氣囊式緩沖裝置實現高層建筑火災逃生的探索

氣囊式緩沖裝置實現高層建筑火災逃生的探索

張恩惠，趙瑞峰，王述洋

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

摘要：為尋求一種應用于高層建筑火災逃生的簡易、實用及安全性裝置。通過分析高層建筑火災特點以及傳統疏散方式應用于高層建筑存在的諸多問題，結合在緊急情況下人們的心理、行為特征說明高層建筑火災情況下逃生疏散的復雜性。列舉現有逃生裝置的實際應用情況及應用于高層建筑逃生疏散存在的問題，提出應用氣囊著陸緩沖裝置進行逃生的可能，分析現有關于氣囊著陸緩沖技術的研究和應用，對典型著陸減震緩沖氣囊在牽引傘打開、氣囊排氣以及控制簡易化等方面做改進并分析。得出利用氣囊著陸緩沖裝置進行高層建筑火災逃生具有一定的可行性。

關鍵詞：高層建筑；著陸緩沖；氣囊；可行性

中圖分類號：S 772；V 244

文獻標識碼：A

文章編號：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

基金項目：黑龍江省自然科學基金(E201025)

作者簡介：第一張恩惠，博士，副教授。研究方向：機電設備設計及控制，安全工程，生物質能利用技術設備。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：張恩惠，趙瑞峰，王述洋.氣囊式緩沖裝置實現高層建筑火災逃生的探索[J].森林工程，2015，31(2)：108-111.

隨著農村城市化進程的加快，高層建筑也迅速發展。而高層建筑內各種用于建筑、裝潢的木質材料以及木質家具、生活用品對火災的發生和蔓延起著決定性的作用，1 kg木材所產生的熱量有18 840 kJ之多[1-2]。居住在其中的人員結構非常復雜，包括老弱病殘、孕婦、兒童以及對環境不太熟悉的人。在國內，由于安全教育的缺失，大多數人都缺乏必要應急疏散意識，逃生能力有限，而高層建筑樓道一般較為狹窄，樓層偏高，當火災發生時不容易逃離，救援也非常困難，而且常因人員擁擠阻塞通道，造成踩踏事件導致額外的傷亡。雖然現今逃生裝備多樣化，但真正具有針對性的、符合結構復雜人群和復雜環境逃生的裝備還沒有廣泛的應用。氣囊著陸緩沖技術目前已經較為成熟應用于重型裝備、物資空投和無人機回收降落以及外太空設備的著陸等領域[3-4]。通過改進使其適用于普通居民高層建筑火災逃生，成為另一條科學有效的疏散途徑。

1高層建筑火災情況下逃生的復雜性

1.1　高層建筑火災蔓延速度快

高層建筑中豎直通風、排煙通道，樓梯間，電梯井，個別建筑還有共享中庭等，由于密度差等原因造成空氣強對流，形成煙囪效應，致使火災蔓延速度加快，煙氣擴散迅速，縮短人們的緊急疏散時間。據測定，在火災起初階段，高層建筑火災煙氣水平擴散速度約為0.3 m/s，而在火災全面發展階段，由于煙囪效應的作用各管井煙氣擴散速度則可達3~4 m/s[5]。

1.2　火災起火初期不易被發現

根據火災形成發展的特征[6]，如圖1所示，在起火前期，很難引起人們的注意，一旦發現多已形成迅速蔓延之勢，雖然現在各種煙霧報警器及火災報警器已被廣泛應用，但往往由于火源發現較晚，火勢及煙氣迅速蔓延失去控制，無法得到充足的時間在安全疏散時間內逃離危險區域。

設理論安全疏散時間t，安全疏散時間ts，逃離危險區域所用時間ta，則：

ts=nt，ta≤ts。

(1)

式中：n為安全系數。

只有在滿足逃離危險區域所用時間ta，才能夠保證逃生人員的安全。

圖1　火災形成發展特征圖 Fig.1 The formation and development of fire

1.3　人們在緊急情況下的心理反應及其行為特征

在我國，絕大多數人群缺乏系統的應急演練，在緊急情況下如選擇的逃生路線被大火封死，火勢愈來愈大、煙霧愈來愈濃時，都會出現緊張心理。在慌亂之中，在求生本能的驅使下，往往會做出些不理智的選擇，其中一部分人會選擇從窗口逃生，然而，面對高落差非但不能增加生還希望，還將自己置身于更加危險的境地。而對于處于高層建筑中的人們來說，在火災發生時，如果能夠較為安全的著地，窗口是最為迅捷的逃生通道之一[7]。

2現有逃生方式存在的問題

隨著社會發展，傳統疏散方式已不能滿足人們對安全的需求，于是各種逃生裝備也慢慢被廣泛應用。從環境因素及個人素質等影響因素考慮，它們都存在著一定的問題。

2.1　傳統疏散方式及存在的問題

傳統疏散方式一般是利用樓梯疏散；利用消防電梯、防煙樓梯、普通樓梯、封閉樓梯及觀景樓梯進行疏散；利用陽臺、通廊、避難層、救生袋和安全繩等進行疏散；利用墻邊落水管進行疏散；將房間內的床單或窗簾等物品連接起來進行疏散等都可以認為是傳統的疏散方式[7]。

而這些疏散方式在人口密度越來越大、樓層高度越來越高的今天，遇到危險情況時，其作用就不能夠真正解決眼前危急，反而可能會造成額外的巨大損失。傳統疏散方式在高層建筑火災逃生過程中受多方面因素的影響，如各種環境因素及個人生理、心理因素等。

傳統疏散方式存在的問題主要表現在：

(1)疏散時間。樓層高度導致垂直疏散距離大，人口密集導致疏散速度降低，直接造成疏散時間的過長。另外，身體疲勞、心理恐慌和老弱病殘幼等因素都會使疏散時間延長，從而錯過有效的疏散時間，不能在安全疏散時間內到達安全區域。

(2)個人素質及意識。利用傳統疏散方式進行疏散受心理素質、個人安全疏散意識和體能等的影響。在遇到緊急情況時，受心理素質的影響很容易產生緊張甚至恐慌，對身處環境反應遲鈍，表現出冒失行為；由于缺少必要的應急演練，沒有足夠的安全疏散意識，對突發情況的處置能力不足，導致錯失疏散時機；長距離的逃生路線需要足夠的體能來維持，而借助其他附屬物品(如水管、床單窗簾和安全繩等)來疏散也需要體能的保證，這對老、弱、病、殘、孕、幼兒以及身體素質差的群體是難題。

2.2　現有逃生裝置及存在的問題

目前，各式各樣的逃生裝備被研究開發 出來，并應用于實際，但由于環境、人群的復雜性，其存在的問題也比較明顯。比如隨著建筑樓層高度的增加，小孩、老人、病人等特殊人群的存在，好多設備就不再適用等。

小型逃生器材類，如逃生繩、逃生軟梯、小型緩降器等在使用過程中都受到樓層高度和特殊人群的影響；機械式緩降器類，包括摩擦阻尼型、液體阻尼型、包角加手控型和間歇沖擊型等緩降器也受樓層高度的影響；同時在下降過程中需要手動控制，在高度緊張狀態下，操作較為復雜；逃生系統裝置類，如高樓救生梯等，存在安裝維護費用高，需要與建筑結構相匹配，安裝在建筑物外影響外觀[8]。還有如柔性滑道易擦傷，降落傘需要專業人員操作，救生氣墊有高度限制且易偏離等都在逃生過程中存在安全性方面的問題。

3氣囊著陸緩沖技術及改進

3.1　氣囊著陸緩沖技術

緩沖氣囊以其易折疊、質量輕、成本低并具有良好的緩沖性能等優勢，使氣囊著陸緩沖技術廣泛應用于重型裝備、物資空投和無人機回收降落以及外太空設備的著陸等領域，其主要功能為減小降落傘面積，大幅降低著陸時受到的荷載沖擊，在有限距離內耗散或吸收能量。氣囊著陸緩沖技術主要以美國的JPADS(聯合精確空投系統)著陸緩沖系統、CM(獵戶座登陸艙)著陸緩沖系統為代表。美國AQM-34V和加拿大的CL289等無人機都利用了氣囊的減震功能。美國的“火星探路者號”、“勇氣號”、“機遇號”火星探測器均采用氣囊了氣囊緩沖減震技術進行緩沖著陸，前蘇聯“舍利夫-2型”無貨臺空投系統同樣采用了氣囊系統進行緩沖著陸[9-10]。

國內外就著陸緩沖氣囊的設計和分析做了大量的理論方面的研究。針對著陸時容易反彈及傾倒等問題設計了多種氣囊類型，如無排氣孔氣囊、排氣孔面積固定氣囊、排氣孔面積可控氣囊和組合式氣囊等；通過解析分析法利用熱力學及剛體動力學等知識對氣囊著陸緩沖特性進行建模分析；利用仿真軟件如ANSYS_LS_DYNA、MSC_DYTRAN等做有限元仿真分析[11]。

3.2　典型的著陸減震緩沖氣囊工作原理

目前典型的著陸減震緩沖氣囊的工作過程如圖2所示。如圖3所示為著陸緩沖減震氣囊完全展開狀態圖[12]。

圖2　著陸緩沖減震氣囊工作流程圖 Fig.2 The workflow of landing buffer cushioning airbags

典型的著陸減震緩沖氣囊工作原理為：載荷物離開支撐平臺，牽引傘拉直充氣直到充滿打開，提供足夠的牽引力使載荷物不致于在空中傾翻的同時盡量控制載荷物下降速度，與此同時緩沖氣囊進行充氣展開，當系統以一定的速度著地后，有效載荷體壓縮氣囊利用內外壓力差值迫使系統減速，隨著系統速度的不斷減小，氣囊內壓增大并達到某一特定壓力值時，排氣口打開向外排氣，系統速度進一步減小直到安全著地。

1.牽引傘　2.載荷物　3.緩沖氣囊 圖3　著陸緩沖減震氣囊完全展開狀態圖 Fig.3 The fully expanded state of landing buffer cushioning airbags

3.3　高層建筑火災逃生面臨問題的改進與分析

氣囊著陸緩沖技術目前一般應用于各種物資設備的空投、無人機回收和太空設備著陸等方面，要應用于挽救處于險境中有生命的人類，在許多方面都需要作進一步的改進，保證更高的安全系數，以做到將對人體的傷害減小到足夠低，提高在危難時刻生存的幾率。

(1)控制操作方面。目前氣囊著陸緩沖裝置在著陸控制過程中多由專業人員精確操作，而要應用于高層建筑逃生，由于建筑物內居住人員多為普通居民，對精確操作難度不小，且面對的又是異常緊急情況，因此需要設計出更為簡單的控制操作程序來減小危險。比如裝置的便攜，牽引傘的提前打開，氣囊的提前充氣等。

(2)牽引傘打開方面。牽引傘通過傘衣與空氣的相對運動充氣展開，其充氣過程是復雜的強流固耦合的非線性過程。牽引傘的打開都需要一定的時間，這就需要一定的高度來保證傘衣的完全打開，同時保證一個相對安全的平穩下降速度。而相對于高層建筑，與高空空投及空降相比沒有足夠的高度來保證牽引傘的完全打開與速度的控制。這就需要將牽引傘改進使其快速打開，如將牽引傘改為快速充氣型，內充輕質惰性氣體保證足夠牽引力，保證人體姿勢；同時也提供一定的阻力以降低下落速度。

(3)氣囊碰撞阻擋方面。當前氣囊著陸緩沖裝置著陸地點通常選擇在空闊的沒有障礙的地方，而應用于高層建筑，裝置在下降過程中可能會有一些特殊情況的發生，比如建筑物外凸出附屬物的擦碰等。通過將氣囊形狀設計成半球型，從而減小對氣囊的正面碰撞直到安全著地。

(4)氣囊排氣緩沖方面。一般緩沖裝置在著陸后，隨氣囊內壓力的增大到額定值，氣囊排氣口打開排氣直到著陸，為防止側翻等現象也有采用多氣室設計。應用于人員逃生，考略到其便攜性，則要做到氣囊體積盡量的小。將排氣口設計成恒壓排氣，控制氣體的排放量和排放速度，可以更好的控制氣囊體積。同時采用雙氣室設計，增加一層防護氣囊可以提供二次防護。

通過改進，該氣囊著陸緩沖裝置具有一定便攜性、易操作、緩沖高效且對環境人群的適應性較強，與現有逃生方式進行配合使用加以定期的應急演練，對高層建筑火災逃生疏散具有深遠的意義，對處于危險中的人們也是一種福音。

4結論

本文通過上述分析，從多方面考慮，得出以下結論：

(1)通過對高層建筑火災逃生情況的復雜性分析，利用氣囊緩沖裝置的便攜性可以合理的延長人員安全疏散時間，可將窗口跳樓逃生可行化。

(2)結合傳統疏散方式和現有逃生裝置存在的問題，氣囊緩沖裝置便操作性可以很好的適應復雜人群的使用，也擴大了樓層高度的適用范圍。

(3)通過改進，使其操作便易、緩沖高效同時安全性提高、適應性強。應用于高層建筑逃生疏散具有一定的可行性。

總之，利用現有成熟技術，對各部分進行大量后續研究，對氣囊著陸緩沖裝置各分系統進行優化設計，在這個高層建筑越來越密集的時代，具有一定的利用價值也具有重大的推廣意義。

【參考文獻】

[1]王金平，朱江.常用建筑材料及家具的熱值及其火災荷載密度的確定[J].建筑科學，2009，25(5)：70-72.

[2]馬巖，張明松，楊春梅，等.森林火災的危害及重要滅火手段的分析[J].森林工程，2013，29(6)：25-27.

[3]黃剛，李良春，林建.著陸氣囊的緩沖機理與技術分析[J].裝備環境工程，2011，8(4)：86-89.

[4]Esgar J B，Morgan W C.Analytical study of soft landings on gas-filled bags[R].Technical Report R-75，Cleveland：NASA，1960：5-20.

[5]李學美，任伯幟，劉新華.城市高層建筑火災消防及安全逃生策略研究[J].中國安全科學學報，2009，19(8)：62-63.

[6]宋文華，伍東，張玉福.高層建筑火災初期利用電梯進行人員疏散的可行性探討[J].中國安全科學學報，2008，18(9)：68-70.

[7]高愛玲.高層建筑失火逃生[J].現代職業安全，2010(10)：104.

[8]張清林.高層建筑應急逃生裝置研究綜述[J].消防科學與技術，2012，31(1)：53-56.

[9]尹漢鋒.著陸緩沖系統中吸能結構的耐撞性優化[D].長沙：湖南大學，2011.

[10]Cole J K，Waye D E.Bag：A Code for Predicting the Performance of A Gas Bag Impact Attenuation System for the Pathfinder Lander[M].California：United States Department of Energy Press，1993.

[11]陳帥，李斌，溫金鵬，等.軟著陸氣囊緩沖特性與參數設置的理論研究[J].振動與沖擊，2009，28(4)：25-28.

[12]方康壽.無人機回收氣囊減震性能的有限元研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[責任編輯：董希斌]