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)有限公司，重慶 400000；2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031)

0　引言

20世紀70年代起，許多學者開始針對高層建筑火災中使用電梯疏散的可行性進行研究[1]。Bazjanac及Paul等根據(jù)電梯疏散對總體疏散時間的影響對電梯疏散的可行性進行了探討，并提出火災情況下可以考慮將電梯作為行人疏散工具[2]；國內(nèi)有學者認為超高層建筑應采用消防電梯輔助疏散，提出高層建筑應于避難層設置消防安全電梯幫助疏散，并利用Pathfinder軟件對超高層建筑在混合疏散模式下的人員行為過程進行分析，研究使電梯只?？吭诒茈y層時，電梯荷載、加速度等參數(shù)對疏散總時間的影響[3-12]。以上研究通過分析超高層建筑利用電梯進行疏散的可行性，為高層建筑中利用電梯進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pathfinder軟件對垂直疏散過程進行模擬，得出垂直疏散體的運力分配原則[13]；胡傳平等回顧了電梯疏散的數(shù)值模擬、人員心理行為、避難層和火災煙氣等幾個方面，同時展望了未來電梯疏散的研究方向[14]。

綜上可知，目前我國針對電梯疏散的研究多集中在地上高層建筑，對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)達到了36.5 m，地下部分的垂直高差相當于12層的高樓，即災害情況下最底層的人員至少須爬上相當于12層的樓梯才能抵達地面安全區(qū)域。據(jù)Tobias Kretz等[15]對德國漢諾威世博會荷蘭館室外的長距離樓梯中人員上行速度的觀測，發(fā)現(xiàn)人員上行速度的范圍為0.4～0.5 m/s，將其實驗結(jié)果與短距離樓梯的上行疏散結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)長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程中是影響上行速度的重要因素，單人下行過程中人員體能對下行速度沒有顯著影響[16]，即在長距離上行疏散中，人員的體力和耐力對疏散速度影響極大。

我國《地鐵設計規(guī)范》中規(guī)定：“在遠期高峰小時客流量時發(fā)生火災的情況下，6 min內(nèi)將一列車乘客和站臺上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺”。美國《軌道交通客運系統(tǒng)標準》規(guī)定：“人員撤離站臺時間不大于4 min，疏散到安全地點的時間不大于6 min”。然而，我國目前典型的地下多層人員密集場所，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)域的時間大于30 min，是相應規(guī)范規(guī)定值的5倍以上，其災害條件下疏散問題的復雜性可見一斑。

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

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，火災時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，疏散通道很快會被煙氣充斥；深埋地下空間無法依靠自然采光，發(fā)生火災時只能依靠應急照明及疏散指示燈，能見度相對較低。在高溫濃煙籠罩、能見度低的條件下進行長距離的上行疏散，會增加人員心理和生理上的壓力，特別是對于人員密集的場所如地下交通樞紐，更容易造成踩踏事故，加大疏散的難度。我國現(xiàn)在雖明文規(guī)定災時禁止使用電梯，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深埋地下空間災時疏散的趨勢。

2　深埋地下空間電梯樓梯協(xié)同疏散的仿真實驗設置

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

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。以上蓋廣場為零標高，地下有7層，共36.5 m，主要是用于交通運輸方面，建筑內(nèi)布有商業(yè)店鋪、公交車站、出租車站、換乘系統(tǒng)和地下停車庫。

2.2　實驗參數(shù)設置

1)電梯參數(shù)

發(fā)生火情時，首要任務是盡可能多疏散建筑物內(nèi)人員，使用電梯進行疏散時的秩序好壞直接影響著疏散時間的長短，為了保證電梯疏散有序進行，本模型設定的電梯運行規(guī)則為：首先，所有電梯在初始時刻都?？吭诘孛鎸?；其次，優(yōu)先順序從低到高，即如果有多個樓層同時呼叫電梯，優(yōu)先?？枯^低樓層；最后，設定電梯每次只能在一層樓?？?，即當該層所承載的人數(shù)小于電梯額定荷載時，不可以?？科渌麡菍映掷m(xù)載人。有關(guān)電梯其他參數(shù)使用軟件默認值，即每臺電梯的額定負載人數(shù)為13人，加速度為1.2 m/s2，最大運行速度為2.5 m/s，開門和關(guān)門時間均為2 s。

2)人員參數(shù)

分析所使用的疏散人數(shù)應根據(jù)不同建筑場所功能不同，分別按人流量和區(qū)域密度進行計算，或使用設計方所提供的最大設計值確定。

根據(jù)沙坪壩設計資料確定：公交車換乘區(qū)高峰疏散人數(shù)為2 223人，出租車換乘區(qū)的高峰疏散人數(shù)為1 462人。輕軌9號線1號口和2號口的人員數(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。對于站臺層人員疏散，需要考慮兩列列車同時到達的情況，假設一列列車共有8節(jié)車廂，普通每節(jié)車廂有110人，則一列列車定員為880人，并考慮5%的站臺上接站人員及其他人員，故站臺層疏散人數(shù)為880×2×(1+5%)=1 848人。本實驗取用最大設計值，該地下交通樞紐總共設置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度低的特點，本模型中將人員上行平均速度設置為0.5 m/s。

3)疏散時間上限

根據(jù)《建筑設計規(guī)范》(GB 50016—2014)第5.1.3規(guī)定：地下或半地下建筑(室)的耐火等級不應低于一級。

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，設置疏散時間上限為2 h。

2.3　疏散方案設置

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

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

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)同疏散的仿真實驗結(jié)果分析

3種方案實行方式及結(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K值為1和2時，改變使用電梯疏散的人員比例，隨著比例的增大，疏散時間一直呈下降趨勢，當K繼續(xù)增大時，改變使用電梯疏散的人員比例，疏散時間曲線隨著比例的增大先降低后升高，存在拐點即最低點。結(jié)果表明，無論如何改變負6層和負7層使用電梯疏散的人員比例，都會減少整體疏散時間。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，疏散時間反而有所增長。

3)方案三：跟據(jù)方案二的結(jié)果，固定負7層和負6層人員全部使用電梯疏散，通過改變負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條曲線比較契合，L=3，4，5的曲線比較契合，即在固定6層和負7層人員全部乘坐電梯的條件下，改變負4層和負5層乘坐電梯的人員比例，疏散速度更快?？傻蒙鲜鼋Y(jié)果中最小值在L=2的曲線上。

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5層和負4層電梯疏散人員比例的條件下，以10%為間隔來改變電梯疏散人員比例，統(tǒng)計人員分別使用電梯和樓梯的時間，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3　不同電梯疏散人員比例下樓梯、電梯疏散時間(L=2)

圖3為電梯、樓梯疏散時間與電梯疏散人員比例的關(guān)系，從圖3中可以看出，當負4層和負5層電梯疏散人數(shù)比例取20%的時候，樓梯疏散時間和電梯疏散時間的兩個點幾乎重合，說明疏散效率最高。在該模擬實驗中，數(shù)值間隔為10%，當電梯疏散人數(shù)比例取10%的時候，兩點之間的差值略小于電梯疏散人數(shù)比例取30%時的兩點間的差值，故可以判斷這個最佳的比例在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，采用線性最小二乘法對表3中的數(shù)據(jù)進行線性擬合，分別得到了不同電梯疏散人員比例下樓梯疏散時間與人員比例之間的擬合函數(shù)f(x1)及電梯疏散時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)

通過聯(lián)立方程f(x1)和f(x2)，求解2個函數(shù)之間的交點則為最短疏散時間下所對應的不同人員疏散比例。經(jīng)計算得，當負5層和負4層乘坐電梯的人員比例達到19%時，疏散時間最短，為49.98 min。

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

4　結(jié)論

1)當負6層和負7層人員全部使用電梯進行疏散，負4層和負5層19%的人員使用電梯進行疏散，剩下的人員使用樓梯進行疏散時，所得到的疏散時間最短，為49.31 min，相比較全部使用樓梯的疏散時間115.01 min，疏散時間減少了57.1%。對于整體疏散時間，建議通過增加樓梯和電梯數(shù)量的方式來進一步優(yōu)化。

2)利用電梯輔助疏散可降低疏散距離、能見度、人員體能等對疏散的影響，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。對于地下多層空間，電梯樓梯協(xié)同疏散時，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，其疏散效率可達到最優(yōu)，疏散時間相對樓梯疏散可減少一半。

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