雷 陽，劉夢妍，陳昱廷（.中都工程設(shè)計有限公司，廣東 廣州 50060；. 中建科技有限公司，廣東 深圳58000；.中科建建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 00044）

1 研究背景

現(xiàn)階段我國正處于城市化進(jìn)程不斷加快的過程中，大規(guī)模的城市建設(shè)已經(jīng)全面展開，其中高層建筑占新建建筑的比例逐年上升，但與其相對應(yīng)的高層建筑防災(zāi)救災(zāi)及日常維護(hù)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展卻依然緩慢。限于當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)水平，加上高深、空間狹小場所防災(zāi)技術(shù)相對滯后的影響等，我國高層，甚至是中高層、多層建筑在災(zāi)害發(fā)生時的逃生救援問題依然沒有得到根本有效的解決。因此，為高層建筑配一款機(jī)動靈活、行之有效、常備不衰的抗災(zāi)、逃生、救援裝備至關(guān)重要。多層和中高層建筑的防災(zāi)逃生和救援主要依賴各層的疏散通道和豎向的疏散樓梯，一旦發(fā)生地震、火災(zāi)等重大災(zāi)害就要靠人員自覺通過疏散通道逃生。救援人員也要通過疏散通道進(jìn)入施救，或用消防云梯空中救援。如果災(zāi)害發(fā)生得很突然或劇烈，勢必釀成巨大損失。

2 多用途智能升降器的應(yīng)用分析

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，在國外建筑中配備較多的逃生器材主要有：固定式逃生梯、逃生滑道、逃生艙以及樓梯轉(zhuǎn)運(yùn)椅等。根據(jù)逃生裝置的原理及方式，這些器材可大致分為以下幾大類: 樓梯通道類、滑降軟體管道類、緩降繩索類、升降機(jī)類等。

固定式逃生梯是一種布置在建筑外墻的緊急逃生通道。在國外建筑中有一定的配置，通常在多層建筑外墻靠近窗口位置樓層和樓層之間固定設(shè)置，一旦發(fā)生意外或火災(zāi)，就成為逃生的最佳途徑。美國消防法規(guī)對多層建筑緊急逃生通道有明文強(qiáng)制規(guī)定。設(shè)置固定式逃生梯的主要目的在于提供一個消防出口，如果室內(nèi)消防出口不足時，就必須設(shè)置該項目了。需要按照 NFPA（美國消防協(xié)會）和 ANSI/ASME（美國國家標(biāo)準(zhǔn)局/美國機(jī)械工程師協(xié)會） 的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、安裝。當(dāng)建筑缺少防排煙系統(tǒng)時，可以避免室內(nèi)通道被煙霧阻隔或造成人員窒息。

2017 年 6 月，英國倫敦 24 F 高的格倫費(fèi)爾大樓發(fā)生大火，造成至少 80 人死亡。這一事故的發(fā)生也讓高層建筑消防難、逃生難的問題再次引起社會熱議。英國設(shè)計師針對高層建筑發(fā)明了新型逃生滑道。人們可以從不同樓層通往逃生滑道的安裝地點(diǎn)，啟動裝置釋放出一個垂直滑道，逃生者就能沿著管道滑向地面。滑道由 3 層材料制成，最外層為防火材料，中層為彈性材料，內(nèi)層則加強(qiáng)了強(qiáng)度，確保能承受逃生者的重量。使用逃生滑道時，逃生者用手臂和腿腳擠壓四壁就能降低下滑速度，不擠壓則加速下滑。據(jù)了解，這套逃生滑道系統(tǒng)大概可以讓 25 人/min 從最高 105 m 的高樓逃生。大部分樓宇都可以安裝這套系統(tǒng)，不過受建筑物格局和復(fù)雜程度影響，系統(tǒng)的定價從 7 500 英鎊到 15 萬英鎊（約合人民幣 6.4 萬元～128.0 萬元）不等。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了 GB 21976.2～GB 21976.7 系列《建筑火災(zāi)逃生避難器材》。目前市場上有較多種類的逃生產(chǎn)品出售，主要有 2 大類：一類是用于公共建筑的大型逃生設(shè)備，如逃生艙、柔性滑道、救生氣墊等；另一類是家用的小型逃生設(shè)備，如逃生軟梯、緩降器、逃生繩等。

2.3 高層建筑逃生裝置存在的問題

(1) 高層建筑防災(zāi)裝備不足，逃生、救援能力差。在現(xiàn)有已建設(shè)使用的高層建筑中，民用建筑幾乎沒有設(shè)置機(jī)械式逃生、救援設(shè)施，有的只是以步行樓梯為主體的豎向疏散通道。疏散速度慢，容易被濃煙阻塞而影響逃生。公共高層建筑有的在屋頂設(shè)置了軌道式擦窗機(jī)，但這種設(shè)施不在災(zāi)害點(diǎn)上，也很難抵達(dá)災(zāi)害點(diǎn)供人員逃生和施救，且當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，必定停止供電不準(zhǔn)使用。有的高層公益性建筑在人員密集或集中的大堂臨外窗的位置設(shè)置了供緊急情況下逃生用的滑降繩索，但需要專業(yè)救援人員攜帶被救人員共同下降并控制速度。面對復(fù)雜的地理環(huán)境和高層、超高層建筑，地域狹小的空間一般的應(yīng)急救援逃生設(shè)施根本無法起到應(yīng)有的作用。

(2) 多數(shù)高層建筑外立面清洗和維修依賴“蜘蛛人”。配備擦窗機(jī)的高層建筑畢竟是少數(shù)。外立面清洗和維修多數(shù)還是依賴“蜘蛛人”。

(3) 多層和中高層建筑幾乎沒有設(shè)置固定防災(zāi)逃生、救援設(shè)施。防災(zāi)逃生和救援主要依賴各層的疏散通道和豎向的疏散樓梯。通過了解國內(nèi)外對逃生裝置研究的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，用于高層或超高層建筑逃生且技術(shù)比較成熟的設(shè)備很少，原因主要為：① 受到適用高度制約問題。大多數(shù)逃生裝置僅能適用于 60 m 以下高度的中低層建筑，對于 60 m 以上乃至超過 100 m 的超高層建筑，當(dāng)前的逃生裝置并不能很好地適用于逃生，故這些設(shè)備最大的問題在于其使用高度受限。② 能源輸入問題。當(dāng)前有適用于 150 m 建筑的逃生裝置，例如升降機(jī)類逃生艙裝置，該類裝置往往需要外部能源( 電能) 的輸入。然而，在火災(zāi)、地震等突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時，往往不能保證建筑用電，因此，當(dāng)前逃生設(shè)備的適用性受到一定的制約。③ 操作使用問題。逃生設(shè)備一般在運(yùn)營狀態(tài)建筑中配備，現(xiàn)有的高層建筑逃生裝置的運(yùn)用（操作）往往需要專門培訓(xùn)，還要克服高空心理恐懼，且對逃生人員的體能有一定要求。如緩降繩索類逃生裝置就不適合于小孩、老人以及殘障人士的逃生。在建造過程中，高層、超高層建筑安全逃生裝置較少配備，甚至在很多工程沒有配備，存在著巨大的安全隱患。

3 多用途智能升降器的技術(shù)原理

3.1 多功能智能升降器

多功能智能升降器如圖 1 所示，是一種自帶驅(qū)動的裝置，由特殊的輪系傳動、高能量電池組、電機(jī)驅(qū)動的機(jī)電和智能化控制系統(tǒng)等組成的一體化裝置。輪系傳動主要由摩擦輪組和安全繩索構(gòu)成。摩擦輪組采用多個增大繩輪間摩擦因數(shù)的傳動裝置，包括 V 型走線槽和輪間墊片，以確保安全繩索的進(jìn)線深度，并可根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)整安全繩索與輪系內(nèi)壁的摩擦因數(shù)，以提供足夠的摩擦力和系統(tǒng)自持力。帶輪走線槽內(nèi)壁采用輪輻設(shè)計，摩擦輪間墊片的外緣采取滾花的加工方法，以進(jìn)一步增大繩索、輪組摩擦力，提高回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有效自持力。該裝置包括電池、電機(jī)驅(qū)動，自重不超過 13 kg，最大載重達(dá) 220 kg，最大速度可達(dá) 60.0 m/min，續(xù)航能力為 800 m，遙控距離為 800 m，上升速度為0～1.0 m/s，下降速度為 0～1.5 m/s。該裝置可理解為沿著繩子快速可控運(yùn)動的便攜式載重機(jī)器人。該裝置負(fù)載大、重量輕、體積小、續(xù)航能力強(qiáng)、遙控距離遠(yuǎn)；可手動或遙控操作，可單人、雙人或物品通過裝置一起上下；自帶電源，可靈活使用于無電源場合；具有機(jī)械制動功能，可以空中停留作業(yè)及不耗電力受控下降；配備專用充電器，可實現(xiàn)簡單快捷地整機(jī)充電；可斜向、橫向等任意角度運(yùn)動；可與高樓、野外、河岸及深邃場所安裝搭建生命通道實施救援作業(yè)。

圖1 多功能智能升降器

3.2 多功能智能升降器建筑設(shè)計要點(diǎn)

國家在抗震減災(zāi)和防災(zāi)方面制定了大量的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范，但目前很多高層，甚至是中高層、多層建筑在災(zāi)害發(fā)生時的逃生救援設(shè)施還不是很完善。多功能智能升降器在建筑上的布置形式主要有垂直式布置、斜拉式布置、水平式布置 3 種。填補(bǔ)了目前建筑救援不足的缺陷。該升降器的主要功能有如下 3 個方面。

(1) 多功能智能升降器作為高層建筑的救援設(shè)備，應(yīng)在建筑上設(shè)置永久的固定救援設(shè)施，解決災(zāi)害發(fā)生時人員逃生和救援問題。

(2) 在高層建筑樓頂四周安裝固定永久支撐架或設(shè)置固定點(diǎn)，并與安全繩索連接，需要時自動放下安全繩索，將安全繩索放到地面或預(yù)設(shè)的場所。安全繩索的另一端裝上多功能智能升降器，就可以實施救援工作。另外，多功能智能升降器可替代傳統(tǒng)的機(jī)械式擦窗機(jī)或工作吊籃，用于外立面的清洗和維修。

(3) 多功能智能升降器可利用建筑凹口、陽臺間或其他類似空間，配備專用的豎向通道，用作建筑火災(zāi)或遇到重大險情時人員逃生或救援的生命通道。

3.3 多功能智能升降器與建筑本體的錨固方式

多功能智能升降器固定點(diǎn)主要集中在建筑物屋頂進(jìn)行設(shè)置，并將其與建筑本體進(jìn)行有效的連接固定。多功能智能升降器安全繩索與建筑屋頂?shù)腻^固方式，針對不同屋頂建筑形式有所不同，可分為建筑屋頂采用固定支架式的錨固方式，帶繩索箱的錨固方式，預(yù)留鋼管固定的錨固方式和可利用的固定物臨時固定的錨固方式。固定支架的安裝載體應(yīng)選取承重墻、支撐柱等。

當(dāng)多功能智能升降器的安全繩索與建筑墻體進(jìn)行固定連接時，可采用固定支架和繩索箱與基礎(chǔ)墻體進(jìn)行固定連接，也可采用帶封閉吊環(huán)的穿墻螺栓與基層墻體進(jìn)行固定，且?guī)Х忾]吊環(huán)的穿墻螺栓φ≥26 mm。

當(dāng)建筑屋頂形式為女兒墻時，多功能智能升降器的安全繩索與建筑屋頂?shù)倪B接宜采用可調(diào)節(jié)固定支架。

當(dāng)建筑屋頂采用預(yù)留鋼管固定方式時，預(yù)留鋼管應(yīng)沿著建筑屋頂周邊環(huán)形封閉布置。預(yù)埋鋼筋間距宜為 1 500 mm，預(yù)埋鋼筋的延伸端與掛點(diǎn)鋼管采用焊接的方式進(jìn)行連接，多功能智能升降器可與鋼管的任何位置進(jìn)行連接固定。

當(dāng)多功能智能升降器安全繩索采用斜拉式布置形式時，安全繩索的一段固定在建筑物屋頂上，另一段應(yīng)采用地腳預(yù)埋的方式固定在地面上。錨固點(diǎn)建立的數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑高度與人口密集程度來確定，確定后在建筑物屋頂安裝一定數(shù)目的安全繩索錨固點(diǎn)，安全繩索的一端固定在建筑物屋頂，另一端為連接多功能智能升降器的自由端。升降器斜拉式工作示意圖如圖 2 所示。

圖2 升降器斜拉式工作示意圖

4 多用途智能升降器的經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 項目的經(jīng)濟(jì)效益

截至 2017 年 12 月，我國已建成投入使用的高層建筑(24 m以上公共和 17 m 以上住宅建筑)達(dá) 61.9 萬棟，100 m以上的超高層建筑就有 6 457 棟，并且超高層建筑正在以每年 8% 的增長率增加，是世界平均增長水平的 2.5 倍。但其中配備有專業(yè)的防災(zāi)減災(zāi)救援逃生設(shè)備的建筑不到 10%。以其中 80% 為潛在客戶，按每棟高層建筑配備 5 套設(shè)備計算，則國內(nèi)高層建筑配備多用途智能升降器系列產(chǎn)品的容量高達(dá) 300 萬臺，接近 4 000 億元的銷售額度。

實現(xiàn)本課題研究目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備即多用途智能升降器（亦稱“爬繩智能機(jī)器人”“多功能智能機(jī)器”，簡稱“項目產(chǎn)品”“裝置”） 的研究、設(shè)計和制造已經(jīng)成功，并獲得多項發(fā)明專利。本課題的承擔(dān)單位之一廣東省某浩科技有限公司自成立以來，先后與清華大學(xué)、東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院、中國人民武裝警察部隊特種警察學(xué)院、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等高等院校和科研院所建立了長期穩(wěn)定的戰(zhàn)略合作關(guān)系。初步銷售目標(biāo)如表 1 所示。

表1 項目產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及銷量預(yù)測

(1) 項目產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及銷量預(yù)測。2018 年該公司處于改革及轉(zhuǎn)型階段，產(chǎn)品銷售主要針對于消防、武警等應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)，市場規(guī)模較小。2019 年公司在消防、武警等應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)進(jìn)行銷售外，逐步向民用市場如高空作業(yè)、橋梁檢測等方面進(jìn)行市場推廣。2020 年，處于市場全力銷售階段，主要任務(wù)是加大力度進(jìn)行市場開發(fā)，尤其是高層建筑配套方面的布局及銷售。加大產(chǎn)品研發(fā)，降低成本。

(2) 項目產(chǎn)品生產(chǎn)成本。① 對項目產(chǎn)品生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成因素進(jìn)行分析，得出生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成因素有：材料費(fèi)用、研發(fā)費(fèi)用(含人員工資)、生產(chǎn)費(fèi)用、管理費(fèi)用、市場開拓、測試費(fèi)及其他、知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi)及其他費(fèi)用。② 預(yù)測產(chǎn)品的單位成本。產(chǎn)品單位成本預(yù)測結(jié)果如表 2 所示。③分析說明項目產(chǎn)品的價格及定價策略。根據(jù)目前國內(nèi)和國際相關(guān)產(chǎn)品價位和該產(chǎn)品所要投入的人力、物力和科技含量，本項目產(chǎn)品進(jìn)入市場的單位銷售價格定為 26.8 萬元/臺（國外同類產(chǎn)品為 5 萬歐元）。本項目產(chǎn)品的定價是依據(jù)項目成本，并參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的價格趨勢、市場需求和經(jīng)過大量的市場調(diào)研而定，具有一定的科學(xué)性，并且隨著銷售量的提高，逐年降低研發(fā)成本，使產(chǎn)品在市場上占有價格優(yōu)勢，從而促進(jìn)產(chǎn)品的銷售。

表2 產(chǎn)品單位成本預(yù)測 萬元

(3) 本項目產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測如表 3 所示 。

表3 產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測表

4.2 項目的環(huán)境效益

多用途智能升降器系列產(chǎn)品采用先進(jìn)的清潔能源與節(jié)能技術(shù)，推進(jìn)高耗能特種設(shè)備節(jié)能降耗，使用過程中只有輕微的摩擦聲響，不會產(chǎn)生其他有害物質(zhì)，其所配備的繩索、電池等均可進(jìn)行回收利用。

4.3 項目的社會效益

目前課題承制單位將在未來幾年快速鋪開市場，以所在城市為起點(diǎn)，建立銷售服務(wù)團(tuán)隊，采用招商代理輔以自主推廣的雙核營銷模式，積極推進(jìn)全國市場的開發(fā)、銷售、服務(wù)和管理?，F(xiàn)目前公司產(chǎn)品主要針對消防、武警等應(yīng)急救援單位，民用及高層建筑市場正逐步開發(fā)?，F(xiàn)階段課題承制單位年產(chǎn)量 200 臺，銷售額 1 000 萬元，稅費(fèi) 60 萬元，凈利潤－180 萬元?，F(xiàn)階段多用途智能升降器財務(wù)指標(biāo)預(yù)算如表 4所示。

表4 現(xiàn)階段多用途智能升降器財務(wù)指標(biāo)預(yù)算表

5 結(jié) 語

通過對高層建筑配備逃生、救援和立面作業(yè)多用途智能升降器的研究，打破了國外對高端繩索類升降設(shè)備領(lǐng)域高、新、尖產(chǎn)品及關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，填補(bǔ)我國在升降器技術(shù)領(lǐng)域的空白，推動和促進(jìn)我國特種裝備向高端化、智能化、系列化發(fā)展，滿足野外或特殊高深環(huán)境下攀爬自動化的需求。通過攻克特種設(shè)備系列關(guān)鍵技術(shù)并實現(xiàn)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，形成自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力。

多用途智能升降器既可裝備于新建高層建筑，又可以在既有高層建筑上通過加裝固定掛點(diǎn)建立通道配備，提高了繩索升降技術(shù)的效率，以及高續(xù)航與大負(fù)載能力。作為高層建筑救災(zāi)和逃生的永久式補(bǔ)充裝備，救災(zāi)時可滿足多人同時升降的要求。平時用于對建筑物的安全檢測、立面清洗和維修作業(yè)，從而提高裝置的利用率和投資效益。其社會效益和間接經(jīng)濟(jì)效益顯著，在事關(guān)建筑防火安全、因災(zāi)自救、反恐防暴、建筑安全檢測等領(lǐng)域，尤其在高層建筑彌補(bǔ)固定滅火和逃生裝備不足方面具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。其產(chǎn)品的生產(chǎn)和配套可為國內(nèi)本產(chǎn)品上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新提供新的動力和市場空間，推動上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。