地震快速逃生裝置研究

張　鑫

(華東建筑設計研究院有限公司，上海　200041)

0　引言

2018年5月12日是2008年四川汶川發生8.0級大地震10周年紀念日。根據2008年7月2日的統計，四川汶川地震造成69 195人遇難，失蹤18 389人[1]。也就是說那次地震共有8.7萬余人失去了生命，成千上萬家庭遭遇了巨大打擊，給人民的生命財產帶來了重大損失。我國是世界上地震多發國家之一，根據國家地震科學數據共享中心網站統計，2008—2017年全國共發生地震367起，其中一般地震災害(5.0～6.0級)有313起；較大地震災害(6.0～6.5級)有30起；重大地震災害(6.5～7.0級)有19起；特別重大地震災害(7.0級以上)有5起。目前地震預報還處于研究階段，絕大多數地震還不能給出臨震預報，地震的發生往往出乎預料。地震成災具有瞬時性，地震作用的時間很短，最短十幾秒，最長兩三分鐘，就會造成山崩地裂，房倒屋塌，使人們猝不及防。由此可見，地震逃生最重要的一點是快速從建筑內各樓層撤離到室外敞開的安全區域。地震發生時，建筑物因地震波的作用會有水平和豎向振動或搖擺，這種情況下，人們在平地上行走都很困難，若是再從多層或高層建筑內經樓梯疏散到首層室外安全地帶，疏散時間長難度大。因此，研究用于地震情況下快速逃生工具十分重要。

1　快速逃生裝置的設計

筆者自2001年美國“9·11”事件之后一直在研究高層建筑快速疏散問題[2-6]。本文提出一種新型快速逃生裝置——無動力滑道，由正、反向螺旋式滑道構成，可用于在地震和火災情況下高層建筑內人員的快速逃生。該新型裝置主要特點有：(1)構造形式簡單，使用十分方便，可用于一般人員和老、弱、病、殘人員在緊急情況下從較高的樓層快速疏散到首層；(2)無需任何動力和體力，在完全停電狀態下也可正常使用；(3)它疏散速度快、容量大；(4)平時可用于高層建筑內的部分垂直交通。

該新型逃生裝置的基本原理是以滑行代替步行，大大加快了人們從高層建筑內向下疏散的速度。一般人步行的速度為1.1～1.8 m·s-1，人在滑道上滑行的速度可達到4.0～6.0 m·s-1，甚至會更快。步行與滑行示意如圖1所示。

為了避免人們在螺旋式滑道下滑會產生眩暈現象，根據“運動生理學”原理，經過多次人體平面模擬試驗，主滑道采用正、反螺旋交替布置使人體感受器官內耳前庭在運動中得以平衡[7]。新型逃生裝置是由特種螺旋滑梯和分流閥等部件組合而成。特種螺旋滑梯的平面投影呈“8”字形，由正、反螺旋體組合而成。無動力滑道平面投影如圖2所示，單、雙滑道立體示意見圖3和圖4。

圖1　步行與滑行示意圖

2　滑行速度研究

通過理論計算和試驗研究，可求出入口支滑道、主滑道和首層緩沖滑道與水平面的夾角分別為β1，β2，β3，且β1>β2>β3，可使下滑者分別以加速度、勻速度和減速度向下滑行，見主滑道縱剖面展開示意圖5。各類滑道坡度的確定，要滿足人員疏散和安全的要求。根據物理學牛頓定律[8]，調整滑道與水平面的夾角，按公式(1)計算加速度。

1.入口支滑道；2.單滑道的主滑道；3.上一樓層支滑道；4.雙滑道的主滑道；5.下一樓層支滑道

1.入口支滑道；2.順時針旋轉主滑道；3.逆時針旋轉主滑道；4.分流閥；5.出口支滑道；6.下滑人員

1.入口支滑道；2.順時針旋轉主滑道；3.逆時針旋轉主滑道；4.分流閥；5.出口支滑道；6.下滑人員

(1)

式中，a為沿滑道方向的加速度(m·s-2)，當a>0時加速下滑，當a<0時減速下滑，當a=0時勻速下滑；F1為地球引力產生的拉力(N)；F2為摩擦力(N)。

1.入口滑道；2.主滑道；3.首層滑道

通過設定各段滑道的坡度，可得滑行速度。(1)設定β1(可設β1=40°)，使滑行者在入口支滑道上作加速下滑(a>0，F1>F2)，當滑行者剛進入主滑道時其速度為V0(設V0=4.0 m·s-1，通過試驗研究可以得到)。(2)設定β2(可設β2=35°)，使滑行者在主滑道上以某一速度V作勻速下滑(a=0，F1=F2)。(3)設定β3(可設β3=20°)，使滑行者在該段滑道上作減速下滑(a<0，F1

人們在主滑道上滑行速度涉及到主滑道的坡度、材料、表面摩擦系數等因素，除通過理論計算外，還要通過人體試驗來驗證，只有通過大量的試驗數據分析研究，才能設計出適合人體下滑的速度，這項研究工作目前正在準備中。

3　滑道的寬度

主滑道的凈寬可按成人體形來確定，滑道的凈寬度僅限單人滑行，一般單滑道凈寬度取0.4 m左右。在每層樓的滑道入口處可增加阻斷閥(正在研究中)。阻斷閥設在主滑道與入口滑道相交處，主要解決人員從入口支滑道滑行進入主滑道時人與人產生碰撞問題，使得下滑者在主滑道上形成一定的間距依次下滑。

4　分流閥的設計

人員快速下滑到首層，且首層滑道的坡度最小，滑行者作減速下滑運動。如不采取一些技術措施，大量的人員到達首層時會產生擠壓和踩踏現象，存在嚴重的安全隱患。因此，在首層滑道的上部設計分流閥，利用人體下滑的推力，自動將一個滑道上的人流分流到兩個滑道上，避免下滑者前后相擠，分流閥的形式如圖6所示。圖中A、B、C屬于人體下滑時經過分流閥的三個狀態，A表示分流閥處于空置狀態；B表示第1個人通過了分流閥，而第2個人正要通過分流閥，此時分流閥下段右側分滑道已關閉，左側分滑道打開，使得第2個人順利地下滑到左側分滑道；C表示第2個人通過分流閥，而第3個人正要經過分流閥，此時分流閥下段左側分滑道已關閉，右側分滑道打開，使得第3個人順利地下滑到右側分滑道。依此類推，分流閥不斷地左右搖擺，起到開關分流作用，將1股人流分為2股人流，當人員進入下段左右分滑道的同時，下滑者之間的間距也就拉大了。為了加大下滑者之間的間距，在首層主滑道上增加三道(或更多道)分流閥，如圖7所示。如此，可大大增加下滑者之間的間距，可避免大量人員下滑到首層時出現擠壓或踩踏事故。布置三道分流閥后，經計算當下滑者即將停下來時(V=0)，前后下滑者的間距將大于12.0 m[9]，可確保下滑者相互之間不會出現擠壓或踩踏現象。

1.上滑道；2.分流閥；3.右側支滑道；4.左側支滑道；5.下滑者

1.分流閥；2.主滑道；3.支滑道

5　結論

綜上所述，新型快速逃生裝置采用特種螺旋式滑梯，主滑道由正、反向螺旋滑道組合而成，解決了人體做螺旋運動產生眩暈現象。它無需任何動力和體力，構造簡單、使用方便；它可用于多層、高層和超高層建筑內各類人群(含老、弱、病、殘者)在應急情況下快速逃生。在平時應用它也可代替高層或超高層建筑內部分垂直向下的交通，可節省能耗，減少電梯數量，節省工程總投資。該新型疏散設備的應用，可解決當今世界超高層建筑快速疏散的難題。

快速逃生裝置目前正處于研究階段，雖然對主滑道形式做了38次人體平面模擬試驗，也獲得了很好地效果[3,10]，但還有很多研究內容需要試驗來驗證。主要試驗有：(1)滑道的坡度要根據不同材料表面與人體衣服摩擦的試驗數據確定。(2)人體下滑速度試驗。(3)分流閥的人體模擬試驗。(4)整體滑道人體下滑試驗。這些試驗還需要大量的人力和物力，希望國家和社會各界大力支持這項新型技術的研究，使它早日應用于實際工程或既有建筑中，在地震或火災情況下確保人民的生命安全。