气囊式缓冲装置实现高层建筑火灾逃生的探索

气囊式缓冲装置实现高层建筑火灾逃生的探索

张恩惠，赵瑞峰，王述洋

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

摘要：为寻求一种应用于高层建筑火灾逃生的简易、实用及安全性装置。通过分析高层建筑火灾特点以及传统疏散方式应用于高层建筑存在的诸多问题，结合在紧急情况下人们的心理、行为特征说明高层建筑火灾情况下逃生疏散的复杂性。列举现有逃生装置的实际应用情况及应用于高层建筑逃生疏散存在的问题，提出应用气囊着陆缓冲装置进行逃生的可能，分析现有关于气囊着陆缓冲技术的研究和应用，对典型着陆减震缓冲气囊在牵引伞打开、气囊排气以及控制简易化等方面做改进并分析。得出利用气囊着陆缓冲装置进行高层建筑火灾逃生具有一定的可行性。

关键词：高层建筑；着陆缓冲；气囊；可行性

中图分类号：S 772；V 244

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)02-0108-04

Abstract：The purpose of this paper is to look for a simple，practical，and safety device applied in the high-rise building fire escape.Combining the analysis on the characteristics of the high-rise building fire and the deficiencies of the traditional evacuation ways used in high-rise buildings，with people’s psychological and behavioral characteristics in case of emergency，the complexity of fire escape and evacuation in high-rise buildings were elaborated.The practical application of existing escape devices and problems in the application were enumerated.The possibility of applying airbag landing buffer device to escape was put forward and the existing research and application about airbag landing and buffering was analyzed.The typical landing shock absorption air bags in the aspects of expansion，air exhaust traction umbrella，and control should be improved.It is concluded that it is feasible to use airbags buffering devices for high-rise building fire escape.

Keywords：high-rise building；landing buffer；airbags；feasibility

收稿日期：2014-11-18

基金项目：黑龙江省自然科学基金(E201025)

作者简介：第一张恩惠，博士，副教授。研究方向：机电设备设计及控制，安全工程，生物质能利用技术设备。E-mail：245634835@qq.com

Exploration of Airbag Buffering Devicefor Fire Escape in High-rise Buildings

Zhang Enhui，Zhao Ruifeng，Wang Shuyang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：张恩惠，赵瑞峰，王述洋.气囊式缓冲装置实现高层建筑火灾逃生的探索[J].森林工程，2015，31(2)：108-111.

随着农村城市化进程的加快，高层建筑也迅速发展。而高层建筑内各种用于建筑、装潢的木质材料以及木质家具、生活用品对火灾的发生和蔓延起着决定性的作用，1 kg木材所产生的热量有18 840 kJ之多[1-2]。居住在其中的人员结构非常复杂，包括老弱病残、孕妇、儿童以及对环境不太熟悉的人。在国内，由于安全教育的缺失，大多数人都缺乏必要应急疏散意识，逃生能力有限，而高层建筑楼道一般较为狭窄，楼层偏高，当火灾发生时不容易逃离，救援也非常困难，而且常因人员拥挤阻塞通道，造成踩踏事件导致额外的伤亡。虽然现今逃生装备多样化，但真正具有针对性的、符合结构复杂人群和复杂环境逃生的装备还没有广泛的应用。气囊着陆缓冲技术目前已经较为成熟应用于重型装备、物资空投和无人机回收降落以及外太空设备的着陆等领域[3-4]。通过改进使其适用于普通居民高层建筑火灾逃生，成为另一条科学有效的疏散途径。

1高层建筑火灾情况下逃生的复杂性

1.1　高层建筑火灾蔓延速度快

高层建筑中竖直通风、排烟通道，楼梯间，电梯井，个别建筑还有共享中庭等，由于密度差等原因造成空气强对流，形成烟囱效应，致使火灾蔓延速度加快，烟气扩散迅速，缩短人们的紧急疏散时间。据测定，在火灾起初阶段，高层建筑火灾烟气水平扩散速度约为0.3 m/s，而在火灾全面发展阶段，由于烟囱效应的作用各管井烟气扩散速度则可达3~4 m/s[5]。

1.2　火灾起火初期不易被发现

根据火灾形成发展的特征[6]，如图1所示，在起火前期，很难引起人们的注意，一旦发现多已形成迅速蔓延之势，虽然现在各种烟雾报警器及火灾报警器已被广泛应用，但往往由于火源发现较晚，火势及烟气迅速蔓延失去控制，无法得到充足的时间在安全疏散时间内逃离危险区域。

设理论安全疏散时间t，安全疏散时间ts，逃离危险区域所用时间ta，则：

ts=nt，ta≤ts。

(1)

式中：n为安全系数。

只有在满足逃离危险区域所用时间ta，才能够保证逃生人员的安全。

图1　火灾形成发展特征图 Fig.1 The formation and development of fire

1.3　人们在紧急情况下的心理反应及其行为特征

在我国，绝大多数人群缺乏系统的应急演练，在紧急情况下如选择的逃生路线被大火封死，火势愈来愈大、烟雾愈来愈浓时，都会出现紧张心理。在慌乱之中，在求生本能的驱使下，往往会做出些不理智的选择，其中一部分人会选择从窗口逃生，然而，面对高落差非但不能增加生还希望，还将自己置身于更加危险的境地。而对于处于高层建筑中的人们来说，在火灾发生时，如果能够较为安全的着地，窗口是最为迅捷的逃生通道之一[7]。

2现有逃生方式存在的问题

随着社会发展，传统疏散方式已不能满足人们对安全的需求，于是各种逃生装备也慢慢被广泛应用。从环境因素及个人素质等影响因素考虑，它们都存在着一定的问题。

2.1　传统疏散方式及存在的问题

传统疏散方式一般是利用楼梯疏散；利用消防电梯、防烟楼梯、普通楼梯、封闭楼梯及观景楼梯进行疏散；利用阳台、通廊、避难层、救生袋和安全绳等进行疏散；利用墙边落水管进行疏散；将房间内的床单或窗帘等物品连接起来进行疏散等都可以认为是传统的疏散方式[7]。

而这些疏散方式在人口密度越来越大、楼层高度越来越高的今天，遇到危险情况时，其作用就不能够真正解决眼前危急，反而可能会造成额外的巨大损失。传统疏散方式在高层建筑火灾逃生过程中受多方面因素的影响，如各种环境因素及个人生理、心理因素等。

传统疏散方式存在的问题主要表现在：

(1)疏散时间。楼层高度导致垂直疏散距离大，人口密集导致疏散速度降低，直接造成疏散时间的过长。另外，身体疲劳、心理恐慌和老弱病残幼等因素都会使疏散时间延长，从而错过有效的疏散时间，不能在安全疏散时间内到达安全区域。

(2)个人素质及意识。利用传统疏散方式进行疏散受心理素质、个人安全疏散意识和体能等的影响。在遇到紧急情况时，受心理素质的影响很容易产生紧张甚至恐慌，对身处环境反应迟钝，表现出冒失行为；由于缺少必要的应急演练，没有足够的安全疏散意识，对突发情况的处置能力不足，导致错失疏散时机；长距离的逃生路线需要足够的体能来维持，而借助其他附属物品(如水管、床单窗帘和安全绳等)来疏散也需要体能的保证，这对老、弱、病、残、孕、幼儿以及身体素质差的群体是难题。

2.2　现有逃生装置及存在的问题

目前，各式各样的逃生装备被研究开发 出来，并应用于实际，但由于环境、人群的复杂性，其存在的问题也比较明显。比如随着建筑楼层高度的增加，小孩、老人、病人等特殊人群的存在，好多设备就不再适用等。

小型逃生器材类，如逃生绳、逃生软梯、小型缓降器等在使用过程中都受到楼层高度和特殊人群的影响；机械式缓降器类，包括摩擦阻尼型、液体阻尼型、包角加手控型和间歇冲击型等缓降器也受楼层高度的影响；同时在下降过程中需要手动控制，在高度紧张状态下，操作较为复杂；逃生系统装置类，如高楼救生梯等，存在安装维护费用高，需要与建筑结构相匹配，安装在建筑物外影响外观[8]。还有如柔性滑道易擦伤，降落伞需要专业人员操作，救生气垫有高度限制且易偏离等都在逃生过程中存在安全性方面的问题。

3气囊着陆缓冲技术及改进

3.1　气囊着陆缓冲技术

缓冲气囊以其易折叠、质量轻、成本低并具有良好的缓冲性能等优势，使气囊着陆缓冲技术广泛应用于重型装备、物资空投和无人机回收降落以及外太空设备的着陆等领域，其主要功能为减小降落伞面积，大幅降低着陆时受到的荷载冲击，在有限距离内耗散或吸收能量。气囊着陆缓冲技术主要以美国的JPADS(联合精确空投系统)着陆缓冲系统、CM(猎户座登陆舱)着陆缓冲系统为代表。美国AQM-34V和加拿大的CL289等无人机都利用了气囊的减震功能。美国的“火星探路者号”、“勇气号”、“机遇号”火星探测器均采用气囊了气囊缓冲减震技术进行缓冲着陆，前苏联“舍利夫-2型”无货台空投系统同样采用了气囊系统进行缓冲着陆[9-10]。

国内外就着陆缓冲气囊的设计和分析做了大量的理论方面的研究。针对着陆时容易反弹及倾倒等问题设计了多种气囊类型，如无排气孔气囊、排气孔面积固定气囊、排气孔面积可控气囊和组合式气囊等；通过解析分析法利用热力学及刚体动力学等知识对气囊着陆缓冲特性进行建模分析；利用仿真软件如ANSYS_LS_DYNA、MSC_DYTRAN等做有限元仿真分析[11]。

3.2　典型的着陆减震缓冲气囊工作原理

目前典型的着陆减震缓冲气囊的工作过程如图2所示。如图3所示为着陆缓冲减震气囊完全展开状态图[12]。

图2　着陆缓冲减震气囊工作流程图 Fig.2 The workflow of landing buffer cushioning airbags

典型的着陆减震缓冲气囊工作原理为：载荷物离开支撑平台，牵引伞拉直充气直到充满打开，提供足够的牵引力使载荷物不致于在空中倾翻的同时尽量控制载荷物下降速度，与此同时缓冲气囊进行充气展开，当系统以一定的速度着地后，有效载荷体压缩气囊利用内外压力差值迫使系统减速，随着系统速度的不断减小，气囊内压增大并达到某一特定压力值时，排气口打开向外排气，系统速度进一步减小直到安全着地。

1.牵引伞　2.载荷物　3.缓冲气囊 图3　着陆缓冲减震气囊完全展开状态图 Fig.3 The fully expanded state of landing buffer cushioning airbags

3.3　高层建筑火灾逃生面临问题的改进与分析

气囊着陆缓冲技术目前一般应用于各种物资设备的空投、无人机回收和太空设备着陆等方面，要应用于挽救处于险境中有生命的人类，在许多方面都需要作进一步的改进，保证更高的安全系数，以做到将对人体的伤害减小到足够低，提高在危难时刻生存的几率。

(1)控制操作方面。目前气囊着陆缓冲装置在着陆控制过程中多由专业人员精确操作，而要应用于高层建筑逃生，由于建筑物内居住人员多为普通居民，对精确操作难度不小，且面对的又是异常紧急情况，因此需要设计出更为简单的控制操作程序来减小危险。比如装置的便携，牵引伞的提前打开，气囊的提前充气等。

(2)牵引伞打开方面。牵引伞通过伞衣与空气的相对运动充气展开，其充气过程是复杂的强流固耦合的非线性过程。牵引伞的打开都需要一定的时间，这就需要一定的高度来保证伞衣的完全打开，同时保证一个相对安全的平稳下降速度。而相对于高层建筑，与高空空投及空降相比没有足够的高度来保证牵引伞的完全打开与速度的控制。这就需要将牵引伞改进使其快速打开，如将牵引伞改为快速充气型，内充轻质惰性气体保证足够牵引力，保证人体姿势；同时也提供一定的阻力以降低下落速度。

(3)气囊碰撞阻挡方面。当前气囊着陆缓冲装置着陆地点通常选择在空阔的没有障碍的地方，而应用于高层建筑，装置在下降过程中可能会有一些特殊情况的发生，比如建筑物外凸出附属物的擦碰等。通过将气囊形状设计成半球型，从而减小对气囊的正面碰撞直到安全着地。

(4)气囊排气缓冲方面。一般缓冲装置在着陆后，随气囊内压力的增大到额定值，气囊排气口打开排气直到着陆，为防止侧翻等现象也有采用多气室设计。应用于人员逃生，考略到其便携性，则要做到气囊体积尽量的小。将排气口设计成恒压排气，控制气体的排放量和排放速度，可以更好的控制气囊体积。同时采用双气室设计，增加一层防护气囊可以提供二次防护。

通过改进，该气囊着陆缓冲装置具有一定便携性、易操作、缓冲高效且对环境人群的适应性较强，与现有逃生方式进行配合使用加以定期的应急演练，对高层建筑火灾逃生疏散具有深远的意义，对处于危险中的人们也是一种福音。

4结论

本文通过上述分析，从多方面考虑，得出以下结论：

(1)通过对高层建筑火灾逃生情况的复杂性分析，利用气囊缓冲装置的便携性可以合理的延长人员安全疏散时间，可将窗口跳楼逃生可行化。

(2)结合传统疏散方式和现有逃生装置存在的问题，气囊缓冲装置便操作性可以很好的适应复杂人群的使用，也扩大了楼层高度的适用范围。

(3)通过改进，使其操作便易、缓冲高效同时安全性提高、适应性强。应用于高层建筑逃生疏散具有一定的可行性。

总之，利用现有成熟技术，对各部分进行大量后续研究，对气囊着陆缓冲装置各分系统进行优化设计，在这个高层建筑越来越密集的时代，具有一定的利用价值也具有重大的推广意义。

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[责任编辑：董希斌]