社会主义现代化建设过程中高楼应急集体逃生的设想与逃生装置的设计研究

唐伟 余建业 王卫宇 梅才涛

摘  要：人类社会飞速发展，人们的生活日益趋近于自动化、信息化、密集化，因而导致大量人口涌入城市。为缓解住房压力，顺应耕地保护政策，高层楼房应运而生，且越建越高。高楼林立固然有效地解决了城市空间不足与人口过多之间的矛盾，但随之而来的一些关于安全的问题也日渐鲜明。在面对诸如火灾、地震等突发危险状况时，如何快速实现安全逃离成为了一个急需解决的难题。现阶段，我国乃至全社会应急求援装备发展落后与发生危险急待救援楼层高度迅速攀升之间的矛盾越来越尖锐，与发生危险急需救援人员所处楼层数越来越高这一现状相对的是应急救援装置救援能力发展的不足。本论文提出一种高楼集体逃生装置的设想，并对其实施可行性进行分析和研究。

关键词：现代化;高楼突发危险;应急集体逃生

中图分类号：X928    文献标识码：A

一、引言

人类社会飞速发展，人们的生活日益趋近于自动化、信息化、密集化，因而导致大量人口涌入城市。为缓解住房压力，顺应耕地保护政策，高层楼房应运而生，且越建越高。高楼林立固然有效地解决了城市空间不足与人口过多之间的矛盾，但随之而来的一些关于安全的问题也日渐鲜明。在面对诸如火灾、地震等突发危险状况时，如何快速实现安全逃离成为了一个急需解决的难题。现阶段，我国乃至全社会应急求援装备发展落后与发生危险急待救援楼层高度迅速攀升之间的矛盾越来越尖锐，与发生危险急需救援人员所处楼层数越来越高这一现状相对的是应急救援装置救援能力发展的不足。首先，现有救援装置普遍存在体积大，机动性差，无法实现即时快速的救援的缺陷，须知，灾难降临的危急时刻，时间就是生命。其次，现有救援装置有效救援高度有限，喷射装置达到8楼之后将后继无力，即便是救生云梯面对20层以上的高层次楼层时也只能望楼兴叹，而现阶段都市中，20层以上的楼房比比皆是。最后，现有诸如救生云梯之类的消防救援装置还有一个普遍的缺点——高楼层救援时同一批次只能实现2～3人的救援，而这根本就无法满足突发事故发生时高楼层危险居民迅速逃生的需求。 因此，在消防救援车辆尚未到达之前，使用高楼应急集体逃生装置，进行自我援救意义重大。

二、社会主义现代化发展现状及问题分析

（一）城市人口逐年增多

根据国家统计局数据统计，我国城市人口数量逐年增多，从15年的7.71亿发展到19年的8.48亿，城市人口超过了总人口的60%，且呈逐年增多态势，随着现代化进程的推进，越来越多的农村人口转移到城镇发展，城镇化成为趋势。

（二）高楼数量逐年增大

据住建部统计，截止2019年，我国高层建筑数量达34.7万幢，位居世界第一。其中上海、北京等超一线城市高层建筑数最多，高层建筑数量受城市现代化进程影响较大。

（三）火灾事故频繁发生

据统计，我国高层建筑应急事故中占比最高的是高层建筑火灾，近十年高层建筑火灾共发生约3.1万起，死亡人数达474人，造成直接财产损失15.6亿。

（四）現有逃生器设想

随着我国现代化进程的不断推进，城人口不断增多，高层建筑不断建造，火灾事故频繁发生，高楼应急逃生装置应运而生。一批批学者、工程师开始提出各种各样的高楼应急逃生器的设想，现常见的逃生装置原理及产品设计如下：

①救生气垫：遇险人员的充气软垫，是消防救生和空中作业人 员人身保护的安全设备，它可减少下跳人员在着地 时所受到的冲击，起到缓冲和保护作用。但其应用高 度有限，若使用不当，容易诱导跳楼 [3]。

②缓降器：缓降器：此类装备主要用于单人操作 ，由安全钩、安全带、调速器、钢丝绳等结构组成，承载能力为 100 kg以内的单个人员 ，使用时无需动力，安全缓降被困人员到达地面。

③逃生软梯：逃生软梯是一种用于营救和撤离火场被困人员的移动式梯子 ，可收藏在包装袋内，在 楼房建筑物发生火灾或意外事故时，楼梯通道被封 闭的危急情况下，是进行救生用的有效工具。

④逃生滑道：逃生滑道是一种内部缓慢滑降的逃生用具，适用于许多人从高处顺序滑下，其在外层 防火并有反光条、中层抗热辐射隔烟、内层导滑，每层均为高抗拉力并经静电处理的布做成，内层具有松紧性，让人的身体经过时产生一定的阻力缓冲，约以每米一秒的速度安全降下。逃生者以等速缓慢下降，即使有两位逃生者碰撞亦不会发生危险，适于连续逃生[2]。

（五）现有技术的不足

通过对上述逃生装置的研究，仍存在一些不足之处，总结如下：

①大多数仅适用于个人，不能做到突发事故时高楼层人员短时间内的大规模逃生;

②大部分产品体积较大，成本较高，不能普遍应用于每一个普通的高楼层居住者;

③适用于集体的装置逃生高度受限，50m以上楼层难以涉及;

④部分逃生器使用诸如电力等动力驱动，这在火灾、地震等突发事故发生时具有很大的束缚性;

⑤没有考虑到儿童、老年人、残疾人及在灾难中出现休克等难以自行逃生人员的逃离方法。

（六）高楼应急集体逃生器设想

本文提出一种高楼集体逃生方法及对应的装置。通过对装置进行结构分化，使得逃生装置能够在同一时刻实现多个人的同时于高楼层逃生，且由于每一个居民家庭放置的皆为逃生装置的子装置，所以具有占用空间小、成本低廉易普及、操作简便等特点。由于结构上借鉴了杠杆摩块原理，故而该逃生装置适用于各种体型的逃生者，甚至可以由成人携带幼儿或残疾人共同逃生。在该装置的主装置中，通过结构的设计，尽可能的避免了能量的使用，仅仅探测火灾、地震等紧急情况的产生及控制卡位装置释放安全绳索需要微弱电力，此能量使用自备电源提供即可。

三、新型高楼应急集体逃生装置结构设计

（一）装置组成

1.主装置

本装置由后支撑座、前支撑座、电磁铁轴、小轴位弹簧、内部压杆、连接杆、接头及手柄组成。其中摩擦片由耐磨材料制成，手抓与内部压杆接触处以及内部压杆对应处采用上窄下宽的楔形结构，便于更好地承载手柄处传来的下拉力。手抓处于筒体内部的部分有两个限位弹簧，用来限定无作用力时手抓抓头的作用状态，使之保持以较小力抓住安全绳，保证自己本身不会下落。内部压杆与手抓通过小于子装置一产生的摩擦力，从而使得逃生者在无动作状态下以较慢的速度（V=20+10cm/s）进行类匀速下滑。下方与外筒体通过连接绳连接有脚踏板，逃生者可以通过脚踏脚踏板来调节作用于安全带上的重力，从而实现摩擦力的改变，由于在此过程中外筒体所受整体下拉力不变，故而可以在一定程度上改变下滑速度。

2.子装置

3.2.1子装置一组成

本装置由外筒体、手抓、手抓轴、摩擦片、限摩擦轴套、安全裤、连接绳以及脚踏板组成。与子装置二的区别在于改变了内部压杆与筒体内部抓头的相对位置，从而使得在逃生者全部重力通过安全带、连接杆以及内部压杆作用于手抓上时产生的摩擦力小于子装置一产生的摩擦力，从而使得逃生者在无动作状态下以较慢的速度（V=20+10cm/s）进行类匀速下滑。下方与外筒体通过连接绳连接有脚踏板，逃生者可以通过脚踏脚踏板来调节作用于安全带上的重力，从而实现摩擦力的改变，由于在此过程中外筒体所受整体下拉力不变，故而可以在一定程度上改变下滑速度。

3.2.2子装置一工作介绍

在发生诸如火灾、地震等紧急情况从而安全绳迅速下落并被接收装置固定牢固后，逃生者穿好安全裤并做好逃生准备后，用手撑开子装置一的手抓，使之抓牢安全绳并固定在安全绳上，此时同样装好子装置二的手抓，同时使身体缓慢伸出窗外，逐渐脱离出窗户，用安全手柄支撑逃生者全部质量使得逃生者不至于掉下。此时，逃生者整体重力施加到手柄处，手柄通过手柄连杆和连杆接头把力作用在压杆连接杆上，压杆连接杆拉动内部压杆下接头，从而向内挤压手抓在筒体内部分，同时克服弹簧弹力使得手抓抓紧安全绳，从而使得逃生者相对静止于該位置，从而进行下一步动作。除此之外，子装置一还能在紧急情况下实现迅速制动，从而面对突发事件，使得逃生者逃生时的安全得到更大的保障。

（三）子装置二

1.子装置二组成

本装置是在子装置一的基本结构下进行部分改动形成的。由外筒体、手抓、摩擦片、限位弹簧、内部压杆、连接杆、压杆接头、安全带接头、限位轴组成。

2.子装置二工作介绍

在发生诸如火灾、地震等紧急情况从而安全绳迅速下落并被接收装置固定牢固后，逃生者穿上安全裤，然后，通过窗口把子装置一固定在安全绳上。之后，以同样的方式把子装置二固定在子装置一上方，使之不下落。做完之后，在手抓牢手柄的情况下逐渐脱离窗户，保持悬空状态，此时迅速确定安全裤、脚踏板处的外伸装置与主装置安全绳相互配合以及上下安全情况，确保安全后，松开子装置一手柄。此时，在自身重力作用以及通过压杆连接杆传递从而产生的摩擦力的作用下，逃生者以较为缓慢的速度（V=20+10cm/s）进行类匀速下滑。若逃生者遇到需要加速亦或自愿想进行加速的话，双脚踩脚踏板，从而使得逃生者通过安全带、连接杆、内部压杆以及手抓作用在主装置安全绳上的摩擦力减小从而达到增大下滑速度的目的。此过程中，逃生者踏动脚踏板时，安全裤会与主装置安全绳相离，但是由于限位装置及轴套作用下，作用于内部连接杆的力依旧向下保持不变，从而实现加速下滑过程的稳定。此外，由于子装置一一直处于子装置二下方，会随着子装置二一起下滑，所以逃生者可以保持随时抓住子装置一实现紧急制动。

四、选材、校准与可行性分析

（一）主装置

该装置安装在较高楼层的楼顶以实现同时承载30人左右的逃生者。因此，该装置的选材、校准以及安全性分析至关重要。该装置最主要承重部件为安全绳、承重大轴、承重轴承以及前后安全座。

1.安全绳

该装置主装置上的安全绳需要能够一次性至少承受30个成年人体重所产生的下拉力。

2.承重大轴

承重大轴用来收放安全滑索并承受逃生者自身重力所产生下拉力的部件，是安全绳与固定在高楼顶部的前、后支座相连接的主要零件。其主要承受钢丝绳给轴的压力和两边支点给轴向上的支撑力。 该轴主要承受弯矩，经实践经验及理论计算可知，将绳子固定端设在轴的最左端，则绳子全部缠在轴上时轴所受的弯矩最大，校核时设定绳子的重力集中在轴的中间。承重大轴选用材料为45号钢调质处理，45号调质钢的许用弯曲应力。

3.大轴轴承

大轴轴承是连接承重大轴和支撑座的部件，使得运动部件与静止部件不会直接接触，从而减少摩擦与磨损。其所受来自承重大轴的力分为向下的径向压力及由于安全滑索带动承重大轴旋转所产生的轴向力。大轴的直径=60mm，且由于存在一定的轴向力，查阅《机械设计手册》，根据实际情况选取型号为NUP2312E的圆柱滚子轴承。

4.接收装置

接收装置是用来接收危急情况发生时自动或手动落下的凸头并对其进行卡位的装置，该装置与快速落下的凸头相接触时会迅速吸收凸头所产生的冲量，并带动限位杆旋转，因此需要对凸头下落所产生的冲量与限位杆重端转动所需要的最小冲量进行计算、分析，以保证凸头可以产生足够的冲量使接收装置成功限位。

（二）子装置

该装置使逃生者固定在安全绳某一位置便于实现进一步逃生，同时保证在紧急情况下能够实现迅速制动。因此，要实现内部压杆及手抓传递的力经过杠杆转变的程度以及摩擦块的耐久及较大摩擦力的产生。其主要可行性分析部件为手抓连接轴、摩擦块、手抓、连接杆以及连接块轴。

1.手抓连接轴

手抓连接轴的固定端受到的弯矩最大，故而其所在截面为危险截面。

2.连接杆轴

连接杆轴是把连接杆固定在外筒体上并起杠杆支点作用的轴，该轴主要承受逃生者通过手柄、连接杆传递过来的一部分下拉力，该装置对其可靠性要求较高。

3.连接块轴

连接块轴是连接块上与连接杆相连的轴，其要求能够完全承载逃生者自重所产生的下拉力，且能够保持一定的强度与刚度。

4.摩擦片分析

手抓、手柄等与钢丝滑索直接接触产生滑动摩擦的补位皆设有摩擦片，其中手抓与钢丝滑索接触处，由于手抓需要提供给钢丝滑索一定的摩擦力以保持逃生者静止状态，故而选择硬质橡胶，而其他补位选择较为耐磨的碳化硅保护层。

5.连接压杆的分析

连接压杆是连接逃生者与手抓的主要装置，通过杠杆原理来实现力的转化，从而达到无论是什么体重的逃生者，只要不超过装置所能承受的极限，都能够实现在钢丝滑索固定位置的悬空定位。

五、结论

本论文提出了一種用于高楼层公共逃生的新型装置。其装置由一个主装置及两个子装置组成，能够实现在紧急情况下高楼层居民大规模、快速度的逃生，同时在逃生时能够实现慢速类匀速下滑、加速下滑、减速下滑以及紧急制动等操作。此外，主装置附有应急感应器，在出现危机事故时可以自动亦或手动使得主装置自动释放安全绳并与特殊设计的接收装置相结合实现卡位固定，当危机情况解除后，人工解除接收装置的卡位，并打开电机回收安全绳，以便于下次使用。

该装置把主装置与子装置分开，从而使得子装置体积小、造价低，有益于该装置的普及;同时，该装置操作简便，对逃生者身体素质没有特殊要求，还可以由成人带一老人、儿童或残疾人 同时使用;此外，该装置可在紧急事故发生时供多名逃生者同时逃生，形成公共逃生路径，从而极大的保障了高楼居民的人身安全权益。然而，该装置存在一些缺陷。最大的缺陷在于接收装置，尽管接收装置设有强磁铁来吸引凸头，但是强磁铁范围有限，当遇到强风、地面剧烈运动等情况时，很可能会发生凸头距离接收装置较远而无法成功的自动接收安全绳，此时需要进行人工接收，否则逃生者逃生时会出现剧烈旋转等不确定的运动，存在安全隐患。

参考文献

[1] 邱树青.巧力夹高楼逃生装置[P].中国：200420088385 ，2004年09月15日.

[2] 朱绍胜，马宪. 一种高楼缓降逃生器的创新设计. 《装备制造技术》2016年第11期.

[3]机械设计手册联合编写组.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1987.

[4] 孙恒，傅则绍.机械原理[ M].北京：高等教育出版社，1989.

[5] 谢里阳.现代机械设计方法[M].北京：机械工业出版社，2007： 30～36.

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