深埋地下人員密集場所電梯與樓梯協(xié)同疏散的電梯運(yùn)行參數(shù)研究

李田生，鄧建國，秦焰宏，駱 驪，牟玉斌，秦學(xué)思

(1.重慶城市綜合交通樞紐開發(fā)投資有限公司，重慶 400015； 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，城市核心區(qū)域各類深埋地下人員密集場所不斷涌現(xiàn)，如我國各大城市的地下城市綜合交通樞紐、地鐵換乘站和地下商場等。例如以重慶市沙坪壩綜合交通樞紐(以下簡稱“沙坪壩樞紐”)為例，其地下共有7層，地下埋深為36.5 m，高峰時段人員達(dá)14 238人，若不考慮人員上行疏散過程中疲勞度的影響，人員整體疏散時間超過0.6 h，若考慮人員疏散疲勞度的影響，人員整體疏散時間將超過1.2 h。深埋地下空間的特性使得火災(zāi)條件下排煙排熱效果差、火災(zāi)撲救難度大，故而傳統(tǒng)的樓梯疏散已經(jīng)難以滿足人員整體安全疏散的需求，因此探索地下深埋人員密集場所電梯與樓梯協(xié)同疏散的可行性以及協(xié)同疏散的策略已成為國際上人員安全疏散領(lǐng)域的又一大熱點問題。

目前國外學(xué)者針對電梯疏散的研究工作取得了一些成果。在國外，20世紀(jì)中葉，一些學(xué)者就開始了超高層建筑利用電梯疏散問題的研究工作[1]；1974年，Bazjanac[2-3]提出了火災(zāi)時考慮另一個安全出口疏散的思路，同時對緊急情況下電梯疏散的性能進(jìn)行了分析；20世紀(jì)80年代，Klote[4-6]研究了電梯輔助老弱病殘等群體疏散的可行性，并總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)公式克服疏散時可能出現(xiàn)的活塞效應(yīng)；20世紀(jì)90年代，Klote等[7-8]在研究利用電梯進(jìn)行人員疏散可行性的基礎(chǔ)上，提出了電梯緊急疏散系統(tǒng)(EEES)的概念；20世紀(jì)90年代，ASME、NFPA、NIST舉行了一系列電梯疏散的學(xué)術(shù)會議[9]，在美國“9·11”事件之后，NIST于2008舉行了“Rethinking Egress”會議，探討了電梯疏散的優(yōu)點；2015年，Shin[10]提出了用作自動噴水滅火系統(tǒng)和智能手機(jī)輔助疏散系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)的撤離指導(dǎo)；2016年，Andree等[11]通過虛擬現(xiàn)實(VR)實驗，研究了出口選擇和高層建筑電梯疏散的等待時間。

在國內(nèi)，許多學(xué)者圍繞電梯疏散的可行性也開展了大量研究。如胡傳平等[12]和宋文華等[13]針對高層建筑疏散的困境，采用數(shù)值模擬方法對比研究了采用樓梯和電梯進(jìn)行疏散的有效性，并搜集現(xiàn)有成功采用電梯疏散的案例，進(jìn)而闡明了樓梯與電梯協(xié)同疏散的可行性；陳輝等[14]針對高層建筑火災(zāi)安全學(xué)的發(fā)展提出了“安全核”疏散體系的概念;張虎南[15]研究指出超高層建筑避難層應(yīng)設(shè)置安全疏散電梯；胡傳平等[12]利用電梯疏散ELVAC模型，研究了電梯數(shù)量、人員分布等對電梯疏散的影響;朱惠軍[16]分析了采用高速穿梭電梯作為輔助疏散的新型疏散體系的可行性；李釗等[17]研究了Evacnet模型下的電梯疏散時間和電梯疏散效率的變化規(guī)律。

綜上可見，國內(nèi)外學(xué)者圍繞電梯疏散進(jìn)行了大量的研究，但是針對深埋地下人員密集場所電梯與樓梯協(xié)同疏散的研究還較缺乏。因此，為了探索城市核心區(qū)深埋地下人員密集場所電梯與樓梯協(xié)同疏散的可行性和最優(yōu)的電梯運(yùn)行參數(shù)，本文以重慶沙坪壩地下綜合交通樞紐為研究對象，利用Pathfinder疏散軟件建立了沙坪壩地下綜合交通樞紐人員疏散模型，研究了134種疏散場景下電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上給出了該地下綜合交通樞紐電梯與樓梯協(xié)同疏散過程中電梯運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)建議取值，以為深埋地下人員密集場所電梯與樓梯協(xié)同疏散設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 疏散場景及模型參數(shù)設(shè)置

1. 1 疏散場景設(shè)置

重慶沙坪壩地下綜合交通樞紐工程總建筑面積約 75萬m2，其中地上約 51萬m2，地下約 24萬m2；地下7層布置有商業(yè)、公交車站、出租車站、換乘系統(tǒng)和地下停車場，地上布置了5棟超高層辦公寫字樓、1棟高層酒店、1棟高層辦公寫字樓。為了探索該深埋地下人員密集場所樓梯與電梯協(xié)同疏散過程中電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響，考慮到模型中最不利情況下約有14 238人，為了方便模擬，忽略了負(fù)四層及以上樓層人員采用電梯疏散的方案，只考慮了3種人員疏散方案，方案一、方案二和方案三分別為：負(fù)七層的人員采用電梯疏散，負(fù)六層至負(fù)一層的人員采用樓梯疏散；負(fù)七層和負(fù)六層的人員采用電梯疏散，負(fù)五層至負(fù)一層的人員采用樓梯疏散；負(fù)七層至負(fù)五層的人員采用電梯疏散，負(fù)四層到負(fù)一層的人員采用樓梯疏散。取電梯運(yùn)行參數(shù)為Pathfinder軟件默認(rèn)值，模擬得到3種人員疏散方案下的疏散時間分別為2 293.4 s、2 098.3 s和2 892.6 s。由此可見，所選方案中采用方案二進(jìn)行人員疏散時所用的疏散時間最少，故以該方案來模擬電梯與樓梯協(xié)同疏散可相對節(jié)省模擬所用的時間。在此基礎(chǔ)上，本次模擬設(shè)置的疏散場景如下：

(1) 疏散場景A：電梯加速度改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯荷載取13人，電梯額定最大速度取5 m/s，電梯開關(guān)門時間取7 s，共有11種疏散場景，見表1。

表1 疏散場景A：電梯加速度改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

(2) 疏散場景B：電梯開關(guān)門時間改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯荷載取13人，電梯額定最大速度取5 m/s，電梯加速度取1.2 m/s2，共有8種疏散場景，見表2。

表2 疏散場景B：電梯開關(guān)門時間改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

(3) 疏散場景C：電梯荷載和電梯額定最大速度改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯開關(guān)門時間取7 s，電梯加速度取1.2 m/s2,共有35種疏散場景，見表3。

表3 疏散場景C：電梯荷載和電梯額定最大速度改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

(4) 疏散場景D：電梯荷載和電梯加速度改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯開關(guān)門時間取7 s，電梯額定最大速度取5 m/s,共有35種疏散場景，見表4。

表4 疏散場景D：電梯荷載和電梯加速度改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

(5) 疏散場景E：電梯額定最大速度和電梯加速度改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯開關(guān)門時間取7 s，電梯荷載取12人，共有25種疏散場景,見表5。

表5 疏散場景E：電梯額定最大速度和電梯加速度改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

(6) 疏散場景F：電梯額定最大速度改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯荷載取13人，電梯開關(guān)門時間取7 s，電梯加速度取1.2 m/s2，共有11種疏散場景，見表6。

表6 疏散場景F：電梯額定最大速度改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

(7) 疏散場景G：電梯荷載改變，不變的電梯運(yùn)行參數(shù)為：電梯額定最大速度取5 m/s，電梯開關(guān)門時間取7 s，電梯加速度取1.2 m/s2，共有9種疏散場景，見表7。

表7 疏散場景G：電梯荷載改變，其他電梯運(yùn)行參數(shù)恒定

1. 2 人員參數(shù)設(shè)置

《重慶沙坪壩鐵路樞紐綜合改造工程性能化防火設(shè)計》報告中對高峰人流量進(jìn)行了計算，計算公式為：人員數(shù)量=高峰每小時人數(shù)×超高峰系數(shù)×停留時間(min)÷60。根據(jù)該報告中的計算結(jié)果，在最不利情況下沙坪壩地下綜合交通樞紐的人數(shù)為14 238人，根據(jù)前述的負(fù)七層和負(fù)六層的人員采用電梯疏散，其余樓層的人員采用樓梯疏散的疏散方案(即方案二)，高峰時負(fù)七層和負(fù)六層各有3 659人和1 848人，故電梯承擔(dān)疏散人員的總負(fù)荷為5 507人。該建筑各場所具體疏散的人員數(shù)量見表8。

表8 建筑各場所疏散的人員數(shù)量(人)

沙坪壩地下綜合交通樞紐內(nèi)的人員可分為成年男士、成年女士、兒童和老人4種類型，根據(jù)其使用功能，其人員類型組成可參照國際上通用的一般公共建筑場所推薦的數(shù)值比例設(shè)置。其中，站房候車區(qū)、站臺層以及出站區(qū)內(nèi)人員類型的構(gòu)成為：成年男士和成年女士各占40%，老人和兒童各占10%；各功能房間內(nèi)人員類型的構(gòu)成為：成年男士占60%，成年女士占40%。

根據(jù)Chen等[18]關(guān)于人員長距離上行疏散研究得出的結(jié)論：在擁擠條件下，人員在每個樓層的平均上行速度保持約為0.5±0.04 m/s的相對恒定值。因此，考慮疲勞度的條件下模型中所有人員的初始上行疏散速度均取0.5 m/s。

1. 3 電梯參數(shù)設(shè)置

電梯運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定本文根據(jù)《電梯技術(shù)條件》(GB/T 10058—2009)[19]標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定：當(dāng)電梯額定最大速度為0 m/s

2 模擬結(jié)果與分析

2. 1 電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響程度分析

為了得出電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響程度，本文采用控制變量法，分別模擬得到不同疏散場景A、B、F和G下電梯加速度、電梯開關(guān)門時間、電梯額定最大速度和電梯荷載與疏散時間的關(guān)系，詳見表9至表12。

表9 電梯加速度與疏散時間的關(guān)系

表10 電梯開關(guān)門時間與疏散時間的關(guān)系

表11 電梯額定最大速度與疏散時間的關(guān)系

表12 電梯荷載與疏散時間的關(guān)系

根據(jù)表9至表12，利用SPSS軟件分別對這4個電梯運(yùn)行參數(shù)與疏散時間進(jìn)行了相關(guān)性分析，得到顯著性水平為0.01時的相關(guān)系數(shù)分別為0.001、0.997、-0.889和-0.775。由此可見，電梯荷載、電梯額定最大速度和電梯開關(guān)門時間與疏散時間的相關(guān)性較大，而電梯加速度與疏散時間的相關(guān)性很小，這可能是由于對于深埋地下僅有7層的沙坪壩地下綜合交通樞紐，不同電梯加速度下電梯疏散到地面所用的時間相差不大所致。因此，電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響程度從大到小的排序為：電梯開關(guān)門時間>電梯額定最大速度>電梯荷載>電梯加速度。

2. 2 最優(yōu)電梯運(yùn)行參數(shù)分析

根據(jù)疏散場景B，本文模擬得到的電梯開關(guān)門時間與疏散時間的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 電梯開關(guān)門時間與疏散時間的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between door opening-and-closing time of elevator and evacuation time

由圖1可見，電梯開關(guān)門時間與疏散時間基本成正比關(guān)系，說明電梯的開關(guān)門時間越短，越有利于人員疏散。盡管電梯開關(guān)門時間越短電梯總的人員疏散時間也越少，但如果電梯開關(guān)門時間太短，候梯人員在進(jìn)入電梯時可能會造成夾傷等事故，也會嚴(yán)重阻礙電梯的疏散效率，增加額外的電梯疏散時間。因此，電梯開關(guān)門時間要在保證人員能夠安全進(jìn)出電梯的情況下盡可能地取最大值。根據(jù)《電梯技術(shù)條件》(GB/T 10058—2009)[19]標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，對于門的形式為中分自動門的電梯，開門寬度不大于800 mm時，電梯開關(guān)門時間應(yīng)不大于3.2 s，結(jié)合沙坪壩地下綜合交通樞紐的實際情況，建議最優(yōu)電梯開關(guān)門時間取為3 s。

在疏散場景C、D、E下，本次模擬得到的電梯運(yùn)行參數(shù)與疏散時間的關(guān)系曲線，見圖2、圖3和圖4。

圖2 不同電梯荷載下電梯額定最大速度與疏散時間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between elevator speeds and evacuation time under different elevator loads

圖3 不同電梯加速度下電梯額定最大速度與疏散時間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between elevator speed and evac-uation time under different elevator accelerations

圖4 不同電梯加速度下電梯荷載與疏散時間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between elevator load and evacuation time under different elevator accelerations

由圖2可見，在電梯荷載一定時，疏散時間隨著電梯額定最大速度的變化曲線先下降，直至電梯額定最大速度達(dá)到約5 m/s后，疏散時間趨于一個穩(wěn)定值不再變化；當(dāng)電梯荷載增加時，疏散時間隨著電梯額定最大速度的變化曲線分布較為稀疏，當(dāng)電梯荷載達(dá)到約14人時，電梯荷載的變化對電梯額定最大速度與疏散時間關(guān)系的影響不大，該曲線整體的變化趨勢是電梯荷載越大，電梯額定最大速度越大，疏散時間會越短。

由圖3可見，當(dāng)電梯加速度一定時，疏散時間隨著電梯額定最大速度的變化曲線先下降，直至電梯額定最大速度達(dá)到約5 m/s后，疏散時間趨于一個穩(wěn)定值不再變化；當(dāng)電梯額定最大速度在1～5 m/s之間時，不同電梯加速度下的疏散時間最多相差300 s；當(dāng)電梯額定最大速度達(dá)到約5 m/s后，不同電梯加速度下疏散時間基本相同，疏散時間隨著電梯額定最大速度的變化曲線分布較為密集，該曲線整體的變化趨勢是電梯加速度越大，電梯額定最大速度也越大，疏散時間會越短。

由圖4可見，在電梯加速度改變時，疏散時間隨著電梯荷載的變化曲線先下降，直至電梯荷載達(dá)到約14人后，疏散時間趨于一個穩(wěn)定值不再變化；在誤差允許的范圍內(nèi)，不同電梯加速度下疏散時間隨著電梯荷載的變化曲線分布基本重合，這說明電梯加速度增大時，疏散時間隨著電梯荷載變化的規(guī)律是不變的，且疏散時間的大小只與電梯荷載有關(guān)。

對比圖2、圖3和圖4可見，電梯荷載和電梯額定最大速度對疏散時間的協(xié)同影響最大，電梯加速度和電梯額定最大速度對疏散時間的協(xié)同影響較小，電梯加速度和電梯荷載對疏散時間的協(xié)同影響最小。

綜上分析可見，對沙坪壩地下綜合交通樞紐人員疏散模型中的電梯運(yùn)行參數(shù)，建議選取電梯荷載為14人、電梯額定最大速度為5 m/s、電梯加速度取軟件默認(rèn)的值為1.2 m/s2、電梯開關(guān)門時間為3 s，此為最優(yōu)電梯運(yùn)行參數(shù)。

3 結(jié) 論

本文利用Pathfinder軟件建立了沙坪壩地下綜合交通樞紐電梯與樓梯協(xié)同疏散人員疏散模型，研究了不同疏散場景下電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

(1) 對于沙坪壩地下綜合交通樞紐人員疏散模型而言，電梯運(yùn)行參數(shù)對疏散時間的影響程度從大到小的排序為：電梯開關(guān)門時間、電梯額定最大速度、電梯荷載和電梯加速度。其中，電梯加速度對疏散時間幾乎沒有影響；在保證人員能夠正常進(jìn)出電梯的條件下，電梯開關(guān)門時間越短，疏散時間越少；電梯荷載越大，疏散時間越少；電梯額定最大速度越大，疏散時間越少。

(2) 根據(jù)電梯運(yùn)行參數(shù)與疏散時間的關(guān)系曲線，可以得到疏散時間y與電梯開關(guān)門時間x1、電梯荷載x2和電梯額定最大速度x3的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下:

y=57.607×x1+2 083.6

(3) 電梯荷載和電梯額定速度對疏散時間的協(xié)同影響最大；電梯加速度和電梯速度對疏散時間的協(xié)同影響較?。浑娞菁铀俣群碗娞莺奢d對疏散時間的協(xié)同影響最小。因此，建議沙坪壩地下綜合交通樞紐中最優(yōu)電梯運(yùn)行參數(shù)的取值如下：電梯荷載為14人，電梯額定最大速度為5 m/s，電梯加速度為1.2 m/s2，電梯開關(guān)門時間為3 s。