張 瑜 袁樹(shù)杰

安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院

高層建筑火災(zāi)逃生椅的設(shè)計(jì)

張 瑜 袁樹(shù)杰

安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院

對(duì)國(guó)內(nèi)外高層建筑火災(zāi)逃生裝備的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，總結(jié)各類(lèi)逃生裝備的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。結(jié)合高層建筑火災(zāi)逃生裝備的研究現(xiàn)狀，提出利用氦氣氣囊的浮力作用和空氣氣流對(duì)下降物體的阻力作用設(shè)計(jì)一種高層建筑火災(zāi)逃生椅的思路。該裝置的適用范圍不受建筑高度的限制，操作簡(jiǎn)單，且對(duì)逃生者的身體素質(zhì)要求不高，應(yīng)用前景廣泛。

逃生裝備；氦氣氣囊；逃生椅

隨著社會(huì)的發(fā)展和城市人口的增加，建筑的層數(shù)越來(lái)越高，高度也隨之增加。高層建筑的高度越來(lái)越高，一般的逃生裝置根本無(wú)法使用，消防救援裝備也難以到達(dá)相應(yīng)高度。所以對(duì)高層建筑火災(zāi)逃生裝備的研究是非常有必要的，有效的高層建筑火災(zāi)逃生裝備可快速幫助火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員逃離現(xiàn)場(chǎng)，避免傷害[1]。

1 高層建筑火災(zāi)逃生裝備研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外高層建筑火災(zāi)逃生裝備研究現(xiàn)狀

國(guó)外專(zhuān)家開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)出了一些適用于高層、超高層的群體逃生設(shè)備：日本研制出一種不銹鋼螺旋型室外樓梯，發(fā)生火災(zāi)時(shí)建筑內(nèi)的人員可通過(guò)樓梯滑下，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但占地面積較大，因長(zhǎng)久置于室外，不利于進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，影響其使用壽命，且人員在逃生過(guò)程中易在旋轉(zhuǎn)逃生梯內(nèi)發(fā)生擠壓、踩踏事故。德國(guó)發(fā)明的新型逃生電梯是折疊式可充氣逃生艙，該裝置提前被安置于高樓樓頂，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，救援人員開(kāi)啟激活按鈕，裝置將自動(dòng)充氣，之后沿著建筑邊緣下降。這種設(shè)備逃生效率較高且適于高層建筑內(nèi)緊急疏散，但安裝復(fù)雜，只能在有電的情況下才能運(yùn)行，斷電則無(wú)法啟用。以色列發(fā)明了一種逃生裝備，該裝備用防火布做四面墻體，用玻璃纖維和樹(shù)脂做成復(fù)合底板，形成一個(gè)5層的折疊逃生艙，每層可容納30人。動(dòng)力來(lái)源于兩臺(tái)安裝在避難層或頂層的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，逃生艙逐層下降打開(kāi)，當(dāng)5層折疊逃生艙都打開(kāi)后逃生艙緩緩降落地面，逃生者一層一層地離開(kāi)。該裝置主要針對(duì)百米以上超高層建筑，疏散效率高，運(yùn)行平穩(wěn)，但造價(jià)昂貴，保養(yǎng)維護(hù)復(fù)雜[2-4]。

1.2 國(guó)內(nèi)高層建筑火災(zāi)逃生裝備研究現(xiàn)狀

我國(guó)的高層建筑火災(zāi)逃生設(shè)備按照體積大小可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是用于家庭或個(gè)人進(jìn)行逃生的小型逃生設(shè)備，主要包括逃生繩、逃生軟梯和繩索類(lèi)緩降器等；另一類(lèi)是用于公用建筑逃生的大型逃生設(shè)備，主要包括救生氣墊、逃生滑道、箱式緩降器、滑翔飛行器類(lèi)逃生設(shè)備等[5]。

逃生繩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于儲(chǔ)存，但是僅供掌握此種逃生方法且身體素質(zhì)好的人員使用，并且逃生繩適用于高度不超過(guò)6m的建筑。相比逃生繩，逃生軟梯的適用性更強(qiáng)，對(duì)逃生人員的身體素質(zhì)要求不高，并且高度不超過(guò)15m的建筑都可以使用逃生軟梯進(jìn)行逃生。緩降繩索類(lèi)逃生裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于使用，是應(yīng)用最多的一類(lèi)逃生設(shè)備，但是對(duì)使用者的身體素質(zhì)有一定的要求，而且在逃生過(guò)程中的安全性差，不適用于高度較高的建筑。救生氣墊操作簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、有很好的緩沖效果、應(yīng)用廣泛，但是不適用于高度較高的建筑?；李?lèi)逃生裝備是建筑逃生的一種有效逃生手段，逃生人員只要進(jìn)入滑道就可進(jìn)行逃生，但是在逃生過(guò)程中易發(fā)生踩踏、擠壓等事故，并且由于安裝在室外其使用壽命短。箱式緩降器可在無(wú)電時(shí)使用，且最多容納6人逃生，但是只能在頂層直接降到底層，不能在中間停留。滑翔類(lèi)逃生裝備具有可控性，可用于超高層建筑的逃生，但是具有足夠能力和經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)人員才能使用。

2 高層建筑火災(zāi)逃生椅的設(shè)計(jì)思路

2.1 座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

座椅的結(jié)構(gòu)圖，如圖1，座椅由坐板、底座、椅背構(gòu)成。逃生者使用所設(shè)計(jì)的高層建筑逃生椅進(jìn)行逃生時(shí)，在下降過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定大小的速度，落地后需要借助雙腿進(jìn)行緩沖，所以將逃生椅的底座與坐板設(shè)計(jì)為可分離的形式，避免底座在緩沖過(guò)程中帶來(lái)的不便。

坐板是半徑為20cm的圓形圓板，坐板的下面中間位置處設(shè)有三根長(zhǎng)為15cm的卡槽，其結(jié)構(gòu)圖，如圖2。底座的結(jié)構(gòu)圖，如圖3，其上部是一個(gè)邊長(zhǎng)為15cm的正方形板，該正方形板可以契合在坐板的卡槽內(nèi)，從而可以使坐板和底座連接在一起；底座的下部是一個(gè)邊長(zhǎng)為30cm的正方形板。椅背的寬度是30cm，高度是30～60cm。椅背上部裝有安全包，包內(nèi)裝有安全帶、橡膠繩、氣囊拉繩和帶有繩結(jié)的連接繩，安全帶的長(zhǎng)度可調(diào)，橡膠繩用于傳送氣囊；椅背上方焊接有圓形圓環(huán)，下方靠近坐板的位置安裝有安全帶的固定裝置；椅背的高度可以調(diào)節(jié)，椅背的框架是三根圓桿，下面圓桿靠近頂部的側(cè)面有一個(gè)圓形凸起，該凸起可以凹進(jìn)圓環(huán)內(nèi)。上面的圓桿可以套在下面的圓桿上，底部側(cè)面有一個(gè)圓孔，該圓孔和下面圓桿的凸起完美貼合，從而可以調(diào)節(jié)椅背的高度。椅背圓環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，如圖4。

圖1 座椅結(jié)構(gòu)圖

圖2 坐板結(jié)構(gòu)圖

圖3 底座結(jié)構(gòu)圖

圖4 椅背圓桿結(jié)構(gòu)圖

2.2 氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣囊材料為阻燃tpu尼龍復(fù)合布，該材料經(jīng)高溫?zé)岷隙?，具有耐高溫、不易燃燒、?qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。氣囊的結(jié)構(gòu)圖，如圖5，其形狀是半徑為1.0m、高度為4.0m、體積為12.56m3的圓柱體。底部圓心位置處裝有進(jìn)氣閥門(mén)，可以向氣囊充氣。氣囊內(nèi)充裝的氣體是氦氣，可以選用市面上壓力為69MPa、體積為50L的高壓鋼瓶進(jìn)行充氣，一個(gè)鋼瓶可以充滿兩個(gè)氣囊。氣囊充滿氣后產(chǎn)生的浮力可根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

F—?dú)饽耶a(chǎn)生的浮力，N；

Δρ—空氣與氦氣的密度差，kg/m3（空氣密度為1.293kg/m3，氦氣密度為0.1786kg/m3）；

V—?dú)饽殷w積，m3；

g—重力加速度，N/kg。

根據(jù)式（1）可以得到一個(gè)氣囊充滿氣后產(chǎn)生的浮力是139.4N。氣囊底部邊緣裝有6根拉繩，每根長(zhǎng)3m，左右兩邊的三根拉伸分別系在一起，兩股拉繩由一根長(zhǎng)度為0.8m且中間有固定繩結(jié)的中間繩連接。多個(gè)氣囊一起使用時(shí)，用長(zhǎng)度為2.0m且中間帶有繩結(jié)的繩子分別固定在每個(gè)氣囊中間繩的繩結(jié)處，將多個(gè)氣囊連接為一個(gè)整體。

在空氣中下降的速度如果低于2.5 M（馬赫），可認(rèn)為其阻力與阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積和下降速度成正比，如式（2）所示[6]。

式中：

Ff—空氣阻力，N；

K—阻力系數(shù)，N·m-3·s；

S—迎風(fēng)面積，m2；

v—下降速度，m/s。

垂直平面體的空氣阻力系數(shù)為1.0左右[7]。人從空中降落到達(dá)地面的安全速度是不大于8m/s，根據(jù)式（2）可以得到一個(gè)氣囊在空中下降所能產(chǎn)生的最大空氣阻力為25.12N。在下降過(guò)程中忽略氣囊、繩子、椅子等的重量，忽略多個(gè)氣囊聯(lián)合在一起對(duì)空氣阻力系數(shù)的影響。為了保證逃生者的安全，不同體重的人進(jìn)行逃生所需要的氣囊個(gè)數(shù)，見(jiàn)下表。

為了保證下降過(guò)程中的平穩(wěn)，選用3個(gè)氣囊時(shí)，3個(gè)氣囊分別固定在椅背的的三個(gè)圓環(huán)上，其布局圖，如圖6；選用4個(gè)氣囊時(shí)，在椅背的左右兩邊分別固定兩個(gè)氣囊，其布局圖，如圖7；選用5個(gè)氣囊時(shí)，中間固定一個(gè)，兩邊分別固定兩個(gè)，其布局圖，如圖8；選用6個(gè)氣囊時(shí)，三個(gè)圓環(huán)分別固定兩個(gè)，其布局圖，如圖9。

表 不同體重的人進(jìn)行逃生所需要的氣囊個(gè)數(shù)表

圖5 氣囊結(jié)構(gòu)圖

圖6 三個(gè)氣囊的布局圖

圖7 四個(gè)氣囊的布局圖

圖8 五個(gè)氣囊的布局圖

圖9 六個(gè)氣囊的布局圖

2.3 具體實(shí)施方式

在沒(méi)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，所設(shè)計(jì)的椅子可以當(dāng)做家用椅使用。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，逃生者將椅子的底座分離下來(lái)，并在椅背的安全包中拿出橡皮繩，將橡皮繩的一端固定在陽(yáng)臺(tái)上，救援人員根據(jù)逃生者的體重，確定所需要的氣囊個(gè)數(shù)，根據(jù)不同個(gè)數(shù)氣囊的布局圖將氣囊用連接繩連接為一個(gè)整體并進(jìn)行充氣，充好氣的氣囊通過(guò)橡膠繩傳送給逃生者。當(dāng)逃生者所在的位置較低，橡膠繩可以觸及地面時(shí)，則可以在地面對(duì)氣囊進(jìn)行充氣、傳送。當(dāng)逃生者所在位置較高時(shí)，救援人員在橡膠繩可以觸及的樓層的陽(yáng)臺(tái)或窗戶處進(jìn)行充氣、傳送，充氣時(shí)將氣囊連接繩上的繩結(jié)穿入橡皮繩，并把氣囊留在室外，然后用充氣管將氣囊的充氣閥門(mén)和氦氣儲(chǔ)氣瓶聯(lián)通進(jìn)行充氣。充滿氣后撤掉充氣管，利用浮力作用，氣囊將沿著橡膠繩到達(dá)逃生者的位置。

逃生者將所需要的拉繩的一段固定在座椅椅背的圓環(huán)上，調(diào)整椅背的高度，坐在椅板上，打開(kāi)安全包系好安全帶。最后將所剩拉繩的另一端與氣囊連接在一起，解開(kāi)固定在陽(yáng)臺(tái)上的橡皮繩，消除對(duì)氣囊的限制作用，即可進(jìn)行逃生。

3 結(jié)束語(yǔ)

將氣囊與必備家用座椅結(jié)合在一起，利用氣囊的浮力作用和氣流對(duì)氣囊的阻力作用實(shí)現(xiàn)逃生。所設(shè)計(jì)的高層建筑火災(zāi)逃生椅適用于家庭、學(xué)校、醫(yī)院、辦公場(chǎng)所等高層建筑，且不需要逃生者具備相關(guān)的操作技能，對(duì)逃生者的身體素質(zhì)要求不高，應(yīng)用前景廣泛。座椅的椅背設(shè)計(jì)為可伸縮的形式，可以避免因安全帶佩戴不合理而造成的事故；底座和坐板設(shè)計(jì)為可分離的形式，可以避免在著地緩沖時(shí)底座對(duì)人體帶來(lái)的不便；不在逃生現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氣囊充氣，可避免高壓鋼瓶受熱發(fā)生爆炸。

[1]姚燕生,朱達(dá)榮,吳振坤.高層建筑火災(zāi)緩降逃生設(shè)備綜述[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013,21(4)：41-45

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[6]黎少輝,湯文成.高層建筑逃生子母式降落傘的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備,2016,2(4)：8-11

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張瑜（1993-），女，安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院碩士研究生，主要從事災(zāi)害防治理論及技術(shù)研究。Email：1485580301@qq.com