氣囊式緩沖裝置實(shí)現(xiàn)高層建筑火災(zāi)逃生的探索

張恩惠，趙瑞峰，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：為尋求一種應(yīng)用于高層建筑火災(zāi)逃生的簡(jiǎn)易、實(shí)用及安全性裝置。通過(guò)分析高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)以及傳統(tǒng)疏散方式應(yīng)用于高層建筑存在的諸多問題，結(jié)合在緊急情況下人們的心理、行為特征說(shuō)明高層建筑火災(zāi)情況下逃生疏散的復(fù)雜性。列舉現(xiàn)有逃生裝置的實(shí)際應(yīng)用情況及應(yīng)用于高層建筑逃生疏散存在的問題，提出應(yīng)用氣囊著陸緩沖裝置進(jìn)行逃生的可能，分析現(xiàn)有關(guān)于氣囊著陸緩沖技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)典型著陸減震緩沖氣囊在牽引傘打開、氣囊排氣以及控制簡(jiǎn)易化等方面做改進(jìn)并分析。得出利用氣囊著陸緩沖裝置進(jìn)行高層建筑火災(zāi)逃生具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：高層建筑；著陸緩沖；氣囊；可行性

中圖分類號(hào)：S 772；V 244

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2015)02-0108-04

Abstract：The purpose of this paper is to look for a simple，practical，and safety device applied in the high-rise building fire escape.Combining the analysis on the characteristics of the high-rise building fire and the deficiencies of the traditional evacuation ways used in high-rise buildings，with people’s psychological and behavioral characteristics in case of emergency，the complexity of fire escape and evacuation in high-rise buildings were elaborated.The practical application of existing escape devices and problems in the application were enumerated.The possibility of applying airbag landing buffer device to escape was put forward and the existing research and application about airbag landing and buffering was analyzed.The typical landing shock absorption air bags in the aspects of expansion，air exhaust traction umbrella，and control should be improved.It is concluded that it is feasible to use airbags buffering devices for high-rise building fire escape.

Keywords：high-rise building；landing buffer；airbags；feasibility

收稿日期：2014-11-18

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金(E201025)

作者簡(jiǎn)介：第一張恩惠，博士，副教授。研究方向：機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)及控制，安全工程，生物質(zhì)能利用技術(shù)設(shè)備。E-mail：245634835@qq.com

Exploration of Airbag Buffering Devicefor Fire Escape in High-rise Buildings

Zhang Enhui，Zhao Ruifeng，Wang Shuyang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：張恩惠，趙瑞峰，王述洋.氣囊式緩沖裝置實(shí)現(xiàn)高層建筑火災(zāi)逃生的探索[J].森林工程，2015，31(2)：108-111.

隨著農(nóng)村城市化進(jìn)程的加快，高層建筑也迅速發(fā)展。而高層建筑內(nèi)各種用于建筑、裝潢的木質(zhì)材料以及木質(zhì)家具、生活用品對(duì)火災(zāi)的發(fā)生和蔓延起著決定性的作用，1 kg木材所產(chǎn)生的熱量有18 840 kJ之多[1-2]。居住在其中的人員結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括老弱病殘、孕婦、兒童以及對(duì)環(huán)境不太熟悉的人。在國(guó)內(nèi)，由于安全教育的缺失，大多數(shù)人都缺乏必要應(yīng)急疏散意識(shí)，逃生能力有限，而高層建筑樓道一般較為狹窄，樓層偏高，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)不容易逃離，救援也非常困難，而且常因人員擁擠阻塞通道，造成踩踏事件導(dǎo)致額外的傷亡。雖然現(xiàn)今逃生裝備多樣化，但真正具有針對(duì)性的、符合結(jié)構(gòu)復(fù)雜人群和復(fù)雜環(huán)境逃生的裝備還沒有廣泛的應(yīng)用。氣囊著陸緩沖技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟應(yīng)用于重型裝備、物資空投和無(wú)人機(jī)回收降落以及外太空設(shè)備的著陸等領(lǐng)域[3-4]。通過(guò)改進(jìn)使其適用于普通居民高層建筑火災(zāi)逃生，成為另一條科學(xué)有效的疏散途徑。

1高層建筑火災(zāi)情況下逃生的復(fù)雜性

1.1　高層建筑火災(zāi)蔓延速度快

高層建筑中豎直通風(fēng)、排煙通道，樓梯間，電梯井，個(gè)別建筑還有共享中庭等，由于密度差等原因造成空氣強(qiáng)對(duì)流，形成煙囪效應(yīng)，致使火災(zāi)蔓延速度加快，煙氣擴(kuò)散迅速，縮短人們的緊急疏散時(shí)間。據(jù)測(cè)定，在火災(zāi)起初階段，高層建筑火災(zāi)煙氣水平擴(kuò)散速度約為0.3 m/s，而在火災(zāi)全面發(fā)展階段，由于煙囪效應(yīng)的作用各管井煙氣擴(kuò)散速度則可達(dá)3~4 m/s[5]。

1.2　火災(zāi)起火初期不易被發(fā)現(xiàn)

根據(jù)火災(zāi)形成發(fā)展的特征[6]，如圖1所示，在起火前期，很難引起人們的注意，一旦發(fā)現(xiàn)多已形成迅速蔓延之勢(shì)，雖然現(xiàn)在各種煙霧報(bào)警器及火災(zāi)報(bào)警器已被廣泛應(yīng)用，但往往由于火源發(fā)現(xiàn)較晚，火勢(shì)及煙氣迅速蔓延失去控制，無(wú)法得到充足的時(shí)間在安全疏散時(shí)間內(nèi)逃離危險(xiǎn)區(qū)域。

設(shè)理論安全疏散時(shí)間t，安全疏散時(shí)間ts，逃離危險(xiǎn)區(qū)域所用時(shí)間ta，則：

ts=nt，ta≤ts。

(1)

式中：n為安全系數(shù)。

只有在滿足逃離危險(xiǎn)區(qū)域所用時(shí)間ta，才能夠保證逃生人員的安全。

圖1　火災(zāi)形成發(fā)展特征圖 Fig.1 The formation and development of fire

1.3　人們?cè)诰o急情況下的心理反應(yīng)及其行為特征

在我國(guó)，絕大多數(shù)人群缺乏系統(tǒng)的應(yīng)急演練，在緊急情況下如選擇的逃生路線被大火封死，火勢(shì)愈來(lái)愈大、煙霧愈來(lái)愈濃時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)緊張心理。在慌亂之中，在求生本能的驅(qū)使下，往往會(huì)做出些不理智的選擇，其中一部分人會(huì)選擇從窗口逃生，然而，面對(duì)高落差非但不能增加生還希望，還將自己置身于更加危險(xiǎn)的境地。而對(duì)于處于高層建筑中的人們來(lái)說(shuō)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果能夠較為安全的著地，窗口是最為迅捷的逃生通道之一[7]。

2現(xiàn)有逃生方式存在的問題

隨著社會(huì)發(fā)展，傳統(tǒng)疏散方式已不能滿足人們對(duì)安全的需求，于是各種逃生裝備也慢慢被廣泛應(yīng)用。從環(huán)境因素及個(gè)人素質(zhì)等影響因素考慮，它們都存在著一定的問題。

2.1　傳統(tǒng)疏散方式及存在的問題

傳統(tǒng)疏散方式一般是利用樓梯疏散；利用消防電梯、防煙樓梯、普通樓梯、封閉樓梯及觀景樓梯進(jìn)行疏散；利用陽(yáng)臺(tái)、通廊、避難層、救生袋和安全繩等進(jìn)行疏散；利用墻邊落水管進(jìn)行疏散；將房間內(nèi)的床單或窗簾等物品連接起來(lái)進(jìn)行疏散等都可以認(rèn)為是傳統(tǒng)的疏散方式[7]。

而這些疏散方式在人口密度越來(lái)越大、樓層高度越來(lái)越高的今天，遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，其作用就不能夠真正解決眼前危急，反而可能會(huì)造成額外的巨大損失。傳統(tǒng)疏散方式在高層建筑火災(zāi)逃生過(guò)程中受多方面因素的影響，如各種環(huán)境因素及個(gè)人生理、心理因素等。

傳統(tǒng)疏散方式存在的問題主要表現(xiàn)在：

(1)疏散時(shí)間。樓層高度導(dǎo)致垂直疏散距離大，人口密集導(dǎo)致疏散速度降低，直接造成疏散時(shí)間的過(guò)長(zhǎng)。另外，身體疲勞、心理恐慌和老弱病殘幼等因素都會(huì)使疏散時(shí)間延長(zhǎng)，從而錯(cuò)過(guò)有效的疏散時(shí)間，不能在安全疏散時(shí)間內(nèi)到達(dá)安全區(qū)域。

(2)個(gè)人素質(zhì)及意識(shí)。利用傳統(tǒng)疏散方式進(jìn)行疏散受心理素質(zhì)、個(gè)人安全疏散意識(shí)和體能等的影響。在遇到緊急情況時(shí)，受心理素質(zhì)的影響很容易產(chǎn)生緊張甚至恐慌，對(duì)身處環(huán)境反應(yīng)遲鈍，表現(xiàn)出冒失行為；由于缺少必要的應(yīng)急演練，沒有足夠的安全疏散意識(shí)，對(duì)突發(fā)情況的處置能力不足，導(dǎo)致錯(cuò)失疏散時(shí)機(jī)；長(zhǎng)距離的逃生路線需要足夠的體能來(lái)維持，而借助其他附屬物品(如水管、床單窗簾和安全繩等)來(lái)疏散也需要體能的保證，這對(duì)老、弱、病、殘、孕、幼兒以及身體素質(zhì)差的群體是難題。

2.2　現(xiàn)有逃生裝置及存在的問題

目前，各式各樣的逃生裝備被研究開發(fā) 出來(lái)，并應(yīng)用于實(shí)際，但由于環(huán)境、人群的復(fù)雜性，其存在的問題也比較明顯。比如隨著建筑樓層高度的增加，小孩、老人、病人等特殊人群的存在，好多設(shè)備就不再適用等。

小型逃生器材類，如逃生繩、逃生軟梯、小型緩降器等在使用過(guò)程中都受到樓層高度和特殊人群的影響；機(jī)械式緩降器類，包括摩擦阻尼型、液體阻尼型、包角加手控型和間歇沖擊型等緩降器也受樓層高度的影響；同時(shí)在下降過(guò)程中需要手動(dòng)控制，在高度緊張狀態(tài)下，操作較為復(fù)雜；逃生系統(tǒng)裝置類，如高樓救生梯等，存在安裝維護(hù)費(fèi)用高，需要與建筑結(jié)構(gòu)相匹配，安裝在建筑物外影響外觀[8]。還有如柔性滑道易擦傷，降落傘需要專業(yè)人員操作，救生氣墊有高度限制且易偏離等都在逃生過(guò)程中存在安全性方面的問題。

3氣囊著陸緩沖技術(shù)及改進(jìn)

3.1　氣囊著陸緩沖技術(shù)

緩沖氣囊以其易折疊、質(zhì)量輕、成本低并具有良好的緩沖性能等優(yōu)勢(shì)，使氣囊著陸緩沖技術(shù)廣泛應(yīng)用于重型裝備、物資空投和無(wú)人機(jī)回收降落以及外太空設(shè)備的著陸等領(lǐng)域，其主要功能為減小降落傘面積，大幅降低著陸時(shí)受到的荷載沖擊，在有限距離內(nèi)耗散或吸收能量。氣囊著陸緩沖技術(shù)主要以美國(guó)的JPADS(聯(lián)合精確空投系統(tǒng))著陸緩沖系統(tǒng)、CM(獵戶座登陸艙)著陸緩沖系統(tǒng)為代表。美國(guó)AQM-34V和加拿大的CL289等無(wú)人機(jī)都利用了氣囊的減震功能。美國(guó)的“火星探路者號(hào)”、“勇氣號(hào)”、“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)器均采用氣囊了氣囊緩沖減震技術(shù)進(jìn)行緩沖著陸，前蘇聯(lián)“舍利夫-2型”無(wú)貨臺(tái)空投系統(tǒng)同樣采用了氣囊系統(tǒng)進(jìn)行緩沖著陸[9-10]。

國(guó)內(nèi)外就著陸緩沖氣囊的設(shè)計(jì)和分析做了大量的理論方面的研究。針對(duì)著陸時(shí)容易反彈及傾倒等問題設(shè)計(jì)了多種氣囊類型，如無(wú)排氣孔氣囊、排氣孔面積固定氣囊、排氣孔面積可控氣囊和組合式氣囊等；通過(guò)解析分析法利用熱力學(xué)及剛體動(dòng)力學(xué)等知識(shí)對(duì)氣囊著陸緩沖特性進(jìn)行建模分析；利用仿真軟件如ANSYS_LS_DYNA、MSC_DYTRAN等做有限元仿真分析[11]。

3.2　典型的著陸減震緩沖氣囊工作原理

目前典型的著陸減震緩沖氣囊的工作過(guò)程如圖2所示。如圖3所示為著陸緩沖減震氣囊完全展開狀態(tài)圖[12]。

圖2　著陸緩沖減震氣囊工作流程圖 Fig.2 The workflow of landing buffer cushioning airbags

典型的著陸減震緩沖氣囊工作原理為：載荷物離開支撐平臺(tái)，牽引傘拉直充氣直到充滿打開，提供足夠的牽引力使載荷物不致于在空中傾翻的同時(shí)盡量控制載荷物下降速度，與此同時(shí)緩沖氣囊進(jìn)行充氣展開，當(dāng)系統(tǒng)以一定的速度著地后，有效載荷體壓縮氣囊利用內(nèi)外壓力差值迫使系統(tǒng)減速，隨著系統(tǒng)速度的不斷減小，氣囊內(nèi)壓增大并達(dá)到某一特定壓力值時(shí)，排氣口打開向外排氣，系統(tǒng)速度進(jìn)一步減小直到安全著地。

1.牽引傘　2.載荷物　3.緩沖氣囊 圖3　著陸緩沖減震氣囊完全展開狀態(tài)圖 Fig.3 The fully expanded state of landing buffer cushioning airbags

3.3　高層建筑火災(zāi)逃生面臨問題的改進(jìn)與分析

氣囊著陸緩沖技術(shù)目前一般應(yīng)用于各種物資設(shè)備的空投、無(wú)人機(jī)回收和太空設(shè)備著陸等方面，要應(yīng)用于挽救處于險(xiǎn)境中有生命的人類，在許多方面都需要作進(jìn)一步的改進(jìn)，保證更高的安全系數(shù)，以做到將對(duì)人體的傷害減小到足夠低，提高在危難時(shí)刻生存的幾率。

(1)控制操作方面。目前氣囊著陸緩沖裝置在著陸控制過(guò)程中多由專業(yè)人員精確操作，而要應(yīng)用于高層建筑逃生，由于建筑物內(nèi)居住人員多為普通居民，對(duì)精確操作難度不小，且面對(duì)的又是異常緊急情況，因此需要設(shè)計(jì)出更為簡(jiǎn)單的控制操作程序來(lái)減小危險(xiǎn)。比如裝置的便攜，牽引傘的提前打開，氣囊的提前充氣等。

(2)牽引傘打開方面。牽引傘通過(guò)傘衣與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)充氣展開，其充氣過(guò)程是復(fù)雜的強(qiáng)流固耦合的非線性過(guò)程。牽引傘的打開都需要一定的時(shí)間，這就需要一定的高度來(lái)保證傘衣的完全打開，同時(shí)保證一個(gè)相對(duì)安全的平穩(wěn)下降速度。而相對(duì)于高層建筑，與高空空投及空降相比沒有足夠的高度來(lái)保證牽引傘的完全打開與速度的控制。這就需要將牽引傘改進(jìn)使其快速打開，如將牽引傘改為快速充氣型，內(nèi)充輕質(zhì)惰性氣體保證足夠牽引力，保證人體姿勢(shì)；同時(shí)也提供一定的阻力以降低下落速度。

(3)氣囊碰撞阻擋方面。當(dāng)前氣囊著陸緩沖裝置著陸地點(diǎn)通常選擇在空闊的沒有障礙的地方，而應(yīng)用于高層建筑，裝置在下降過(guò)程中可能會(huì)有一些特殊情況的發(fā)生，比如建筑物外凸出附屬物的擦碰等。通過(guò)將氣囊形狀設(shè)計(jì)成半球型，從而減小對(duì)氣囊的正面碰撞直到安全著地。

(4)氣囊排氣緩沖方面。一般緩沖裝置在著陸后，隨氣囊內(nèi)壓力的增大到額定值，氣囊排氣口打開排氣直到著陸，為防止側(cè)翻等現(xiàn)象也有采用多氣室設(shè)計(jì)。應(yīng)用于人員逃生，考略到其便攜性，則要做到氣囊體積盡量的小。將排氣口設(shè)計(jì)成恒壓排氣，控制氣體的排放量和排放速度，可以更好的控制氣囊體積。同時(shí)采用雙氣室設(shè)計(jì)，增加一層防護(hù)氣囊可以提供二次防護(hù)。

通過(guò)改進(jìn)，該氣囊著陸緩沖裝置具有一定便攜性、易操作、緩沖高效且對(duì)環(huán)境人群的適應(yīng)性較強(qiáng)，與現(xiàn)有逃生方式進(jìn)行配合使用加以定期的應(yīng)急演練，對(duì)高層建筑火災(zāi)逃生疏散具有深遠(yuǎn)的意義，對(duì)處于危險(xiǎn)中的人們也是一種福音。

4結(jié)論

本文通過(guò)上述分析，從多方面考慮，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)高層建筑火災(zāi)逃生情況的復(fù)雜性分析，利用氣囊緩沖裝置的便攜性可以合理的延長(zhǎng)人員安全疏散時(shí)間，可將窗口跳樓逃生可行化。

(2)結(jié)合傳統(tǒng)疏散方式和現(xiàn)有逃生裝置存在的問題，氣囊緩沖裝置便操作性可以很好的適應(yīng)復(fù)雜人群的使用，也擴(kuò)大了樓層高度的適用范圍。

(3)通過(guò)改進(jìn)，使其操作便易、緩沖高效同時(shí)安全性提高、適應(yīng)性強(qiáng)。應(yīng)用于高層建筑逃生疏散具有一定的可行性。

總之，利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，對(duì)各部分進(jìn)行大量后續(xù)研究，對(duì)氣囊著陸緩沖裝置各分系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在這個(gè)高層建筑越來(lái)越密集的時(shí)代，具有一定的利用價(jià)值也具有重大的推廣意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王金平，朱江.常用建筑材料及家具的熱值及其火災(zāi)荷載密度的確定[J].建筑科學(xué)，2009，25(5)：70-72.

[2]馬巖，張明松，楊春梅，等.森林火災(zāi)的危害及重要滅火手段的分析[J].森林工程，2013，29(6)：25-27.

[3]黃剛，李良春，林建.著陸氣囊的緩沖機(jī)理與技術(shù)分析[J].裝備環(huán)境工程，2011，8(4)：86-89.

[4]Esgar J B，Morgan W C.Analytical study of soft landings on gas-filled bags[R].Technical Report R-75，Cleveland：NASA，1960：5-20.

[5]李學(xué)美，任伯幟，劉新華.城市高層建筑火災(zāi)消防及安全逃生策略研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(8)：62-63.

[6]宋文華，伍東，張玉福.高層建筑火災(zāi)初期利用電梯進(jìn)行人員疏散的可行性探討[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(9)：68-70.

[7]高愛玲.高層建筑失火逃生[J].現(xiàn)代職業(yè)安全，2010(10)：104.

[8]張清林.高層建筑應(yīng)急逃生裝置研究綜述[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31(1)：53-56.

[9]尹漢鋒.著陸緩沖系統(tǒng)中吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[10]Cole J K，Waye D E.Bag：A Code for Predicting the Performance of A Gas Bag Impact Attenuation System for the Pathfinder Lander[M].California：United States Department of Energy Press，1993.

[11]陳帥，李斌，溫金鵬，等.軟著陸氣囊緩沖特性與參數(shù)設(shè)置的理論研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28(4)：25-28.

[12]方康壽.無(wú)人機(jī)回收氣囊減震性能的有限元研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[責(zé)任編輯：董希斌]