加層對高層辦公建筑疏散時間的影響研究

趙國棟　肖澤南　白潔

摘要：某高檔辦公建筑局部加層，人員荷載略有增加。文章從樓梯容納能力、人員荷載變動角度，對建筑的層疏散行動時間、全樓疏散行動時間進行分析，以研究影響樓層人員疏散行動時間的原因。

關鍵詞：疏散行動時間；樓梯人員；荷載變化

中圖分類號：TU892 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0150-05

1 概述

某既有高檔辦公建筑，由于特殊原因，擬在頂部（28層）加建三層。加層前，業主對現狀租戶進行了調研，獲得人均使用面積約為30m2/人，與目前北京市場高檔寫字樓的使用現狀是相當的。加層只在局部設置，約占標準層面積的1/3，仍舊為高檔辦公建筑，三層合計面積約1800m2，使用人數不超過100人，作為一個防火分區。

無論是《建筑設計防火規范》還是《高層民用建筑設計防火規范》，其疏散設計均針對層疏散。其他國家的規范也大致如此。即疏散樓梯，無論是數量、寬度，還是距離，均應當滿足全層同時疏散的需要。

同時，《火災自動報警系統設計規范》（GB50116-2008 8.8.1）條還規定：“當確認火災后，應急廣播系統首先向全樓或建筑（高、中、低）分區的火災區域發出火災警報，然后向著火層和相鄰層進行應急廣播，再依次向其他非火災區域廣播；3min內應能完成對全樓的應急廣播?！?/p>

由上述規定可知，當27層（含）以下發生火災時，新增三層與否，并不影響火災初期同時疏散的人數的多少。但是，頂層（28層）發生火災時，情況確有所不同：未增加三層時，僅27、28兩層人員疏散；增加三層后，27、28、新增三層人員都需要同時開始疏散。

從人員荷載的角度看，加層后同時疏散的人員增加了。一般認為，新增樓層，必然對原建筑的人員疏散產生影響，疏散時間會延長。那么實際情況是否如此呢？影響疏散時間的因素有哪些呢？本文將根據這個實際工程案例，展開深入研究。

2 樓梯的擁堵點及每層樓梯的容納能力

建筑中的人員使用樓梯進行疏散。一般來說，存在兩級擁堵點，參見圖1：

（1）一級擁堵點，在各層前室的入口門前會出現擁堵，形成扇形排隊情況。這一方面是由于前室門寬度的限制作用，另一方面是由于樓梯間內的步速低于樓層內水平步速的原因。這種情況一般是難以避免的，而且是正

常的。

（2）二級擁堵點，在樓梯間入口平臺，即上、下層交匯處，會出現擁堵。下層樓梯除了要承擔本層的人員疏散之外，還要承擔上層樓梯下來的人流。即兩個入口、一個出口。下層的樓梯梯段具備一定的容納能力，當其容納能力大于兩個入口的人員荷載時，樓梯間內不會發生擁堵；而下層的容納能力小于兩個入口的人員荷載時，如果上下兩股人流同時抵達交匯平臺處，則在樓梯間內可能會發生擁堵。

下面分析28層樓梯內可能的擁堵情況。29層的人員進入樓梯后，沿28層的樓梯下到28層的樓梯入口平臺時，會與28層進入樓梯間的人員相遇。他們出現競爭，以向27層的樓梯間疏散。如果27層樓梯的疏散能力足夠強，兩股人流會順暢的向下流；反之，28層的樓梯間入口處、28層通往29層的梯段上都會出現擁堵。27層的2部樓梯容納能力見表1，為96人。28層有71人（參見表2）、29層有35人（按照人員、面積平均分配），合計106人。兩者人數較為接近，樓梯的容納能力略低于使用人數。需要注意的是，雖然火災警報裝置與應急廣播是同時通知28、29層的人員，但是29層人員要多跑一層樓梯才能下到28層樓梯入口平臺，此時28層人員已經有部分人員經過入口平臺、下到27層的樓梯里面了。所以，當樓梯的容量與使用人數較為接近、上下層兩顧人流之間又存在時間差的情況下，樓梯間內不會存在擁堵。

3 人員荷載現狀層疏散模擬分析

為了驗證上節對層疏散能力與人數的分析以及驗證現有人員荷載條件下新增三層后，樓梯間內不會出現擁堵，進行了對比模擬分析。層疏散模擬分析時，不是單純研究火災層的疏散，而是根據前述《火災自動報警系統設計規范》的要求包括火災層的上（如有）、下層。

分析以28層作為火災層，對比分析新增三層前后疏散時間的差異。除了27層需要同時疏散外，其上層29層（新增首層）也需要同時疏散，另外，30（新增二層）、31層（新增三層）與29層（新增首層）是一個防火分區，也需要同時進行疏散。疏散模擬的結果見表3，新增三層前后，28層的疏散行動時間由41.7s變為42.0m，幾乎沒有變化，這驗證了上節的結論，即樓梯間內沒有發生擁堵，因此，在28層人員密度較低的條件下，新增三層不會對原建筑28層的疏散行動時間產生影響。

4 人員荷載現狀全樓疏散模擬分析

疏散的最不利情況是全樓同時疏散?，F行建筑規范都是面向層疏散考慮而制定的，但是自“9.11”恐怖襲擊事件后，全樓整體疏散的情況，越來越引起人們的關注。因此，對新增三層前后的全樓疏散進行了對比分析。

表4是新增三層前、后全樓疏散行動時間對比表。從計算結果看，增加頂部3層的人員后，各層的疏散行動時間變化非常小，在±6%之間。這個微小變化并非由于新增三層造成，而是由于人員屬性的隨機性造成，扣除這個因素來說，層疏散的時間幾乎未變。

全樓疏散行動時間變化較小，是原疏散時間的105.3%。時間的變化主要是由于新增三層人員的行走距離較原建筑頂層疏散距離要遠造成的。

5 假定人員荷載增加后的層疏散分析

5.1 模擬計算結果

前面的分析表明，在低密度情況下樓梯的疏散能力是充足的，加層基本不會對層疏散產生影響。那么，當人員荷載增高是什么情況呢？模擬結果參見表5。與前述分析相同的是，模擬假設頂層（28層）為火災層，并假設其與上（如有）、下層同時疏散。

5.2 人數變化與疏散時間變化的關系

樓層疏散的疏散行動時間tmove，floor（s）的計算如公式（1）所示。右邊的第一項表示從疏散樓層的各個部位到預測的火災樓層疏散場所的最大步行時間；右邊第二項表示疏散路線上，在最小寬度出口處的停留解除時間。

同樣的建筑布局、同樣的疏散人員，lmax，floor、N、Bmin、v均相同，可以作為常數，只有Pfloor是變數。公式（1）可以轉化為y=kx+b的標準線性函數形式，即層疏散行動時間應當與疏散人數成正比。

實際模擬結果與公式（1）并不相同，加層前、后的模擬結果均為斜率增大的折線，即隨著人數增加，疏散行動時間的增加將更大。什么原因造成這個結果呢？顯然，第二級擁堵點造成了斜率的增加。當疏散人數較少、樓梯內的通行能力較大時，沒有第二級擁堵點，層疏散的瓶頸就是樓梯前室的入口門（Bmin）；當疏散人數較多、樓梯的通行能力不足以順暢通過上下層匯合的人流時，形成第二級擁堵點，此時層疏散的瓶頸是樓梯間入口平臺，即Bmin要縮小，也即斜率增加。還有一個原因，是造成斜率增加的原因：在同樣密度情況下，下樓梯的速度是要低于水平面行走的速度的，這也將導致層疏散的Bmin進一步縮小。

5.3 人數變化時加層前后疏散行動時間的變化

現狀人員密度較低，作為對比分析的基礎數據，此時加層前、后疏散行動時間是基本不變的，說明樓梯的疏散能力足以滿足上下層人員共同使用。人數增加一半后，加層前、后的疏散行動時間有了明顯的變化，達到三分之一左右；而人數增加一倍后，加層前后疏散行動時間的差值達到了二分之一左右。上述現象說明：加層后的折線斜率更高，是匯合點的二次擁堵作用導致，疏散行動時間顯著增加；變動率折線斜率減小，是由于隨著樓梯的流量接近飽和，Bmin的變動也趨近于0。

6 假定人員荷載增加后的全樓疏散分析

由表6可見，不管人數是否變動，加層前、后，疏散行動時間變動始終在5%～6%之間，這恰好反映了加層對于全樓的影響：加層前、后，疏散人數增加約4.3%、疏散距離增加約11.9%（由274.9m增加為306.5m）。

當人數發生變化，不管是加層前、還是加層后，全樓疏散行動時間的變化率非常接近，反映了建筑情況基本不變，全樓的Bmin也基本恒定，全樓的疏散時間可以轉化為y=kx+b的標準線性函數形式。加層與否，并未本質影響到斜率k，所以變化率很接近。

7 總結與展望

一般而言，疏散設計均針對疏散人數和疏散寬度。只要疏散寬度滿足規范規定的百人1m、疏散距離滿足相應要求即可。本文通過加層前、后的對比，并輔以不同的人員荷載，對建筑的疏散能力進行了深入的研究。研究結果表明，低密度的建筑，疏散樓梯的疏散能力是有一定裕量的；隨著人員密度的增加，樓梯內會產生影響，從而會影響到層疏散。

同時我們也要注意到傳統的層疏散存在的問題：《火災自動報警系統設計規范》要求火災層及其相鄰的上、下層要同時進行疏散，但是疏散設計中只考慮本層的人員荷載和疏散寬度，沒有考慮上、下層人員在樓梯間內匯合導致的擁堵情況。本研究對比加層前、后疏散行動時間的變化，清除地揭示了樓梯的容納能力、疏散能力對疏散快慢的影響。

高層建筑的主要疏散手段為樓梯，樓梯的容納能力、疏散能力對疏散有決定意義，但是目前的疏散研究均忽略了樓梯內的疏散過程、忽略了可能出現的擁堵情況，把樓梯作為順暢的疏散安全場所。實質上，在樓梯內的每一層都存在嚴重的上下競爭、速度突減現象。而任何發生在樓梯內的疏散遲滯，都會回饋至樓層、導致層疏散時間延長。因此，應當加強對樓梯內疏散過程的基礎研究，為高層建筑的疏散設計提供更加科學合理的支持。

參考文獻

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基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題“大型及重要建筑結構抗爆防火關鍵技術”，課題編號：2012BAJ07B05。

（責任編輯：黃銀芳）