地震快速逃生装置研究

张　鑫

(华东建筑设计研究院有限公司，上海　200041)

0　引言

2018年5月12日是2008年四川汶川发生8.0级大地震10周年纪念日。根据2008年7月2日的统计，四川汶川地震造成69 195人遇难，失踪18 389人[1]。也就是说那次地震共有8.7万余人失去了生命，成千上万家庭遭遇了巨大打击，给人民的生命财产带来了重大损失。我国是世界上地震多发国家之一，根据国家地震科学数据共享中心网站统计，2008—2017年全国共发生地震367起，其中一般地震灾害(5.0～6.0级)有313起；较大地震灾害(6.0～6.5级)有30起；重大地震灾害(6.5～7.0级)有19起；特别重大地震灾害(7.0级以上)有5起。目前地震预报还处于研究阶段，绝大多数地震还不能给出临震预报，地震的发生往往出乎预料。地震成灾具有瞬时性，地震作用的时间很短，最短十几秒，最长两三分钟，就会造成山崩地裂，房倒屋塌，使人们猝不及防。由此可见，地震逃生最重要的一点是快速从建筑内各楼层撤离到室外敞开的安全区域。地震发生时，建筑物因地震波的作用会有水平和竖向振动或摇摆，这种情况下，人们在平地上行走都很困难，若是再从多层或高层建筑内经楼梯疏散到首层室外安全地带，疏散时间长难度大。因此，研究用于地震情况下快速逃生工具十分重要。

1　快速逃生装置的设计

笔者自2001年美国“9·11”事件之后一直在研究高层建筑快速疏散问题[2-6]。本文提出一种新型快速逃生装置——无动力滑道，由正、反向螺旋式滑道构成，可用于在地震和火灾情况下高层建筑内人员的快速逃生。该新型装置主要特点有：(1)构造形式简单，使用十分方便，可用于一般人员和老、弱、病、残人员在紧急情况下从较高的楼层快速疏散到首层；(2)无需任何动力和体力，在完全停电状态下也可正常使用；(3)它疏散速度快、容量大；(4)平时可用于高层建筑内的部分垂直交通。

该新型逃生装置的基本原理是以滑行代替步行，大大加快了人们从高层建筑内向下疏散的速度。一般人步行的速度为1.1～1.8 m·s-1，人在滑道上滑行的速度可达到4.0～6.0 m·s-1，甚至会更快。步行与滑行示意如图1所示。

为了避免人们在螺旋式滑道下滑会产生眩晕现象，根据“运动生理学”原理，经过多次人体平面模拟试验，主滑道采用正、反螺旋交替布置使人体感受器官内耳前庭在运动中得以平衡[7]。新型逃生装置是由特种螺旋滑梯和分流阀等部件组合而成。特种螺旋滑梯的平面投影呈“8”字形，由正、反螺旋体组合而成。无动力滑道平面投影如图2所示，单、双滑道立体示意见图3和图4。

图1　步行与滑行示意图

2　滑行速度研究

通过理论计算和试验研究，可求出入口支滑道、主滑道和首层缓冲滑道与水平面的夹角分别为β1，β2，β3，且β1>β2>β3，可使下滑者分别以加速度、匀速度和减速度向下滑行，见主滑道纵剖面展开示意图5。各类滑道坡度的确定，要满足人员疏散和安全的要求。根据物理学牛顿定律[8]，调整滑道与水平面的夹角，按公式(1)计算加速度。

1.入口支滑道；2.单滑道的主滑道；3.上一楼层支滑道；4.双滑道的主滑道；5.下一楼层支滑道

1.入口支滑道；2.顺时针旋转主滑道；3.逆时针旋转主滑道；4.分流阀；5.出口支滑道；6.下滑人员

1.入口支滑道；2.顺时针旋转主滑道；3.逆时针旋转主滑道；4.分流阀；5.出口支滑道；6.下滑人员

(1)

式中，a为沿滑道方向的加速度(m·s-2)，当a>0时加速下滑，当a<0时减速下滑，当a=0时匀速下滑；F1为地球引力产生的拉力(N)；F2为摩擦力(N)。

1.入口滑道；2.主滑道；3.首层滑道

通过设定各段滑道的坡度，可得滑行速度。(1)设定β1(可设β1=40°)，使滑行者在入口支滑道上作加速下滑(a>0，F1>F2)，当滑行者刚进入主滑道时其速度为V0(设V0=4.0 m·s-1，通过试验研究可以得到)。(2)设定β2(可设β2=35°)，使滑行者在主滑道上以某一速度V作匀速下滑(a=0，F1=F2)。(3)设定β3(可设β3=20°)，使滑行者在该段滑道上作减速下滑(a<0，F1

人们在主滑道上滑行速度涉及到主滑道的坡度、材料、表面摩擦系数等因素，除通过理论计算外，还要通过人体试验来验证，只有通过大量的试验数据分析研究，才能设计出适合人体下滑的速度，这项研究工作目前正在准备中。

3　滑道的宽度

主滑道的净宽可按成人体形来确定，滑道的净宽度仅限单人滑行，一般单滑道净宽度取0.4 m左右。在每层楼的滑道入口处可增加阻断阀(正在研究中)。阻断阀设在主滑道与入口滑道相交处，主要解决人员从入口支滑道滑行进入主滑道时人与人产生碰撞问题，使得下滑者在主滑道上形成一定的间距依次下滑。

4　分流阀的设计

人员快速下滑到首层，且首层滑道的坡度最小，滑行者作减速下滑运动。如不采取一些技术措施，大量的人员到达首层时会产生挤压和踩踏现象，存在严重的安全隐患。因此，在首层滑道的上部设计分流阀，利用人体下滑的推力，自动将一个滑道上的人流分流到两个滑道上，避免下滑者前后相挤，分流阀的形式如图6所示。图中A、B、C属于人体下滑时经过分流阀的三个状态，A表示分流阀处于空置状态；B表示第1个人通过了分流阀，而第2个人正要通过分流阀，此时分流阀下段右侧分滑道已关闭，左侧分滑道打开，使得第2个人顺利地下滑到左侧分滑道；C表示第2个人通过分流阀，而第3个人正要经过分流阀，此时分流阀下段左侧分滑道已关闭，右侧分滑道打开，使得第3个人顺利地下滑到右侧分滑道。依此类推，分流阀不断地左右摇摆，起到开关分流作用，将1股人流分为2股人流，当人员进入下段左右分滑道的同时，下滑者之间的间距也就拉大了。为了加大下滑者之间的间距，在首层主滑道上增加三道(或更多道)分流阀，如图7所示。如此，可大大增加下滑者之间的间距，可避免大量人员下滑到首层时出现挤压或踩踏事故。布置三道分流阀后，经计算当下滑者即将停下来时(V=0)，前后下滑者的间距将大于12.0 m[9]，可确保下滑者相互之间不会出现挤压或踩踏现象。

1.上滑道；2.分流阀；3.右侧支滑道；4.左侧支滑道；5.下滑者

1.分流阀；2.主滑道；3.支滑道

5　结论

综上所述，新型快速逃生装置采用特种螺旋式滑梯，主滑道由正、反向螺旋滑道组合而成，解决了人体做螺旋运动产生眩晕现象。它无需任何动力和体力，构造简单、使用方便；它可用于多层、高层和超高层建筑内各类人群(含老、弱、病、残者)在应急情况下快速逃生。在平时应用它也可代替高层或超高层建筑内部分垂直向下的交通，可节省能耗，减少电梯数量，节省工程总投资。该新型疏散设备的应用，可解决当今世界超高层建筑快速疏散的难题。

快速逃生装置目前正处于研究阶段，虽然对主滑道形式做了38次人体平面模拟试验，也获得了很好地效果[3,10]，但还有很多研究内容需要试验来验证。主要试验有：(1)滑道的坡度要根据不同材料表面与人体衣服摩擦的试验数据确定。(2)人体下滑速度试验。(3)分流阀的人体模拟试验。(4)整体滑道人体下滑试验。这些试验还需要大量的人力和物力，希望国家和社会各界大力支持这项新型技术的研究，使它早日应用于实际工程或既有建筑中，在地震或火灾情况下确保人民的生命安全。