基于STEPS的超高层建筑人员疏散方式模拟研究

王　猛1　白　磊2　刘媛媛2

（1.陕西省消防总队延安支队，陕西　延安；2.西安科技大学，陕西　西安）

摘要：本文通过对多个超高层建筑的消防安全现状的实地调研考察，汇总收集到的资料和现场信息，对使用楼梯与电梯作为疏散方式的有确定进行对比分析。选取某超高层写字楼，使用STEPS软件进行人员疏散的模拟，将楼梯与不同分布高度的电梯、避难层三种疏散设施和避难层组合，进行5种疏散方案进行模拟对比研究，最终确定“楼梯+电梯+避难层”的组合为最优疏散方案，该方案的疏散效率和安全性最高。

关键词：超高层；STEPS；人员疏散

1　引言

超高层建筑在大城市越来越频繁的出现，并逐渐刷新高度记录，比如迪拜哈利法塔、上海中心大厦、天津117大厦等。伴随着随着建筑高度和体积的升级，内部可燃物种类和数量的增加，使得自身存在的问题更加突出，如垂直交通问题、结构问题、超高层建筑环境心理问题、安全问题等。

当前超高层建筑发展日益加快，并且具有综合性、复杂性、高容积性的特性，一座超高层建筑的容纳人数可以达到数万人，因此各类潜在危险性加大，研究超高层建筑存在的安全疏散问题对减少人员伤亡数量、经济损失可以发挥积极作用。而电梯作为超高层建筑中主要竖向交通工具，是最重要的承载运动工具，其高速特性对于快速疏散人群起着重要作用。本论文通过研究人员利用多种形式疏散设施进行疏散为更好制订疏散方案提供可行性建议。

2　超高层建筑疏散方式

当前超高层建筑的疏散研究中，可以考虑作为疏散逃生路径的承载设施的有楼梯、电梯。

2.1　楼梯

从消防的角度而言，建筑室内的楼梯间依据安全性能从高到低依次为防烟楼梯间、封闭楼梯间、开敞楼梯间。超高层建筑中主要为防烟楼梯间。

（1）楼梯疏散优点

① 安全性高。楼梯安全性主要取决于楼梯间及其前室的防火防烟性能以及人员的快速有序疏散。防火防烟性能是人员安全疏散的前提和保障，而人员有序疏散是安全逃离受灾区域的重要部分，是否会发生混乱拥挤、甚至踩踏事件关系着疏散时间的长短以及人员的人身安全问题。

② 符合人的惯性选择。利用楼梯逃生是一种传统的疏散方式，当前“火灾时禁止使用电梯”的警示标志几乎存在于每一部电梯，在长期的标志记忆下，火灾后人们普遍会考虑将楼梯作为疏散设施的首要选择。但是现在由于楼层的增加，一部分人会首先考虑所在楼层的高度，其次决定是选择楼梯还是在火灾初期选择电梯进行逃生，这也有利于方便控制人员疏散路径。

（2）楼梯疏散缺点。楼梯疏散有其显而易见的缺点，如疏散时间长、不适合所有人员等。

① 耗费时间长。研究表明，对于高度超过100层的超高层建筑，人员从第100层通过楼梯疏散至底层至少需要1.5小时，而在实际中，由于楼梯的拥挤和混乱，需要的时间会更长。

② 不适用于残疾人和行动不便的老人。楼梯空间有限，并且楼梯宽度都是经过疏散宽度计算而设定，当有此类人员出现时，楼梯间内人员的疏散速度势必受到影响，速度减缓，对于部分区域而言甚至会形成堵塞现象。

而楼梯作为主要传统疏散方式的主要途径，其存在的缺点也是传统疏散方式的缺点，这些特点使得传统疏散方式在救援速度、人员类型方面受到极大限制。

2.2　电梯

近年来，众多学者研究建议将电梯作为高层及超高层建筑疏散的一种设施，以此减少建筑火灾造成的人员伤亡。

（1）电梯疏散优点

① 截至2014年，全国电梯数量增至360万台，如此庞大的保有数量，若完全忽略其在建筑中的纵向交通功能，等于减少了一条重要的疏散途径。

② 运行速度快。2010年，现代电梯企业凭借自身十多年的经验积累，成功研发了最高速度达到18m/s的超高速电梯。

③ 转移人数多。建筑设计人员在进行电梯配置计算时，电梯数量可以按照客梯高峰期5min内运客量计算确定，如表1所示。

由表1可看出，电梯在短时间内能够转移众多受困人员，因此用电梯可以起到明显加快人员安全疏散作用。

除此之外，电梯疏散还具有不受人员身体条件限制（如残疾、行动不便等）的优点。

（2）电梯疏散缺点。虽然利用电梯疏散有不少优点，但是，其应用仍然受到多种因素的考量。当前规范规定，发生火灾时，电梯井不能作为人员的疏散通道。主要是考虑到以下几方面的原因：

① 供电、机械故障。火灾情况下，电梯机械部件受到高温的影响容易发生系统失效，如门系统、悬挂系统、导向系统等，这些会导致电梯的继续运行存在更大的危险。

② 电梯积水。在规范中对普通电梯的防水功能并没有提出严格要求，因此很多普通电梯没有防水功能，火灾扑救时使用的消防水池、消防水箱内的水向下蔓延，侵蚀电梯井内的线路、电器部件，使其发生故障或失效。

③ 烟气侵害。对于超高层建筑而言烟囱效应更加明显，同时由于内部高速电梯形成的活塞效应也更加显著，容易导致火灾烟气极易扩散电梯井和前室并且在各通道内蔓延，并且窜入其他未着火层，引发更大范围的烟气危害。

④ 人员心理。火灾疏散中人员是主体，因此必须考虑火灾中人员的复杂行为心理，比如因拥挤和阻塞导致的恐慌心理。

3　超高层建筑人员疏散模拟研究

本文采用人员疏散模拟软件STEPS模拟某超高层建筑的疏散过程，对建筑整体疏散及各区域人员安全疏散所需要的时间进行分析，将通过多种疏散方案的对比得出更适宜超高层建筑的疏散模式。

本文所选用的研究对象为某写字楼项目，该建筑结构类型为型钢混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构，一类高层办公建筑，耐火等级为一级，总建筑面积达85532m2，其中，地上35层，建筑面积为78836m2；地下3层，建筑面积为6696m2；总高度为149.65m。

3.1　人员数量

参照现行的规范来确定建筑中的人员荷载，根据不同使用功能建筑的需求，分别按照建筑设计容量和密度来进行选取。根据建筑的设计资料图纸，该建筑共可容纳14338人。见表2。

项目疏散设施分布见图1。

3.2　疏散模拟方案及结果分析

通过现实的疏散方案调研，发现人员的疏散顺序为：房间→走道→前室→楼梯→大堂→室外，或者，房间→走道→前室→楼梯→避难层→楼梯→大堂→室外；而避难层是所有区域当中安全性最高的场所，所以，利用避难层的安全性将人员疏散是研究的重点，并且具有现实的可操作性。

（1）疏散模拟方案。结合上一章对于烟气蔓延的模拟分析结果，设置疏散方案如下。

① 方案1。考虑传统疏散方案，仅使用疏散楼梯进行人员疏散；

② 方案2。考虑规范中对于消防电梯的设置，采用楼梯+消防电梯的疏散方式；

③ 方案3。将6部高区电梯纳入疏散方案中，但是高区电梯尽在21层避难层停靠，采用楼梯+消防电梯+高区电梯的疏散方式；

④ 方案4。同样采用楼梯+消防电梯+高区电梯的疏散方式，但是考虑到避难层的安全性以及楼梯间的拥堵状况，人员在楼梯间拥堵造成高层区域的人员无法及时进入疏散楼梯间，会较长时间暴露在本层平面上容易受到伤害。因此，将22～26层、18～20层的人员先转移至21层避难层，以期达到缓解拥堵情况并暂时性保障受灾人员的人身安全的效果。

⑤ 方案5。采用楼梯+消防电梯+高区电梯+低区电梯的疏散方式，考虑到人员不断向下疏散，容易造成低区楼层的滞留拥堵。低区电梯仅在F1、F7避难层两个楼层停靠。

根据上述方案，利用STEPS疏散模拟软件建立模型，紫色楼层分别为F7、F21避难层。

（2）疏散模拟分析。由于STEPS软件自身的原理问题，同样的疏散模型，模拟结果会有3%左右的变化，因此对上述5种方案进行3次模拟后取平均值。根据疏散模拟结果进行多角度的分析。

① 疏散时间结果分析，见表3。

对上述模拟结果按照平均值作图，得到疏散时间曲线图，如图4所示。

a.从上述图中可以直观看出，5个方案的疏散时间明显逐渐较少，与方案1相比，方案2、3、4、5的疏散时间明显减少，四种方案的疏散效率逐渐提高，平均每部电梯对整体疏散效率的贡献率在3.5%以上。

b. t<300s时，5种方案的时间曲线斜率较大，人员疏散速度较快，5条曲线几乎一致，无明显差异，分析其原因，认为建筑内人员分布呈现下部多、上部少的状态，在300s的时间内，下部楼层人员变得平缓离开数量较多，这与1～6层共有6个楼梯段有直接关系，疏散宽度大并且尚未形成明显拥堵为人员的顺畅通过提供了便利；

c. t>300s时，5条曲线开始出现分离，仅用楼梯疏散的曲线场景1开始变得较平缓，其余曲线也有小幅度的平缓趋势。这种平缓趋势与人员在楼梯间开始出现拥堵有一定关系，曲线2、3、4、5由于电梯分担了一定程度的疏散压力，因此曲线斜率变化幅度较小。

d.方案3与方案4两条曲线较为接近，疏散时间相差174s，由此可见，火灾中将部分楼层的人员首先疏散至避难层再利用电梯或楼梯继续向下疏散具有一定的可行性，采用方案4进行疏散在延缓楼梯间拥堵的同时还能缩短整体疏散时间。

② 各疏散设施承载人数结果分析。对疏散过程中，楼梯、2部消防电梯、6部高区电梯、6部低区电梯运送人数进行统计，如图5所示。

a.根据图5显示，上述2、3、4、5这4种方案中，电梯疏散人数逐渐增加，对整体人员的运送起到了明显的效果，其中两部消防电梯的运送人数在2132～2264之间，变化幅度很小，约占疏散总人数的15.34%，可见在不同方案中疏散人数变化较大的为高区/低区电梯的承载运送能力，因此在实际疏散中，当使用普通电梯进行疏散时，不同的疏散方案对于电梯的疏散效率会有显著影响。见表4。

b.与方案3相比，方案4中的高区电梯运送人数增加459人，有明显的变化，结合图5.8可以说明，将部分人员先行疏散至最近的避难层不仅减少了整体疏散时间，而且增加了单位电梯的运送效率；

c.在所有探索方案中，方案5的疏散时间最短，与方案4相比，高区电梯与消防电梯运输人数变化不大，增加的低区电梯运输人数仅为1464人，然而整体疏散时间减少了665s，明显缩短；

分析原因认为，人员不断向下行走，当低区无其他疏散路径时，人员仍然倾向于通过楼梯间逃生，而增加的低区电梯在F7层提供了另一条疏散途径，对楼梯间人数产生了分流作用，缓解了高区以及楼梯间整体的拥堵状况，由此也可看出，缓解人群拥挤对于提高整体疏散时间有明显促进作用。

通过上述模拟结果的对比分析，可以看出，方案5是疏散时间最短，同时不会危害到人员安全，是一种在实践操作中值得借鉴和考虑的疏散模式。

4　结论

本章通过分析超高层建筑的疏散特点，综合考虑人员疏散方式选择、楼梯间拥堵情况等因素，选取实例对超高层建筑的疏散模式进行研究，主要结论如下：

（1）针对楼梯、电梯2种不同的疏散方式，对比分析各自存在的优缺点及适用范围，阐述了电梯疏散的缺点同时也解释了当前规范为何限制该种疏散方式的原因，但是在保障电梯安全性能的情况下认为电梯具有辅助快速疏散人流的能力。

（2）设置5种疏散方案进行疏散模拟，发现方案5（楼梯+消防电梯+高区电梯+低区电梯以及避难层综合搭配使用）最高效安全，极大缓解了单一使用楼梯的疏散拥堵情况。因此建议超高层建筑疏散应充分考虑电梯与避难层的联合使用，利用电梯运载人员逃离火灾危险面，可极大缓解整体疏散拥堵状况。

参考文献

[1] 王超，王汉良，韩见云. 超高层建筑电梯疏散效率研究[J]. 消防科学与技术，2014，33（11）：1257-1260.

[2] 王晓华. 超高层建筑防火疏散设计探讨[D]. 湖南：湖南大学，2007：3-8.

[3] 宋文华，伍东，张玉福. 高层建筑火灾初期利用电梯进行人员疏散的可行性探讨[J]. 中国安全科学学报，2008，18（9）：67-72.

[4] 姜阳. 超高层建筑疏散策略研究[D]. 沈阳：沈阳航空航天大学，2015.

[5] 曹奇，黄丽丽，肖修昆. 超高层建筑人员电梯辅助疏散及其影响参数研究[J]. 火灾科学，2013，22（4）：207-212.

[6] 胡传平，杨昀. 高层建筑火灾情况下利用电梯疏散的案例研究[J]. 自然灾害学报，2007，16（4）：97-102.

[7] 王芳，何胜学等. 突发事件下高层建筑楼梯疏散最佳策略分析[J]. 中国安全科学学报，2014，24（7）：88-92.

[8] 王晓光，许雪龙. 高层教学楼楼梯电梯混合疏散方案的研究[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2011，33（2）：51-54.

[9] 陈海涛，仇九子，杨鹏等. 一种高层建筑楼、电梯疏散模型的模拟研究[J]. 中国安全生产科学技术，2012，8（12）：48-53.

[10] 张鑫. 超高层建筑快速疏散问题初探[J]. 武警学院学报，2014，30（4）：39-41.