也都各不相同，例如在老年公寓内部交通组织方式上就有单通道空间交通组织方式、多通道空间交通组织方式、环形通道空间交通组织方式和混合通道空间交通组织方式等多种，因此在实际布置时很难形成一个统一的标准要求，计算数值也只能作为参考使用。为解决布置间距问题，笔者建议在水平布置时可以老年公寓内防火分区为基础模块，在模块内选定房间设置室外逃生舱，根据建筑的不同耐火等级确定布置间距，一二级耐火等级建筑布置间距为21 m，之后以5 m为标准差递减。在竖向布置时由于逃生舱的下降速度为1.5 m·s-1，即使是最高的54 m老年照料场所，从顶层至底层的时间只需36 s，疏散时间充足。但考虑到火灾发生后会迅速在着火层的上层和下层蔓延，建议以三层为单位分段交错布置。以该老年公寓为例，1层和4层将逃生舱设置在2号房间，2层和5层设置在3号房间，3层和6层设置在4号房间，只要逃生舱下降到安全楼层可视为疏散逃生成功。此外，在房间选取时应注意作为安全出口的两个房间之间的直线距离不能超过《建筑设计防火规范》中的相关要求。

老年公寓作为老年人晚年生活娱乐的主要场所在解决老年人老有所养、老有所居、老有所医的问题上起到了巨大作用。基于老年人行动和反应能力的逐渐退化，老年公寓在设计上应具有更高更先进的设计标准和配套设施，室外逃生舱的设置可以大幅度提升老年人的疏散效率，减少老年公寓的火灾伤亡，丰富老年人的疏散选择，具有较高的实用价值和现实意义。