基于电梯的人员疏散模型研究及其在超高层建筑安全疏散设计中的应用

摘要

超高层建筑在紧急状况下的人员安全疏散正在吸引全世界范围内越来越多的关注。超高层建筑的一个重要特点是建筑结构复杂和人员数量庞大。因此，在紧急状况下仅仅使用楼梯疏散所有建筑内人员容易导致严重拥堵，从而明显的降低疏散效率。另外，从高楼层沿着楼梯逃生至底层对老人、小孩、孕妇以及残疾人士来说尤其困难。因此，在超高层建筑的人员疏散中使用电梯进行辅助疏散是必要的。在火灾以及其他的突发事故中使用电梯进行疏散并不是一个陌生的概念。例如，在911事件的人员疏散过程中，一些人员在事故早期使用电梯实现了安全疏散。
　　国际建筑防火规范(IBC)与美国国家建筑防火规范(NFPA)已经允许高层建筑在火灾或者其他紧急状况下使用符合一定要求的电梯进行疏散，以代替按照要求的额外增加的楼梯。然而，“火灾情况下禁止使用电梯”的标志仍然贴在每个电梯上。很多年来，在日常的逃生教育与训练中，人们被告知在紧急情况下不要使用电梯进行疏散。因此，当我们考虑使用电梯辅助人员疏散时，首先需要设计建造安全的电梯系统。同时，在使用电梯进行疏散的过程中，逃生人员对工作人员的信任与配合也是非常重要的。因此，在超高层建筑中人们对使用电梯进行逃生的态度是很重要的。为此，展开了一项调查研究人们对超高层建筑中使用电梯进行火灾逃生的态度。调查结果显示大部分人在高楼层或者有消防人员维持秩序的情况下愿意考虑使用电梯进行逃生。进一步的分析表明，人们对于使用电梯进行火灾逃生的态度存在个体差异，因人的教育背景、火灾经历等不同而不同。
　　影响超高层建筑的电梯疏散的主要因素有建筑高度、楼层面积、楼层人员数量、避难层的数量和分布、楼梯的数量，电梯的数量、速度、容量和电梯门的宽度，使用电梯逃生的人员比例等。基于这些考虑建立了一个超高层建筑电梯辅助人员疏散模型（EE模型），该模型包括几何模块、楼梯模块以及电梯模块。几何模块定义了超高层建筑的每一个楼层，疏散过程中人的移动发生在这些楼层及楼层之间的楼梯中。楼梯模块用于模拟逃生人员在楼梯中的逃生行为，社会力模型被用于模拟逃生过程中人与人之间以及人与障碍物之间的作用力。而电梯模块则用于模拟人员使用电梯进行逃生的行为。电梯在疏散过程中的运行是由一个根据电梯运行规律与疏散功能结合建立的电梯运行流程实现的。
　　通过EE模型的模拟实验结果与疏散演习的实验结果以及调查观测的结果相比较，验证了EE模型的有效性。EE模型中使用楼梯进行人员疏散的时间与上海环球金融中心的疏散演习实验中的疏散时间非常接近。EE模型中电梯门的人流量与在香港城市大学开展的调查观测数据很接近。
　　在对EE模型进行了验证之后，理论分析以及模拟实验分析用于帮助我们更好的理解超高层建筑的疏散原理及特征。理论及模拟实验分析的结果表明，使用楼梯进行疏散的时间由单位有效楼梯宽度通过的疏散总人数决定。使用电梯进行人员疏散的时间由平均每个电梯承担的逃生人数，电梯的单程运行时间，电梯容量以及电梯门宽度决定。当进行楼梯与电梯混合疏散时必须考虑使用电梯进行逃生的人员比例。进一步发现，人们进出电梯的人流量明显小于普通情况（例如通道等）下的人流量，这可能是因为人们进入电梯后身处一个狭小的封闭空间，阻碍了后面的人进入电梯。
　　现有的高层建筑电梯规划指导是基于正常情况下所需的电梯运输能力的，尚缺乏针对超高层建筑紧急疏散的电梯规划指导。因此，基于使用EE模型进行的大量模拟实验结果，建立了用于指导超高层建筑电梯辅助人员疏散的规划方法并提出了典型超高层建筑电梯辅助人员疏散的方案。方案由一系列的表格组成，通过这些表格可以确定在规定的时间内完成全体人员的疏散所需要的电梯数量、容量、速度、门宽，每个避难层使用电梯逃生的人员比例以及所需的楼梯总宽度。结果发现，使用一定数量的电梯辅助疏散可以明显减少需要的楼梯数量。这可以节省建筑空间用于商业用途。

目录

声明

摘要

图片索引

表格索引

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目标与内容

1．3 研究方法

1．4 论文框架

第二章 文献综述

2．1 简介

2．2 使用电梯进行人员疏散的消防规范要求

2．3 人员疏散电梯的技术难题

2．4 电梯疏散

2．4．1 电梯疏散时间

2．4．2 电梯疏散模型

2．4．3 电梯疏散规划

2．5 楼梯疏散

2．5．1 人员行走速度

2．5．2 楼梯疏散时间

2．6 小结

第三章 使用电梯进行火灾逃生的态度调查

3．1 简介

3．2 研究方法

3．3 调查结果

3．3．1 对使用电梯进行火灾逃生的态度

3．3．2 影响因素分析

3．3．3 差异性分析

3．4 研究局限性

3．5 小结

第四章 超高层建筑电梯辅助人员疏散建模

4．1 建模的因素分析

4．1．1 建筑结构

4．1．2 疏散过程

4．1．3 影响因素

4．2 EE模型简介

4．2．1 简要描述

4．2．2 建模方法

4．2．3 假设

4．3 几何模型

4．4 行人模型

4．5 电梯模型

4．5．1 电梯选择

4．5．2 电梯运行

4．6 模型验证

4．6．1 楼梯模型验证

4．6．2 电梯模型验证

4．7 小结

第五章 电梯辅助人员疏散的理论及模拟试验分析

5．1 楼梯疏散时间

5．2 电梯疏散时间

5．2．1 电梯运行速度

5．2．2 电梯门宽度

5．2．3 理论分析

5．2．4 模拟试验分析

5．3 小结

第六章 超高层建筑电梯辅助人员疏散策略规划

6．1 简介

6．2 电梯辅助人员疏散规划流程

6．3 纯楼梯人员疏散

6．4 电梯辅助人员疏散

6．4．1 电梯速度

6．4．2 使用电梯进行疏散的人员比例

6．4．3 电梯辅助人员疏散策略规划

6．5 小结

第七章 结论

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 未来工作展望

附录 调查大纲

参考文献

致谢

在读期间的学术成果与获得的奖励