超高層建筑疏散滑梯的優化設計及可行性分析

王曼曼　張曉慶　韓孝朋　李雨薇　馬禎徽　鐘委

摘要：人口的日益增多加速了城市建筑的高層化，但此類建筑在發生火災時會造成巨大的人員傷亡和財產損失。為解決超高層建筑的人員疏散問題，提出了一種新型的疏散裝置。該裝置占據單獨的滑梯間，主體是雙螺旋結構的疏散滑梯，并采用分段設計配合建筑內的避難層使用。它既提高了建筑空間的利用率，而且可以達到快速疏散的目的。同時采用EVACNET4軟件模擬出樓梯和滑梯的疏散時間，論證滑梯疏散的可行性和高效性。

關鍵詞：超高層建筑;火災;疏散滑梯;雙螺旋

中圖分類號：TU976

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.003

1 研究背景

隨著中國城市化水平的提高，城市人口快速膨脹，城市土地供需矛盾日益嚴峻，因此修建高層乃至超高層建筑已成為目前中國城市建設的重要發展趨勢。超高層建筑能夠節約城市用地，推動社會投資，提升城市形象，甚至某些超高層建筑已成為城市的象征。近年來，中國各大城市興起了修建超高層建筑的熱潮，超高層建筑的數量和高度不斷刷新。目前，中國已建成超高層建筑近7 000座，位居世界第一。

超高層建筑的快速發展也埋下了嚴重的火災隱患。由于建筑垂直高度高，火災時人員疏散距離超長，導致人員疏散時間過長;同時擁擠的人群通過有限的樓梯疏散，可能發生混亂甚至踩踏，這也進一步增大了火災損失。例如，2001年美國世貿大樓發生大火，導致6 291人受傷，2 996人死亡。2015-12-31迪拜阿德里斯酒店突發大火，火災造成1人死亡，15人受傷，超過3 000人緊急撤離。

目前超高層建筑主要的疏散方式是通過防煙樓梯間向下疏散，這種方式主要缺陷在于疏散距離長，對疏散者體力要求高。近年來部分超高層建筑使用穿梭電梯輔助高樓層人員疏散[1]，研究表明穿梭電梯結合樓梯的方式可以有效縮短疏散時間，然而該方式需要設置專用的穿梭電梯，投資較高。超高層建筑中另一種可行的方式是設置滑降管道，利用人體重力實現快速疏散[2]。該方式對疏散者無體力要求，無需訓練即可掌握，疏散效率高，然而其需要在建筑內部設置專用滑道，占據建筑空間，因此并未得到推廣。

2018年頒布的《建筑高度大于250米民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》規定：同一樓層中建筑面積大于2000m²防火分區的疏散樓梯不應少于3部，且每個防火分區應至少有1部獨立的疏散樓梯。因此，可以考慮使用疏散滑梯來取代新增的第三部疏散樓梯，達到提升建筑疏散能力的目的。本文設計一種適用于超高層建筑內使用的疏散滑梯，能夠實現建筑內人員安全高效地疏散。

2 疏散滑梯的設計研究

2.1 滑梯結構

該疏散裝置由雙螺旋滑梯和中心柱等部分組成。疏散滑梯占據垂直方向的貫通獨立滑梯間，分為螺旋下滑段和直線下滑段;中心柱為一種類似于環形跑道的結構，兩邊為半圓柱，中間為矩形柱，圍繞圓柱建造螺旋下滑段，圍繞矩形柱建造直線下滑段。

半圓柱尺寸固定，矩形柱的寬度與建筑每層高度成正比。滑梯采用分段設計，以每兩個避難層之間為一段。疏散時依靠人員自身重力下滑，每下滑一層繞中心柱旋轉360°（出口層除外），基本形式如圖1所示。滑梯間與主體建筑通過防火平臺相連接，滑梯入口即每層平臺處的開口，并與主滑道自然相切。滑梯人口如圖2所示。

2.2 滑道寬度和螺旋升角

為了縮短疏散時間，采用兩人并行疏散。考慮到人員滑行時的舒適度，取滑道寬度為1.3 m[3]。根據滑梯國家新標準新配置要求，在滑行方向上，整體滑行區與水平面的夾角（螺旋滑梯的整體螺旋升角）應不大于40°。

分析人在滑道上的受力由牛頓定律得：式（l）中：α為加速度，m/s²;F為重力產生的滑行動力，N;f為摩擦力，N;m為人的質量，kg;g為當地重力加速度，m/s²;u為摩擦系數;θ為螺旋升角。

參考人們在休閑草坪上休息時坡度在20°- 30°為舒適角度。常用的樓梯坡度范圍在20°- 45°，其中以30°左右較為適宜。

2.3 中心柱

當滑梯的螺旋升角和層高確定，每下滑一層所經路程也確定。環形跑道的設計可以滿足不同層高的需要，而且還能減少人在滑行過程中的眩暈感。滑梯以最低標準2.5 m[4]的高度設計圓柱，當層高增加時，采用增加矩形柱寬度的方法，此時的圓柱側面展開如圖3所示。

每下滑一層所經路徑即從A到B，滑梯的螺旋升角為θ，可計算得中心圓柱直徑：

D=h/πtanθ

（2）

式（2）中：D為中心圓柱直徑，m;h為層高，m。由此可得中心柱兩邊半圓柱的半徑為0.689 m。

當建筑每層高度增加時，設層高為h，與2.5 m相比增加高度為（h- 2.5）m，增加的高度需在圍繞矩形段的滑道完成，矩形柱的寬度為：

L=h-2.5/2tanθ

（3）

以3m的住宅建筑和4m的公共建筑為例，計算得L分別為0.433 m、1.299 m，矩形柱寬度與建筑層高成正比。

3 滑梯安全防護

3.1 減速

考慮到人體的安全，出口梯段設置有一段減速帶，其材質應為摩擦系數大、質軟且耐磨的材料。在滑行過程中，人員會因速度的增加產生恐懼，可設置扶手使人員可以主動控制速度。在滑梯出口處設置緩沖墊，使人員快速減速。

3.2 加壓送風

當超高層建筑發生火災時，80%以上的人員都是在逃生時被煙塵窒息而死，所以能為逃生人員補給新鮮空氣就顯得尤為重要。對滑梯間進行防煙設計，具體是在中心柱內設置機械加壓送風管道，由于滑梯間上下貫通，為保證其全高度范圍內風量、風壓均勻一致，一般每隔兩三層在滑梯中心空柱中設一個常開百葉加壓送風口，加壓送風機與火災自動報警系統聯動。當發生火災時將感煙火災探測器報警信號作為加壓送風機的啟動信號，對疏散滑梯間進行加壓送風，利用風壓延緩煙氣的蔓延，保證滑梯間內人員疏散的安全性[5]。

4 疏散時間分析

為了解滑梯疏散，本文通過EVACNET4軟件來計算滑梯和樓梯疏散所用時間，并將得到的時間進行比較來得出結論。EVACNET搭載的是一個水力疏散模型，它模擬人員在建筑物內行走并最終疏散至安全地點的全過程。

2018年頒布的《建筑高度大于250 m民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》規定：同一樓層中建筑面積大于2000 m²防火分區的疏散樓梯不應少于3部。對于超高層建筑每個防火分區允許的最大面積為3 000 m²[6]。對于一座高度大于250m的超高層建筑，按最大防火分區3 000 m²，辦公人員人均占有的面積為10 m²[7]來算，這個防火分區可容納300人同時辦公。按照新規定，該防火分區疏散樓梯至少為3部，每部平均疏散100人。在另外2部樓梯不變的情況下，本文設計的滑梯可以用于取代新增加的第3部疏散樓梯，所以可以用EVACNET4軟件比較2個避難層之間人員分別使用一條滑道和一部樓梯疏散至下面避難層所需時間。我們假定2個避難層之間有11層，平均每部疏散裝置每層有100人待疏散，得到結果分別為582 s和768 s。

結果表明采用一條滑道用于疏散的效果優于一部樓梯，滑梯較樓梯用時縮短近24.22%。上述是一條滑道與樓梯的對比，本文提出的滑梯有兩條獨立滑道，可增加疏散人數，在同時間下可疏散人數是一條滑道的2倍。

5 結論

本文針對超高層建筑發生火災時人員疏散困難的問題提出了一種適用于超高層建筑的疏散滑梯，配合建筑的避難層進行使用。不僅打破了對以往疏散時人員的限制，并通過疏散時間的分析，進一步說明了該疏散滑梯的可行性和高效性。因此本文提出的疏散滑梯可以有效適用于超高層建筑。

參考文獻：

[1]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研究[J].火災科學，2013，22（4）：207-212.

[2]姚燕生，朱達榮，吳振坤.高層建筑火災緩降逃生設備綜述[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版），2013，21（ 4）： 41-45.

[3]中國標準化與信息分類編碼所.GB/T 10000-1988中國成年人人體尺寸[S].北京：中國標準出版社，1998.

[4]國家住宅與居住環境工程中心.健康住宅建筑技術要點[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[5]朱永江.高層建筑消防配套加壓送風防煙系統設計[J].中華建設，2012 （6）： 220-221.

[6]公安部天津消防研究所.GB 50016-2014建筑設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50189-2015公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社， 2015.