高層建筑穿梭電梯輔助疏散方案布置及優(yōu)化研究

朱 艷

(蘇州市消防支隊(duì)，江蘇 蘇州 215005)

高層建筑穿梭電梯輔助疏散方案布置及優(yōu)化研究

朱 艷

(蘇州市消防支隊(duì)，江蘇 蘇州 215005)

穿梭電梯布置方案是否合理，對超高層建筑的人員疏散效率有著重要影響。以某超高層建筑為研究對象，在避難層設(shè)置等方面均滿足現(xiàn)行規(guī)范的前提下，分別以穿梭電梯均勻獨(dú)立布置、成組布置、結(jié)合避難人數(shù)按需布置為原則，設(shè)計(jì)三種穿梭電梯布置方案，計(jì)算不同工況的人員疏散時(shí)間、穿梭電梯實(shí)際運(yùn)載能力，分析對比多種穿梭電梯布置方案，尋找最優(yōu)方案。研究發(fā)現(xiàn)，將穿梭電梯優(yōu)先布置在位置更高或人數(shù)較多的避難層，有利于提高整體疏散效率。

超高層建筑；人員疏散；穿梭電梯

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，超高層建筑在各地不斷興建，建筑高度也在不斷攀升。超高層建筑的安全疏散一直是困擾設(shè)計(jì)人員、監(jiān)管部門和建設(shè)單位的重要問題，也是影響人員安全的重要因素。相關(guān)學(xué)者對超高層建筑疏散相關(guān)問題開展了研究。施碧波[1]分析比較了多個(gè)國家對超高層建筑相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求；亓延軍[2]等人基于模糊層次分析法，構(gòu)建了評價(jià)超高層建筑疏散效率的指標(biāo)體系；姜陽[3]及陶李華[4]等人研究了分階段疏散、延時(shí)疏散及組合疏散等不同策略對疏散時(shí)間的影響。當(dāng)建筑高度超過400 m，若人員全部采用樓梯進(jìn)行疏散，其整體疏散時(shí)間往往需要兩小時(shí)甚至更久。雖然當(dāng)前相關(guān)規(guī)范暫未將電梯作為優(yōu)先選用的疏散工具，但對超高層建筑而言，如果能夠采用滿足安全要求的穿梭電梯進(jìn)行疏散，將可能有效縮短疏散時(shí)間。曹奇[5]、肖澤南[6]及朱慧軍[7]等人分析研究了采用穿梭電梯輔助疏散的可行性，給出了采用穿梭電梯輔助疏散的相關(guān)要求；Andree[8]等利用模擬技術(shù)，研究了人員在火災(zāi)情況等待電梯的時(shí)間分布；Klote[9]等對人員使用電梯進(jìn)行疏散的運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了模擬，并提出電梯緊急疏散系統(tǒng)EEES的概念。

超高層建筑設(shè)計(jì)過程中，若采用穿梭電梯輔助疏散，不同的穿梭電梯布置方案，對疏散效率有著重要影響。本文以某超高層建筑為研究對象，在避難層設(shè)置方案、建筑結(jié)構(gòu)及功能布局、穿梭電梯速度及運(yùn)力等因素均不變的情況下，分別以穿梭電梯均勻獨(dú)立布置、成組布置、結(jié)合避難人數(shù)按需布置為設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)三種穿梭電梯布置方案，分析不同穿梭電梯布置方案對整體疏散效率的影響。

1 研究對象概述

某超高層建筑高度為728 m，地上總建筑面積約37.5×105m2，塔樓138層，共設(shè)12個(gè)避難層，各避難層之間的高度均小于50 m，建筑上人高度598 m，裙樓9層，高67 m。塔樓建筑主體包括高層觀光、七星酒店、公寓、辦公及SOHO等功能空間；副樓包括商業(yè)、宴會(huì)廳及餐飲等功能；地下室以餐飲商業(yè)、后勤配套、設(shè)備用房以及停車功能為主。建筑內(nèi)總?cè)藛T約為32 000人，建筑內(nèi)各區(qū)間段功能見表1。

為了確保人員快速進(jìn)入各功能區(qū)，該項(xiàng)目結(jié)合各區(qū)域使用功能，設(shè)置4組共13臺穿梭電梯，分別服務(wù)于低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)及觀光區(qū)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，疏散電梯僅停靠于指定的某個(gè)避難層與首層。穿梭電梯根據(jù)其運(yùn)行區(qū)間不同，電梯的運(yùn)行高度、運(yùn)行速度等存在較大差異，各穿梭電梯的運(yùn)行區(qū)間及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表1 建筑功能區(qū)信息表

表2 穿梭電梯參數(shù)表

2 穿梭電梯設(shè)置方案

結(jié)合該建筑的功能布局、穿梭電梯參數(shù)及人員數(shù)量分布等情況，遵循相關(guān)消防規(guī)范，分別以穿梭電梯均勻獨(dú)立布置、成組布置、結(jié)合避難人數(shù)按需布置為原則，設(shè)計(jì)三種穿梭電梯布置方案如表3所示。

在超高層建筑中，體弱人群難以支撐跨避難層遠(yuǎn)距離疏散，為確保建筑中體弱人群及時(shí)疏散至室外，應(yīng)盡可能在每個(gè)避難層設(shè)置電梯停靠，以將整個(gè)建筑內(nèi)的體弱人群在較短的時(shí)間內(nèi)疏散至室外。

表3 穿梭電梯設(shè)計(jì)方案表

基于穿梭電梯盡可能停靠于各避難層的原則，結(jié)合該超高層建筑的人員分布及電梯布置方案，提出了穿梭電梯輔助疏散布置方案(方案一)，如圖1所示。該方案中，受建筑結(jié)構(gòu)及電梯管井限制，13臺穿梭電梯僅能服務(wù)于10個(gè)避難層，部分避難層無法設(shè)置電梯停靠。

圖1 方案一電梯設(shè)置方案示意圖

方案一穿梭電梯覆蓋范圍廣，發(fā)生火災(zāi)后對老弱病殘及火災(zāi)中受傷人員的疏散和救助效率較高。但該方案穿梭電梯停靠樓層較多，運(yùn)行復(fù)雜，在整體疏散時(shí)，多部電梯多層停靠，電梯的控制與人員組織較為復(fù)雜，每部電梯和每個(gè)避難層均需工作人員加以引導(dǎo)，需要較多的工作人員，如處理不當(dāng)，可能造成電梯疏散混亂，影響疏散效率。同時(shí)，建筑中每個(gè)區(qū)間段的人員數(shù)量和所需疏散高度存在差異，導(dǎo)致各避難層對電梯疏散需求不同，而該方案中主要考慮電梯多避難層停靠，未能有效兼顧各區(qū)間對電梯輔助疏散需求的均衡性，這可能導(dǎo)致個(gè)別區(qū)間段疏散耗時(shí)較長，影響整體疏散效率。

對方案二而言，該方案盡可能將每組電梯均停靠在同一樓層以減少電梯停靠樓層，如圖2所示。相對于方案一，方案二穿梭電梯成組布置，電梯運(yùn)行可靠性相對較高，便于管理。但該方案未兼顧功能區(qū)人員數(shù)量及電梯運(yùn)行高度對疏散時(shí)間的影響，使得部分區(qū)域的電梯所需承擔(dān)的疏散人數(shù)較多，導(dǎo)致區(qū)間段的疏散時(shí)間增大，從而影響整體疏散效率。同時(shí)，該方案中，53F～100F之間的4個(gè)避難層內(nèi)未設(shè)置電梯停靠，該區(qū)間的人員無法通過電梯疏散，體弱人群需利用樓梯跨越4個(gè)避難層后方能利用電梯疏散，疏散難度較大。

圖2 方案二電梯設(shè)置方案示意圖

前述兩個(gè)方案中均未充分考慮功能區(qū)所需疏散人數(shù)和電梯運(yùn)行高度對整體疏散效率的影響，可能導(dǎo)致在疏散過程中，部分電梯疏散壓力較大而部分電梯閑置的現(xiàn)象存在。為了有效縮短超高層建筑人員疏散時(shí)間，應(yīng)在綜合考慮各區(qū)間的人員數(shù)量、人員組成以及所需疏散的高差等因素的基礎(chǔ)上，合理布置穿梭電梯，確保建筑中電梯較高的使用效率。

方案三本著有效提升整體疏散效率的目的，在前述方案基礎(chǔ)上，優(yōu)化電梯布置方案，如圖3所示。相對于方案一，其電梯運(yùn)行方案可靠性更高，同時(shí)兼顧了頂部觀光區(qū)等人員組成復(fù)雜的功能區(qū)的體弱人群救助的時(shí)效性。與方案二相似之處，方案三中電梯基本成組布置，有利于電梯的組織和管理，不同之處在于，該方案考慮了人員所需利用樓梯疏散高度的影響，減小了電梯停靠樓層之間的高差，有利于人員在樓梯段疏散效率的提高。

圖3 方案三電梯設(shè)置方案示意圖

同時(shí)，該方案還考慮了人員分布對建筑整體疏散的影響，電梯分布方案旨在解決建筑整體疏散過程中存在的瓶頸，提高穿梭電梯的使用效率，縮短整體疏散時(shí)間，提升建筑消防安全水平。

3 疏散時(shí)間計(jì)算及分析

超高層建筑中，穿梭電梯輔助疏散的效率受電梯運(yùn)行速度、最大載客量、電梯加速時(shí)間及運(yùn)行區(qū)間高差等因素影響。結(jié)合該建筑的實(shí)際情況，計(jì)算出每部電梯的運(yùn)行周期和人均疏散耗時(shí)，見表4。

表4 電梯運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)載能力計(jì)算表

從計(jì)算結(jié)果可看出，在同一個(gè)區(qū)間段內(nèi)，其電梯速度相同，隨著高度的增大，單人所需的疏散耗時(shí)增大，電梯疏散效率隨著高度增加而降低。因此，針對同一疏散區(qū)間段，其電梯分布應(yīng)結(jié)合人員數(shù)量和疏散最大耗時(shí)來綜合分析，合理分布電梯臺數(shù)，以使整個(gè)區(qū)間段內(nèi)各個(gè)避難層的所需疏散時(shí)間差距最小，可有效提高電梯使用效率，縮短疏散時(shí)間。對于整個(gè)建筑而言，穿梭電梯停靠層位置越高，電梯運(yùn)行周期越長，使得高區(qū)的人員疏散耗時(shí)較低區(qū)大幅增加。表5給出了三個(gè)方案的各區(qū)段疏散時(shí)間。

由表5可知，方案一中穿梭電梯在10個(gè)避難層停靠，部分區(qū)間段的人員數(shù)量較多，單獨(dú)一臺電梯難以及時(shí)將該區(qū)域人員高效疏散至室外安全區(qū)域，低區(qū)所需疏散時(shí)間較長，全部利用電梯疏散至室外，需要318 min，而在208 min以后，中區(qū)和觀光區(qū)的疏散電梯已經(jīng)處于閑置狀態(tài)，因此，該方案電梯整體的利用率不高，從而導(dǎo)致整體疏散時(shí)間較長。方案二中，105 min以后，高區(qū)和觀光區(qū)的人員已疏散完成，但低區(qū)和中區(qū)由于負(fù)擔(dān)人員數(shù)量較多，導(dǎo)致整體疏散時(shí)間較長。方案三相對于其他兩個(gè)方案其整體疏散時(shí)間較短，疏散效率最高。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，隨著高度的增加，方案三中其各區(qū)域的所需疏散時(shí)長越來越短，這是由于發(fā)生火災(zāi)后，一旦控制不當(dāng)，容易造成火災(zāi)豎向的快速蔓延，因此，該方案在保證整體疏散效率的前提下，盡可能提前疏散高區(qū)人員，確保建筑整體疏散的安全性。

表5 不同方案疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

4.1 計(jì)算結(jié)果表明，隨著高度增加，單位時(shí)間內(nèi)電梯的實(shí)際疏散效率呈下降趨勢，因此，為提高電梯的利用率，減少電梯在疏散過程中的閑置時(shí)間，電梯的停靠位置應(yīng)與人員分布情況相結(jié)合，減少各區(qū)域電梯所需運(yùn)行時(shí)間的差距。

4.2 為提高電梯的運(yùn)載能力，對于位置較低的避難層，可不設(shè)置電梯疏散，該區(qū)域人員可通過樓梯疏散或等待外部救援。考慮到人員體能及疏散效率，高層建筑內(nèi)采用電梯疏散的兩個(gè)避難層高差不應(yīng)大于100 m。

4.3 超高層電梯輔助疏散方案設(shè)計(jì)中，需綜合考慮電梯的運(yùn)行方案、功能布局、疏散效率及成本投入等多方面因素，確定高效可靠的輔助疏散電梯的設(shè)計(jì)方案，如條件具備，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行多方案模擬對比，以確定最優(yōu)方案。同時(shí)要注意，實(shí)際應(yīng)用時(shí)穿梭電梯應(yīng)滿足相關(guān)安全要求。

[1] 施碧波.各國超高層建筑整體疏散安全度的比較分析[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2011(2):36-42.

[2] 亓延軍,梅鵬,陸松.基于模糊層次分析法的某超高層建筑疏散效率分析[J].火災(zāi)科學(xué),2011,20(4):185-192.

[3] 姜陽.超高層建筑疏散策略研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學(xué),2015.

[4] 陶李華,伍衛(wèi)軍,徐亮.超高層建筑人員安全疏散探討[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(6):497-499.

[5] 曹奇,黃麗麗,肖修昆.超高層建筑人員電梯輔助疏散及其影響參數(shù)研究[J].火災(zāi)科學(xué),2013,22(4):207-212.

[6] 肖澤南,禹洪.超高層建筑疏散樓梯的弊端及輔助疏散設(shè)施的研究[J].工程抗震與加固改造,2014,36(增刊):11-15.

[7] 朱惠軍.超高層建筑高速穿梭電梯輔助疏散的可行性[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012,31(9):931-934.

[8] ANDREE K,NILSSON D,ERIKSSON J.Evacuation experiments in a virtual reality high-rise building:exit choice and waiting time for evacuation elevators[J].Fire & Materials,2016,40(4):554-567.

[9] KLOTE J H.Feasibility of fire evacuation by elevators at FAA control towers[R].NISTIR 5445,Gaithersburg,Maryland:Building and Fire Research Laboratory,1994.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

Layout & Optimization of Evacuation Elevator System of Super High-rise Buildings

ZHU Yan

(Suzhou Municipal Fire Brigade, Jiangsu Province 215005, China)

The layout of the evacuation elevator has a great impact on the efficiency of high-rise building occupant evacuation. A typical high-rise building has been chosen to study the evacuation efficiency with 3 kinds of evacuation elevator layout, namely independent layout, group layout, demand-based layout. The best solution is found on the basis of the calculation of evacuation time of different elevator layouts, the capacity of the evacuation elevator and the analysis of its layouts. The results show that evacuation elevators shall be placed at the higher refuge floor where more people are gathered.

high-rise building; occupant evacuation; evacuation elevator

2017-05-27

朱艷(1982— )，女，重慶人，工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2017)08-0055-04