老年公寓設置室外逃生艙技術研究

許文杰，張建琪，甄 濤

(1.中國人民警察大學，河北 廊坊 065000； 2.太原市消防救援支隊，山西 太原 030024)

進入21世紀以來，我國人口老齡化的現象越來越明顯。有關數據表明，到2020年全國60歲以上老年人口預計將增加到2.55億人左右，占總人口比重提升到17.8%左右，高齡老年人將增加到2 900萬人左右，獨居和空巢老年人將增加到1.18億人左右，老年撫養比將提高到28%左右[1]。老年公寓作為老年人娛樂、生活、居住的主要場所在近年來發展迅速，但在老年公寓蓬勃發展的同時我們必須看到老年人所面臨的火災風險也在不斷增加。自2015年至今，全國各類養老場所因火災原因共造成77人死亡，其中2013年黑龍江海倫敬老院火災和2015年河南魯山養老院火災兩起特大火災事故引發了社會對老年人疏散問題的極大關注和思考。

目前老年公寓的消防疏散方式主要是通過室內外樓梯、消防電梯等建筑內部設施進行疏散，在現實火災情況下隨著火勢和煙氣的不斷蔓延發展，諸如老年人等疏散速度較慢的弱勢人群在建筑內部很難在規定的疏散時間內到達安全場地。而依托陽臺設置室外逃生艙可以減少煙氣對人的傷害，增快疏散速度，提升疏散效率。因此，室外逃生艙的設置可以豐富老年人的疏散方式，縮短老年人的疏散時間。

以山西養老機構發展情況為例，截至2016年底，山西省現有各類養老服務機構927所，設有床位約16.8萬張，全省投資上億元的民辦養老機構有10多個。預計到2020年，山西省老年人中需要護理服務的占13.69%，老年人有入住養老機構意愿的占27%，可以預見在今后幾年中越來越多的老年人有意愿到老年公寓等養老場所生活或者居住。但在這些養老機構中，特別是民辦養老機構仍存在消防設施不完善、安全出口設置不合理等實際問題。老年人由于身體機能的不斷退化，發現火災的能力和在火場中逃生的能力也在不斷下降，現有的傳統疏散方式已經遠遠無法滿足老年人疏散的實際需要。所以室外逃生艙的設置既是對傳統疏散方式的創新與發展，也是提升老年人疏散能力的有效措施。

1 老年公寓內設置室外逃生艙的必要性

1.1 縮短老年人疏散逃生距離

老年人屬于社會弱勢群體，伴隨著老年人年齡的不斷增長和身體機能的逐漸退化，其活動能力也受到了很大限制，老年人的肌肉和骨組織系統機能出現老化，腿纖維變細，肌力減退，彈性和收縮力下降，活動敏捷度降低，發生火災時無法快速逃離火災現場[2]。此外，大部分老年人基于生理等多方面原因導致視覺、聽覺和觸覺等感知器官均有不同程度的退化，發現火災能力較弱。尤其是在老年公寓中存在一部分介助老人和介護老人，他們在災害事故發生后需要依靠輪椅、拐杖等輔助行走設施或在他人幫助的情況下才可完成疏散逃生。一旦發生火災這部分人群將會完全暴露在火災危險中，無法獨立、快速、有效地完成疏散逃生。以山西某老年公寓為例，80歲以上的老年人占全體入住老人的62.7%，90歲以上老年人有24人，占總人數的8.95%。在入住老年人身體狀況方面，需要依靠護工或輔助行走器械才能完成疏散的老人有171人，占總人數的63.8%，其中完全無行動能力需要特殊護理的老人有11人?；谶@種情況，只有減少老年人的行走時間，縮短疏散距離，才能確保所有人員在安全時間內完成逃生。而在老年公寓內設置室外逃生艙可以縮短房間至安全出口的疏散距離，使得疏散人群不需要通過著火及濃煙區域即可到達安全區域。

1.2 豐富老年公寓疏散設施

老年公寓中現有的疏散方式主要是通過疏散樓梯和消防電梯等室內建筑設施進行疏散，而且老年公寓在設計時主要依據的是《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014),規范中對安全疏散距離的要求為“一、二級耐火等級的老年人建筑位于兩個安全出口之間的疏散門距離為25 m，位于袋形走道兩側或盡端的疏散門距離為20 m”。但現實情況中老年人的疏散速度一般為0.3～0.6 m·s-1之間，一般人在濃煙環境中停留半分鐘就會受到煙氣的傷害，即使老年人的疏散速度按照0.6 m·s-1計算，在半分鐘內老年人的行走距離只有18 m，遠遠不足以到達安全區域。老年公寓房間內火災荷載較大，大部分老年公寓的床單、衣服、被褥等針織物沒有經過阻燃處理，一旦發生火災會加速火勢的蔓延擴大并產生大量的有毒有害氣體。大量的煙氣會彌漫在房間和過道中，如果老年人盲目地通過疏散樓梯進行疏散會造成大量人員由于吸入過量有毒氣體而傷亡。由于部分老年人在疏散時需要借助輪椅、拐杖等輔助行走設施，當疏散至安全出口或疏散樓梯時輔助行走設施會占用凈疏散寬度，加之老年人行動較慢，可能造成部分人員在疏散時間內無法到達安全區域，甚至出現踩踏事故。而通過室外逃生艙進行疏散可以大大緩解傳統疏散方式的疏散壓力，豐富老年公寓內部疏散設施，確保老年人可以在規定時間到達安全區域。

2 技術性能參數的確定

2.1 主體結構及工作原理

逃生艙一般設置在老年公寓窗外陽臺位置，其核心組成結構共有10個部件。手動卷盤和電動啟動按鈕為逃生艙的兩種啟動方式，可采用一主一備的方式進行設置。設備箱內用于存放電機等維持設備工作的相關設施裝置，升降軌道固定在建筑物的外墻上，逃生艙通過軌道上升或下降。當設備著地時，緩沖氣囊和泄壓口用于壓力的吸收釋放，起到緩沖減震的作用，人員拉開插銷放下疏散門，形成疏散坡道進行疏散逃生。逃生艙結構如圖所示，圖1為閑置狀態，圖2為打開狀態。

1.手動卷盤；2.電動啟動按鈕；3.設備箱；4.緩沖氣囊；5.泄壓口；6.頂棚；7.側方疏散門；8.插銷；9.欄桿；10.升降軌道

圖2 打開狀態下逃生艙結構

2.2 性能參數及可行性分析

2.2.1 性能參數

室外逃生艙除滿足火災現場逃生的需求外還應符合相關技術規范的要求和日常生活的需要。(1)目前我國老年公寓中每個房間居住的老年人一般為2人，床的尺寸一般為長2 m、寬1 m?？紤]到介護老人在疏散過程中需要護工的幫助共同進行疏散，所以逃生艙的額定承載人數為4人，按照一個成年人的體重為80 kg計算，額定載重為320 kg。同時為方便介護老人的疏散，使得2名老人在護工的幫助下可以第一時間轉移至逃生艙，逃生艙的尺寸設計為3.5 m×2.6 m×2.5 m。(2)室外逃生艙的啟動方式主要為電動啟動方式，所用電源可連接至室內民用電源，工作人員通過按動啟動按鈕控制逃生艙的升降。如果火災發生時導致電源被切斷，工作人員可以旋轉手動卷盤人工進行升降。(3)室外逃生艙的材料選擇上使用強度和硬度較強的合金鋼材，其屈服強度應在1 370 MPa以上，抗拉強度在1 620 MPa以上，同時在鋼材外部涂刷防火涂料，達到耐火等級的要求。(4)緩沖氣囊主要起到逃生艙觸地時的緩沖作用，緩沖氣囊著地時承受逃生艙的壓力，氣囊壓縮，當達到1.2 atm時，分布在氣囊周圍的六個排氣口打開，通過向外排氣吸收動能[3]。

2.2.2 可行性分析

國外一些發達國家在養老場所的人員疏散方面不僅滿足依靠單獨的疏散樓梯進行疏散，而且諸如避難滑梯、救生滑袋等垂直疏散裝置已經被廣泛運用到各類養老場所中。在美國，早在20世紀70年代美國消防協會定期修訂的《生命安全規范》(NFPA 101)中就包含針對養老院消防疏散的要求。美國消防協會要求各類社會福利機構和公共建筑在設計、使用過程中，必須充分考慮殘疾人、老年人的疏散逃生問題，并聯合建筑部門建議通過設置無障礙通道和室內外的消防疏散通道來解決此類問題。在日本，由于日本屬于災害事故頻發的國家，所以當地政府和企業機構格外重視災害事故發生后人員的逃生問題?！度毡踞t療建筑的防災設計》中提到建筑中的病房區每層要靠外墻設置避難空間。因此一種疏散陽臺的裝置在日本使用率較高，一個定額6人、額定載重480 kg的疏散陽臺從二層到一層的時間只需要短短的30 s，而且造價便宜，便于安裝。

在老年公寓設置室外逃生艙，首先可以顯著縮短老年人的疏散距離，提升老年人的疏散效率，尤其是當老年公寓房間內部發生火災時，大量煙氣和有毒氣體彌漫在走廊和樓梯間中，老年人不出房間就可以完成到室外安全區域的疏散。對于部分有自理能力和獨立逃生能力的老年人，他們在利用逃生裝置完成自我疏散的同時，還可以幫助其他行動能力較差的老年人進行疏散，節約了疏散時間。其次，對于消防救援部門來說，可以利用室外逃生艙開辟救生通道、設置水槍陣地和器材運輸通道。當消防員進行火情偵查或者內攻時可以通過逃生艙垂直鋪設水帶，縮短水帶鋪設的距離，便于消防員第一時間到達火場內部進行滅火。最后，對于老年公寓來說，設置必要的逃生裝置可以提升老年人的安全系數，便于老年人在最快的時間內完成疏散，同時通過必要的宣傳方式可以使子女放心地把老年人送入老年公寓中進行贍養，大大增強老年公寓的品牌優勢和核心競爭力。

2.3 升降速度

室外逃生艙升降速度的確定需要滿足兩個條件，一是保證老年公寓全體人員能在安全時間內疏散至室外區域；二是保證老年人在逃生艙中乘坐舒適，不會造成二次傷害。為保證全體人員在安全時間內成功疏散，必須使得必需疏散時間小于可用疏散時間。根據日本Togawa提出的疏散時間公式[4]：

(1)

式中，Te為疏散時間；Na為總疏散人員數量；Nb為出口處人員數量；Ks為人員按照出口寬度進行排列后所能達到的長度；v為人員的疏散速度，取0.4 m·s-1。

假定每層有28名老人和28名護工，考慮最不利情況所有老人都通過一個室外逃生艙進行疏散，最后可得所用疏散時間為127 s。按照室外逃生艙的承載能力計算疏散該層全部人員共需14個來回，單次疏散時間為4.53 s。因此，室外逃生艙的升降速度至少為1.5 m·s-1。

2.4 工作流程

當老年公寓建筑內部發生火災后，工作人員打開窗戶協助老年人進入到逃生艙中，然后按下電動啟動按鈕，觀察逃生艙是否運動，若無運動趨勢通過旋轉手動卷盤的方式進行升降。到達地面后緩沖氣囊通過泄壓口釋放內存壓力氣體，起到緩沖作用。工作人員拉開插銷，釋放疏散門進行疏散。具體流程如圖3所示。

3 逃生艙的布置間距計算

室外逃生艙在布置的過程中要考慮兩方面因素：一是確保當老年公寓發生火災時所有老年人能在疏散要求的時間到達安全地點；二是根據老年公寓的房間結構特點和建筑面積盡可能地減少室外逃生艙的設置數量，減少企業的投入壓力，提升布置的現實性與可行性。筆者以山西某老年公寓的建筑平面圖(如圖4所示)為參考基礎，通過數學模型和Lingo數學軟件估算標準層全部老年人通過室外逃生艙進行疏散需要的時間，為之后室外逃生艙的實際設置提供參考數據。

3.1 模型假設

假設：(1)每個房間的結構面積均相同，標準層共有14個房間，每個房間均為雙人間且都住有老年人，房間進深為4.8 m。(2)設每個老年人的移動速度為0.4 m·s-1，且在第一時間就能發現火災或獲得疏散信號,計算得每個老人離開至房門需要12 s。(3)離開房間后，老人通過走廊橫向步行至最近的室外逃生艙布置的房間，疏散至房間陽臺位置算為疏散成功。(4)同一房間的2位老人不會走向不同的室外逃生艙布置的房間。(5)該層的所有老年人均通過室外逃生艙進行疏散。

3.2 符號說明

Xij為0,1整數變量，1表示第i個房間的老人選擇第j個避難點，0表示不選擇；Dj為第j個避難房間的坐標軸位置；PXi表示第i個房間的房門坐標軸位置；PTi表示第i個房間的老人到達避難點所花費的時間；N為避難點數目(待定)；t為離開房間的時間。

3.3 模型的建立

3.3.1 房間位置的假設

根據上文模型假設提出的相關要求，同時所有老年人都能通過自身或在護工的幫助下疏散至逃生艙內，可以確定每個房間的老年人選擇室外逃生艙布置的房間模型公式為：

(2)

同時考慮到室外逃生艙房間的布置位置不能超過該層的長度和寬度，即坐標軸的橫向坐標值范圍，模型公式表達為：

0≤Dj≤54.6，j=1,2,…,N

(3)

3.3.2 疏散時間的假設

考慮到老年人進行疏散時最不利點的位置為袋形走道盡端兩側的房間，《建筑設計防火規范》第5.5.17條規定：一二級耐火等級的托兒所養老院等建筑位于袋形走道兩側或盡端的房間疏散門至最近安全出口的直線距離最大值為20 m。在現實情況下老年人的疏散速度一般為0.4 m·s-1。由此計算距逃生艙所布置房間最遠的老年人只要在50 s內到達目標房間即為疏散成功。模型公式表達為：

(4)

3.4 模型的求解

綜上所述，以標準層所有28名老人達到逃生艙設置房間坐標的總時間為目標，建立優化模型可得非線性方程為：

(5)

(6)

使用Lingo軟件對式(6)求解，當在標準層只設置一個房間為室外逃生艙設置房間時軟件模型無解，即一個室外逃生艙無法滿足所有老年人疏散的要求。當在標準層選定兩個房間為室外逃生艙設置房間時模型有解，最優避難點位置為14.3 m與35.5 m位置處，對應房間位置為左側第4個房間和第11個房間，最優間距為21.2 m。

因此，在該老年公寓設置室外逃生艙時，在水平位置布置在4號房間和11號房間時全樓層人員通過逃生艙疏散時間最短。當火災發生時，左側7個房間的14名老年人進入4號房間乘坐室外逃生艙進行疏散，右側7個房間的14名老年人進入11號房間乘坐室外逃生艙進行疏散。最終模擬所有老年人完成避難逃生的總時間為420 s，最慢的老年人疏散所用時間為46.5 s，滿足前文所提及的老年人最慢疏散時間50 s的要求，因此，該模型成立。

4 結論

通過模型的假設、建立和求解可知設置室外逃生艙的房間水平布置時距離為21.2 m為宜，在此距離內可以滿足該層所有老年人的疏散需求。同時，由于各老年公寓的建筑風格都獨具地方特色，房間布局和大小也都各不相同，例如在老年公寓內部交通組織方式上就有單通道空間交通組織方式、多通道空間交通組織方式、環形通道空間交通組織方式和混合通道空間交通組織方式等多種，因此在實際布置時很難形成一個統一的標準要求，計算數值也只能作為參考使用。為解決布置間距問題，筆者建議在水平布置時可以老年公寓內防火分區為基礎模塊，在模塊內選定房間設置室外逃生艙，根據建筑的不同耐火等級確定布置間距，一二級耐火等級建筑布置間距為21 m，之后以5 m為標準差遞減。在豎向布置時由于逃生艙的下降速度為1.5 m·s-1，即使是最高的54 m老年照料場所，從頂層至底層的時間只需36 s，疏散時間充足。但考慮到火災發生后會迅速在著火層的上層和下層蔓延，建議以三層為單位分段交錯布置。以該老年公寓為例，1層和4層將逃生艙設置在2號房間，2層和5層設置在3號房間，3層和6層設置在4號房間，只要逃生艙下降到安全樓層可視為疏散逃生成功。此外，在房間選取時應注意作為安全出口的兩個房間之間的直線距離不能超過《建筑設計防火規范》中的相關要求。

老年公寓作為老年人晚年生活娛樂的主要場所在解決老年人老有所養、老有所居、老有所醫的問題上起到了巨大作用。基于老年人行動和反應能力的逐漸退化，老年公寓在設計上應具有更高更先進的設計標準和配套設施，室外逃生艙的設置可以大幅度提升老年人的疏散效率，減少老年公寓的火災傷亡，豐富老年人的疏散選擇，具有較高的實用價值和現實意義。