崔 鍔，駱常淞，劉 忠，朱 岳

(1.Jensen Hughes Corp.,美國；2.SOM建筑師事務(wù)所，美國)

0 引言

隨著高層建筑建設(shè)在中國的蓬勃發(fā)展，中國已成為超高層建筑設(shè)計、建設(shè)最多的國家。超高層建筑由于外部救援技術(shù)手段有限，消防撲救必須依靠建筑內(nèi)部的消防設(shè)施。防煙樓梯是超高層建筑應(yīng)急狀況下安全疏散的主要通道，國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[1]對安全疏散樓梯提出了系統(tǒng)性的安全要求，依據(jù)國標(biāo)設(shè)計的疏散樓梯的安全可靠性，一直是消防管理部門、建規(guī)編制單位、科研部門、建筑設(shè)計單位十分關(guān)注的課題。本文利用計算機(jī)疏散模型的技術(shù)手段，對國標(biāo)要求的疏散系統(tǒng)進(jìn)行了量化的評估分析。本文嘗試?yán)梅治鲅芯康慕Y(jié)果為超高層建筑(建筑高度>250 m，詳見原公安部消防局2017年317文[2])防火規(guī)范的制訂、超高層建筑的設(shè)計和評審，提供工程分析的技術(shù)支持。

整體而言，國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》對疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求，相比于國際上通行的一些建筑防火規(guī)范，如美國的IBC[3]、日本的規(guī)范[4]等，都較為嚴(yán)格。國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》已經(jīng)包括了對疏散樓梯的一系列系統(tǒng)性的強(qiáng)化要求，本文從以下幾個方面對國標(biāo)中疏散樓梯的要求進(jìn)行系統(tǒng)的說明。

0.1 疏散樓梯前室和正壓送風(fēng)系統(tǒng)

相較于美國IBC要求高層建筑內(nèi)的疏散樓梯，或者提供樓梯前室、或者提供正壓送風(fēng)；而國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》則要求提供樓梯前室及正壓送風(fēng)。國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求顯然更加嚴(yán)格，能夠更有效地降低火災(zāi)煙氣由于煙氣熱壓差及樓梯間煙囪效應(yīng)(Stack Effect)進(jìn)入疏散樓梯間的可能性。

0.2 避難層和疏散樓梯隔斷

美國IBC沒有要求高層建筑內(nèi)提供避難層；而國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》5.5.23要求高層建筑每50米高度內(nèi)提供一個避難層，并且要求疏散樓梯在避難層隔斷，這樣既可以避免樓梯間因連接樓層過多而產(chǎn)生較大的煙囪效應(yīng)，而且能夠避免一旦火災(zāi)煙氣進(jìn)入樓梯間沿疏散樓梯直接蔓延至頂層的情形。

0.3 消防豎管和室內(nèi)消火拴

美國IBC 905.4 要求消防豎管和室內(nèi)消火拴設(shè)置在疏散樓梯間的轉(zhuǎn)換平臺處，從而為消防人員提供一定的保護(hù)；而國標(biāo)GB 50974-2014《消防給水及消火拴系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[5]7.4.7要求高層建筑室內(nèi)消火拴設(shè)置“在樓梯間及其休息平臺和前室、走道等明顯易于取用，以及便于火災(zāi)撲救的位置?！备邔咏ㄖ覂?nèi)消火栓接口設(shè)置于樓梯間前室內(nèi)，既可以避免樓梯間因消防人員使用室內(nèi)消火拴而被占用，又可以為消防人員提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。

0.4 消防電梯

國標(biāo)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》7.3規(guī)定了超高層建筑必須設(shè)置消防電梯及前室，消防人員通?？梢允褂孟离娞萁咏饦菍舆M(jìn)行應(yīng)急撲救工作，而不需要占用疏散樓梯。

圖1 美國911事件中消防人員通過疏散樓梯間接近火災(zāi)現(xiàn)場Fig.1 Fire fighters used exit stairs to access the fire floor in 911 terrorist attacks

0.5 疏散電梯

美國IBC允許超高層建筑內(nèi)使用疏散電梯替代要求增加的一部疏散樓梯。2009年之前，美國NIST防火研究機(jī)構(gòu)對高層建筑的安全疏散、特別是利用疏散電梯的疏散進(jìn)行了大量的研究。由Richard領(lǐng)銜的研究[6-8]著力于在超高層建筑內(nèi)推廣使用疏散電梯。2009版IBC要求增加一部疏散樓梯背后真正目的正是為了在超高層建筑內(nèi)推廣使用疏散電梯。

由于美國IBC的上述特點，在紐約世貿(mào)大廈911事件[9]、芝加哥庫克郡辦公大樓火災(zāi)[10]事故中，發(fā)生了疏散樓梯擁堵、失效等問題。因此2009年修訂的IBC提出了超高層建筑增加一部疏散樓梯的要求，并據(jù)此在超高層建筑內(nèi)推廣使用疏散電梯。近些年來，國內(nèi)消防界不斷有建議，借鑒美國IBC中對超高層建筑疏散樓梯的強(qiáng)化措施，即在滿足疏散人數(shù)要求的疏散樓梯的基礎(chǔ)上，增加一部疏散樓梯。鑒于國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》在疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求相較于美國IBC顯然是更加嚴(yán)格，GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中構(gòu)建的安全疏散體系，能夠比較有效地保證高層建筑中的應(yīng)急安全疏散可靠性的要求。簡單照搬美國IBC對超高層建筑中增加一部疏散樓梯的強(qiáng)化措施，尤其是忽視了2009 IBC推廣使用疏散電梯的目的，安全效益會十分有限。

1 超高層建筑計算機(jī)疏散模擬

本文利用計算機(jī)疏散模擬，對設(shè)計中的超高層建筑，疏散樓梯可能因火災(zāi)受到的影響進(jìn)行了模擬分析。計算機(jī)模擬中，根據(jù)國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》對疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求，設(shè)計了合理的疏散場景，對整棟建筑全體疏散、著火層一部疏散樓梯的前室因消防撲救受到影響、一部疏散樓梯在兩個避難層之間的一段因煙氣進(jìn)入失效等幾個可能發(fā)生的疏散場景進(jìn)行了技術(shù)分析。該計算機(jī)疏散模擬研究的目的在于找到符合國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》體系下，疏散樓梯設(shè)計的技術(shù)依據(jù)。

1.1 疏散模擬方法

本文采用了Pathfinder 2018進(jìn)行疏散模擬，該疏散軟件由Thunderhead Engineering，Inc開發(fā)。Pathfinder使用轉(zhuǎn)向行為(Steering)模擬疏散人員的運(yùn)動，疏散軟件包括三個模塊：圖形用戶界面，模擬器本身和疏散結(jié)果界面。

默認(rèn)情況下，Pathfinder會在每個時間步長Δt評估每個人員的疏散，從他/她的當(dāng)前位置到任一出口。每個人員使用路徑規(guī)劃，路徑生成和路徑跟蹤來到達(dá)目的地。Pathfinder提供了SFPE模式和轉(zhuǎn)向(Steering)模式的計算運(yùn)動的選項。SFPE模式實現(xiàn)了SFPE消防工程手冊[11]和SFPE工程指南[12]中提出的，火災(zāi)中的人類行為基于流的疏散模擬技術(shù)。對于SFPE模式，門和走廊施加嚴(yán)格的流量限制，并且人員可以擁擠在相同的區(qū)域。隨著人員密度增加，人員行進(jìn)速度降低。在轉(zhuǎn)向模式中，人員行進(jìn)路線遵循其疏散路徑，可以偏離路徑以從正確方向接近其目標(biāo)出口。以下是Pathfinder模擬人員疏散的數(shù)學(xué)模型，更詳細(xì)的內(nèi)容請參見Thunderhead Engineering，Inc編寫的Pathfinder技術(shù)資料。

1.2 SFPE模式

Pathfinder中有主要三種類型的組件：門，房間和樓梯。房間是可供人員行走的開放空間。樓梯可以被認(rèn)為是特殊類型的房間，而樓梯的傾斜限制了人員通過的速度。門是連接房間和樓梯的限流器。SFPE指南中沒有專門的走廊類型，而是被建模為兩端都有門的房間。走廊與房間采用相同的方式處理，其中流動由門控制。在SFPE模式下，多個疏散人員可以占用相同的空間。

在SFPE模式下，疏散人群相互之間不發(fā)生碰撞，但他們可以與墻壁碰撞。碰撞處理分兩步進(jìn)行。第一步發(fā)生在嘗試移動之前，第二步發(fā)生在移動期間。在移動之前，行進(jìn)速度被調(diào)節(jié)從而使人員沿任何附近的墻壁移動。在調(diào)整行進(jìn)速度之后，疏散人員嘗試使用該新速度移動。在運(yùn)動階段，墻壁碰撞仍然是可能的，一旦碰撞發(fā)生人員將停止移動。

1.3 轉(zhuǎn)向(Steering)模式

在轉(zhuǎn)向(Steering)模式中，Pathfinder使用轉(zhuǎn)向機(jī)制和碰撞處理的組合來控制人員在疏散過程中遵循的路徑。Pathfinder的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以移動人員，使他們大致遵循當(dāng)前的搜索曲線，并能夠響應(yīng)不斷變化的環(huán)境。

Pathfinder使用的逆向轉(zhuǎn)向是通過評估疏散人員的離散運(yùn)動方向并選擇最小化成本函數(shù)方向的過程。通過組合幾種類型的轉(zhuǎn)向行為來評估成本函數(shù)以評估成本。使用的轉(zhuǎn)向行為的類型由人員的當(dāng)前狀態(tài)確定，并且樣本方向的數(shù)量也是根據(jù)人員的狀態(tài)和當(dāng)前速度控制。Pathfinder定義了幾種轉(zhuǎn)向行為：seek，idle separate，seek separate，seek wall separate，avoid walls，avoid occupants，pass，lanes，and concerning。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中Dpath表示與第ith個疏散人員尋找疏散路徑曲線切點的距離。雖然在轉(zhuǎn)向模式下，墻壁和人群避讓行為會讓人員盡量繞過障礙物，但碰撞仍有可能發(fā)生。這通常發(fā)生在擁擠的情況下，人員無法避免地被緊緊地壓在墻壁和其他人員身上。在這些情況下，需要額外的碰撞處理以防止模擬進(jìn)入無效狀態(tài)。Pathfinder提供兩種碰撞處理場景：一種是兩個或更多人員碰撞，而另一個是人員與建筑邊界(比如墻壁)碰撞。

當(dāng)碰撞處理功能被開啟時，疏散人員將根據(jù)給定的時間步長提前預(yù)判與墻壁或其他人碰撞的情況并停止移動。如果碰撞處理功能關(guān)閉，疏散人員只會在與墻壁碰撞時停止移動。避免墻壁碰撞的模式下，疏散人員避免碰撞墻壁的角度和距離的計算為：

(5)

根據(jù)Pathfinder的用戶手冊和技術(shù)手冊，SFPE模式下，疏散人員不會試圖避開彼此并且允許互穿，流量由門寬度計算且速度由人員密度控制。在轉(zhuǎn)向模式下，門不會限制乘客的流動，疏散人員根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算來保持一定的間隔距離。因此，一般情況下轉(zhuǎn)向模式可以獲得更真實的結(jié)果。有關(guān)Pathfinder疏散模型的更多技術(shù)信息，請參閱Pathfinder的技術(shù)參考手冊[13]和使用手冊[14]。本文中的模擬采用了轉(zhuǎn)向(Steering)模式。

2 模擬的超高層建筑

如圖2所示，本文所模擬的建筑[15]高度為407 m，共有87層，包括商業(yè)裙樓(1層～8層)、辦公區(qū)(11層～20層，22層～31層，33層～41層，43層～51層)，服務(wù)公寓區(qū)(53層～62層)、酒店區(qū)(64層～73層)和會所區(qū)(75層及以上)。在各區(qū)之間均設(shè)有避難層(9層～10層，21層，32層，42層，52層，63層，74層等)，避難層之間距離不超過50 m。

圖2 建筑剖面圖及第30層和60層平面圖Fig.2 Section of the tower and the plans of 30th floor and 60th floor

2.1 疏散場景

本文假設(shè)該高層建筑在上班時間內(nèi)發(fā)生緊急狀況，需要進(jìn)行全體疏散，且只能使用疏散樓梯。人員密度設(shè)定為，辦公區(qū)域約10 m2/人，機(jī)電層約30 m2/人，酒店層為平均每間房2人。根據(jù)上述人員密度，計算出建筑中一共有16 151人。由于辦公層面積近3 000 m2，人員較多，根據(jù)《建規(guī)》5.5.21-1的規(guī)定，每100人最小疏散寬度1.00 m計算、設(shè)計疏散樓梯。本項目中設(shè)置了三部1.10 m的疏散樓梯。

由于GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》相比于美國IBC對高層建筑的疏散系統(tǒng)采取了包括防煙樓梯間的前室及避難層的樓梯隔斷、特別是GB 50974-2014《消防給水及消火拴系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求室內(nèi)消火拴設(shè)置在樓梯前室等更為嚴(yán)格的規(guī)范要求，可以有效地避免IBC疏散系統(tǒng)中因火災(zāi)煙氣及應(yīng)急撲救可能造成的整部疏散樓梯失效的危險狀況。根據(jù)《建規(guī)》中對超高層建筑疏散系統(tǒng)的系統(tǒng)性強(qiáng)化措施，火災(zāi)煙氣直接進(jìn)入疏散樓梯的可能性不大，特別是火災(zāi)煙氣影響整部疏散樓梯的情況基本上是不可能發(fā)生的。本文根據(jù)國標(biāo)的疏散體系設(shè)計了三種可能發(fā)生的疏散場景進(jìn)行了技術(shù)分析：

S1.整棟建筑全體疏散，所有三部疏散樓梯均暢通;

S2.著火層(本文選擇位于建筑中下段的第25層)一部位于西南角的疏散樓梯的前室因消防撲救受到影響;

S3.一部疏散樓梯在兩個避難層(22層～31層)之間的一段因煙氣進(jìn)入失效。

2.2 疏散模擬結(jié)果

該高層建筑的疏散模型如圖3所示。在正常疏散場景(S1)下，所有疏散樓梯均暢通，每個樓層均有三個出口。人員可以選擇三部樓梯中的一部進(jìn)行疏散。在第25層著火的場景(S2)中，西南方向的疏散樓梯的前室(如圖2、圖3中所示)因受到消防撲救的影響，該層只有北側(cè)兩部樓梯可以用于疏散。疏散場景(S3)則更為嚴(yán)苛，西南方向的疏散樓梯在兩個避難層(22層、31層)之間的一段因煙氣進(jìn)入而不能使用，如圖4所示。

圖3 疏散模型：整體及第30層和60層平面圖Fig.3 The egress model and plans of 30th and 60th floors

圖4 疏散場景S3Fig.4 Evacuation scenario S3

模擬結(jié)果顯示，正常情況(疏散場景S1)下全樓疏散(即樓內(nèi)所有人員疏散出建筑)總計耗時169.8 min。場景(S2)中，由于25層西南側(cè)的疏散樓梯的前室門關(guān)閉，該層人員只能通過另外兩部樓梯疏散。全樓疏散時間并沒有因此而顯著增加，相對場景S1，全樓疏散時間僅增加了0.1 min(僅增加0.06%)。場景(S3)中，西南側(cè)22層～31層間的一部疏散樓梯因假設(shè)煙氣進(jìn)入而不能使用時，該樓層區(qū)間內(nèi)的人員只能使用另外兩部疏散樓梯，因此全樓疏散時間增加了16.7 min(增加了9.5%)。

表1 三種場景的疏散時間比較Table 1 Comparison of the evacuation time between three scenarios

為了比較三個疏散場景，特別是場景S2和S3由于部分門或樓梯通道受阻對疏散帶來的影響，圖5對樓內(nèi)待疏散人員總數(shù)隨時間變化進(jìn)行了比較。場景S2中的樓內(nèi)待疏散人數(shù)變化和場景S1基本一致，說明起火樓層的一部樓梯前室受火災(zāi)影響而對整棟高層建筑疏散的影響基本可以忽略不計；而場景S3的疏散速度在100 min后所下降并導(dǎo)致了疏散時間的些許增加，說明即使一部樓梯在火災(zāi)發(fā)生的區(qū)間段受到影響，也僅僅在全體疏散過程的后期對疏散產(chǎn)生一些遲滯的效應(yīng)。

圖5 三種場景的疏散時間比較Fig.5 Comparison of the evacuation times between three evacuation scenarios

圖6進(jìn)一步展示了場景S2和S3在同一時間相對于場景S1對待疏散人員的影響(即等候時間延長)。場景S2中，由于單層(25層)一側(cè)樓梯前室門關(guān)閉，受到影響的待疏散人員總數(shù)比場景S1多約50人以內(nèi)。而場景S3中西南側(cè)22層～31層間的疏散樓梯整段均不能使用時，在100 min后(高層建筑內(nèi)人員在各自樓層等待)受影響的待疏散人員(即等待時間長于S1中的時間)總數(shù)在最多時約900人，小于整個高層建筑總?cè)藬?shù)的6%。

圖6 疏散樓梯前室(S2)失效和整段樓梯(S3)失效對疏散的影響Fig.6 Impacts to evacuation by invalid vestibule (S2) and by invalid stair section (S3)

3 結(jié)論

根據(jù)以上的對比分析，由于GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》相比于美國IBC對高層建筑的疏散系統(tǒng)采取了包括防煙樓梯間的前室及避難層的樓梯隔斷，特別是GB 50974-2014《消防給水及消火拴系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求室內(nèi)消火拴設(shè)置在樓梯前室，等等更為嚴(yán)格的、有體系的規(guī)范要求，可以有效地避免IBC疏散系統(tǒng)中的相對弱點，即可能因火災(zāi)煙氣或應(yīng)急撲救可能造成的整部疏散樓梯失效的危險狀況。以一棟400 m以上的超高層建筑為例進(jìn)行的計算機(jī)疏散模擬的結(jié)果，更進(jìn)一步說明了按照GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》設(shè)計的疏散體系是比較可靠的。一般的應(yīng)急響應(yīng)狀況(占用疏散樓梯前室)，對超高層整棟建筑全體疏散的影響微乎其微(小于0.1%)；即使在可能的最不利的疏散場景下，即火災(zāi)煙氣影響了兩個避難層之間整段的一部疏散樓梯，對超高層整棟建筑全體疏散時間的影響也小于10%，受到影響的疏散人員小于6%。

綜上所述，國標(biāo)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，針對疏散系統(tǒng)、特別是疏散樓梯的要求相較于美國IBC顯然是更加嚴(yán)格，簡單照搬IBC中對超高層建筑增加一部疏散樓梯的強(qiáng)化要求，可能會忽視GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中原本具備的對疏散樓梯的系統(tǒng)性的強(qiáng)化要求，破壞了國標(biāo)規(guī)范體系的完整性，給建筑設(shè)計、建筑資金的投入都會增加困難和不必要的浪費(fèi)。