高层火灾楼梯电梯协同疏散策略研究

王恒

摘要： 近年来，高层建筑火灾频发，为提高疏散效率，减少人员伤亡，提出了一种高层火灾楼梯、电梯协同疏散策略。该疏散策略中，电梯根据到达目标楼层满载关门后该层及以上楼层是否还有待疏散人员来判断是否停靠该层，疏散过程中，最理想的情况就是从楼梯中下来的最后一个人与从电梯中下来的最后一个人同时到达出口处。然后，据此建立了疏散时间计算模型，利用实例进行计算分析，得到最短所需安全疏散时间。

Abstract： In recent years， high-rise building fire occurs frequently. In order to improve the evacuation efficiency and reduce the casualties， this paper puts forward a kind of staircase and elevator coordinated evacuation strategy in the high-rise building fire. In this evacuation strategy， the elevator determines whether to stop at the floor according to the floor and above the floor whether is still to be evacuated personnel after reaching the target floor full load and closing the door， the ideal situation is down from the stairs in the last one and down from the elevator in the last one to reach the exit at the same time. Then， the calculation model of evacuation time is established， and the shortest required safe evacuation time is obtained by using the example.

關键词： 高层建筑；火灾；楼梯；电梯；协同疏散

Key words： high-rise building；fire；stairs；elevators；collaborative evacuation

中图分类号：TU972+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0064-03

0 引言

随着我国人民生活条件的提高和交通运输的便利化，大量农村人口迁入城市，大大加快了城镇化建设的进程，城市用地出现一度紧张，而高层建筑的到来不仅缓解了用地紧张的问题，也成为了各个城市的标志性建筑。中国是全球拥有高层建筑最多的国家，仅上海一地，高层建筑数量就从上世纪八十年代的121栋发展至今天的3万多栋。然而，随之而来的还有一系列潜在的安全隐患问题，其中高层建筑火灾对人们的生命、财产安全危害最大。据《中国消防年鉴》（2015）统计，2014年全国高层建筑火灾共发生5571起，死伤人数107人，直接经济损失达9565.9万元，比2013年全国高层建筑火灾4989起增加了11.7%，且有愈演愈烈之势。

高层建筑发生火灾时，为了提高疏散效率，减少人员伤亡，在有限的时间内疏散尽可能多的人员，本文对国内外的研究现状进行了分析，在已有研究成果的基础上，提出了一种楼梯结合电梯进行人员疏散的协同疏散策略。

1 电梯疏散的可行性

长期以来，受到“火灾时禁止使用电梯”规定的影响，我国的消防部门和科研工作者们一直忽视了对高层建筑火灾情况下利用电梯进行人员疏散的研究，致使发生火灾时人员疏散混乱，效率不高。但是，任何事物都不是一成不变的，随着我国科学技术的发展，电梯的安全性能也得到了很大提高，这使得火灾情况下利用电梯进行人员疏散具有了一定的可行性。

早在1974年，美国学者Bazjanac第一次提出了电梯疏散的思想，此后，逐渐有更多的专家投身于对高层建筑火灾电梯疏散系统的研究中来[1]。国内学者王跃琴等人利用实例分析的方法论证了火灾情况下电梯用于人员疏散的可行性[2]；宋文华等人从电梯的改进措施方面说明了电梯进行人员疏散具有一定的可行性[3]。

高层建筑火灾的发展过程可以分为三个阶段，即火灾初期阶段、全面发展阶段和火灾减弱阶段。火灾初期阶段燃烧范围不大，仅限于初始起火点附近；室内温度差别大，在燃烧区域及其附近存在高温，室内平均温度相对较低；火灾发展速度较慢，在发展过程中，火势不稳定。若火灾经过诱发成长，一旦达到全面发展阶段，则该室内未逃离火场的人员将受到生命威胁[4]。

根据火灾初期阶段的特点可知，该阶段是人员安全疏散的最有利时机[5]，在此期间，火灾对电梯的安全运行几乎并未构成威胁，人员可以利用电梯进行疏散，并能大大提高疏散效率。如果能够对电梯疏散系统进行改进，如采取正压送风，防水、保电等措施，在每一层楼的电梯前室安装感温、感烟、感光装置，可进一步提高电梯疏散的安全性，增加人员可用安全疏散时间。而且，在火灾情况下使用电梯成功疏散的案例也有不少。1974年2月5日，巴西圣保罗市焦马大楼发生火灾，而在火灾初期，4部电梯共成功疏散了300人，占422名生还者的71%；1996年10月28日，日本广岛一栋高层公寓楼发生火灾，这次火灾中有一半以上的人员都是利用电梯逃生的；2006年，上海江宁路凯迪克大厦发生火灾，不少在该大厦工作的白领见到浓烟后匆忙撤离，其中有的人就是直接利用电梯逃生的。所以，高层建筑火灾初期利用电梯进行人员疏散具有一定的可行性。

2 楼梯、电梯协同疏散模型

高层建筑发生火灾时，为了充分利用建筑物的自有疏散设施，可采用楼梯结合电梯的疏散模式。但电梯的运行方式与平时不同，须采用新的停靠规则实现最为有效的疏散，即疏散开始时，人员首先选择楼梯进行疏散，电梯自动计算运行到最高楼层时，该层尚未疏散的人数是否大于（或等于）电梯额定人数，若大于（或等于）则选择停靠，并根据未疏散人数确定停靠在该层的电梯数量，若小于则不停靠，继续计算运行到下一层时未疏散人数是否大于（或等于）电梯额定人数，直到计算出运行到第二层时，该层的未疏散人数小于电梯额定人数，则电梯停止运行。且设定疏散开始时电梯位于一层，即使未满载，疏散途中也不停靠上人。下面是计算疏散时间的数学模型。

2.1 计算楼梯疏散时间

2.2 计算电梯疏散时间

设Ni为电梯第i次上行时建筑物内总人数，xi为电梯第i次停靠楼层数，Mi为电梯第i次停靠楼层的未疏散人数，nj为第j层的总人数，k为该部电梯从开始上行到停靠楼层之间其余电梯在该层停靠的总次数，l为该部电梯第i次上行与第（i+1）次上行之间其余电梯停靠的总次数，f为下楼梯的人员流量，ti为电梯第i次上行时间，tin为电梯开关门一次和人员进入总时间，to为电梯开关门一次和人员离开总时間，q为电梯额定人数。根据前述电梯停靠规则，建立电梯第i次停靠楼层的计算模型见式（3）。

3 模型应用

3.1 基本情况

本文以某公寓楼为例，楼内装有感温式火灾自动报警系统，灵敏度为一级。该建筑物地上34层，首层层高3.9m，2到34层为标准层，层高3m。水平疏散通道为内通道，呈直线型布置，在水平通道的两端各有一部楼梯和一部电梯用于人员疏散，该段疏散路径形式简单，逃生人员能够较快熟悉，发生火灾时，有利于人员快速选择出正确的疏散路径。由于首层为临街商铺，与标准层不共用任何疏散通道，疏散过程中相互之间没有影响，所以，在模型计算时，只需考虑标准层的人员疏散时间即可。

3.2 数据收集

该公寓楼标准层每层有162人，水平通道长57.4m，宽1.8m。从一层上二层的第一个梯段有16个踏步，第二个梯段有10个踏步，标准层楼梯的每个梯段都有10个踏步；每个踏步长1.6m，宽0.3m，高0.15m；楼梯井宽度为0.2m；楼梯休息平台长3.4m，宽1.7m。首层安全出口处的大厅面积是39.1m2，一层楼梯口到安全出口的距离为9.32m，安全出口的宽度为1.65m。

实测电梯开、关门时间均为2.5s，电梯额定运行速度为4m/s，加速度为1m/s2，额定载重量1600kg，可乘21人，一层电梯口到安全出口的距离为4.99m。

3.3 模型计算

基于多年事故经验及实验数据，取火灾自动报警时间为60s[8]；根据英国《建筑火灾安全工程》中的推荐，人员疏散准备时间取300s[9]。该公寓楼居住人员以成年男性为主，取紧急状态下人员水平行走速度为1.35m/s，由上向下行走速度为1.06m/s，tin=20.2s。hi为第i层到一层地面的垂直高度，通过计算得出电梯从一层运行到各楼层的上行时间，结果见表1。

一部疏散楼梯的有效宽度为1.36m，每层待疏散人数为162人，因为p/w=162/（1360×2）=0.06<0.1，故不能使用式（1）来计算下楼梯的人员流量。采用Fruin提出的人均占用楼梯面积来计算通过楼梯的人员流量[10]，根据进入楼梯间的人数，取楼梯上单位宽度的人流量为0.91人/m·s，相应的人员下楼速度为0.4m/s。称任意一部电梯为甲，则另一部电梯为乙，计算得出楼梯、电梯协同疏散策略中，甲、乙电梯在各楼层的停靠次数见表1。

以该公寓楼的数据为基础，本文将其他条件不变，楼层总数分别为10层和20层两种情况与楼层总数为34层情况下的疏散结果进行对比分析，每种情况同时考虑了三种疏散策略，即全部人员仅用楼梯疏散，全部人员仅用电梯疏散和楼梯、电梯协同疏散策略，不同楼层总数和策略下的疏散结果见表2，表中RSET为人员所需安全疏散时间。

4 结论

通过对表2中楼层总数相同情况下的不同疏散策略和同疏散策略不同楼层总数情况下的疏散结果进行对比分析，得出以下几条结论。

①楼层总数分别为34层、20层和10层情况下的楼梯、电梯协同疏散人员所需安全疏散时间，均比全部人员仅用楼梯疏散时的所需安全疏散时间短，说明电梯参与高层建筑人员疏散时能够提高疏散效率。

②楼层总数分别为34层、20层和10层的楼梯、电梯协同疏散策略下，电梯疏散人数占总人数的比例分别为16.5%、17.7%和20.2%，说明随着楼层总数的增多，相应的最佳协同疏散策略中，电梯疏散人数占总人数的比例逐渐减小。

③楼层总数分别为34层、20层和10层的楼梯、电梯协同疏散策略下，电梯疏散时间与楼梯疏散时间的比率分别为0.975、0.923和0.908，说明随着楼层总数的增多，在楼梯、电梯协同疏散策略中，电梯疏散时间与楼梯疏散时间的比率趋近于1，基本符合最理想的情况，即从楼梯中下来的最后一个人与从电梯中下来的最后一个人同时到达出口处。

④楼层总数分别为34层、20层和10层的情况下，楼梯、电梯协同疏散比全部人员仅用楼梯疏散的效率分别提高了13.4%、12.7%和11.0%，随着楼层总数的增多，楼梯、电梯协同疏散的效率逐渐提高，说明高层建筑的楼层越高，该协同疏散策略的优势越明显。

参考文献：

[1]刘文硕.高层建筑火灾疏散方案研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[2]王跃琴，陈先斌，AISEKIZA WA.高层建筑火灾中利用电梯疏散的可行性研究——广岛Motomachi高层公寓安全疏散案例研究[J].消防技术与产品信息，2002（10）：52-55.

[3]宋文华，伍东，张玉福.高层建筑火灾初期利用电梯进行人员疏散的可行性探讨[J].中国安全科学学报，2008，18（9）：67-72.

[4]李斌.重庆市人员密集公共建筑防火安全设计评价初探[D].重庆：重庆大学，2009.

[5]伍东.高层住宅建筑火灾情况下人员安全疏散研究[D].天津：天津理工大学，2009.

[6]王晓光，许雪龙.高层教学楼楼梯电梯混合疏散方案的研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2011，33（1）：51-54.

[7]吴春雨.人员疏散基础数据研究[J].科技创新导报，2009，138（30）：180-181.

[8]伍颖，李卓球.高层建筑火灾人群疏散模型研究[J].安全与环境工程，2008，15（3）：87-89.

[9]吕勇.公路隧道火灾人员逃生不确定性研究[D].西安：长安大学，2013.

[10]赵忠洋.老年公寓楼人员安全疏散可靠性评估[J].武警学院学报，2011，27（4）：34-37.