崔 鍔，駱常淞，劉 忠，朱 岳

(1.Jensen Hughes Corp.,美國；2.SOM建筑師事務所，美國)

0 引言

隨著高層建筑建設在中國的蓬勃發(fā)展，中國已成為超高層建筑設計、建設最多的國家。超高層建筑由于外部救援技術手段有限，消防撲救必須依靠建筑內部的消防設施。防煙樓梯是超高層建筑應急狀況下安全疏散的主要通道，國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》[1]對安全疏散樓梯提出了系統(tǒng)性的安全要求，依據國標設計的疏散樓梯的安全可靠性，一直是消防管理部門、建規(guī)編制單位、科研部門、建筑設計單位十分關注的課題。本文利用計算機疏散模型的技術手段，對國標要求的疏散系統(tǒng)進行了量化的評估分析。本文嘗試利用分析研究的結果為超高層建筑(建筑高度>250 m，詳見原公安部消防局2017年317文[2])防火規(guī)范的制訂、超高層建筑的設計和評審，提供工程分析的技術支持。

整體而言，國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》對疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求，相比于國際上通行的一些建筑防火規(guī)范，如美國的IBC[3]、日本的規(guī)范[4]等，都較為嚴格。國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》已經包括了對疏散樓梯的一系列系統(tǒng)性的強化要求，本文從以下幾個方面對國標中疏散樓梯的要求進行系統(tǒng)的說明。

0.1 疏散樓梯前室和正壓送風系統(tǒng)

相較于美國IBC要求高層建筑內的疏散樓梯，或者提供樓梯前室、或者提供正壓送風；而國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》則要求提供樓梯前室及正壓送風。國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》的要求顯然更加嚴格，能夠更有效地降低火災煙氣由于煙氣熱壓差及樓梯間煙囪效應(Stack Effect)進入疏散樓梯間的可能性。

0.2 避難層和疏散樓梯隔斷

美國IBC沒有要求高層建筑內提供避難層；而國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》5.5.23要求高層建筑每50米高度內提供一個避難層，并且要求疏散樓梯在避難層隔斷，這樣既可以避免樓梯間因連接樓層過多而產生較大的煙囪效應，而且能夠避免一旦火災煙氣進入樓梯間沿疏散樓梯直接蔓延至頂層的情形。

0.3 消防豎管和室內消火拴

美國IBC 905.4 要求消防豎管和室內消火拴設置在疏散樓梯間的轉換平臺處，從而為消防人員提供一定的保護；而國標GB 50974-2014《消防給水及消火拴系統(tǒng)技術規(guī)范》[5]7.4.7要求高層建筑室內消火拴設置“在樓梯間及其休息平臺和前室、走道等明顯易于取用，以及便于火災撲救的位置?！备邔咏ㄖ覂认鹚ń涌谠O置于樓梯間前室內，既可以避免樓梯間因消防人員使用室內消火拴而被占用，又可以為消防人員提供適當的保護。

0.4 消防電梯

國標《建筑設計防火規(guī)范》7.3規(guī)定了超高層建筑必須設置消防電梯及前室，消防人員通常可以使用消防電梯接近著火樓層進行應急撲救工作，而不需要占用疏散樓梯。

圖1 美國911事件中消防人員通過疏散樓梯間接近火災現場Fig.1 Fire fighters used exit stairs to access the fire floor in 911 terrorist attacks

0.5 疏散電梯

美國IBC允許超高層建筑內使用疏散電梯替代要求增加的一部疏散樓梯。2009年之前，美國NIST防火研究機構對高層建筑的安全疏散、特別是利用疏散電梯的疏散進行了大量的研究。由Richard領銜的研究[6-8]著力于在超高層建筑內推廣使用疏散電梯。2009版IBC要求增加一部疏散樓梯背后真正目的正是為了在超高層建筑內推廣使用疏散電梯。

由于美國IBC的上述特點，在紐約世貿大廈911事件[9]、芝加哥庫克郡辦公大樓火災[10]事故中，發(fā)生了疏散樓梯擁堵、失效等問題。因此2009年修訂的IBC提出了超高層建筑增加一部疏散樓梯的要求，并據此在超高層建筑內推廣使用疏散電梯。近些年來，國內消防界不斷有建議，借鑒美國IBC中對超高層建筑疏散樓梯的強化措施，即在滿足疏散人數要求的疏散樓梯的基礎上，增加一部疏散樓梯。鑒于國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》在疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求相較于美國IBC顯然是更加嚴格，GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》中構建的安全疏散體系，能夠比較有效地保證高層建筑中的應急安全疏散可靠性的要求。簡單照搬美國IBC對超高層建筑中增加一部疏散樓梯的強化措施，尤其是忽視了2009 IBC推廣使用疏散電梯的目的，安全效益會十分有限。

1 超高層建筑計算機疏散模擬

本文利用計算機疏散模擬，對設計中的超高層建筑，疏散樓梯可能因火災受到的影響進行了模擬分析。計算機模擬中，根據國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》對疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求，設計了合理的疏散場景，對整棟建筑全體疏散、著火層一部疏散樓梯的前室因消防撲救受到影響、一部疏散樓梯在兩個避難層之間的一段因煙氣進入失效等幾個可能發(fā)生的疏散場景進行了技術分析。該計算機疏散模擬研究的目的在于找到符合國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》體系下，疏散樓梯設計的技術依據。

1.1 疏散模擬方法

本文采用了Pathfinder 2018進行疏散模擬，該疏散軟件由Thunderhead Engineering，Inc開發(fā)。Pathfinder使用轉向行為(Steering)模擬疏散人員的運動，疏散軟件包括三個模塊：圖形用戶界面，模擬器本身和疏散結果界面。

默認情況下，Pathfinder會在每個時間步長Δt評估每個人員的疏散，從他/她的當前位置到任一出口。每個人員使用路徑規(guī)劃，路徑生成和路徑跟蹤來到達目的地。Pathfinder提供了SFPE模式和轉向(Steering)模式的計算運動的選項。SFPE模式實現了SFPE消防工程手冊[11]和SFPE工程指南[12]中提出的，火災中的人類行為基于流的疏散模擬技術。對于SFPE模式，門和走廊施加嚴格的流量限制，并且人員可以擁擠在相同的區(qū)域。隨著人員密度增加，人員行進速度降低。在轉向模式中，人員行進路線遵循其疏散路徑，可以偏離路徑以從正確方向接近其目標出口。以下是Pathfinder模擬人員疏散的數學模型，更詳細的內容請參見Thunderhead Engineering，Inc編寫的Pathfinder技術資料。

1.2 SFPE模式

Pathfinder中有主要三種類型的組件：門，房間和樓梯。房間是可供人員行走的開放空間。樓梯可以被認為是特殊類型的房間，而樓梯的傾斜限制了人員通過的速度。門是連接房間和樓梯的限流器。SFPE指南中沒有專門的走廊類型，而是被建模為兩端都有門的房間。走廊與房間采用相同的方式處理，其中流動由門控制。在SFPE模式下，多個疏散人員可以占用相同的空間。

在SFPE模式下，疏散人群相互之間不發(fā)生碰撞，但他們可以與墻壁碰撞。碰撞處理分兩步進行。第一步發(fā)生在嘗試移動之前，第二步發(fā)生在移動期間。在移動之前，行進速度被調節(jié)從而使人員沿任何附近的墻壁移動。在調整行進速度之后，疏散人員嘗試使用該新速度移動。在運動階段，墻壁碰撞仍然是可能的，一旦碰撞發(fā)生人員將停止移動。

1.3 轉向(Steering)模式

在轉向(Steering)模式中，Pathfinder使用轉向機制和碰撞處理的組合來控制人員在疏散過程中遵循的路徑。Pathfinder的轉向系統(tǒng)可以移動人員，使他們大致遵循當前的搜索曲線，并能夠響應不斷變化的環(huán)境。

Pathfinder使用的逆向轉向是通過評估疏散人員的離散運動方向并選擇最小化成本函數方向的過程。通過組合幾種類型的轉向行為來評估成本函數以評估成本。使用的轉向行為的類型由人員的當前狀態(tài)確定，并且樣本方向的數量也是根據人員的狀態(tài)和當前速度控制。Pathfinder定義了幾種轉向行為：seek，idle separate，seek separate，seek wall separate，avoid walls，avoid occupants，pass，lanes，and concerning。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中Dpath表示與第ith個疏散人員尋找疏散路徑曲線切點的距離。雖然在轉向模式下，墻壁和人群避讓行為會讓人員盡量繞過障礙物，但碰撞仍有可能發(fā)生。這通常發(fā)生在擁擠的情況下，人員無法避免地被緊緊地壓在墻壁和其他人員身上。在這些情況下，需要額外的碰撞處理以防止模擬進入無效狀態(tài)。Pathfinder提供兩種碰撞處理場景：一種是兩個或更多人員碰撞，而另一個是人員與建筑邊界(比如墻壁)碰撞。

當碰撞處理功能被開啟時，疏散人員將根據給定的時間步長提前預判與墻壁或其他人碰撞的情況并停止移動。如果碰撞處理功能關閉，疏散人員只會在與墻壁碰撞時停止移動。避免墻壁碰撞的模式下，疏散人員避免碰撞墻壁的角度和距離的計算為：

(5)

根據Pathfinder的用戶手冊和技術手冊，SFPE模式下，疏散人員不會試圖避開彼此并且允許互穿，流量由門寬度計算且速度由人員密度控制。在轉向模式下，門不會限制乘客的流動，疏散人員根據轉向系統(tǒng)計算來保持一定的間隔距離。因此，一般情況下轉向模式可以獲得更真實的結果。有關Pathfinder疏散模型的更多技術信息，請參閱Pathfinder的技術參考手冊[13]和使用手冊[14]。本文中的模擬采用了轉向(Steering)模式。

2 模擬的超高層建筑

如圖2所示，本文所模擬的建筑[15]高度為407 m，共有87層，包括商業(yè)裙樓(1層～8層)、辦公區(qū)(11層～20層，22層～31層，33層～41層，43層～51層)，服務公寓區(qū)(53層～62層)、酒店區(qū)(64層～73層)和會所區(qū)(75層及以上)。在各區(qū)之間均設有避難層(9層～10層，21層，32層，42層，52層，63層，74層等)，避難層之間距離不超過50 m。

圖2 建筑剖面圖及第30層和60層平面圖Fig.2 Section of the tower and the plans of 30th floor and 60th floor

2.1 疏散場景

本文假設該高層建筑在上班時間內發(fā)生緊急狀況，需要進行全體疏散，且只能使用疏散樓梯。人員密度設定為，辦公區(qū)域約10 m2/人，機電層約30 m2/人，酒店層為平均每間房2人。根據上述人員密度，計算出建筑中一共有16 151人。由于辦公層面積近3 000 m2，人員較多，根據《建規(guī)》5.5.21-1的規(guī)定，每100人最小疏散寬度1.00 m計算、設計疏散樓梯。本項目中設置了三部1.10 m的疏散樓梯。

由于GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》相比于美國IBC對高層建筑的疏散系統(tǒng)采取了包括防煙樓梯間的前室及避難層的樓梯隔斷、特別是GB 50974-2014《消防給水及消火拴系統(tǒng)技術規(guī)范》要求室內消火拴設置在樓梯前室等更為嚴格的規(guī)范要求，可以有效地避免IBC疏散系統(tǒng)中因火災煙氣及應急撲救可能造成的整部疏散樓梯失效的危險狀況。根據《建規(guī)》中對超高層建筑疏散系統(tǒng)的系統(tǒng)性強化措施，火災煙氣直接進入疏散樓梯的可能性不大，特別是火災煙氣影響整部疏散樓梯的情況基本上是不可能發(fā)生的。本文根據國標的疏散體系設計了三種可能發(fā)生的疏散場景進行了技術分析：

S1.整棟建筑全體疏散，所有三部疏散樓梯均暢通;

S2.著火層(本文選擇位于建筑中下段的第25層)一部位于西南角的疏散樓梯的前室因消防撲救受到影響;

S3.一部疏散樓梯在兩個避難層(22層～31層)之間的一段因煙氣進入失效。

2.2 疏散模擬結果

該高層建筑的疏散模型如圖3所示。在正常疏散場景(S1)下，所有疏散樓梯均暢通，每個樓層均有三個出口。人員可以選擇三部樓梯中的一部進行疏散。在第25層著火的場景(S2)中，西南方向的疏散樓梯的前室(如圖2、圖3中所示)因受到消防撲救的影響，該層只有北側兩部樓梯可以用于疏散。疏散場景(S3)則更為嚴苛，西南方向的疏散樓梯在兩個避難層(22層、31層)之間的一段因煙氣進入而不能使用，如圖4所示。

圖3 疏散模型：整體及第30層和60層平面圖Fig.3 The egress model and plans of 30th and 60th floors

圖4 疏散場景S3Fig.4 Evacuation scenario S3

模擬結果顯示，正常情況(疏散場景S1)下全樓疏散(即樓內所有人員疏散出建筑)總計耗時169.8 min。場景(S2)中，由于25層西南側的疏散樓梯的前室門關閉，該層人員只能通過另外兩部樓梯疏散。全樓疏散時間并沒有因此而顯著增加，相對場景S1，全樓疏散時間僅增加了0.1 min(僅增加0.06%)。場景(S3)中，西南側22層～31層間的一部疏散樓梯因假設煙氣進入而不能使用時，該樓層區(qū)間內的人員只能使用另外兩部疏散樓梯，因此全樓疏散時間增加了16.7 min(增加了9.5%)。

表1 三種場景的疏散時間比較Table 1 Comparison of the evacuation time between three scenarios

為了比較三個疏散場景，特別是場景S2和S3由于部分門或樓梯通道受阻對疏散帶來的影響，圖5對樓內待疏散人員總數隨時間變化進行了比較。場景S2中的樓內待疏散人數變化和場景S1基本一致，說明起火樓層的一部樓梯前室受火災影響而對整棟高層建筑疏散的影響基本可以忽略不計；而場景S3的疏散速度在100 min后所下降并導致了疏散時間的些許增加，說明即使一部樓梯在火災發(fā)生的區(qū)間段受到影響，也僅僅在全體疏散過程的后期對疏散產生一些遲滯的效應。

圖5 三種場景的疏散時間比較Fig.5 Comparison of the evacuation times between three evacuation scenarios

圖6進一步展示了場景S2和S3在同一時間相對于場景S1對待疏散人員的影響(即等候時間延長)。場景S2中，由于單層(25層)一側樓梯前室門關閉，受到影響的待疏散人員總數比場景S1多約50人以內。而場景S3中西南側22層～31層間的疏散樓梯整段均不能使用時，在100 min后(高層建筑內人員在各自樓層等待)受影響的待疏散人員(即等待時間長于S1中的時間)總數在最多時約900人，小于整個高層建筑總人數的6%。

圖6 疏散樓梯前室(S2)失效和整段樓梯(S3)失效對疏散的影響Fig.6 Impacts to evacuation by invalid vestibule (S2) and by invalid stair section (S3)

3 結論

根據以上的對比分析，由于GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》相比于美國IBC對高層建筑的疏散系統(tǒng)采取了包括防煙樓梯間的前室及避難層的樓梯隔斷，特別是GB 50974-2014《消防給水及消火拴系統(tǒng)技術規(guī)范》要求室內消火拴設置在樓梯前室，等等更為嚴格的、有體系的規(guī)范要求，可以有效地避免IBC疏散系統(tǒng)中的相對弱點，即可能因火災煙氣或應急撲救可能造成的整部疏散樓梯失效的危險狀況。以一棟400 m以上的超高層建筑為例進行的計算機疏散模擬的結果，更進一步說明了按照GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》設計的疏散體系是比較可靠的。一般的應急響應狀況(占用疏散樓梯前室)，對超高層整棟建筑全體疏散的影響微乎其微(小于0.1%)；即使在可能的最不利的疏散場景下，即火災煙氣影響了兩個避難層之間整段的一部疏散樓梯，對超高層整棟建筑全體疏散時間的影響也小于10%，受到影響的疏散人員小于6%。

綜上所述，國標GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》，針對疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求相較于美國IBC顯然是更加嚴格，簡單照搬IBC中對超高層建筑增加一部疏散樓梯的強化要求，可能會忽視GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》中原本具備的對疏散樓梯的系統(tǒng)性的強化要求，破壞了國標規(guī)范體系的完整性，給建筑設計、建筑資金的投入都會增加困難和不必要的浪費。