楊萍茹，鄭波濤，廖龍濤，唐　曦，徐　娜

(1.重慶市綜合交通樞紐(集團(tuán))有限公司，重慶 400000；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0　引言

20世紀(jì)70年代起，許多學(xué)者開(kāi)始針對(duì)高層建筑火災(zāi)中使用電梯疏散的可行性進(jìn)行研究[1]。Bazjanac及Paul等根據(jù)電梯疏散對(duì)總體疏散時(shí)間的影響對(duì)電梯疏散的可行性進(jìn)行了探討，并提出火災(zāi)情況下可以考慮將電梯作為行人疏散工具[2]；國(guó)內(nèi)有學(xué)者認(rèn)為超高層建筑應(yīng)采用消防電梯輔助疏散，提出高層建筑應(yīng)于避難層設(shè)置消防安全電梯幫助疏散，并利用Pathfinder軟件對(duì)超高層建筑在混合疏散模式下的人員行為過(guò)程進(jìn)行分析，研究使電梯只?？吭诒茈y層時(shí)，電梯荷載、加速度等參數(shù)對(duì)疏散總時(shí)間的影響[3-12]。以上研究通過(guò)分析超高層建筑利用電梯進(jìn)行疏散的可行性，為高層建筑中利用電梯進(jìn)行疏散提供了一些理論參考。胡望社等以青島某地下建筑為例，通過(guò)pathfinder軟件對(duì)垂直疏散過(guò)程進(jìn)行模擬，得出垂直疏散體的運(yùn)力分配原則[13]；胡傳平等回顧了電梯疏散的數(shù)值模擬、人員心理行為、避難層和火災(zāi)煙氣等幾個(gè)方面，同時(shí)展望了未來(lái)電梯疏散的研究方向[14]。

綜上可知，目前我國(guó)針對(duì)電梯疏散的研究多集中在地上高層建筑，對(duì)于電梯用于深埋地下空間疏散的研究較少。由于人員上行疏散和下行疏散存在不同，且地面高層建筑和深埋地下建筑在能見(jiàn)度、疏散方式等方面存在不同，因此探究在深埋地下空間內(nèi)電梯樓梯協(xié)同疏散的影響可為有效、及時(shí)疏散地下人員提供參考依據(jù)。

1　深埋地下空間電梯樓梯協(xié)同疏散的可行性

伴隨著城市核心區(qū)域摩天大樓的大量涌現(xiàn)，地下多層人員密集場(chǎng)所也在逐漸增多，埋深不斷由地下淺層向地下多層、地下多層向深埋方向發(fā)展。例如我國(guó)各大城市不斷涌現(xiàn)的地下大型綜合交通樞紐、地鐵換乘站等。以重慶沙坪壩綜合交通樞紐工程為例，其最大埋深已經(jīng)達(dá)到了36.5 m，地下部分的垂直高差相當(dāng)于12層的高樓，即災(zāi)害情況下最底層的人員至少須爬上相當(dāng)于12層的樓梯才能抵達(dá)地面安全區(qū)域。據(jù)Tobias Kretz等[15]對(duì)德國(guó)漢諾威世博會(huì)荷蘭館室外的長(zhǎng)距離樓梯中人員上行速度的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)人員上行速度的范圍為0.4～0.5 m/s，將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與短距離樓梯的上行疏散結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)距離樓梯中的人員平均上行速度約為短距離樓梯中的1/2。人員體能在單人上行過(guò)程中是影響上行速度的重要因素，單人下行過(guò)程中人員體能對(duì)下行速度沒(méi)有顯著影響[16]，即在長(zhǎng)距離上行疏散中，人員的體力和耐力對(duì)疏散速度影響極大。

我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：“在遠(yuǎn)期高峰小時(shí)客流量時(shí)發(fā)生火災(zāi)的情況下，6 min內(nèi)將一列車(chē)乘客和站臺(tái)上候車(chē)的乘客及工作人員全部撤離站臺(tái)”。美國(guó)《軌道交通客運(yùn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“人員撤離站臺(tái)時(shí)間不大于4 min，疏散到安全地點(diǎn)的時(shí)間不大于6 min”。然而，我國(guó)目前典型的地下多層人員密集場(chǎng)所，以重慶沙坪壩綜合交通樞紐工程為例，全部人員疏散到地面安全區(qū)域的時(shí)間大于30 min，是相應(yīng)規(guī)范規(guī)定值的5倍以上，其災(zāi)害條件下疏散問(wèn)題的復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。

由此可見(jiàn)，地下多層人員密集場(chǎng)所的疏散安全設(shè)計(jì)與評(píng)估中往往存在大量的超規(guī)技術(shù)難題，現(xiàn)行的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中很難找到可以直接適用的條款。因此，在需要長(zhǎng)距離上行疏散且能見(jiàn)度低的深埋地下空間尤其是密集人員場(chǎng)所中，如何利用有限的疏散方式，科學(xué)合理地規(guī)劃人員疏散路線(xiàn)是關(guān)鍵問(wèn)題。

深埋地下空間由于受到條件限制，出入口少，人員疏散方式較為單一，火災(zāi)時(shí)人員的疏散方向和煙氣的蔓延方向一致，煙氣的蔓延速度快于人員的上行速度，疏散通道很快會(huì)被煙氣充斥；深埋地下空間無(wú)法依靠自然采光，發(fā)生火災(zāi)時(shí)只能依靠應(yīng)急照明及疏散指示燈，能見(jiàn)度相對(duì)較低。在高溫濃煙籠罩、能見(jiàn)度低的條件下進(jìn)行長(zhǎng)距離的上行疏散，會(huì)增加人員心理和生理上的壓力，特別是對(duì)于人員密集的場(chǎng)所如地下交通樞紐，更容易造成踩踏事故，加大疏散的難度。我國(guó)現(xiàn)在雖明文規(guī)定災(zāi)時(shí)禁止使用電梯，但隨著電梯技術(shù)日漸成熟，電梯作為深埋地下空間的人員疏散方式將成為未來(lái)深埋地下空間災(zāi)時(shí)疏散的趨勢(shì)。

2　深埋地下空間電梯樓梯協(xié)同疏散的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證電梯樓梯協(xié)同疏散對(duì)于深埋地下空間的可行性，本文利用Pathfinder軟件對(duì)沙坪壩綜合交通樞紐地下空間人員疏散進(jìn)行仿真模擬。

2.1　沙坪壩綜合交通樞紐地下空間概況

重慶市沙坪壩綜合交通樞紐工程位于重慶市沙坪壩區(qū)，項(xiàng)目總用地面積85 120 m2，總建筑面積約750 000 m2，其中地上約510 000 m2，地下約240 000 m2。以上蓋廣場(chǎng)為零標(biāo)高，地下有7層，共36.5 m，主要是用于交通運(yùn)輸方面，建筑內(nèi)布有商業(yè)店鋪、公交車(chē)站、出租車(chē)站、換乘系統(tǒng)和地下停車(chē)庫(kù)。

2.2　實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1)電梯參數(shù)

發(fā)生火情時(shí)，首要任務(wù)是盡可能多疏散建筑物內(nèi)人員，使用電梯進(jìn)行疏散時(shí)的秩序好壞直接影響著疏散時(shí)間的長(zhǎng)短，為了保證電梯疏散有序進(jìn)行，本模型設(shè)定的電梯運(yùn)行規(guī)則為：首先，所有電梯在初始時(shí)刻都停靠在地面層；其次，優(yōu)先順序從低到高，即如果有多個(gè)樓層同時(shí)呼叫電梯，優(yōu)先?？枯^低樓層；最后，設(shè)定電梯每次只能在一層樓?？?，即當(dāng)該層所承載的人數(shù)小于電梯額定荷載時(shí)，不可以?？科渌麡菍映掷m(xù)載人。有關(guān)電梯其他參數(shù)使用軟件默認(rèn)值，即每臺(tái)電梯的額定負(fù)載人數(shù)為13人，加速度為1.2 m/s2，最大運(yùn)行速度為2.5 m/s，開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)時(shí)間均為2 s。

2)人員參數(shù)

分析所使用的疏散人數(shù)應(yīng)根據(jù)不同建筑場(chǎng)所功能不同，分別按人流量和區(qū)域密度進(jìn)行計(jì)算，或使用設(shè)計(jì)方所提供的最大設(shè)計(jì)值確定。

根據(jù)沙坪壩設(shè)計(jì)資料確定：公交車(chē)換乘區(qū)高峰疏散人數(shù)為2 223人，出租車(chē)換乘區(qū)的高峰疏散人數(shù)為1 462人。輕軌9號(hào)線(xiàn)1號(hào)口和2號(hào)口的人員數(shù)量分別為1 711和1 948人。高鐵出站廳的高峰疏散人數(shù)為1 380人。對(duì)于站臺(tái)層人員疏散，需要考慮兩列列車(chē)同時(shí)到達(dá)的情況，假設(shè)一列列車(chē)共有8節(jié)車(chē)廂，普通每節(jié)車(chē)廂有110人，則一列列車(chē)定員為880人，并考慮5%的站臺(tái)上接站人員及其他人員，故站臺(tái)層疏散人數(shù)為880×2×(1+5%)=1 848人。本實(shí)驗(yàn)取用最大設(shè)計(jì)值，該地下交通樞紐總共設(shè)置14 268人。

根據(jù)相關(guān)研究，在正常照明、照明失效、佩戴透光率為27%的眼罩、佩戴透光率為16%的眼罩的條件下，群集疏散過(guò)程中人員上行平均疏散速度分別為(0.74±0.17)，(0.59±0.08)，(0.64±0.14)和(0.50±0.05) m/s[17]。結(jié)合深埋地下空間能見(jiàn)度低的特點(diǎn)，本模型中將人員上行平均速度設(shè)置為0.5 m/s。

3)疏散時(shí)間上限

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50016—2014)第5.1.3規(guī)定：地下或半地下建筑(室)的耐火等級(jí)不應(yīng)低于一級(jí)。

本文主要是研究人員疏散，所以以樓梯間和電梯井的墻的耐火極限為主，設(shè)置疏散時(shí)間上限為2 h。

2.3　疏散方案設(shè)置

本文主要研究地下發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散情況，故地下人員到達(dá)地面層即為安全。

考慮上行對(duì)人員體力的影響，下層人員應(yīng)優(yōu)先使用電梯疏散。根據(jù)本建筑的結(jié)構(gòu)，主要對(duì)以下3種方案進(jìn)行仿真模擬：

方案一：建筑物內(nèi)人員全部利用樓梯疏散。

方案二：將建筑分為上、下2部分，上層人員全部利用樓梯疏散，下層人員部分利用電梯疏散。

方案三：將建筑分為上、中、下3部分，上層人員全部利用樓梯疏散，下層人員全部利用電梯疏散，中層人員部分利用電梯疏散。

3　深埋地下空間電梯樓梯協(xié)同疏散的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3種方案實(shí)行方式及結(jié)果如下：

1)方案一：建筑物內(nèi)所有人員選擇樓梯疏散，總疏散時(shí)間為115.01 min。

2)方案二：基于方案一的結(jié)論，可優(yōu)先使下層人員先使用電梯疏散，通過(guò)改變使用電梯疏散的層數(shù)K以及使用電梯疏散的人數(shù)比例進(jìn)行數(shù)值模擬，疏散策略如表1所示。

表1　人員疏散策略(方案二)

通過(guò)改變K值及使用電梯疏散的人員比例，利用Pathfinder 模擬，得出疏散結(jié)果，如圖1所示。

圖1　疏散時(shí)間與電梯疏散人員比例關(guān)系(方案二)Fig.1　Evacuation time and the elevator evacuees(Scheme 2)

由圖1所示，當(dāng)K值為1和2時(shí)，改變使用電梯疏散的人員比例，隨著比例的增大，疏散時(shí)間一直呈下降趨勢(shì)，當(dāng)K繼續(xù)增大時(shí)，改變使用電梯疏散的人員比例，疏散時(shí)間曲線(xiàn)隨著比例的增大先降低后升高，存在拐點(diǎn)即最低點(diǎn)。結(jié)果表明，無(wú)論如何改變負(fù)6層和負(fù)7層使用電梯疏散的人員比例，都會(huì)減少整體疏散時(shí)間。而隨著使用電梯的樓層增加，改變使用樓梯或電梯疏散的人員比例，對(duì)疏散結(jié)果影響不同，使用電梯的樓層及人數(shù)越多，疏散時(shí)間反而有所增長(zhǎng)。

3)方案三：跟據(jù)方案二的結(jié)果，固定負(fù)7層和負(fù)6層人員全部使用電梯疏散，通過(guò)改變負(fù)6層以上使用電梯疏散的層數(shù)L以及使用電梯疏散的人數(shù)比例進(jìn)行數(shù)值模擬，疏散策略如表2所示。

表2　人員疏散策略(方案三)

通過(guò)改變L值及使用電梯疏散的人員比例，利用Pathfinder模擬，得出疏散結(jié)果，如圖2所示。

圖2　疏散時(shí)間與電梯疏散人員比例關(guān)系(方案三)Fig.2　Evacuation time and the elevator evacuees(Scheme 3)

從圖2看出，L=1，2的2條曲線(xiàn)比較契合，L=3，4，5的曲線(xiàn)比較契合，即在固定6層和負(fù)7層人員全部乘坐電梯的條件下，改變負(fù)4層和負(fù)5層乘坐電梯的人員比例，疏散速度更快。可得上述結(jié)果中最小值在L=2的曲線(xiàn)上。

基于上面模擬的結(jié)果，為了得到最優(yōu)疏散比例，本文在L=2即改變負(fù)5層和負(fù)4層電梯疏散人員比例的條件下，以10%為間隔來(lái)改變電梯疏散人員比例，統(tǒng)計(jì)人員分別使用電梯和樓梯的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3　不同電梯疏散人員比例下樓梯、電梯疏散時(shí)間(L=2)

圖3為電梯、樓梯疏散時(shí)間與電梯疏散人員比例的關(guān)系，從圖3中可以看出，當(dāng)負(fù)4層和負(fù)5層電梯疏散人數(shù)比例取20%的時(shí)候，樓梯疏散時(shí)間和電梯疏散時(shí)間的兩個(gè)點(diǎn)幾乎重合，說(shuō)明疏散效率最高。在該模擬實(shí)驗(yàn)中，數(shù)值間隔為10%，當(dāng)電梯疏散人數(shù)比例取10%的時(shí)候，兩點(diǎn)之間的差值略小于電梯疏散人數(shù)比例取30%時(shí)的兩點(diǎn)間的差值，故可以判斷這個(gè)最佳的比例在10%和20%之間并且向20%靠攏。

圖3　電梯、樓梯疏散時(shí)間與電梯疏散人員比例關(guān)系Fig.3　The evacuation time of using stairs or elevators on different elevator evacuation ratio

為了得到更加精確的電梯疏散人員的比例值，本文使用Matlab軟件，采用線(xiàn)性最小二乘法對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，分別得到了不同電梯疏散人員比例下樓梯疏散時(shí)間與人員比例之間的擬合函數(shù)f(x1)及電梯疏散時(shí)間與人員比例之間的擬合函數(shù)f(x2)。

不同電梯疏散人員比例下樓梯疏散時(shí)間與人員比例之間的擬合函數(shù)：

f(x1)=-1.212 1x2-23.860 6x+54.390 9

(1)

不同電梯疏散人員比例下電梯疏散時(shí)間與人員比例之間的擬合函數(shù)：

f(x2)=4.778 6x2+11.676 0x+47.589 5

(2)

通過(guò)聯(lián)立方程f(x1)和f(x2)，求解2個(gè)函數(shù)之間的交點(diǎn)則為最短疏散時(shí)間下所對(duì)應(yīng)的不同人員疏散比例。經(jīng)計(jì)算得，當(dāng)負(fù)5層和負(fù)4層乘坐電梯的人員比例達(dá)到19%時(shí)，疏散時(shí)間最短，為49.98 min。

將負(fù)5層和負(fù)4層使用電梯疏散的人員比例設(shè)置為19%，在方案三的條件下進(jìn)行再次模擬，當(dāng)建筑內(nèi)人員全部疏散完時(shí)，疏散時(shí)間為49.31 min。相比較全部使用樓梯的疏散時(shí)間115.01 min，疏散時(shí)間減少了57.1%，此時(shí)使用電梯疏散的人員約占總?cè)藬?shù)的43%。

4　結(jié)論

1)當(dāng)負(fù)6層和負(fù)7層人員全部使用電梯進(jìn)行疏散，負(fù)4層和負(fù)5層19%的人員使用電梯進(jìn)行疏散，剩下的人員使用樓梯進(jìn)行疏散時(shí)，所得到的疏散時(shí)間最短，為49.31 min，相比較全部使用樓梯的疏散時(shí)間115.01 min，疏散時(shí)間減少了57.1%。對(duì)于整體疏散時(shí)間，建議通過(guò)增加樓梯和電梯數(shù)量的方式來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。

2)利用電梯輔助疏散可降低疏散距離、能見(jiàn)度、人員體能等對(duì)疏散的影響，而合理分配使用電梯疏散的人員比例可大大提高人員疏散效率。對(duì)于地下多層空間，電梯樓梯協(xié)同疏散時(shí)，將建筑分為上、中、下3部分，上部全部使用樓梯疏散，下部全部使用電梯疏散，中部樓梯、電梯結(jié)合疏散且樓梯疏散人員比例較高時(shí)，其疏散效率可達(dá)到最優(yōu)，疏散時(shí)間相對(duì)樓梯疏散可減少一半。

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