火场中电梯疏散失败的FTA分析与探讨

王国文

(沈阳航空航天大学民航与安全工程学院 辽宁 沈阳 110136)

2010年“11·15”上海高层住宅特大火灾事故的发生，再次引起了人们对于高层建筑发生火灾时人员安全疏散问题的关注。其中高层建筑利用电梯进行疏散有众多优越性，但人们对其在火场中运行的可靠性也存在很多质疑。

1994年，美国的John H.Klote等人提出了电梯紧急疏散系统(Emergency Elevate Evacuation Systems，EEES)的概念，并对其进行了研究，初步探索了利用电梯进行高层建筑人员疏散的可能性。之后，又有许多学者从事高层建筑的电梯疏散系统的研究，并对其概念进行了发展和延伸。然而至今为止，关于电梯疏散的许多研究成果仍处于概念阶段，并没有在实际中得到充分的应用。

在中国，相关领域的研究开展得较少。出于对火场中电梯运行可靠性的质疑，现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》均明确规定电梯在火灾时不能用于疏散。最近几年，随着高层建筑火灾数量增多，火灾情况下人员疏散问题越发突出，一些建筑、消防、机械等方面的专家学者开始关注电梯用于应急疏散的可行性。2005年底，公安部上海消防研究所与上海市特种设备监督检验技术研究院合作，完成了针对高层建筑火灾情况下电梯应急疏散可行性的研究，这是中国第一次系统、全面地从风险的角度审视高层建筑电梯疏散的可行性，得出了在火灾情况下有条件地利用电梯进行应急疏散可行的重要研究结论。2011年3月29日，国内首次“高层电梯防火、隔热、隔烟技术研讨会”在杭州举行，这次会议提出了为电梯增设“火灾应急疏散运行”模式、建立高层建筑火灾疏散应急管理体系、改进电梯机电式安全装置的传统设计理念等观点。

在美国，2009年新发布的NFPA101《生命安全规范》的附录B中，新添加了一条说明“在火灾情况下，可以有条件地使用电梯”，这也为中国相关标准规范的制(修)订提供了重要的借鉴。

1 火场中电梯运行可靠性

1.1 电梯疏散故障树的建立

在火场中可能对电梯运行可靠性形成威胁的主要有4个主要设备系统，分别是电梯机房、电梯厅门系统、电梯轿厢系统、招呼面板系统。众多实际案例表明，发生火灾时，着火点大多位于建筑物的公共区域或仓库，极少情况发生在电梯机房，而且机房做为电梯设备专用这一特性在建筑设计时已经被考虑进去。因此，本文研究时暂不考虑电梯机房系统着火的情况。而主要考虑建筑物其他区域着火时，火场中电梯厅门、电梯轿厢系统、招呼面板系统因发生火灾而失效以及电梯供电中断迫使电梯退出正常运行，从而导致电梯疏散失败的情况，具体见图1所示。

图1 火灾导致电梯疏散失败的故障树

其中顶事件T为火灾导致电梯疏散失败;E1电梯供电中断;E2电梯门系统失效;E4轿厢系统失效;F1水导致短路保护断电;F2水毁坏供电线路;F3门挂轮失效;F4厅门失效;F5门球失效;F6门滑块失效;F7门锁失效;F8招呼面板受热失效;F9招呼面板遇水失效;F10轿厢光幕失效，F11人不能进入轿厢，F12轿顶门机遇水失效。X1供电中断;X2电梯部件受到水侵害;X3供电线路无防水保护;X4电梯部件受到高温侵害;X5供电线路无高温保护;X6门挂轮变形;X7厅门变形;X8门球变形;X9门滑块变形;X10门锁变形;X11招呼面板变形;X12招呼面板进水;X13轿厢受到烟雾侵害;X14光幕受到烟雾影响不关门;X15烟雾使人不能承受;X16水进入井道。

1.2 故障树的最小割集和最小径集

最小割集指割集中任一事件不发生，顶事件不发生。利用布尔代数法求得该故障树最小割集有13 个，分别为:{X1}，{X2，X3}，{X4，X5}，{X4，X6}，{X4，X7}，{X4，X8}，{X4，X9}，{X4，X10}，{X4，X11}，{X2，X12}，{X13，X14}，{X13，X15}，{X2，X16}。

最小径集指故障树中某些事件不发生，则顶上事件不发生的最低限度的基本事件的集合。通过求解最小径集就可以知道要使顶上事件不发生的几种可能的方案，从而为控制顶上事件不发生提供依据。可以通过对偶树法、布尔代数法和行列式法3种方法求解。通过布尔代数法求解得出故障树的最小径集共有11个，分别为:{X1，X2，X4，X13}，{X1，X2，X4，X14，X15}，{X1，X2，X5，X6，X7，X8，X9，X12，X13，X16}，{X1，X2，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13}，{X1，X2，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X14}，{X1，X3，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13}，{X1，X3，X5，X6，X7，X8，X9，X12，X13，X16}，{X1，X3，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X14，X15，X16}，{X1，X3，X4，X10，X11，X13}，{X1，X3，X4，X12，X13，X16}，{X1，X3，X4，X12，X14，X15，X16}。

1.3 结构重要度和割集重要度系数

故障树中个基本事件的发生对顶事件的发生有着程度不同的影响，为了明确最易导致顶事件发生的事件，以便分出轻重缓急采取有效措施，控制事故的发生，必须对基本事件进行重要度分析。

本文中的故障树的结构重要度分析可以用二次近似式计算:

式中:φ(Xi)为基本事件的重要度系数值;Kj为包含基本事件Xi的全部最小割集;nj为第j个基本事件Xi所在Kj(割集)的基本事件总数。通过计算得到火灾导致电梯疏散失败故障树的结构重要度系数。如下表1所示:

表1 故障树结构重要度系数

用故障树的最小割集可以表示其等效故障树。在最小割集所表示的等效故障树中，每一个最小割集对顶事件发生的影响同样重要，而且同一个最小割集中的每一个基本事件对该最小割集发生的影响也同样重要。

式中:Kj为包含基本事件Xi的全部最小割集;故障树中共有R个最小割集，第j个最小割集中含有mj个基本事件.通过计算可得火灾导致电梯疏散失败故障树的割集重要度系数。如下表2所示:

表2 故障树割集重要度系数表

2 故障树分析与可采取的防范措施

从最小割集的计算与分析可知，每一个最小割集都表示顶事件发生的一种可能。由故障树的最小割集可以直观地判断哪种故障模式最危险，哪种次之，哪种可以忽略，以及如何采取措施降低事故发生概率。由本故障树可知，如果不考虑每个基本事件发生的概率，或者既定各基本事件发生的概率相同，则指含有一个基本事件的最小割集发生概率最大，即供电中断对顶事件发生的危险最大。

从最小径集的计算与分析可知，对事件最小径集加以控制即可控制顶事件的发生，由该故障树的最小径集可以知道控制 X1、X2、X4、X13的发生即可控制顶事件发生。即当火灾发生时，通过防止人为的断电操作、防止电梯零部件火灾情况下受到高温和水侵害以及防止电梯轿厢受到烟雾侵害就可以保证电梯在火灾情况下安全运行。

从结构重要度分析可知，基本事件X1、X4、对顶事件的影响最大，基本事件X2、X13影响次之，其余的基本时间影响相同，并列影响最小。由于结构重要度系数是从故障树结构上反映基本事件的重要程度，这就给系统安全设计者选用部件可靠性及改进系统的结构提供了依据。

在本故障树中供电中断以及电梯部件受到高温侵害对电梯停梯的影响最大。这就要求管理人员应为电梯设置备用电源，并保证备用电源能在火灾发生后迅速启动。保证电梯的持续供电。防止因供电中断而导致停梯。此外管理人员还应优先防止高温对电梯部件造成伤害。解决办法是可以在电梯前室设置感温探头，当检测到高温可能对电梯部件的造成伤害的临界温度时，采取对电梯竖井和前室进行加压送风等降温防烟措施或者停止电梯使用，以免电梯运行过程中停梯，乘客被困其中，陷入危险状态。

从割集重要度分析可知，割集重要度和结构重要度相比，基本事件的重要程度大致相同。其中X1由于是单事件最小割集，而且X1只是一个最小割集中的基本事件，所以基本事件X1的结构重要度最大，割集重要度却不是最大。即供电中断对于电梯疏散失败的故障树结构上重要性最大，却不是引起顶事件发生模式中重要性最大的事件。本事件X4的发生对于顶事件的发生重要性最大，控制住X4的发生可能性，能迅速有效地降低顶事件的发生可能性。其次是基本事件X2，接下来是X1、X13。其余的基本事件结构重要度均为0.0385，可以近似认为最不重要、最不敏感。可以最后依据实际条件进行灵活处理。

由以上分析可知，导致电梯停梯重要性最大的事件是X4、X2。即电梯部件受到高温侵害以及电梯部件受到水侵害而停梯。管理人员优先采取对电梯做防高温和防水方面做出改进和保护措施。能有效地降低电梯挨个停梯发生的可能性。除了在电梯前室设置感温探头以及对电梯竖井进行加压送风之外，还应对动力与控制电缆、电线以及电梯组成各部件采取防水保护措施。消防电梯间前室门口宜设置挡水设施等方法来提高电梯正常运行的可靠性。

3 结论

相比只利用楼梯进行疏散，高层建筑利用电梯疏散虽然具有很多优越性，但是，一旦发生火灾，会有很多未知的突发事件发生，电梯疏散系统的可靠性显然不如楼梯疏散系统可靠。这也就是我国几十年来一直禁止利用电梯进行疏散的原因。希望通过对发生火灾时导致电梯疏散失败的故障树分析，从众多因素中找出影响电梯停梯的主要因素。从而针对性的对主要因素采取改进措施，在发挥电梯疏散的优点的同时，以最小的成本，消除潜在危险，提高电梯运行系统的可靠性。

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