针对高层楼宇火灾事故单人逃生的智能可穿戴产品设计研究

石瑞生 陈建新

关键词：高层建筑 火灾事故 单人 逃生装备 智能穿戴产品

引言

高层楼宇是建筑类型目前主要发展的建筑群之一，且频频发生的火灾事故已成为国内外极难攻克的问题。由于火灾事故在高层楼宇频频发生，导致部分居民无法在有效的时间内逃生，造成大量人员财产损失，同时困于火灾现场的人员出现生命危险时被救援速度相对缓慢，很难达到将受困人员安全快速救出的目的。因此逃生装备在发生火灾时发挥着重要的作用，针对各类火灾现场情况与逃生救援情况分析，居民能否有效使用逃生自救装备，直接关系着人们生命财产安全，同时也是当下重要的研究方向。

一、高层楼宇火灾事故

（一）高层楼宇火灾事故概述

从宏观的角度来分析，由于世界各国的经济发展水平和对消防救援技术的重视程度，各个国家对高层楼宇的划分标准都不相同。表1为世界部分国家高层楼宇起始高度情况划分。

高层楼宇是象征国内外城市的发展水平与经济实力的代表之一。综合国内外高层楼宇的定义划分，我国在最新的《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定：（JGJ3－2002）：10层及10层以上或高度超过28m的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。在国内《民用建筑设计通则》中将七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅。

据统计，近十年我国发生高层建筑火灾5万多起。表2为国家消防救援局发布的2022年全国警情与火灾情况的通报，其中高层楼宇建筑火灾明显呈上升趋势，全年接报高层楼宇火灾占总接报件数的0.3%，伤亡人数占整体的27%，基数上升276%。因此，除了要保障好高层楼宇自身的消防工作，消防部门也需要积极思考如何做好高层楼宇火灾救援计划，预设救援思路，给救援工作争取更多的时间，同时居民也可通过相关平台学习了解相关火灾自救知识，从而提高救援效率。

根据调查在发生火灾事故的时候，高层建筑的最佳逃生时间是5～6分钟。因此在高层楼宇火灾事故发生时，由于楼层过高，在人口密度较大的环境高楼内，人群无法在最有效的时间内迅速逃生，将处于楼层过高的人员迅速撤离及疏散到安全的地方是一项较为困难的行動。

在发生火灾事故时，防火区处置不当，由于传播途径众多，很容易迅速引发大面积火灾。导致高层建筑火灾迅速蔓延，而且火势竖向蔓延的速度比横向蔓延快，尤其在电梯井、楼梯道及管道井、玻璃幕墙缝隙等地方，建筑物的燃烧会产生大量的烟雾及有害气体，且高层楼宇在发生火灾5—7 min后，室内温度达到特定极限值时，一旦遇到外部进入的空气便会引发爆炸。因此在较高楼层的人群无法在有效的时间内逃出火灾事故现场，同时，被困于高层楼宇的人群在消防救援未到达时不能有效自救，大部分人群在紧急情况下也不能有效利用楼内自带消防救援装备。

（二）高层楼宇火灾事故相关问题分析

1.高层楼宇火灾事故类型特点

通过调研2021年10月中旬，台湾高雄的“城中城”大楼发生大火；2021年10月，福建厦门的一高层楼宇突发火情；2022年1月，辽宁大连一栋临街居民楼突发火灾；2017年12月中旬，一栋位于韩国忠清北道堤川市的高层体育中心发生火灾；2020年12月，美国巴尔的摩的一座高层办公楼发生火灾爆炸等案例都直接或间接地反映出，由于高层楼宇建筑结构复杂，人员密集，受灾人群对于在发生火灾时的逃生知识匮乏，导致在面对突如其来的火灾时，发生拥挤或踩踏事件。同时在一些社会因素影响下，造成更为严重的二次事故伤亡。其中突发性、蔓延性和复杂性是高层楼宇火灾事故最重要的三个类型特点。

突发性。在突发性火灾事故中，人们由于极度恐惧会产生暂时丧失行为能力的“木鸡”行为。据调查，人群在处于紧张与平静的两种状态下时，对于事情的判断能力有较大的差。因此当火灾事故发生时，随着人群心里承受能力不断下降，大脑神经紧张程度的加剧，理性分析问题的能力逐渐减弱，从而导致了人群反应行为逐渐消弱（如图1）。

蔓延性。由于楼层较高，且“烟囱效应”严重，用户在逃生过程中所遇到的问题多数是由于火灾燃烧引起的，巨大的火势会导致空气中弥漫有毒气体和烟雾。当人体吸入过量的有毒气体时，会对人体产生不可逆转的伤害。在有毒气体产生的同时，会产生烟雾弥漫，能见度降低，通常会导致人群视觉模糊，无法看清周围环境等。

复杂性。在发生火灾时，由于事故现场的特殊性，从而产生许多不可确定的因素。首先，用户在逃生过程中会面临楼层过高、人口密度大等因素导致的疏散困难。据估测，在每层楼人口数量为120人且只有1个疏散楼梯的情况下，在三十层以下至少需要40分钟，三十层以上至少需要55分钟，但通常实际现场情况会更加严重，如人群逃生时容易发生碰撞踩踏、高空坠物砸伤、火势凶猛都会导致不同程度的伤亡。通常更高楼层的用户是无法有效并迅速地逃离火灾事故现场的。

2.高层楼宇火灾事故消防救援

消防救援通常会因为一些社会因素从而错过最佳救援时间，尤其是消防通道的堵塞，消防人员不能及时到达救援现场的情况时有发生，例如在2020年重庆市某小区发生火灾，由于消防通道被占用，消防救援车辆无法在第一时间内到达事故现场。其次，在建筑施工时可能会存在对消防系统安装设计忽视的情况或未能按要求更新消防设备等，从而导致在火灾事故发生时，错过了最佳控制火势趋势和抢救人群生命财产安全的时间。

3.高层楼宇火灾事故救援设备

火灾救援设备中，登高车是高层楼宇火灾事故救援的重要工具之一。一般的登高车可救援的高度在50米左右，部分配置较好的可达80米高的楼宇。国内大部分的高层楼宇的层高在3-4米之间，登高车可救援的楼层仅在14层左右，因此无法利用登高车到达具体的救援高度。较高的楼层也会对救援产生其他的负面影响，如电力系统失灵，带电设备不能有效使用等，因此消防员不得不通过爬行安全通道进行救援，但该效果并不理想，在增加救援时间的同时，降低救援效率。

综上所述，在高层楼宇火灾事故发生时，用户无法在有效的时间内迅速逃生，救援人员无法在有效时间内到达事故现场施救，救援设备老化，质量不过关等会导致严重的火灾事故伤亡。针对高层楼宇火灾事故的救援迫切，急需设计出一款可以提高救援效率的逃生产品设备。

二、智能穿戴技术与应用

（一）智能穿戴技术的概念

美国麻省理工大学多媒体实验室在上个世纪60年代首次将多媒体、传感器、无线通讯等信息技术与服装相结合，形成了一套新型的智能可穿戴设备，并实现了手势、眼睛等多模式的人机交互方式。70年代，Alan Lewis发明了一种带有数字照相功能的智能可穿戴式产品，可以在赌场内预测赌局的胜负。进入20世纪后，智能可穿戴技术的应用越来越广泛，消费型的智能可穿戴产品也应运而生。二十一世纪，随着全球 DPS系统、蓝牙技术，无线连接和传输技术在各行各业的迅速发展，可穿戴式产品的类型越来越多，其功能性和智能化程度也愈发先进。通常来说，具有设备性能较为先进的智能穿戴产品有贴身、尺寸小等特点，还可以实现与网络的实时通信，这使得人们对信息的识别和捕捉能力更加强大，同时对信息的传输也更加及时精准，能使人们不管身处在何地都可以轻松快捷地接入互联网获得自己所需的信息，从而满足各种生活场景的需求。

（二）智能穿戴技术的产品在救援逃生中的应用

目前智能可穿戴产品的市场覆盖了社会各个领域，除了常见的医疗、保健、娱乐、交通和教育等方面，还包括宠物、动物、农业等领域。市面上最常见的智能穿戴产品包括智能手表手环、智能眼镜、蓝牙耳机等。现有的智能穿戴产品需满足两种属性，一是功能相对独立全面，能够在不依赖智能设备等终端的情况下完成全部或部分功能；二是专注于某一类应用功能，需要与智能设备等终端进行配合使用。

智能可穿戴设备在军事领域的应用较为先进，且多应用于消防、地震救援逃生等场景。美军研制一款多功能穿戴设备“BLEEX”，在满足作战需求的同时，也可用于灾难救援。“BLEEX”（如图2）采用液压驱动附着于人体下肢助力的外骨骼 ，产品除自身重量为五十千克，还可承受额外30千克左右的负载，但该装备设计巧妙之处在于穿戴者只能感受到2千克的负重力，本设备通常应用于救灾现场，帮助救援人员搬运救援物资，清理灾后现场等。

国内研发的一种用于滑翔伞或跳伞运动的智能穿戴实用新型产品设备，采用了蓝牙技术、传感器、电子罗盘及气压计等设备，通过各个设备之间的连接、传感及信号处理等技术进行人体运动状态检测，还可测量多种人体生理参数，并及时反馈信息，有助于提升本设备在运行时的安全性能等。该设备虽为娱乐设备，但在产品功能及结构方面可为后面本课题研究做一定参考。

（三）智能穿戴技术在高层楼宇火灾事故逃生中的市场分析

目前，智能可穿戴产品在各个领域的发展日新月异，特别是针对一些救援产品，其主要的目标用户群是救援人员与受灾逃生人员。在人口密集度愈来愈大，高层建筑愈来愈密集、火灾事故愈发严重的情况下，对于高层楼宇火灾事故逃生的智能可穿戴产品需求日益旺盛，市场规模庞大。目前适于高层楼宇火灾事故的单人逃生智能可穿戴产品的研究较少，多为其他类型的救援设备，且大多数救援产品多为非自救型产品，并没有很好地解决用户群体的自救需求。因此总结出该产品的设计重点，避免复杂的操作流程、已使用各年龄段的人群。

三、适于高层楼宇火灾事故的单人逃生智能穿戴产品造型设计实践

（一）适于高层楼宇火灾事故的单人逃生智能穿戴产品设计思路近年来，国内外的火灾事故频频发生，消防救援虽以尽最大努力进行抢救人民群众生命财产安全，但仍存在不足。由于高层楼宇的建筑特殊性和救援设施不完善，本次设计目的在于为高层楼宇发生火灾事故提供一个解决方案。

该产品设计面向的主要用户群体是因受火灾事故的危害居住在高层楼宇的用户群体，将自救逃生功能优势与外观造型设计相结合，从而满足用户使用需求，有效降低了火灾事故人员受难，减少了生命财产损失。产品设计外观主要将现代伞类智能穿戴技术与时尚元素融入造型设计中。本次研究除了设计线下使用的自救穿戴产品，还增添了线上使用的小程序，用户闲暇之余还可以了解相关火灾逃生的知识，且在火灾事故中可以根据小程序内的产品使用规范进行语音播报，从而在最短的时间内穿戴好救援设备加以逃生。

（二）产品造型设计

产品造型集相关功能设计，考虑到用户逃生时的使用情况，造型美观程度，制作成本因素等，在此技术上确定并绘制了草图方案（如图3）。产品的外观造型灵感来源于蜜袋鼯独特的身体结构，同时结合现代流线型跑车对产品正面进行造型设计，给予产品以光滑、灵动、曲面的视觉效果。

（三）产品功能与结构设计

本产品的功能设计遵循以用户为出发点的设计原則，首先要满足产品的基本功能，在此基础上提高产品的易用性。在面对高层突发火灾或其他紧急情况时，首先用户需将该装备取出置于地上，其次穿戴本设备，根据机器自动感应来确认本设备是否穿戴完毕，接着用户从可逃生的路线飞跃而下，设备在0.1秒内重力感知自启动，通过重力加速度自动启动进行人机交互，在紧急情况下，用户可通过控制杆启动该设备，适应飞行，距离可达1000米水坑等地形，产品内置六轴传感器以此来捕捉人群在逃生过程中的姿态，并添加温度传感器用于测定人体温度及事故现场温度，气压计实时采集逃生路途中的海拔高度，同时GPS自动搜索最近的安全着陆点，最后用户安全落地，等待救援（如图4）。

结构设计方面，在机身上添加红十字标识，并为其增添灯光效果，可以给后方逃生者起到指引路线和绕道逃生的警示作用，避免使用人群过多，造成碰撞等其他意外危险行为，还可以给救援人员指引方向。在机身的四周增添可收缩机翼轮，在使用时四周机翼轮展开飞行，以控制人体飞行时平衡度及速度，当机翼收缩时节约了该产品的占用空间。在产品配色方面主要以黑色为底色，再加上红色和橙色，可供用户选择。红色是生命健康和行动力强的颜色象征，还有警示的寓意，且在我国有吉祥、乐观之意。橙色是暖色系中最温暖的颜色，太阳光也为橙色，寓意逃生者逃离火海迎来新的希望，大多数的消防救援服颜色为橙色，且橙色的外壳有着阻燃性能，该颜色十分鲜艳，易于辨认，可以帮助逃生人员更容易被救援人员及时发现（如图5）。正面安全带设计采用安全系数较高的五点式设计，通过固定肩膀和胸部，紧贴胯部两侧和臀部，确保使用者在使用产品时的安全稳定，同时五点式安全也可在一定程度上减少使用者的学习时间，提升逃生人群在最短时间内快速穿戴本产品，再加之辅助控制杆，可以让使用者灵活地控制方向及速度。并在底部加设卡扣固定板，以此来加固用户和产品的稳定性（如图6）。

（四）产品材料

在材料的选用上，使用抗腐蚀耐高温的钛合金、石墨烯材料；军用级别的跳伞背带；产品表面又再次覆盖高强度、耐磨、环保、防火超纤材料，在最大程度上保障产品的防火性能。

（五）产品用户体验设计

在用户体验方面，本产品从易用性的角度出发，用户直观了解本逃生装备的使用方式是通过线上小程序。相较于App而言，小程序的应用更容易被广大用户所接受。本产品从易用性的角度出发，用户通过线上小程序可以了解到相关火灾自救方式及本设备的使用方式（如图7）。在紧急情况下，用户可根据小程序内的产品语音操作指导，在短时间内有效穿戴本逃生设备进行逃生，从一定程度上有效提高用户逃生机率，为用户打造一个完善的界面指引和功能布局，实现用户体验感最大化。通过小程序进行预约线下该逃生装备使用的培训和定期检查该设备的安全性能等需求。

根据用户的实际需求设计小程序界面的主要功能为：火灾知识，设备使用、个人中心和紧急联络等功能点，同时为了方便用户的使用也增加了受灾中使用指引、语音安抚等特色功能。

（六）产品设计验证

设计实体化对于产品设计和服务设计都是必不可少的。通过设计评价，可以确定方案的可行性和用户对方案的满意度。根据用户反馈总结当前设计的不足之处，重复迭代设计过程。设计验证采取问卷调查的形式，对前期调研的用户进行回访，评估逃生设备在适用于高层建筑消防的智能穿戴产品设计实践中使用的安全性、设备的实用性、外观的美观性、小程序界面设计的美学性等方面的整体设计满意度。评价等级分为五级；等级越高，设计的认可度就越大。受时间、地点和环境的影响，我们选择了在线问卷形式。向50名用户发送了问卷，其中45份是合法的并被收集。对反馈结果进行分类后，绘制了相应的数据分析图。从图表的数据来看，用户对整体方案比較满意，但仍有许多细节和选项需要细化和增强。

结语

在经济水平不断提高的背景下，城市建设中出现了越来越多的高层楼宇，解决高层楼宇火灾事故逃生问题已经变得迫在眉睫。单人逃生智能穿戴产品是用户火灾自救的良好选择，能够有效提升高层楼宇火灾事故逃生问题的解决率。该类单人逃生智能穿戴产品可以体现出直接自救的功能，使得该产品在火灾第一现场发挥更加重要的作用。通过使用该产品，用户能够更加快速、全面、有效、安全地逃离火灾现场，从而帮助救援任务的实施更加顺利。在当前火灾事故频繁发生的背景下，这些智能穿戴产品成为了高层楼宇火灾逃生的必备装备，也是提升公共安全的一项重要举措。