高層樓梯人員電梯混合疏散模型研究

高層樓梯人員電梯混合疏散模型研究

隨著我國教育的蓬勃發(fā)展，高層建筑的使用已成為普遍現(xiàn)象。但由于教學(xué)樓內(nèi)人員密度大,人員流動隨上課時間呈現(xiàn)極強(qiáng)的規(guī)律性,上下課期間的人員交換、緊急和突發(fā)事件情況下的人員疏散,是合理、安全使用高層教學(xué)樓的重要研究課題。目前,國內(nèi)外在樓梯疏散模型和電梯疏散模型方面的研究較多,但對樓梯和電梯混合疏散模型方面的研究較少。樓梯疏散是目前高層建筑發(fā)生火災(zāi)時推薦使用的逃生工具,但是會碰到疏散時間長的客觀弊端。文獻(xiàn)通過對教學(xué)樓疏散人數(shù)和疏散速度的研究,得到人流密度對疏散速度的影響。文獻(xiàn)通過對教學(xué)樓樓梯疏散簡化計(jì)算,得到已知教學(xué)樓內(nèi)總?cè)藬?shù)的樓梯疏散時間和疏散瓶頸。文獻(xiàn)對高層住宅樓火災(zāi)情況下利用電梯疏散進(jìn)行研究,分析電梯數(shù)量、人員分布等因素對電梯疏散的影響。研究表明,樓層越高,利用樓梯和電梯混合疏散的優(yōu)勢越明顯。高層教學(xué)樓的人員密度遠(yuǎn)高于住宅樓和商用樓,而且人員流動性大、規(guī)律性強(qiáng),對其進(jìn)行電梯和樓梯混合疏散的研究,對教學(xué)樓的合理利用以及在緊急和突發(fā)事件情況下的人員疏散都具有重要意義。文獻(xiàn)提到的樓梯電梯混合疏散并不是嚴(yán)格意義的混合疏散,而只是把樓層分區(qū),高層等待利用電梯疏散,低層運(yùn)用樓梯疏散,這樣高層上的疏散人員就過分依賴電梯。同時文獻(xiàn)中,電梯在疏散途中停靠帶人,這樣又降低了電梯的疏散效率。因此,筆者提出了樓梯電梯混合疏散模型,它是一種待疏散人員同時利用樓梯電梯、但不依賴電梯的疏散模式。1樓梯電梯的混合配置1.1電梯增注工況教學(xué)樓內(nèi)所有待疏散人員利用樓梯疏散,同時電梯選擇在待疏散的人數(shù)大于電梯容量的最高樓層?？?電梯中途不停靠接人。依此類推,直到第2層樓沒有待疏散的人為止。假設(shè)疏散開始時電梯均在底層,此時為最不利疏散的情況。圖1為電梯?？繕菍优卸ㄊ疽鈭D。1.2樓內(nèi)總?cè)藬?shù)-電梯運(yùn)行時間內(nèi)利用電梯容量設(shè)總樓層數(shù)為X;樓梯上人員平均流量為f(人/s);電梯第i次運(yùn)行時間為ti;電梯第i次?？繕菍訛閤i;電梯容量為w人;電梯數(shù)量為a;樓內(nèi)總?cè)藬?shù)為N;第i層人數(shù)為ni;電梯?？看螖?shù)為m;電梯開關(guān)門和人員進(jìn)出時間為t。電梯?？繕菍拥挠?jì)算模型為:第1次停靠時,樓內(nèi)總?cè)藬?shù)-電梯第1次?？繉右韵氯藬?shù)-電梯運(yùn)行時間內(nèi)利用樓梯疏散人數(shù)≥電梯容量,即(N?∑i=1x1?1ni)?f(t1+t)≥aw(Ν-∑i=1x1-1ni)-f(t1+t)≥aw;第2次?？繒r,樓內(nèi)總?cè)藬?shù)-電梯第2次?？繉右韵氯藬?shù)-電梯運(yùn)行時間內(nèi)利用樓梯疏散人數(shù)-利用電梯1次疏散的人數(shù)≥電梯容量,即(N?∑i=1x2?1ni)?f(t2+2t1+3t)≥2aw(Ν-∑i=1x2-1ni)-f(t2+2t1+3t)≥2aw;第m次?？繒r,樓內(nèi)總?cè)藬?shù)-電梯m次?？繉右韵氯藬?shù)-電梯運(yùn)行時間內(nèi)利用樓梯疏散人數(shù)-利用電梯m-1次疏散的人數(shù)≥電梯容量,其計(jì)算公式為:(N?∑i=1xm?1ni)?f[tm+2∑i=1m?1ti+(2m?1)t]≥mawxm≥2(1)(Ν-∑i=1xm-1ni)-f[tm+2∑i=1m-1ti+(2m-1)t]≥mawxm≥2(1)電梯疏散時間為:te=2∑i=1mti+2mt(2)te=2∑i=1mti+2mt(2)樓梯疏散時間為:tE=(N-maw)f(3)2分布模型的應(yīng)用2.1基本情況以武漢理工大學(xué)馬房山校區(qū)東院14層教學(xué)樓為例。教學(xué)樓平面圖和外景圖如圖2和圖3所示。2.2電梯運(yùn)行時間教學(xué)樓樓梯實(shí)測數(shù)據(jù)如下:①樓梯等效長度=階數(shù)×階面寬=14.88m;②樓梯等效面積=階數(shù)×階面寬×階長=24m2;③樓梯等效寬度=階寬-0.15×4=2.96m;④門口等效寬度5.92m;⑤樓梯間面積36m2;⑥一樓走廊+大廳面積=160m2。電梯最大承載量為1000kg,容量為14人,電梯數(shù)量為4。設(shè)電梯從第1層運(yùn)行到第2層的時間(包括加速、勻速、減速)為T2;電梯從第1層運(yùn)行到第j層的時間為Tj。通過多次測量取平均值后得到電梯運(yùn)行時間如表1所示。電梯開關(guān)門時間分別為3.6s和4.4s,14人進(jìn)出電梯所用時間為7s。則t=15s。電梯運(yùn)行時間呈線性,采用擬合方法可得電梯運(yùn)行時間計(jì)算公式:Tj=1.94j+0.91(4)Τj=1.94j+0.91(4)人員流量是通道截面每秒通過的人數(shù)。PAULS提出,下樓梯的人員流量f與樓梯的有效寬度b和使用樓梯的人數(shù)p有關(guān),其計(jì)算公式為:f=(b/8040)0.73×p0.27(5)f=(b/8040)0.73×p0.27(5)式中:流量f的單位為人/s,b的單位為mm。式(5)的應(yīng)用范圍為0.1<p/b<0.55。2.3電梯、樓板疏散情況選取研究的每層人數(shù)與人員流量如表2所示。電梯?？看螖?shù)與停靠樓層的關(guān)系如圖4所示,電梯疏散情況和電梯、樓梯疏散時間如表3所示,樓內(nèi)總?cè)藬?shù)與電梯?？看螖?shù)的關(guān)系如圖5所示。從表3、圖5可見:(1)電梯的疏散次數(shù)隨疏散總?cè)藬?shù)增加而增加,兩者之間為線性關(guān)系。(2)電梯疏散人數(shù)與疏散總?cè)藬?shù)的比率基本保持不變。(3)電梯疏散時間與樓梯疏散時間的比率基本保持不變。3非均布模型應(yīng)用的例子3.1校核主流式樓上的人員流量上述教學(xué)樓的1～8層作為教室,9～14層作為辦公室。教室人員密度大,辦公室人員密度小。建模思路仍與人員均布時相同,只是在人員非均布情況下,樓梯人員流量隨人員密度變化。仍采用人流中個體行為研究方法,設(shè)第i次?？繕菍訛閤i,樓梯上的人員流量為fxi。人員非均勻分布模型與人員均勻分布模型相同,只是在計(jì)算?？繉訑?shù)時,將停靠層上一層的人員流量代入即可。(N?∑i=1xm?1ni)?fxi+1[tm+2∑i=1m?1ti+(2m?1)t]≥maw(6)(Ν-∑i=1xm-1ni)-fxi+1[tm+2∑i=1m-1ti+(2m-1)t]≥maw(6)由于該電梯樓梯混合疏散模型采用電梯從高樓層開始逐漸向下疏散,樓梯從底層疏散的模式,因此,樓梯疏散的人員流量可以取較低層的人員流量flower,則樓梯疏散時間可近似為:tE=N?mawflower(7)tE=Ν-mawflower(7)3.2電梯疏散人數(shù)通過對教學(xué)樓的調(diào)查,排課率為90%,課堂座滿率為85%,未排課的教室有學(xué)生自習(xí),座滿率為50%。1～8層為教室,其人數(shù)分別為220、380、550、550、550、550、550和550人;9～14層為辦公室,每層人數(shù)為50人。總?cè)藬?shù)N=4200人。各樓層人員數(shù)據(jù)如表4所示,人員均布、非均布時電梯停靠情況如圖6所示。總?cè)藬?shù)為4200時人員均布、非均布疏散情況如表5所示。從表5和圖6可知:(1)人員非均布時,電梯停靠的樓層呈明顯非線性分布。(2)人員非均布、且樓層底部人員密集時,電梯疏散人數(shù)比率較人員均布時增大。(3)同等人數(shù)情況下,樓層底部人員密集時,疏散時間較人員均布時減少。疏散時間