高層建筑安全疏散問題研究

摘要：文章圍繞高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)內(nèi)部人員的疏散問題，以人員疏散設(shè)施及輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)和管理為切入點(diǎn)，深入研究了高層建筑人員疏散相關(guān)理論，包括可用安全疏散時(shí)間、必須安全疏散時(shí)間和人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間的特征參數(shù)等，并基于FDS+Evac軟件對人員安全疏散問題進(jìn)行數(shù)值化模擬，量化了影響人員安全疏散的基本要素，為高層建筑的消防安全管理研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：高層建筑;安全疏散;消防安全管理;FDS+Evac高層建筑安全疏散問題，是消防安全管理研究的重點(diǎn)內(nèi)容，也是評定火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大小的重要依據(jù)[1]。高層建筑人員密度大、流動(dòng)性高，一旦發(fā)生火災(zāi)，勢必造成內(nèi)部人員的恐慌，在這種心理作用下，往往會給人員疏散帶來極大的困難，容易引起并發(fā)（如人員踩踏）事件的發(fā)生。因此，如何科學(xué)合理地疏導(dǎo)擁堵人員，既能夠給火災(zāi)撲救爭取時(shí)間，又能夠確保建筑內(nèi)部人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全，是高層建筑防火設(shè)計(jì)中需要考慮的首要問題[2]。一、高層建筑火災(zāi)安全疏散影響因素分析由高層建筑火災(zāi)中熱風(fēng)壓、火風(fēng)壓以及火煙蔓延、擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，高層建筑一旦起火，若未能在火災(zāi)發(fā)展初期采取有效的滅火措施，使火災(zāi)發(fā)展到成長期乃至后期，將會造成重大人員生命財(cái)產(chǎn)損失[3]。因此，如何在允許的時(shí)間內(nèi)采取有效措施，使建筑內(nèi)部的人員生命和財(cái)產(chǎn)免遭火災(zāi)損害，是高層建筑防火安全的一個(gè)重要課題。高層建筑安全疏散就是使室內(nèi)人員和重要物資在一定安全時(shí)間內(nèi)，在熱、煙污染來到之前，通過特定的安全空間，才能確保其安全的遷移和運(yùn)動(dòng)。由走道、樓梯間前室、樓梯間等安全空間，將室內(nèi)人員和重要物資轉(zhuǎn)移到安全場所。（一）安全疏散與避難設(shè)施火災(zāi)會造成建筑材料的燃燒，釋放大量的熱和有毒煙霧，同時(shí)建筑內(nèi)部的電纜、照明等設(shè)施也會相繼損壞，給人員的安全疏散帶來極大的不便。此外在遭遇火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)部人員會產(chǎn)生不同程度的心理壓力，從而影響其應(yīng)對突發(fā)事件的能力[4]。火煙是造成人員傷害和影響人員迅速撤離的主要因素，據(jù)研究表明，在火災(zāi)中，當(dāng)火煙進(jìn)入通道，使環(huán)境溫度超過45℃以上，就已超出人體可忍耐的限度，從而引起人體出現(xiàn)出汗、脫水、疲勞、心跳加快的現(xiàn)象發(fā)生[5]。根據(jù)我國模擬火場試驗(yàn)，火煙污染環(huán)境對人體生理作用的實(shí)測，在火煙所污染的通道和開門的房間中，一氧化碳的濃度為1.28%，或二氧化碳的濃度為10%，或房間溫度達(dá)到149℃時(shí)，任何一項(xiàng)指標(biāo)均可以造成室內(nèi)人員獲救生還的時(shí)間極限范圍為2.1～11.5min[6]。因此，在火災(zāi)發(fā)展過程中，自始至終保持安全疏散通道中的安全環(huán)境，是保證人員迅速撤離的關(guān)鍵，為了確?；馂?zāi)時(shí)人員安全疏散，減少人員傷亡，高層建筑進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)置消防設(shè)施和安全疏散設(shè)施。建筑的安全疏散和避難設(shè)施主要包括疏散走道、疏散樓梯、疏散出口、避難層、避難間以及消防照明系統(tǒng)等，安全疏散和避難設(shè)施的設(shè)置與建筑的高度、區(qū)域的面積及內(nèi)部布置、室內(nèi)空間高度和可燃物的數(shù)量等密切相關(guān)，對滿足人員安全疏散起到至關(guān)重要的作用。1.安全出口安全出口主要是指樓梯間、室內(nèi)外樓梯的出入口等，火災(zāi)發(fā)生時(shí)安全出口的重要性不言而喻，《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[7]《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[8]等相關(guān)規(guī)范對高層防火設(shè)計(jì)時(shí)針對安全出口的間距、面積等重要參數(shù)做出了規(guī)定，此外工作人員必須做到定期檢查并對相關(guān)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)。2.疏散出口高層建筑層高較高、樓層多，有些高層建筑體型相對復(fù)雜，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)開設(shè)的疏散出口數(shù)量、形式需要根據(jù)擬建建筑的用途、人員密度等情況進(jìn)行確定，必須滿足人員撤離時(shí)的最小間距。常見的疏散通道主要指疏散門，在門的開設(shè)位置，應(yīng)當(dāng)根據(jù)人員疏散時(shí)的方便性而定。3.安全疏散距離安全疏散間距是根據(jù)建筑物內(nèi)的用途、人口密度進(jìn)行確定的，人在火災(zāi)情況下易出現(xiàn)恐懼，逃離火災(zāi)現(xiàn)場的行為會表現(xiàn)出逃生無組織、慌亂的現(xiàn)象，若安全疏散距離過長，勢必造成人員更加恐懼的心理。4.疏散走道疏散走道應(yīng)當(dāng)保證具有一定的寬度，在一定的人口密度下，火災(zāi)緊急情況能夠使人在較窄的疏散走道內(nèi)發(fā)生擁堵、踩踏等事件，為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其寬度滿足要求。5.消防照明系統(tǒng)消防照明系統(tǒng)是用于建筑內(nèi)人員的安全疏散、逃生、避難和消防作業(yè)等應(yīng)急行動(dòng)的重要消防設(shè)施。其主要功能是在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為人員的逃生提供照明，同時(shí)又為滅火救援工作的持續(xù)開展提供應(yīng)急照明。（二）室內(nèi)人員密度房間中人員密度大小，直接影響到該房間內(nèi)的人員安全迅速撤離房間進(jìn)入安全疏散通道中的時(shí)間長短，即安全疏散時(shí)間的長短。各種不同用途房間的人員密度如表1所示。上述各種用房的人員密度，決定了一旦發(fā)生火災(zāi)，每層樓所需要進(jìn)入疏散通道中的人數(shù)以及群集遷移時(shí)的流動(dòng)速度，也是疏散通道尺寸大小和出口寬度的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。（三）輔助疏散手段高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，緊急疏散和撤離全部人員需要較長時(shí)間，特別是“9·11”事件中，世貿(mào)中心雙塔內(nèi)的被困人員絕望中從100多層縱身跳下的慘烈情景震撼人心，激發(fā)了世界各國對高層建筑輔助消防設(shè)施的重視。1.轎廂式疏散設(shè)備轎廂式疏散設(shè)備是一種高層建筑緊急疏散和逃生裝置，無需外部電源，緊急情況下只需簡便滑出后即可實(shí)現(xiàn)群體疏散自救，其結(jié)構(gòu)主要包括速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、拽引輪、復(fù)繞輪、轎廂、承重及換向定滑輪、配重繩及換向定滑輪。常見的轎廂式室外疏散設(shè)備根據(jù)速度調(diào)節(jié)原理的不同有空氣阻尼式和磁阻尼式。2.柔性救生滑道柔性救生滑道是一種能使多人依次從高處在其內(nèi)部緩慢滑落的逃生用具，采用摩擦限速原理，達(dá)到降落的目的。通常在其內(nèi)部的導(dǎo)套具有抗靜電性能，可以避免人體滑落時(shí)因摩擦熱而灼傷，外部具有一定的防火性能和抗輻射性能。該裝置可以供多人同時(shí)使用、成本低廉，但是受高度限制，需要經(jīng)常檢查維護(hù)。3.自動(dòng)救生充氣墊該裝置是一種利用充氣產(chǎn)生緩沖效果的高空救生設(shè)備。其材料為高強(qiáng)度的纖維材料，由高壓氣瓶提供氣源，該裝置構(gòu)造簡單、可以供多人反復(fù)使用，氣墊充氣并拋到樓下后人往上跳起即可逃生，但是該裝置僅限于高度為3～4層的樓房使用。二、人員安全疏散相關(guān)理論人員從著火的建筑物中疏散到安全區(qū)域所需要的時(shí)間為必需安全疏散時(shí)間（RSET），火災(zāi)對人體構(gòu)成威脅的時(shí)間為可用安全疏散時(shí)間（ASET）。人員能否安全疏散取決于著火建筑物的人員是否能在火災(zāi)發(fā)展到對人體構(gòu)成危險(xiǎn)之前到達(dá)安全區(qū)域[9]。（一）必需安全疏散時(shí)間（RSET）必需安全疏散時(shí)間表示從起火時(shí)刻到人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間。RSET=Tdet+Talarm+Tpre+Tmove（1）式中：Tdet為火災(zāi)探測時(shí)間;Talarm為接受警報(bào)時(shí)間;Tpre為人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間;Tmove為人員疏散時(shí)間。（二）可用安全疏散時(shí)間（ASET）可用安全疏散時(shí)間表示從起火時(shí)刻開始到火災(zāi)對人員安全構(gòu)成威脅的時(shí)間，該時(shí)間的判定指標(biāo)有輻射熱、煙氣溫度、有毒氣體等。ASET=min{Ta，Tb，Tc，Td，Te，Tf}

（2）式中：Ta為人體達(dá)到不能承受的熱輻射通量臨界狀態(tài)的時(shí)間;Tb為人體達(dá)到不能承受的煙氣溫度臨界狀態(tài)的時(shí)間;Tc為組織人員逃生的能見度狀態(tài)來臨時(shí)間;Td為人體達(dá)到不能承受的有毒氣體臨界狀態(tài)時(shí)間;Te為達(dá)到任何一種有害燃燒產(chǎn)物的臨界濃度時(shí)間;Tf為其他危險(xiǎn)有害因素臨界狀態(tài)到達(dá)的時(shí)間。（三）人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間基本特征參數(shù)人員的流動(dòng)系數(shù)和人員移動(dòng)速度是計(jì)算人員從建筑物內(nèi)某一個(gè)地方運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)地方時(shí)間的關(guān)鍵。人流密度、疏散通道寬度和人員的行走速度的乘積值為某一時(shí)間段內(nèi)通過某一個(gè)定點(diǎn)的人員流量，疏散通道寬度和人流密度影響人員在疏散通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，若疏散通道很窄，疏散通道內(nèi)的人流密度會相應(yīng)地增加，疏散人員運(yùn)動(dòng)速度就會相應(yīng)地降低。人員的空間要求、人員密度、人員流量和人員移動(dòng)速度構(gòu)成了研究人員疏散基本參數(shù)。下文列出了一些經(jīng)驗(yàn)公式中常用的基本特征量與它們之間的關(guān)系。1.人員空間要求人員活動(dòng)的重要方面之一是一個(gè)人所占空間的面積。一定的空間被一個(gè)人占據(jù)，當(dāng)這個(gè)人走動(dòng)時(shí)，會有規(guī)律地釋放并再次占據(jù)一定空間。除此以外，一個(gè)人與其周圍的環(huán)境以及其他行人需要保持一定的距離，因此還存在一定的緩沖空間。2.人員密度單位面積人員的數(shù)量就是人員的密度。人員密度是確定疏散通道大小及各層樓進(jìn)入疏散通道的人數(shù)的重要依據(jù)。為：D=N/LW（人/m2）（3）式中：N為人流的人員流量;L為人流長度;W為人流的密度。人員密度分類如表2所示。3.人員流量在空間的單位寬度、單位時(shí)間內(nèi)能夠通過的人數(shù)定義為人員的流動(dòng)系數(shù)，計(jì)算公式為：S=V×D×L（4）人員在樓梯的步行速度是指人員沿著樓梯斜面步行的實(shí)際速度。人員的步行速度與人員的密度相關(guān)，人與人之間的間距越大，人員密度就越小，人員行走速度就相對較快，反之，人員的移動(dòng)就會相對較緩。4.人流的移動(dòng)速度單位時(shí)間內(nèi)人流的行走距離就是人流移動(dòng)的速度。因?yàn)樵诎l(fā)生火災(zāi)進(jìn)行疏散時(shí)人們都會處在群集的狀態(tài)，而在群集的場合，人群密度決定了人員移動(dòng)速度。通常情況下，建筑中如果人員的密度越大，人移動(dòng)的速度就越慢，進(jìn)行疏散需要時(shí)間就越長。人員行走速度表示為：S=K×（1-0.226M）（5）式中K為常數(shù)，具體取值如表3所示。三、安全疏散模擬文章基于FDS+Evac軟件構(gòu)建高層建筑火災(zāi)安全疏散模型，其中FDS軟件用于搭建火災(zāi)模型，通過對影響火災(zāi)中危險(xiǎn)因素的量化分析，計(jì)算出可用安全疏散時(shí)間;Evac軟件則用于搭建疏散模型，計(jì)算出必需安全疏散時(shí)間，利用上述2個(gè)來源的數(shù)據(jù)，綜合判斷建筑物安全性。（一）模型的建立在設(shè)計(jì)火災(zāi)場景時(shí)，可以用物質(zhì)分解率、物質(zhì)分解物、火災(zāi)增長速率、熱釋放速率等參數(shù)來表現(xiàn)其特征?；馂?zāi)增長曲線是概括設(shè)計(jì)火災(zāi)特征的最常用方法。單位時(shí)間內(nèi)火源所釋放的熱能被描述為熱釋放速率，熱釋放速率是認(rèn)定火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)、是火災(zāi)模擬研究的基礎(chǔ)參數(shù)，對可用疏散時(shí)間也有重要的影響，其隨著時(shí)間變化的典型火災(zāi)增長曲線可以分為火災(zāi)增長期、穩(wěn)定燃燒期和衰減期等階段?，F(xiàn)階段描述火災(zāi)的發(fā)展，國內(nèi)外通常采用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的兩類模型，其中穩(wěn)態(tài)模型將整個(gè)火災(zāi)發(fā)展過程中的熱釋放速率看作一個(gè)定值，即將整個(gè)火災(zāi)過程理想化。t2火模型是非穩(wěn)態(tài)模型的典型代表。而火災(zāi)時(shí)實(shí)際的燃燒過程是由火災(zāi)初期緩慢增長的孕育期和中后期顯著增長的燃燒期組成的。其模型公式為：Qf=α（t-t0）2（6）式中：Qf為熱釋放速率;α為火災(zāi)增長因子;t為火災(zāi)有效燃燒發(fā)生后的時(shí)間;t0為開始有效燃燒所需的時(shí)間?；馂?zāi)增長因子α應(yīng)當(dāng)考慮可燃物載荷密度（αf）及墻和吊頂?shù)挠绊懀é羗），即：α=αm+αf（7）αf=2.6×10-6q5/3（8）文章擬對設(shè)有噴淋的高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，主要分析火災(zāi)發(fā)生時(shí)室內(nèi)有毒氣體、溫度、能見度等相關(guān)指標(biāo)對安全疏散的影響。基于文獻(xiàn)中的案例，最大熱釋放速率為1500kW，標(biāo)準(zhǔn)場景設(shè)置為t2火，且α值為0.04689;根據(jù)式（5～6）得t=178.65s，即火源功率在0～178.65s由0增長到1500kW，并假定火源增長到最大功率后保持穩(wěn)定狀態(tài)。（二）模擬結(jié)果分析1.標(biāo)準(zhǔn)場景人員疏散模擬圖1為標(biāo)準(zhǔn)場景疏散人數(shù)曲線圖，從圖中可以看出，進(jìn)入北側(cè)樓梯的第一個(gè)疏散人員為22s，最后一個(gè)疏散人員為47s，北側(cè)樓梯用了25s疏散24人;進(jìn)入南側(cè)樓梯的第一個(gè)疏散人員為23.5s，最后一個(gè)疏散人員為43.5s，南側(cè)樓梯用了20s疏散24人，說明南側(cè)樓梯的疏散效率高于北側(cè)樓梯。若在疏散時(shí)有人合理地進(jìn)行疏散引導(dǎo)將會有效縮短疏散所用時(shí)間。在47s時(shí)疏散人員已經(jīng)全部進(jìn)入疏散樓梯，再加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接受火警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間為15s，故所需安全疏散時(shí)間為62s。2.不同因素對疏散時(shí)間的影響（1）性別因素標(biāo)準(zhǔn)場景設(shè)置全為男生，為了研究性別因素對疏散時(shí)間的影響，可以設(shè)置全部為女生的情況，如圖2所示。從圖2可知，49s時(shí)南側(cè)樓梯疏散了22人，53s時(shí)北側(cè)樓梯疏散26人，此時(shí)人員全部疏散完畢，再加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接收火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間為15s，故全部為女生時(shí)的所需疏散時(shí)間為68s，比全部為男生時(shí)疏散時(shí)間長了6s，這說明在相同的場景下，男生疏散過程中比女生的運(yùn)動(dòng)速度要快。（2）疏散出口人數(shù)的影響從圖3可知，當(dāng)只有一個(gè)南側(cè)疏散樓梯出口可以疏散時(shí)，建筑物內(nèi)人員在55s時(shí)全部疏散完成。加上疏散試驗(yàn)假設(shè)的接收火災(zāi)報(bào)警時(shí)間和人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間15s，故該樓層只有南側(cè)一個(gè)疏散樓梯出口時(shí)的所需疏散時(shí)間為70s。這說明該層只存在南側(cè)一個(gè)疏散樓梯出口時(shí)需要的疏散時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)場景延遲了8s。從圖4可知，當(dāng)只有一個(gè)北側(cè)樓梯出口時(shí)，建筑物內(nèi)人在