超高层住宅楼火灾时利用电梯进行人员疏散的可行性分析
李靖1 刘洋2
（1.河北省公安消防总队保定支队，河北 保定；2.河北省公安消防总队保定支队纪保督察科，河北 保定）
摘要：针对现代超高层住宅建筑的危险，分析了用电梯进行疏散的可行性。阐述了电梯疏散的优缺点，并在此基础上建立了利用电梯疏散的模型。结合某实际案例，分别计算了传统疏散方法及用电梯疏散所需的时间，表明了利用电梯疏散的优势，并证明其在实际操作中的可行性。
关键词：消防；超高层建筑；安全疏散；电梯
1 引言
由于城市地价高昂、建设用地稀缺，超高层建筑成为人们解决空间需求的有效手段之一。由于其自身结构特点以及使用需要，多具有功能复杂、可燃物丰富、面积大、人流量大、扑救困难等特点。在发生火灾时，由于其楼层高，垂直距离长，建筑内人员集中和“烟筒效应”，其人员疏散难度非常大。本文拟在传统疏散理念基础上，建立利用电梯疏散的模型，并通过实例分析超高层住宅中利用电梯进行人员疏散的可行性。
2 电梯疏散可行性研究
2.1 电梯疏散的优点及缺点
电梯因其运输量大、运送时间短，在垂直方向的运行速度快，被高层建筑广泛运用。如将其用于人员疏散方面，疏散速度将是人员步行速度的几倍或几十倍，发生火灾时，通往电梯的路线也最被疏散人员熟悉［1］。但同时，发生火灾时电梯的安全性不能得到有效保障，我国相关规范中规定电梯不能用于疏散用途。在安全性上的缺点主要包括［2］：①电梯的某些电器部件、电气线路等会因灭火时采用大量的水而出现故障或损坏，导致电梯停止运行。②火灾时烟气可能蔓延进入电梯轿厢，危及电梯内乘客的安全。③因火势的蔓延或人为切断电梯的供电，致使电梯失去动力而停止，使正在乘用的乘客被困其中，陷入危险状态。
2.2 电梯疏散的安全性措施
随着电梯技术的成熟与进步，基于严格的规范所设计的高层建筑拥有高可靠性的电梯维护保养系统［3］，电梯的可靠性和安全性能都有了大幅提高。如果在超高层住宅建筑设计阶段能够对电梯的布置进行合理分区［4］，安装电梯时选用安全系数高的电梯［5］，并对电梯竖井及电梯前室进行正压送风［6，7］，防止火灾烟气的蔓延，保障电梯供电，就可以有效的提高电梯的安全可靠性，使得通过电梯进行人员疏散成为可能［8］。
2.3 利用电梯疏散的模型建立
在充分保证电梯安全性的基础上，按照火灾报警时人员疏散的要求，结合最大限度地保证建筑物内人员生命安全的原则，本文尝试建立一种适合超高层住宅人员疏散的模型。该疏散模型的过程控制原理图如图1所示。
图1 高层住宅人员疏散模型过程控制原理图
本模型的优点就是充分利用火灾初期这段宝贵的时间利用电梯来进行人员疏散。在电梯尚未被火灾影响的时间段内，处于着火危险区域的居民可利用电梯快速疏散，提高疏散效率。
3 火灾场景模拟
3.1 建筑模型
模拟对象为某超高层住宅楼，占地面积580.28m2，建筑高度104.85m，共35层，建筑耐火等级一级设计。该楼每层面积为580.28m2，每层可划分为一个防火分区，设置2个安全出口，之间的距离约为12m。每层七户，设一部疏散楼梯、三部电梯，其建筑平面图如图2所示。各户门口到疏散出口的最大距离约为12m，疏散楼梯的宽度为1.15m，楼梯及电梯合用前室面积约为6m2。该住宅楼设有自动报警系统，感烟探测器，手动报警按钮、消火栓按钮及消防广播和通讯系统，消防控制室设在首层。
图2 建筑平面布置图
3.2 火灾场景设定
该住宅楼共计35层，我们假设在16层的某住户家发生火灾。通过图2可知，位于正下方两户（记为住户1和住户2）至安全出口的疏散距离最长。本文假定火灾发生在疏散最不利点的住房1家中。
火灾发生地点具有随机性，我们假定着火地点在卧室，屋中可燃物包括床沙发及衣柜等家具，卧室及客厅顶部均安有感烟火灾探测器。现假定每层楼的人数均相等，每层约有居民25人。
4 传统疏散方式与采用电梯疏散的对比
4.1 传统疏散方式计算
必需安全疏散时间RSET是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。紧急情况下的RSET包括火灾探测时间（talarm）、预动作时间（tpre）和人员疏散运动时间（tmove）。
RSET=talarm+tpre+tmove （1）
4.1.1 火灾探测时间（talarm）
本文拟采用由美国NIST开发的火灾动力学模拟（FDS）来模拟住宅建筑内火灾热量和烟气的传递过程及探测器的激活启动，从而来预测火灾报警的时间。通过FDS模拟的烟气粒子的扩散情况及火场温度变化情况分别如图3和图4所示。
图3 烟气粒子扩散图
图4 温度变化示意图
由图5可知，设置在着火房间的感烟探测器Ⅰ于发生火灾16.8s后探测到火灾信号。
图5 感烟探测器Ⅰ动作时间示意图
4.1.2 预动作时间（tpre）
预动作时间是指建筑物内的人员接到报警信号到决定进行疏散所用的时间。根据日本《建筑基准法》的计算方法，本例中着火楼层的疏散开始时间计算如下。
（2）
式中，Afloor表示发生火灾楼层里所存在的需要疏散的人员所占据的房屋的地面面积之和；对于住宅楼、宾馆，α取300（s），其他用途建筑设为180（s）。
4.1.3 人员疏散运动时间（tmove）
人员疏散运动时间（tmove）即人员从开始疏散到达安全地点的时间。本文为近似的表征人员疏散所需要的时间。
如图所示，楼梯间的宽度均为1.15m，若火灾发生在16楼时，那么该层的疏散行动时间可由日本《建筑基准法》计算：
（3）
式中，lmax，floor表示最大步行距离，m；Pfloor表示需要疏散的人数；v表示步行速度，m/s；N表示通行系数，一般取1.5人（m·s）；Bmin表示疏散过程中最小的出口宽度，m。
由Melinek和Booth公式知，第16层人员的最短疏散运动时间：
（4）
式中，tmove-r表示r层及以上楼层人员的最短疏散运动时间；Ni表示第i层上的人数；wr表示r-1层和第r层之间的楼梯的宽度；C表示下楼梯时单位宽度的人流速率；ts表示人群顺畅下一层楼的时间，一般设为16s。
则当第16层着火时，人员总疏散运动时间：
tmove=tmove，floor+tmove-r=32.8（s）+267.6（s）=300.4（s） （5）
按此方法计算各楼层着火人员疏散的运动时间，出于篇幅考虑，我们只列出第1层、15层、16层、17层、35层的结果，见表1。
表1 各楼层人员通过楼梯疏散运动时间表
由式（1）可得各楼层人员疏散运动时间，相关楼层结果见表2。
表2 通过楼梯疏散各楼层人员所必需的时间
4.2 超高层住宅人员利用电梯疏散时间模拟分析
为了方便比较，火灾场景设定仍与3.2节假定的一样。该模式只是改变了疏散的方式，变化的只有人员疏散运动时间，而火灾探测时间与预动作时间没有变化。
电梯疏散时间的计算采用日本国家消防科学研究所的高层公寓安全疏散案例研究中的公式，包括电梯运行时间（Tm）和疏散人员上下电梯所需时间［9］（Te）。
电梯运行时间Tm可用式（6）来估算。
Tm=∑Hi/Velv+Velv/a （6）
式中，Hi为建筑第i层的高度，m，Velv为电梯运行速度，m/s，a为电梯运行加速度，m/s2。
疏散人员上下电梯所需时间Te按（7）进行估算：
Te=（Pfloor×β）/（Nelv+Welv）+（Top+Tcl） （7）
式中，Pfloor表示楼层需要疏散的人数（人）；β表示使用电梯疏散比率（0～1.0）；Nelv表示电梯门通行系数，人/m·s；Welv表示电梯门有效宽度，m；Top表示电梯门开启所需时间，s，一般为3s；Tcl表示电梯门关闭所需时间，s，设为4s。
现将已知数据代入公式，则由式（6）可知电梯从16楼运行到首层的时间。
Tm=Hi/Velv+Velv/a=45/1.2+1.2/0.08（s）=52.5（s）
由式（7）知人员上下电梯疏散所需要的时间Te：
Te=（Pfloor×β）/（Nelv+Welv）+（Top+Tcl）=（25×1.0）/（1.5+1.0）+（3.0+4.0）=17.0（s）
即16楼的人员通过电梯疏散需要的时间为69.5s。依此方法计算10层、15层、16层、17层、35层人员通过电梯疏散所需的时间，结果如表3所示。
表3 各楼层人员通过电梯疏散运动时间表
结合前面计算的火灾探测时间和预动作时间，可知各层人员通过电梯疏散所需的时间如表4所示。
表4 通过电梯疏散各楼层人员所必需的时间
由表2知，通过传统楼梯疏散这三层的人员需耗时680.6s；而如果将电梯作为疏散方式，则可以在436.8s内将15层、16层、17楼的人员疏散到首层。
4.3 超高层住宅人员疏散模式应用结果分析
根据2.3节所建立的模型可知，超高层住宅建筑着火后利用电梯进行人员疏散的基本条件是在火灾初期。从伤害居民的角度考虑，火灾初期的截止时间应以烟气蔓延到电梯前室为准。着火楼层的电梯前室顶部感烟探测器Ⅱ动作变化情况如图6所示。
图6 感烟探测器Ⅱ动作时间示意图
由图可知发生火灾后约480s时电梯前室的火灾感烟探测器Ⅱ开始动作，火灾烟气对电梯的安全性产生威胁。由4.2节可知，通过电梯疏散完15层、16层、17层的人员需要436.8s，小于感烟探测器动作时间，而采用传统的疏散方式需耗时约676.6s。因此，本文提出的在火灾初期通过电梯进行疏散的方案基本上是可行的，并具有极大地便利性。
5 结论
本文以某超高层住宅为例，采用FDS模拟了火灾发展过程，在前人研究的基础上分别计算了采用楼梯疏散和采用电梯疏散所需要的时间。计算结果表明，利用电梯疏散在疏散时间上具有很大的便利性，在火灾对电梯的安全运行产生威胁之前，基本上可以将位于着火危险区域的人员疏散完毕。处于较低楼层的人员可以通过传统的楼梯进行疏散，这样就可以充分发挥楼梯和电梯疏散时各自的优越性，尽可能在火灾达到危险状态之前使更多的人员安全逃生。根据与传统的只采用楼梯疏散的方式进行对比分析，本文建立的这样疏散模式具有一定的可行性和优越性。
参考文献
［1］ 范苏敏.高层建筑防火安全疏散探析.深圳：深圳大学，2006.
［2］ 王彩焕，周谧，焦会玲.“电梯疏散”：挑战国标消防逃生理念.上海消防，2006，（10）：15-21.
［3］ 张筠莉，杨祯山.火灾中电梯疏散的可行性.中国电梯，2007，18（5）：35-39.
［4］ 雷春浓.现代高层建筑设计.北京：中国建筑工业出版社，1997.
［5］ GB 7588—2003.
［6］ Klote，J.H.Feasibility of Fire Evacuation by Elevators at FAA Control Towers.NISTIR 5445，Gaithersburg，Maryland：Building and Fire Research Laboratory，1994.
［7］ 郑淑娟，朱昌明，徐榕.电梯门机智能维护系统的研究进展.中国安全科学学报，2008，18（2）：93-96.
［8］ 宋文华，伍东，张玉福.高层建筑火灾初期利用电梯进行人员疏散的可行性探讨.中国安全科学学报，2008，18（9）：67-72.
［9］ 王跃琴，陈先斌.高层建筑火灾中利用电梯疏散的可行性研究——广岛Motomachi高层公寓安全疏散案例研究.消防技术与产品信息，2002，（10）：52-55.