基于TRIZ理论的高层楼宇逃生梯创新设计

杜明强,孙亮波,袁 鹏,杨 毅,王小雄

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北 武汉 430048)

随着城镇化的推进和人们生活水平的提高，高层和超高层建筑不断增多，高层建筑火灾事故的数量也呈上升趋势。然而，我国针对高层建筑的火灾急救措施与高楼发展比例严重失衡，现有的高楼火灾救援手段不能完全适应高楼的建设发展[1]。通过市场调研，对国内高楼现有消防逃生装置进行深入的对比分析和研究可知，现有产品存在4个主要缺点：1)部分设备结构复杂，操作专业化程度高，不适用于老人和儿童；2)不能与高楼整体设计合为一体从而占据楼内楼外空间，阻碍通行和破坏楼体整体美观；3)长久处于闲置状态，物件的使用率极低；4)部分装置的安装和维护成本较高，不具有较好的市场前景。

基于以上对市场现有部分逃生装置的性能分析，本文采用TRIZ理论解决现有产品的技术冲突，创新设计了一款应用于高层和超高层火灾逃生及疏散场合的新型逃生装置。

1 基于TRIZ的新型高层楼宇逃生梯的方案设计

发明问题解决理论TRIZ[2-3]被认为是目前最全面、系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论。TRIZ创新原则的核心就是解决技术系统中存在的矛盾冲突，运用这一理论，可极大地加快人们创造发明的进程，并能够得到高质量的创新产品。针对我国高层建筑的火灾急救设施与高楼发展比例严重失衡问题，本文基于TRIZ理论进行了创新性方案设计、论证与结构设计，提出一种新型高层楼宇逃生梯的设计方案。

1.1 确定技术矛盾

现有的高楼逃生装置与高楼整体景观的相容性较差，操作专业化程度高，且逃生效率较低，不适用于人员密集、结构复杂的高层或超高层建筑。为了解决此类逃生装置的形状和操作流程的方便性与逃生效率的矛盾，在不破坏实际功能的情况下对现有逃生装置进行创新设计，增加其自身“魅力”。同时考虑到未发生火灾时，大型消防逃生设备闲置时间较长，浪费资源，且保养维护成本较高，缺乏实用性。因此，设计一种能与高层建筑相契合，既能实现火灾发生时人员的集体逃生，又能不破坏建筑整体美观的可折叠式高层楼宇逃生装置显得尤为重要。

基于TRIZ理论的技术冲突解决原理分析现存的技术矛盾，技术冲突分析结果见表1。

表1 技术矛盾分析参数

1.2 运用发明原理

基于上述问题分析，本文确定了现有高楼逃生装置的技术矛盾。表2所示为通过阿奇舒勒矛盾矩阵查找到的对应的发明原理。

表2 阿奇舒勒矛盾矩阵(局部)

在矛盾矩阵中有多项发明原理可供选择，通过对实际问题以及一些工程案例的分析，本方案采用的发明原理为：15—动态原理、1—分割原理、17—多维原理和3—局部质量原理。

选定的各项发明原理说明如下：

15—动态原理：通过运动或柔性等处理，以提高系统的适应性。

1—分割原理：将整体切分，增加物体的分割程度。

17—多维原理：通过改变系统的维度来进行创新设计。

3—局部质量原理：指在物体的特定区域改变其特征，从而获得必要的特性[2]。

根据上述发明原理的解释并结合具体情况分析，该设计获得如下解决方案：

1)根据动态原理，新型高层消防逃生梯分成彼此相对移动的几个部分，上、下梯架可沿梯架中轴线进行折叠伸张，当装置闲置时，梯架可与楼体外层墙贴合从而减小空间占用，保证了楼体的整体美观性。

2)根据分割原理，采用多级踏板替代滑道，未工作状态下，该逃生梯贴合墙体呈窗户形态，可辅助建筑采光和通风。

3)根据多维原理，选用滑轮组代替复杂的机械系统，逃生人员手摇绞盘通过牵引绳将二维平面运动过渡到梯架的三维空间运动，提高了装置操作流程的简便性。

4)根据局部质量原理，为了使逃生人员能更加方便快捷地逃生，改变上梯架最后一级踏板的特征，使其具备可沿上梯架上滑翻转的特性，增大逃生人员在梯架转角处的转体空间。

1.3 设计方案的确定

根据上述确定的发明原理提供的问题解决思路，结合实际情况，本文提出的设计方案如图1所示。

1—下消防逃生口；2—上消防逃生口；3—水平踏板；4—左右牵引绳；5—梯架；6—左右护栏图1 逃生梯工作状态示意图(楼层数n=3)

该高层楼宇消防逃生梯以窗架为载体，与高楼墙体合为一体设计，主要包括设于楼层外墙的上、下消防逃生口及上、下消防逃生梯。上消防逃生梯的下端与下消防逃生梯的上端相互铰连，下消防逃生梯的下端铰装在下消防逃生口的底部，上消防逃生梯的上端可上、下滑动于上消防逃生口两侧的滑道。

当火灾发生时，上消防逃生梯迅速沿窗栅下滑向外形成三角支撑的上、下消防逃生梯并同时打开上、下消防逃生口,从而构成上、下楼层间的逃生通道，原窗户玻璃在钢缆带动下形成逃生梯的多级踏板。上、下消防逃生口在外墙上竖向设置为两排，并且上、下消防逃生楼梯于不同层级的上、下消防逃生口错位设置，高层逃生人员于此可根据实际情况选择继续逃生梯逃生或其他方式逃生，有效避开危险楼层，同时给予逃生人员不同逃生路径，有效地提高了逃生效率，避免更大伤亡的发生。

2 结构设计与分析

2.1 窗架变形为逃生梯

未发生火灾时，逃生装置呈窗户的闭合状态。当火灾发生时，住户启动绞盘，摇动手柄2使双钢缆4转出并经由滑轮组3减小阻力及改变方向，使得窗栅在重力作用下带动缆绳迅速竖直向下运动[4]，原底部窗檐沿水平方向向外运动，同时各级钢化玻璃被带动呈水平状转出梯架外形成阶梯踏板。同时考虑人机工程学原理，踏板长宽比可设定为80∶50，如此可以避免梯架通道过宽造成的人员拥堵或过窄造成的通行不畅。

当绞盘启动使梯架到达最大转角后会触发行程开关从而开启整楼的报警装置，报警装置会在第一时间向相关人员请求帮助。绞盘卡死机构采用翻转卡死方式，使用时将手柄2翻转使手柄上销钉脱离卡槽孔1，逃生梯展开后将手柄复原销钉插入中央卡槽孔1防止绞盘反转。收卷装置及绞盘三维线框图如图2及图3所示。

1—绞盘；2—钢缆；3—滑轮组；4—上消防逃生口图2 收卷装置结构

1—卡槽孔；2—旋转手柄；3—转盘底座；4—钢缆绳；5—转盘盒图3 绞盘

2.2 逃生梯限位固定及护栏变换

逃生梯展开后，实现它的高度稳定性至关重要。该装置利用三角形的稳定性原则，使上、下消防逃生梯通过中轴铰链连接并与外墙形成稳定的三角形结构，确保人员上去后逃生梯不会变形和晃动。滑槽3采用复合滑槽，内外滑槽的限位点不同，从而使活动连杆1展开后与扇架2、窗架4得以形成新三角形进一步提高逃生梯的稳定性。梯架连接件采用合金钢材料，经有限元分析得梯架各衔接点处最大受力约5.7×108N/m2，小于屈服力6.204×108N/m2，故能有效保障逃生人员的安全。上消防逃生梯架固定结构如图4所示。

1—连杆；2—扇架；3—滑槽；4—窗架图4 梯架固定结构

在梯架处增设可折叠式护栏，并采用了如图5所示的卡死机构，其由支撑轴1、开关2、防滑槽3及齿轮槽4组成，实现护栏的快速回收和展开。在逃生梯展开后，逃生人员用手按下锁死开关2，使开关从齿轮槽4内弹出，然后向前推出两旁的护栏，扶手完全打开后松手，锁死开关2弹起使插头插入另一级齿槽达到锁死状态，防止人员逃离时护栏发生移动。该处结构设计为逃生人员提供了一个可靠的扶手，可帮助老年人等快速撤离火灾现场。

1—支撑轴；2—开关；3—防滑槽；4—齿轮槽；5—扶手图5 护栏卡死机构

2.3 逃生梯的转角和各层衔接

逃生梯在楼层之间存在转角，转角是逃生梯最关键的一部分，为了减少逃生梯占用的空间和准确收放，该装置采用直接转换而非错位转换，为此在上消防逃生梯的最后一个踏板处采用交错滑槽活动式连接，如图6所示。

1—滑轨；2—活动踏板；3—滑槽；4—滑轨钉图6 逃生梯转角踏板

当人处于转角平台时可将活动踏板2推起，踏板在交错滑轨引导下沿固定扇架滑轨向上运动产生足够的空间从而让人能够弯腰进入到下消防逃生梯，之后活动踏板2依靠重力还原等待下一人员逃离。前一位逃生人员进入下一楼层时，下层逃生梯已经打开，逃生人员只需要手动拉起护栏即可继续逃离。由于该逃生梯转角处远离建筑，在遇到火势较大无法安全通过时，逃生人员可以待在逃生梯的转角休息平台处等待消防人员的救援。

3 结束语

笔者经市场调查研究，创新设计了一款新型高层火灾逃生装置(已获专利号：201710151195.3)。该产品与市场已有产品相比具有以下特点：

1)该产品设置于高层楼宇的外墙体上，与窗架合为一体设计，不占用楼体空间。作为消防逃生通道使用时，逃生梯展开迅速，并能将各楼层间的逃生路线联系起来，为受困人员提供一套全新的逃生路径，实现方便、快速逃生。

2)产品采用的绞盘双线收放方式使得三角式消防梯能够快速展开，联动机构确保踏板随梯架同时复位，并且绞盘内设有卡死机构保证消防梯固定，降低了装置操作的复杂性，适于各类人群使用。

3)该产品适用于各类高层建筑，其可沿高楼横纵双向进行扩展，以满足不同高度及复杂结构的建筑，具有较好的市场推广和使用价值。