谈快速疏散滑梯在超高层建筑中的应用

●张 鑫

(上海现代建筑设计集团 华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

谈快速疏散滑梯在超高层建筑中的应用

●张 鑫

(上海现代建筑设计集团 华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

为解决超高层建筑快速疏散问题，设计构建了快速疏散滑梯的形式。进行了快速疏散滑梯人体平面模拟试验，得出人体在作(组合型)双螺旋平面运动时不会出现头晕目眩现象的结论，初步验证了(组合型)双螺旋滑梯用于超高层建筑快速疏散的可行性。探讨了快速疏散滑梯的实际应用技术，分析了快速疏散滑梯的疏散能力，经简单计算其疏散时间仅为普通疏散楼梯的14%，说明通过合理设计(组合式)双螺旋滑梯是能解决超高层建筑消防疏散的世界难题。

超高层建筑；快速疏散；滑梯；双螺旋；平面运动

0 引言

当今世界超高层建筑越来越多，建筑高度也是越来越高，但超高层建筑的消防快速疏散问题已成为世界难题，到目前为止还没有一个安全、实用、简单、可行的办法。报刊杂志上经常有学者提出电梯疏散[1-2]、无动力逃生梯[3]、无动力滑袋[4]逃生等方案，来解决超高层建筑消防快速疏散问题，但终因疏散人数有限、速度慢、构造复杂、造价贵等原因，很难在量大面广的超高层建筑中推广应用。全世界所有超高层建筑目前仍然采用普通的防烟楼梯间来解决消防疏散问题。也就是说，一旦发生意外，在超高层建筑里工作或生活的人们只能一步一步地从几百米高的楼上走下来。超高层建筑消防快速疏散问题到目前为止还没有真正得以解决，它几乎成为建筑师们要解决的世界难题。

自美国发生“9·11”事件起，笔者一直在探索解决超高层建筑快速疏散问题，2014年4月在《武警学院学报》第4期发表了题为《超高层建筑快速疏散问题初探》一文，提出采用双螺旋滑梯解决超高层建筑快速疏散的初步方案[5]。但是，快速疏散滑梯的构造方式、人体的适应性等问题需进行深入研究。本文在快速疏散滑梯人体模拟试验研究基础上，探讨快速疏散滑梯在超高层建筑中的应用。

1 快速疏散滑梯简介

快速疏散滑梯工作原理比较简单，就像儿童公园内的(单)螺旋形滑梯，人员只要坐卧在滑道上，利用地心引力无需任何动力和体力，也无需任何操纵技术，就可以从滑梯的顶部滑到底部。单螺旋滑梯结构简单，如图1所示，人在其上向下滑行时总是绕顺时针(或逆时针)向下旋转滑行，滑行若干圈到达首层时，除受过特殊训练的运动员外，一般都会出现头晕目眩现象。如果用这种方法来疏散高层建筑中的人员，还可能造成挤压踩踏事故。双螺旋形滑梯平面投影呈“8”字形，如图2和图3(A单螺旋、B双螺旋、C组合1型、D组合2型)中的B所示，简称为双螺旋“8”字形滑道[6]，在滑道上滑行的人员分别以顺时针向下滑1圈，再以逆时针向下滑1圈，以此类推，做重复向下滑行运动。组合1、2型滑梯是由单螺旋和双螺旋组合而成，其形式如图3中的C、D所示，在滑道上滑行的人员分别以顺时针向下滑2～3圈，再以逆时针向下滑2～3圈，以此类推，做重复向下滑行运动。

图1 单螺旋滑梯平剖面示意图

图2 双螺旋滑梯平面示意图

图3 快速疏散滑梯模型图

2 快速疏散滑梯人体模拟平面试验

由于建造上百米高的双螺旋滑梯试验台不仅需要有较大的场地，而且还要大笔资金的投入，对于研究者来说是很难做到的。因此，采用了平面模拟试验方式来测试人体的感受，由此来验证人体在做单螺旋、(“8”字形)双螺旋、组合1、2型双螺旋四种平面运动时，是否会出现头晕目眩现象，以验证快速疏散方案的实用性。

2.1 螺旋运动分析

众所周知，物体从某一高度以速度V做单螺旋向下运动，可以分解为两种运动方式，即该物体以速度Vc做平面圆周运动和速度Vy做垂直向下运动。当人员坐在双螺旋滑梯上向下滑行时，也应该是以速度Vc(平面“8”字形双圆周运动)和速度Vy(垂直向下运动)的合成，如图4所示。

图4 螺旋向下运动速度分解图

一般情况下，人员在做单螺旋向下滑行运动时，不到1min，大多数人都会出现头晕目眩现象。比如，人员绕电线杆转上几圈(即做圆周运动)，也会出现头晕目眩现象。但是，很少有人在乘观光电梯从顶层向下运动时会出现头晕目眩现象。也就是说，在做单螺旋向下滑行运动时，导致人员头晕目眩的主要原因是重复做圆周运动，而不是垂直向下运动。也就是说，判断人员在做双螺旋和单双螺旋组合型向下运动时，是否会出现头晕目眩现象，主要测试人员在做平面“8”字形和组合型平面运动后的感受。因此，将平面模拟试验运动分为四种：(1)圆周运动，在直径为D的圆上作重复圆周运动。(2)“8”字形运动，在直径为D的两个相切的圆上做“8”字形重复运动。(3)组合1型平面运动，在直径为D的两个相切的圆上，先以顺时针方式在左侧圆上旋转2圈之后，再以逆时针方式在右侧圆上旋转2圈，然后再回到左侧圆上重复上一轮运动，以此类推重复运动。(4)组合2型平面运动，在直径为D的两个相切的圆上，先以顺时针方式在左侧圆上旋转3圈之后，再以逆时针方式在右侧圆上旋转3圈，然后再回到左侧圆上重复上一轮运动，以此类推重复运动。四种运动形式的示意如图5所示。

2.2 人体模拟试验

我们共做了五次平面运动人体模拟试验，是以某一速度在地面上分别以上述四种运动方式做重复运动。第一次试验是参试者骑自行车，以运动方式(1)圆周运动与运动方式(2)“8”字形运动进行比较。第二次试验是参试者2人一组坐在碰碰车上，以运动方式(1)圆周运动与运动方式(2)“8”字形运动进行比较。第三次试验是参试者骑自行车，按运动方式(2)做“8”字形运动。第四次试验是参试者骑自行车，以运动方式(1)圆周运动与组合2型运动进行比较。第五次试验是参试者骑自行车，以运动方式(2)“8”字形运动与组合1型运动进行比较。

(a)圆周运动

(b)“8”字形运动

(c)组合1型平面运动

(d)组合2型平面运动

试验时在地面上首先绘出如图6所示的两个圆相切的图案。

图6 运动轨迹图案

在五次试验中运动方式共有四种，在四种不同形式运动方式中，受试者的运行(线)速度可按以下公式计算：

圆周运动：Vc=NπD/t

(1)

“8”字形运动：Vc=2NπD/t

(2)

组合1型运动：Vc=4NπD/t

(3)

组合2型运动：Vc=6NπD/t

(4)

式中，Vc为人在自行车或碰碰车上作平面圆周运动时的线速度(m·s-1)；N为作四种运动方式时的重复次数；D为作圆周或“8”字形运动时圆形图案的直径(m)；t为运行时间(s)。

按式(1)～(4)，其中D为6m，分别计算出每次每项试验人体运动的速度(这里是指人体在圆周上的线速度)，并将五次试验情况分别列于表1。从表1中人体运动(线)速度来看，一般约在3～4m·s-1。由于运动轨迹不是十分精确，故而运动速度会有5%的正负偏差，这基本上不影响试验结果。

2.3 试验结果分析

由表1数据可得出如下几点：(1)在做平面圆周重复运动时，不论速度是多少(一般不低于1.0m·s-1)，几乎所有参试者都会有头晕的现象。(2)在做平面“8”字形重复运动时，当以较低的速度(一般不高于3.0m·s-1)时，坐碰碰车的参试者感觉有点晕或较晕，骑自行车的参试者基本没感觉到晕。(3)在做组合1、2型运动时，所有参试者的感受都不晕。(4)参试者坐在碰碰车上运动较骑自行车感觉会晕点，这可能是参试者坐在碰碰车上视点较低(距地面约为1.0m)，地面相对于参试者的眼睛运动速度较快。不像人骑在自行车上，视点较高(距地面约有1.5m)，地面相对于人的运动速度较慢。故而坐在碰碰车上较骑自行车会有点晕的感受。当然，我们每个人在乘坐汽车时，有的人会晕车，而有的人根本不会晕车，个体有差异。在上述试验结果中只有一位参试者(王女士)，在骑自行车和乘碰碰车做平面“8”字形重复运动时，都会有较晕的感受，而她在做组合1、2型运动时，感觉都不晕。由人体平面模拟试验结论基本表明，采用双螺旋和组合型滑梯是可以用于高层和超高层建筑快速疏散，而且组合型效果更好。

根据《运动生理学》第429页的论点：“神经系统是人体功能的主要调节系统。在神经系统直接或间接的调节和控制下，人体各器官、系统的功能才能得以相互配合，相互制约，以维持人体整体水平的协调统一，并适应身体内外环境的变化，保证生命活动的正常进行。”[6]另外在《感觉器官和中枢神经系统在运动动作中的作用》——克列斯托甫尼科夫运动生理学论文集第一部分第127页，引用了俄罗斯生理学家、心理学家、医师巴浦洛夫的论点：“……中枢神经系统各阶层都与大脑皮质的主导作用在机能上得到了统一，而感觉器官的机能则由于条件反射活动的规律在与脑的机能的正常联系中被阐明了。”[7]因此，人们在做平面圆周重复运动时，感到头晕与人体的感受器官内耳前庭器有关。这些神经末梢的兴奋或抑制性电信号通过神经传向前庭中枢并感知此运动状态；这些前庭电信号的产生、传递在超过一定限度和时间时，人们会产生不良反应。这就是人们在做平面圆周重复运动时感到头晕的原因。当试验者做“8”字形重复运动时，一部分参试者感受到有点晕或较晕。这是因为“8”字形运动顺、逆时针重复的时间间隔较短，不良反应信号还没来得及抵消。只有在做组合1、2型重复运动时，所有参试者的感受都不晕。这是因为运动对人体平衡系统的破坏，随着交替进行的顺、逆时针旋转而互相抵消了，所以参试者不会发生头晕现象。

前面我们将螺旋运动分解为平面圆周运动和垂直向下运动，双螺旋运动也是如此。设双螺旋滑梯中心线与水平面夹角为30°(这可以通过试验来确定合适的角度)，人们在其上滑行时水平分速度(指任一圆弧处的线速度)Vc约为4.0m·s-1，垂直向下的分速度Vy约为2.31m·s-1(目前一般电梯向下运动的速度值也在这个范围内)，那么人们在滑道上下滑速度应该是这两个速度的合成。按特殊三角形各边长度比例关系，人坐在滑道上向下滑行的合成速度V约为4.62m·s-1，可近似取其为5.0m·s-1。也就是说，通过人体模拟试验分析研究基本结论如下：(1)人在双螺旋滑梯上以5.0m·s-1速度下滑时，大多数人是不会出现头晕现象的，只有少数人感觉有点晕。(2)人在组合1、2型双螺旋滑梯上以5.0m·s-1速度下滑时，所有人都不会出现头晕现象。(3)关于人体在组合1、2型双螺旋滑梯上，若以更高的速度(10.0或15.0m·s-1)下滑是否出现头晕现象？这要进一步由人体模拟试验来验证。

2.4 模拟试验的缺陷

通过人体模拟试验测试结果，基本取得了平面“8”字形和组合型重复运动给人的感受情况。但由于该项研究目前尚处于初步试验研究阶段，没有大量资金投入试验。上述试验尚存在如下缺陷：(1)在《超高层建筑快速疏散问题初探》论文中，双螺旋滑梯水平投影圆的直径为4.0m，在模拟试验中平面“8”字形圆的直径D为6.0m，因为直径太小自行车或碰碰车很难在其上作快速运动，这是模拟试验的第一个缺陷。(2)在做圆周重复运动模拟试验中，运动速度是以直径D为6.0m计算出圆周长后再乘以所转圈数而求出总长度，然后由总长度除以运行的时间而求出运行速度的。因为人在骑自行车或乘碰碰车时，虽说是在绕圆周运动，但很难保证每圈的直径都是6.0m。因此，试验中的速度计算值是不精确的，这是模拟试验的第二个缺陷。(3)模拟试验中运动的速度不大于5.0m·s-1，如果加快运动速度到10.0或20.0m·s-1，人的感受又会如何？目前采用自行车或碰碰车试验无法达到更高的速度，这是模拟试验的第三个缺陷。为了解决模拟试验的缺陷，笔者计划设计制造“8”字形平面模拟试验台，试验台上圆的直径可以定为4.0m，采用电动机驱动，运动速度和方式采用程序电控，以不同的速度和不同的重复运动方式来测试人的感受，可望取得更精准的试验结果。为设计组合型双螺旋滑梯获得可靠的技术数据，可望早日解决超高层建筑快速疏散问题。

3 快速疏散滑梯应用技术

在超高层建筑中，如果采用快速疏散滑梯方案，可大大提高疏散容量和缩短疏散时间。一般超高层建筑的核心筒有2部疏散楼梯，当采用快速疏散滑梯来解决疏散时，可设1部普通疏散楼梯和1部快速疏散滑梯，其平面布置形式如图7所示。

图7 疏散滑梯平面布置形式

快速疏散滑梯采用双螺旋“8”字形(或组合型)，它不仅可用于超高层建筑快速疏散，而且还可以解决超高层建筑内的垂直交通。快速疏散滑梯的应用还存在着一些技术问题需要研究。如双螺旋直径的大小、滑梯的坡度和宽度，以及滑道表面材料的摩擦系数等。

人员在滑梯上向下滑行时的安全问题有三点需要考虑：(1)人在滑梯上受摩擦后是否会损伤衣服和皮肤？为了解决这个问题，可为每一位进入滑梯者配上防护垫。防护垫可用特殊布料定制，性能要求是质轻、不燃、耐磨、便于快速穿戴，戴在身上不影响正常行走。(2)如何确保人在滑梯上匀速(如6.0m·s-1)向下滑行。如图8所示，人们在滑梯上向下滑行过程中，当牵引力F大于摩擦力f时，为加速运动；当牵引力F小于摩擦力f时，为减速运动；当牵引力F等于摩擦力f时，为匀速运动。可以通过试验取得快速疏散滑梯滑道与水平面的夹角为θ时正好牵引力F等于摩擦力f，每层楼进入主滑梯的支滑道与水平面夹角α略大于θ。当人员在支滑道上滑行时是以加速度运动的，到达主滑梯后由于牵引力F等于摩擦力f，人员以某一匀速度(如6.0 m·s-1)向下滑行。(3)如何确保人们滑到首层不会出现拥挤踩踏事故。当人员在滑梯上以某一匀速滑到首层时，采取减小滑梯的坡度，使牵引力F小于摩擦力f，使人员在滑梯上作减速运动，让滑行的速度慢下来。人在滑梯上向下滑行类似于水在管道中流动，流量不变时，管道越粗流速越慢。故可采取加宽接近首层处滑梯的宽度，就可保证在滑梯上的人员不会出现拥挤和踩踏。人在滑梯上的滑行速度低于0.5m·s-1时，一般是可以站起来行走了。为了使得滑到首层的人员方便站起来行走，可在首层加宽滑梯设计成为多个小滑道。即原来滑梯只有一个滑道，到首层后可以变为3～5个滑道，每个滑道约0.4m宽，两侧设渐高式扶手，人员快到首层时，速度变慢，滑道两侧又有扶手，每个滑行者可立即站起来步行到更安全的地方。由此可见，可以通过调整滑道的坡度、表面材料与防护垫之间的摩擦系数等措施，使得坐卧在滑道上的人员以加速度、匀速、减速三种方式安全地下滑到首层。

图8 滑行受力图

4 快速疏散滑梯的疏散能力

调整快速疏散滑梯的坡度等技术措施可改变滑行速度。运动员在雪地滑行的速度一般都超过20m·s-1。当我们半卧在滑道上向下滑行时，滑道横截面可设计成半圆弧形，人在其上滑行时是安全的，是不可能滑到滑道外面的。在紧急疏散时为了确保安全，就像我们在飞机上紧急疏散时一样，需要脱下高跟鞋或硬底皮鞋。取滑行速度为6.0m·s-1，向下滑行的人与人间隔设为2.0m，即每秒钟有3个人通过某一横截面，疏散流量为180 人·min-1。如果采用双滑道，其疏散流量为360 人·min-1。

设有一栋50层超高层建筑，每层有120人需要疏散。1层～5层的人员从普通疏散楼梯向下疏散，从楼梯疏散每分钟约37人通过。2层～5层共有4×120=480人，按每分钟37人通过最后一级楼梯计，约需13min疏散完。6层～50层内共有45×120=5 400人，按360 人·min-1的流量计算，约需15min可疏散完。较《高层民用建筑设计防火规范》[8]第6.1.13条的条文说明例表中66min要快得多，约为普通楼梯疏散时间的22.7%。由此可见，如果提高下滑速度为10.0m·s-1，可使疏散流量大大提高，疏散时间仅为普通疏散楼梯的14%。

这种新型疏散滑梯有以下优点：一是构造简单无运行成本；二是无需任何动力；三是无需任何体力；四是安全可靠，不会产生踩踏事故；五是方便快速，每分钟能疏散360余人；六是(在稍有帮助下)可用于肢体有残疾的人员紧急疏散；七是(在稍有帮助下)可用于盲人紧急疏散；八是可用于体弱有病的人(或孕妇、老年人)紧急疏散；九是(在稍有帮助下)可用于儿童疏散。如果采用剪刀式双道双螺旋滑梯，使得双股滑道变为四股滑道，疏散人数可加倍，每分钟可疏散720余人。这应该是解决超高层消防疏散的最佳方案了。

5 结束语

双螺旋滑梯的应用目前尚处于研究试验阶段，如能应用于超高层(含高层、多层)建筑中，可以一举四得：一是解决了超高层(含高层)建筑的快速疏散的世界难题；二是可以作为超高层(含高层)建筑中部分垂直交通，方便快捷；三是可以解决老、幼、病、残等行动不便者在建筑中的快速疏散；四是可以解决人员密集性生产类建筑和大流量人员场所的快速疏散。

[1] 朱惠军.超高层建筑高速穿梭电梯辅助疏散的可行性[J].消防科学与技术,2012,31(9):931-934.

[2] 肖泽南,周健，彭华.电梯用于高层建筑火灾下的人员疏散的探讨[J].消防技术与产品信息，2012,(5):40-43.

[3] 徐剑颖,高健.无动力逃生梯部分替代疏散楼梯的可行性研究[J].武警学院学报，2009,25(8):18-20.

[4] 张媛.滑道与紧急出口[J].消防技术与产品信息，2012,(5):88-90.

[5] 张鑫.超高层建筑快速疏散问题初探[J].武警学院学报，2014,30(4):39-41.

[6] 《运动生理学》编写组.运动生理学[M].北京：人民体育出版社，1978.

[7] 阿·恩·克列斯托甫尼科夫.感觉器官和中枢神经系统在运动动作中的作用[M].凌治镛,译.北京：人民体育出版社，1955.

[8]GB50045-95,高层民用建筑设计防火规范(2005年版)[S].

On the Application of Rapid Evacuation Slides in Super-high Buildings

ZHANG Xin

(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteco.,Ltd,ShanghaiXiandaiArchitecturalDesignGroup,Shanghai200041,China)

In order to solve the problem of rapid evacuation in super-high buildings, a rapid evacuation slides design in conceived. A plane simulation experiment for rapid evacuation is taken to draw a conclusion that people will not feel dizzy when they are in double helical plane motion, which proves the possibility of the application of the double spiral d for rapid evacuation of high-rise building. This paper also studies the applying technology of rapid evacuation slides, analyzes its evacuation ability which is 14% of common evacuation stairs. It proves that the rationally designed double helix slide could effectively resolve the world class problem of super-high building evacuation.

super-high buildings; rapid evacuation; slide; double helix; plane motion

2014-12-01

张鑫(1955— )，男，安徽六安人，高级工程师，国家一级注册建筑师。

D631.6

A

1008-2077(2015)02-0012-06