多用途智能升降器在高层建筑消防逃生装置中的应用研究

雷 阳，刘梦妍，陈昱廷（.中都工程设计有限公司，广东 广州 50060；. 中建科技有限公司，广东 深圳58000；.中科建建设发展有限公司，北京 00044）

1 研究背景

现阶段我国正处于城市化进程不断加快的过程中，大规模的城市建设已经全面展开，其中高层建筑占新建建筑的比例逐年上升，但与其相对应的高层建筑防灾救灾及日常维护设备技术的发展却依然缓慢。限于当前工业产品的研发水平，加上高深、空间狭小场所防灾技术相对滞后的影响等，我国高层，甚至是中高层、多层建筑在灾害发生时的逃生救援问题依然没有得到根本有效的解决。因此，为高层建筑配一款机动灵活、行之有效、常备不衰的抗灾、逃生、救援装备至关重要。多层和中高层建筑的防灾逃生和救援主要依赖各层的疏散通道和竖向的疏散楼梯，一旦发生地震、火灾等重大灾害就要靠人员自觉通过疏散通道逃生。救援人员也要通过疏散通道进入施救，或用消防云梯空中救援。如果灾害发生得很突然或剧烈，势必酿成巨大损失。

2 多用途智能升降器的应用分析

2.1 国外应用现状

当前，在国外建筑中配备较多的逃生器材主要有：固定式逃生梯、逃生滑道、逃生舱以及楼梯转运椅等。根据逃生装置的原理及方式，这些器材可大致分为以下几大类: 楼梯通道类、滑降软体管道类、缓降绳索类、升降机类等。

固定式逃生梯是一种布置在建筑外墙的紧急逃生通道。在国外建筑中有一定的配置，通常在多层建筑外墙靠近窗口位置楼层和楼层之间固定设置，一旦发生意外或火灾，就成为逃生的最佳途径。美国消防法规对多层建筑紧急逃生通道有明文强制规定。设置固定式逃生梯的主要目的在于提供一个消防出口，如果室内消防出口不足时，就必须设置该项目了。需要按照 NFPA（美国消防协会）和 ANSI/ASME（美国国家标准局/美国机械工程师协会） 的规范标准进行设计、安装。当建筑缺少防排烟系统时，可以避免室内通道被烟雾阻隔或造成人员窒息。

2017 年 6 月，英国伦敦 24 F 高的格伦费尔大楼发生大火，造成至少 80 人死亡。这一事故的发生也让高层建筑消防难、逃生难的问题再次引起社会热议。英国设计师针对高层建筑发明了新型逃生滑道。人们可以从不同楼层通往逃生滑道的安装地点，启动装置释放出一个垂直滑道，逃生者就能沿着管道滑向地面。滑道由 3 层材料制成，最外层为防火材料，中层为弹性材料，内层则加强了强度，确保能承受逃生者的重量。使用逃生滑道时，逃生者用手臂和腿脚挤压四壁就能降低下滑速度，不挤压则加速下滑。据了解，这套逃生滑道系统大概可以让 25 人/min 从最高 105 m 的高楼逃生。大部分楼宇都可以安装这套系统，不过受建筑物格局和复杂程度影响，系统的定价从 7 500 英镑到 15 万英镑（约合人民币 6.4 万元～128.0 万元）不等。

2.2 国内应用现状

国家标准化管理委员会发布了 GB 21976.2～GB 21976.7 系列《建筑火灾逃生避难器材》。目前市场上有较多种类的逃生产品出售，主要有 2 大类：一类是用于公共建筑的大型逃生设备，如逃生舱、柔性滑道、救生气垫等；另一类是家用的小型逃生设备，如逃生软梯、缓降器、逃生绳等。

2.3 高层建筑逃生装置存在的问题

(1) 高层建筑防灾装备不足，逃生、救援能力差。在现有已建设使用的高层建筑中，民用建筑几乎没有设置机械式逃生、救援设施，有的只是以步行楼梯为主体的竖向疏散通道。疏散速度慢，容易被浓烟阻塞而影响逃生。公共高层建筑有的在屋顶设置了轨道式擦窗机，但这种设施不在灾害点上，也很难抵达灾害点供人员逃生和施救，且当火灾发生时，必定停止供电不准使用。有的高层公益性建筑在人员密集或集中的大堂临外窗的位置设置了供紧急情况下逃生用的滑降绳索，但需要专业救援人员携带被救人员共同下降并控制速度。面对复杂的地理环境和高层、超高层建筑，地域狭小的空间一般的应急救援逃生设施根本无法起到应有的作用。

(2) 多数高层建筑外立面清洗和维修依赖“蜘蛛人”。配备擦窗机的高层建筑毕竟是少数。外立面清洗和维修多数还是依赖“蜘蛛人”。

(3) 多层和中高层建筑几乎没有设置固定防灾逃生、救援设施。防灾逃生和救援主要依赖各层的疏散通道和竖向的疏散楼梯。通过了解国内外对逃生装置研究的现状发现，用于高层或超高层建筑逃生且技术比较成熟的设备很少，原因主要为：① 受到适用高度制约问题。大多数逃生装置仅能适用于 60 m 以下高度的中低层建筑，对于 60 m 以上乃至超过 100 m 的超高层建筑，当前的逃生装置并不能很好地适用于逃生，故这些设备最大的问题在于其使用高度受限。② 能源输入问题。当前有适用于 150 m 建筑的逃生装置，例如升降机类逃生舱装置，该类装置往往需要外部能源( 电能) 的输入。然而，在火灾、地震等突发灾害发生时，往往不能保证建筑用电，因此，当前逃生设备的适用性受到一定的制约。③ 操作使用问题。逃生设备一般在运营状态建筑中配备，现有的高层建筑逃生装置的运用（操作）往往需要专门培训，还要克服高空心理恐惧，且对逃生人员的体能有一定要求。如缓降绳索类逃生装置就不适合于小孩、老人以及残障人士的逃生。在建造过程中，高层、超高层建筑安全逃生装置较少配备，甚至在很多工程没有配备，存在着巨大的安全隐患。

3 多用途智能升降器的技术原理

3.1 多功能智能升降器

多功能智能升降器如图 1 所示，是一种自带驱动的装置，由特殊的轮系传动、高能量电池组、电机驱动的机电和智能化控制系统等组成的一体化装置。轮系传动主要由摩擦轮组和安全绳索构成。摩擦轮组采用多个增大绳轮间摩擦因数的传动装置，包括 V 型走线槽和轮间垫片，以确保安全绳索的进线深度，并可根据负载变化情况自动调整安全绳索与轮系内壁的摩擦因数，以提供足够的摩擦力和系统自持力。带轮走线槽内壁采用轮辐设计，摩擦轮间垫片的外缘采取滚花的加工方法，以进一步增大绳索、轮组摩擦力，提高回转机构的有效自持力。该装置包括电池、电机驱动，自重不超过 13 kg，最大载重达 220 kg，最大速度可达 60.0 m/min，续航能力为 800 m，遥控距离为 800 m，上升速度为0～1.0 m/s，下降速度为 0～1.5 m/s。该装置可理解为沿着绳子快速可控运动的便携式载重机器人。该装置负载大、重量轻、体积小、续航能力强、遥控距离远；可手动或遥控操作，可单人、双人或物品通过装置一起上下；自带电源，可灵活使用于无电源场合；具有机械制动功能，可以空中停留作业及不耗电力受控下降；配备专用充电器，可实现简单快捷地整机充电；可斜向、横向等任意角度运动；可与高楼、野外、河岸及深邃场所安装搭建生命通道实施救援作业。

图1 多功能智能升降器

3.2 多功能智能升降器建筑设计要点

国家在抗震减灾和防灾方面制定了大量的工程建设标准和设计规范，但目前很多高层，甚至是中高层、多层建筑在灾害发生时的逃生救援设施还不是很完善。多功能智能升降器在建筑上的布置形式主要有垂直式布置、斜拉式布置、水平式布置 3 种。填补了目前建筑救援不足的缺陷。该升降器的主要功能有如下 3 个方面。

(1) 多功能智能升降器作为高层建筑的救援设备，应在建筑上设置永久的固定救援设施，解决灾害发生时人员逃生和救援问题。

(2) 在高层建筑楼顶四周安装固定永久支撑架或设置固定点，并与安全绳索连接，需要时自动放下安全绳索，将安全绳索放到地面或预设的场所。安全绳索的另一端装上多功能智能升降器，就可以实施救援工作。另外，多功能智能升降器可替代传统的机械式擦窗机或工作吊篮，用于外立面的清洗和维修。

(3) 多功能智能升降器可利用建筑凹口、阳台间或其他类似空间，配备专用的竖向通道，用作建筑火灾或遇到重大险情时人员逃生或救援的生命通道。

3.3 多功能智能升降器与建筑本体的锚固方式

多功能智能升降器固定点主要集中在建筑物屋顶进行设置，并将其与建筑本体进行有效的连接固定。多功能智能升降器安全绳索与建筑屋顶的锚固方式，针对不同屋顶建筑形式有所不同，可分为建筑屋顶采用固定支架式的锚固方式，带绳索箱的锚固方式，预留钢管固定的锚固方式和可利用的固定物临时固定的锚固方式。固定支架的安装载体应选取承重墙、支撑柱等。

当多功能智能升降器的安全绳索与建筑墙体进行固定连接时，可采用固定支架和绳索箱与基础墙体进行固定连接，也可采用带封闭吊环的穿墙螺栓与基层墙体进行固定，且带封闭吊环的穿墙螺栓φ≥26 mm。

当建筑屋顶形式为女儿墙时，多功能智能升降器的安全绳索与建筑屋顶的连接宜采用可调节固定支架。

当建筑屋顶采用预留钢管固定方式时，预留钢管应沿着建筑屋顶周边环形封闭布置。预埋钢筋间距宜为 1 500 mm，预埋钢筋的延伸端与挂点钢管采用焊接的方式进行连接，多功能智能升降器可与钢管的任何位置进行连接固定。

当多功能智能升降器安全绳索采用斜拉式布置形式时，安全绳索的一段固定在建筑物屋顶上，另一段应采用地脚预埋的方式固定在地面上。锚固点建立的数量应根据建筑高度与人口密集程度来确定，确定后在建筑物屋顶安装一定数目的安全绳索锚固点，安全绳索的一端固定在建筑物屋顶，另一端为连接多功能智能升降器的自由端。升降器斜拉式工作示意图如图 2 所示。

图2 升降器斜拉式工作示意图

4 多用途智能升降器的经济效益分析

4.1 项目的经济效益

截至 2017 年 12 月，我国已建成投入使用的高层建筑(24 m以上公共和 17 m 以上住宅建筑)达 61.9 万栋，100 m以上的超高层建筑就有 6 457 栋，并且超高层建筑正在以每年 8% 的增长率增加，是世界平均增长水平的 2.5 倍。但其中配备有专业的防灾减灾救援逃生设备的建筑不到 10%。以其中 80% 为潜在客户，按每栋高层建筑配备 5 套设备计算，则国内高层建筑配备多用途智能升降器系列产品的容量高达 300 万台，接近 4 000 亿元的销售额度。

实现本课题研究目标的关键设备即多用途智能升降器（亦称“爬绳智能机器人”“多功能智能机器”，简称“项目产品”“装置”） 的研究、设计和制造已经成功，并获得多项发明专利。本课题的承担单位之一广东省某浩科技有限公司自成立以来，先后与清华大学、东莞电子科技大学电子信息工程研究院、中国人民武装警察部队特种警察学院、中国科学院西安光学精密机械研究所等高等院校和科研院所建立了长期稳定的战略合作关系。初步销售目标如表 1 所示。

表1 项目产品生产规模及销量预测

(1) 项目产品生产规模及销量预测。2018 年该公司处于改革及转型阶段，产品销售主要针对于消防、武警等应急救援机构，市场规模较小。2019 年公司在消防、武警等应急救援机构进行销售外，逐步向民用市场如高空作业、桥梁检测等方面进行市场推广。2020 年，处于市场全力销售阶段，主要任务是加大力度进行市场开发，尤其是高层建筑配套方面的布局及销售。加大产品研发，降低成本。

(2) 项目产品生产成本。① 对项目产品生产成本的主要构成因素进行分析，得出生产成本的主要构成因素有：材料费用、研发费用(含人员工资)、生产费用、管理费用、市场开拓、测试费及其他、知识产权事务费及其他费用。② 预测产品的单位成本。产品单位成本预测结果如表 2 所示。③分析说明项目产品的价格及定价策略。根据目前国内和国际相关产品价位和该产品所要投入的人力、物力和科技含量，本项目产品进入市场的单位销售价格定为 26.8 万元/台（国外同类产品为 5 万欧元）。本项目产品的定价是依据项目成本，并参考国内外同类产品的价格趋势、市场需求和经过大量的市场调研而定，具有一定的科学性，并且随着销售量的提高，逐年降低研发成本，使产品在市场上占有价格优势，从而促进产品的销售。

表2 产品单位成本预测 万元

(3) 本项目产品经济效益预测如表 3 所示 。

表3 产品经济效益预测表

4.2 项目的环境效益

多用途智能升降器系列产品采用先进的清洁能源与节能技术，推进高耗能特种设备节能降耗，使用过程中只有轻微的摩擦声响，不会产生其他有害物质，其所配备的绳索、电池等均可进行回收利用。

4.3 项目的社会效益

目前课题承制单位将在未来几年快速铺开市场，以所在城市为起点，建立销售服务团队，采用招商代理辅以自主推广的双核营销模式，积极推进全国市场的开发、销售、服务和管理。现目前公司产品主要针对消防、武警等应急救援单位，民用及高层建筑市场正逐步开发。现阶段课题承制单位年产量 200 台，销售额 1 000 万元，税费 60 万元，净利润－180 万元。现阶段多用途智能升降器财务指标预算如表 4所示。

表4 现阶段多用途智能升降器财务指标预算表

5 结 语

通过对高层建筑配备逃生、救援和立面作业多用途智能升降器的研究，打破了国外对高端绳索类升降设备领域高、新、尖产品及关键技术的垄断，填补我国在升降器技术领域的空白，推动和促进我国特种装备向高端化、智能化、系列化发展，满足野外或特殊高深环境下攀爬自动化的需求。通过攻克特种设备系列关键技术并实现设备的产业化，形成自主知识产权和核心竞争力。

多用途智能升降器既可装备于新建高层建筑，又可以在既有高层建筑上通过加装固定挂点建立通道配备，提高了绳索升降技术的效率，以及高续航与大负载能力。作为高层建筑救灾和逃生的永久式补充装备，救灾时可满足多人同时升降的要求。平时用于对建筑物的安全检测、立面清洗和维修作业，从而提高装置的利用率和投资效益。其社会效益和间接经济效益显著，在事关建筑防火安全、因灾自救、反恐防暴、建筑安全检测等领域，尤其在高层建筑弥补固定灭火和逃生装备不足方面具有广泛的推广应用前景。其产品的生产和配套可为国内本产品上下游产业技术革新提供新的动力和市场空间，推动上下游产业发展。