赵国栋　肖泽南　白洁

摘要：某高档办公建筑局部加层，人员荷载略有增加。文章从楼梯容纳能力、人员荷载变动角度，对建筑的层疏散行动时间、全楼疏散行动时间进行分析，以研究影响楼层人员疏散行动时间的原因。

关键词：疏散行动时间；楼梯人员；荷载变化

中图分类号：TU892 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0150-05

1 概述

某既有高档办公建筑，由于特殊原因，拟在顶部（28层）加建三层。加层前，业主对现状租户进行了调研，获得人均使用面积约为30m2/人，与目前北京市场高档写字楼的使用现状是相当的。加层只在局部设置，约占标准层面积的1/3，仍旧为高档办公建筑，三层合计面积约1800m2，使用人数不超过100人，作为一个防火分区。

无论是《建筑设计防火规范》还是《高层民用建筑设计防火规范》，其疏散设计均针对层疏散。其他国家的规范也大致如此。即疏散楼梯，无论是数量、宽度，还是距离，均应当满足全层同时疏散的需要。

同时，《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-2008 8.8.1）条还规定：“当确认火灾后，应急广播系统首先向全楼或建筑（高、中、低）分区的火灾区域发出火灾警报，然后向着火层和相邻层进行应急广播，再依次向其他非火灾区域广播；3min内应能完成对全楼的应急广播。”

由上述规定可知，当27层（含）以下发生火灾时，新增三层与否，并不影响火灾初期同时疏散的人数的多少。但是，顶层（28层）发生火灾时，情况确有所不同：未增加三层时，仅27、28两层人员疏散；增加三层后，27、28、新增三层人员都需要同时开始疏散。

从人员荷载的角度看，加层后同时疏散的人员增加了。一般认为，新增楼层，必然对原建筑的人员疏散产生影响，疏散时间会延长。那么实际情况是否如此呢？影响疏散时间的因素有哪些呢？本文将根据这个实际工程案例，展开深入研究。

2 楼梯的拥堵点及每层楼梯的容纳能力

建筑中的人员使用楼梯进行疏散。一般来说，存在两级拥堵点，参见图1：

（1）一级拥堵点，在各层前室的入口门前会出现拥堵，形成扇形排队情况。这一方面是由于前室门宽度的限制作用，另一方面是由于楼梯间内的步速低于楼层内水平步速的原因。这种情况一般是难以避免的，而且是正

常的。

（2）二级拥堵点，在楼梯间入口平台，即上、下层交汇处，会出现拥堵。下层楼梯除了要承担本层的人员疏散之外，还要承担上层楼梯下来的人流。即两个入口、一个出口。下层的楼梯梯段具备一定的容纳能力，当其容纳能力大于两个入口的人员荷载时，楼梯间内不会发生拥堵；而下层的容纳能力小于两个入口的人员荷载时，如果上下两股人流同时抵达交汇平台处，则在楼梯间内可能会发生拥堵。

下面分析28层楼梯内可能的拥堵情况。29层的人员进入楼梯后，沿28层的楼梯下到28层的楼梯入口平台时，会与28层进入楼梯间的人员相遇。他们出现竞争，以向27层的楼梯间疏散。如果27层楼梯的疏散能力足够强，两股人流会顺畅的向下流；反之，28层的楼梯间入口处、28层通往29层的梯段上都会出现拥堵。27层的2部楼梯容纳能力见表1，为96人。28层有71人（参见表2）、29层有35人（按照人员、面积平均分配），合计106人。两者人数较为接近，楼梯的容纳能力略低于使用人数。需要注意的是，虽然火灾警报装置与应急广播是同时通知28、29层的人员，但是29层人员要多跑一层楼梯才能下到28层楼梯入口平台，此时28层人员已经有部分人员经过入口平台、下到27层的楼梯里面了。所以，当楼梯的容量与使用人数较为接近、上下层两顾人流之间又存在时间差的情况下，楼梯间内不会存在拥堵。

3 人员荷载现状层疏散模拟分析

为了验证上节对层疏散能力与人数的分析以及验证现有人员荷载条件下新增三层后，楼梯间内不会出现拥堵，进行了对比模拟分析。层疏散模拟分析时，不是单纯研究火灾层的疏散，而是根据前述《火灾自动报警系统设计规范》的要求包括火灾层的上（如有）、下层。

分析以28层作为火灾层，对比分析新增三层前后疏散时间的差异。除了27层需要同时疏散外，其上层29层（新增首层）也需要同时疏散，另外，30（新增二层）、31层（新增三层）与29层（新增首层）是一个防火分区，也需要同时进行疏散。疏散模拟的结果见表3，新增三层前后，28层的疏散行动时间由41.7s变为42.0m，几乎没有变化，这验证了上节的结论，即楼梯间内没有发生拥堵，因此，在28层人员密度较低的条件下，新增三层不会对原建筑28层的疏散行动时间产生影响。

4 人员荷载现状全楼疏散模拟分析

疏散的最不利情况是全楼同时疏散。现行建筑规范都是面向层疏散考虑而制定的，但是自“9.11”恐怖袭击事件后，全楼整体疏散的情况，越来越引起人们的关注。因此，对新增三层前后的全楼疏散进行了对比分析。

表4是新增三层前、后全楼疏散行动时间对比表。从计算结果看，增加顶部3层的人员后，各层的疏散行动时间变化非常小，在±6%之间。这个微小变化并非由于新增三层造成，而是由于人员属性的随机性造成，扣除这个因素来说，层疏散的时间几乎未变。

全楼疏散行动时间变化较小，是原疏散时间的105.3%。时间的变化主要是由于新增三层人员的行走距离较原建筑顶层疏散距离要远造成的。

5 假定人员荷载增加后的层疏散分析

5.1 模拟计算结果

前面的分析表明，在低密度情况下楼梯的疏散能力是充足的，加层基本不会对层疏散产生影响。那么，当人员荷载增高是什么情况呢？模拟结果参见表5。与前述分析相同的是，模拟假设顶层（28层）为火灾层，并假设其与上（如有）、下层同时疏散。

5.2 人数变化与疏散时间变化的关系

楼层疏散的疏散行动时间tmove，floor（s）的计算如公式（1）所示。右边的第一项表示从疏散楼层的各个部位到预测的火灾楼层疏散场所的最大步行时间；右边第二项表示疏散路线上，在最小宽度出口处的停留解除时间。

lmax，floor表示火灾楼层到楼梯前室的最大步行距离（m）

v为步速（m/s）

Pfloor是指火灾楼层需要疏散的人数（人）

N是流动系数（人/m·s），指单位时间、单位宽度通过的疏散人数

Bmin表示最小的疏散出口宽度（m）。

同样的建筑布局、同样的疏散人员，lmax，floor、N、Bmin、v均相同，可以作为常数，只有Pfloor是变数。公式（1）可以转化为y=kx+b的标准线性函数形式，即层疏散行动时间应当与疏散人数成正比。

实际模拟结果与公式（1）并不相同，加层前、后的模拟结果均为斜率增大的折线，即随着人数增加，疏散行动时间的增加将更大。什么原因造成这个结果呢？显然，第二级拥堵点造成了斜率的增加。当疏散人数较少、楼梯内的通行能力较大时，没有第二级拥堵点，层疏散的瓶颈就是楼梯前室的入口门（Bmin）；当疏散人数较多、楼梯的通行能力不足以顺畅通过上下层汇合的人流时，形成第二级拥堵点，此时层疏散的瓶颈是楼梯间入口平台，即Bmin要缩小，也即斜率增加。还有一个原因，是造成斜率增加的原因：在同样密度情况下，下楼梯的速度是要低于水平面行走的速度的，这也将导致层疏散的Bmin进一步缩小。

5.3 人数变化时加层前后疏散行动时间的变化

现状人员密度较低，作为对比分析的基础数据，此时加层前、后疏散行动时间是基本不变的，说明楼梯的疏散能力足以满足上下层人员共同使用。人数增加一半后，加层前、后的疏散行动时间有了明显的变化，达到三分之一左右；而人数增加一倍后，加层前后疏散行动时间的差值达到了二分之一左右。上述现象说明：加层后的折线斜率更高，是汇合点的二次拥堵作用导致，疏散行动时间显著增加；变动率折线斜率减小，是由于随着楼梯的流量接近饱和，Bmin的变动也趋近于0。

6 假定人员荷载增加后的全楼疏散分析

由表6可见，不管人数是否变动，加层前、后，疏散行动时间变动始终在5%～6%之间，这恰好反映了加层对于全楼的影响：加层前、后，疏散人数增加约4.3%、疏散距离增加约11.9%（由274.9m增加为306.5m）。

当人数发生变化，不管是加层前、还是加层后，全楼疏散行动时间的变化率非常接近，反映了建筑情况基本不变，全楼的Bmin也基本恒定，全楼的疏散时间可以转化为y=kx+b的标准线性函数形式。加层与否，并未本质影响到斜率k，所以变化率很接近。

7 总结与展望

一般而言，疏散设计均针对疏散人数和疏散宽度。只要疏散宽度满足规范规定的百人1m、疏散距离满足相应要求即可。本文通过加层前、后的对比，并辅以不同的人员荷载，对建筑的疏散能力进行了深入的研究。研究结果表明，低密度的建筑，疏散楼梯的疏散能力是有一定裕量的；随着人员密度的增加，楼梯内会产生影响，从而会影响到层疏散。

同时我们也要注意到传统的层疏散存在的问题：《火灾自动报警系统设计规范》要求火灾层及其相邻的上、下层要同时进行疏散，但是疏散设计中只考虑本层的人员荷载和疏散宽度，没有考虑上、下层人员在楼梯间内汇合导致的拥堵情况。本研究对比加层前、后疏散行动时间的变化，清除地揭示了楼梯的容纳能力、疏散能力对疏散快慢的影响。

高层建筑的主要疏散手段为楼梯，楼梯的容纳能力、疏散能力对疏散有决定意义，但是目前的疏散研究均忽略了楼梯内的疏散过程、忽略了可能出现的拥堵情况，把楼梯作为顺畅的疏散安全场所。实质上，在楼梯内的每一层都存在严重的上下竞争、速度突减现象。而任何发生在楼梯内的疏散迟滞，都会回馈至楼层、导致层疏散时间延长。因此，应当加强对楼梯内疏散过程的基础研究，为高层建筑的疏散设计提供更加科学合理的支持。

参考文献

[1] 中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范（GB50016-2006）[S].北京：中国计划出版社，2006.

[2] 中华人民共和国公安部.高层民用建筑设计防火规（GB50045-95）[S].北京：中国计划出版社，2005.

[3] 中华人民共和国公安部.火灾自动报警系统设计规范（GB50116-2008）[S].北京：中国计划出版社，2008.

[4] 荻原一郎，林广明.避难安全检证[S].2000.

[5] 李引擎.建筑防火工程[M].北京：化学工业出版社，2004.

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题“大型及重要建筑结构抗爆防火关键技术”，课题编号：2012BAJ07B05。

（责任编辑：黄银芳）