Лекция+29РЭА

6

Лекция 32. Эвакуация людей из зданий и её безопасность

Обеспечение безопасности лю­дей в зданиях, особенно в зданиях с массовым пребыванием людей, на про­тяжении веков остается одной из ос­новных задач архитекторов и строи­телей.

В на­стоящее время по официальным дан­ным на пожарах в нашей стране ежегодно погибает до 8000 человек. Пожар — самая распространенная причина катастроф в зданиях, им со­провождаются в большинстве случаев и катастрофы зданий, вызванные други­ми причинами (производственные ава­рии, землетрясения). Пожар вызывает чрезвычайно быстрое появление много­образных факторов, даже кратковре­менное воздействие которых на людей опасно для их жизни и здоровья. Поэтому пожар является как бы рас­четной ситуацией для проектирования условий безопасности людей в зда­ниях в аварийных ситуациях.

Пожарная безопасность зданий должна формироваться уже при раз­работке объемно-планировочных и кон­структивных решений, поскольку они определяют эффективность систем предотвращения пожара, противопо­жарной защиты построенного здания и необходимые организационно-техниче­ские мероприятия при его эксплуата­ции. Предотвращение пожара дости­гается максимально возможным при­менением негорючих и трудногорючих веществ и материалов, ограничением массы горючих веществ и материалов и наиболее безопасным способом их размещения, изоляцией и защитой пожароопасного оборудования и тех­нических устройств. Противопожар­ная защита обеспечивается средствами пожаротушения, применением основ­ных строительных конструкций с тре­буемыми пределами огнестойкости и распространения огня; строительными и техническими средствами, ограничи­вающими распространение огня; систе­мами противодымной защиты и ор­ганизацией своевременной эвакуации людей из здания или в зоны безопас­ного пребывания людей в здании во время пожара. Организационно-техни­ческие мероприятия включают, преж­де всего, организацию пожарной ох­раны здания, его оборудования и тех­нологических процессов, происходя­щих в нем; разработку мероприятий по необходимым действиям в случае возникновения пожара и вынужденной эвакуации людей.

Эвакуация людей из помещений и из всего здания — в настоящее вре­мя наиболее кардинальная мера обес­печения их безопасности при возник­новении пожара. Эвакуация людей при пожаре может состоять из следую­щих этапов.

1. Эвакуация из помещения. Если имеется возможность, людям необхо­димо эвакуироваться сразу же наружу, вне здания. Если же такой возможно­сти нет, то люди эвакуируются сна­чала в фойе, вестибюль или коридор, имеющий выход непосредственно на­ружу или в лестничную клетку. Та­ким образом, если эвакуация людей из помещения сразу же наружу невоз­можна, то она будет продолжаться по следующим этапам.

2. Эвакуация из фойе, вестибюля или коридора наружу или в лестничную клетку, имеющую выход наружу.

3. Эвакуация по лестничной клетке наружу.

Те участки коммуникационных пу­тей в зданиях и в их помещениях, ко­торые могут быть использованы для движения людей в описанной после­довательности эвакуации из помещения наружу, являются эвакуационными путями, а дверные проемы между ними — эвакуационными выходами. Очевидно, что не каждый участок и не каждый дверной проем коммуникационных пу­тей, обеспечивающих связь между отдельными помещениями здания во время его обычной эксплуатации, мо­жет входить в состав эвакуационных путей и выходов. Например, проход из помещения в соседнее помещение, которое не имеет непосредственного выхода наружу или в коридор, ведущий в лестничную клетку, не может рас­сматриваться в качестве эвакуационно­го пути, поскольку он не обеспечивает возможности выхода людей из здании.

Последовательность участков эваку­ационных путей и выходов, которыми пользуется человек или группа людей для своего движения от места их на­хождения в момент начала эвакуа­ции до выхода из здания, образуют эвакуационный маршрут этих людей, Эвакуационные маршруты отдельных людей или групп, нанесенные на план эвакуационных путей, образуют схему эвакуации из помещений или из зда­ния в целом.

Безопасность людей при эвакуации из здания при пожаре будет гаранти­рована, если каждый человек успеет пройти каждый участок его эвакуаци­онного маршрута не позже момента достижения на этом участке критиче­ских уровней воздействия опасных для его жизни или здоровья факторов пожара. Этот момент и определяет для каждого этапа эвакуации то не­обходимое время tнб, за которое люди должны успеть пройти все участки соответствующего этому этапу эва­куационного маршрута, т. е. время эвакуации людей tэв не должно превос­ходить необходимого:

tэв = tнб. (1)

В начальной стадии развития пожа­ра опасны для жизни людей: повыше­ние температуры, тепловое излучение, снижение содержания кислорода в воздухе помещений, выделение токсич­ных продуктов, снижение видимости при задымлении.

С момента возникновения загорания и по мере его рас­пространения каждый из этих факто­ров имеет свою специфику развития и распространения в объеме помеще­ния и за его пределами. Общим для них является то, что они очень быстро (в течение нескольких минут) дости­гают критических уровней. Вот эти несколько минут и являются временем безопасного пребывания людей в по­мещении и за это время им необходимо покинуть его, а затем и расположен­ные рядом с ним помещения, поскольку опасные факторы пожара проникают в них и тоже быстро достигают критических уровней воздействия.

Исследования показали – динамика опасных факторов пожара зависит в конкретном случае от объёма помещения и пожароопасных свойств находящих­ся в нем горючих материалов, и надёжное прогнозирование значений tнб осуществляется лишь на ос­нове общей теории пожара и его моде­лирования.

Степень воздействия на организм человека различных сочетаний опас­ных факторов пожара изучена недоста­точно, поэтому в настоящее время в качестве расчетного воздействия при­нимают критическое значение того из факторов, которое достигается раньше других. Для первого этапа (табл. 1) значение необходимого времени эва­куации рассчитывают исходя из ди­намики температур, для последующих этапов — динамики температур и рас­пространения дыма — при следующих допущениях:

необходимое время эвакуации опре­деляется не с момента загорания, а с начала интенсивного развития пожа­ра, т. е. когда начинается распростра­нение огня и интенсивное повышение температуры;

начальная температура в помеще­нии, где возник пожар, равна 20С;

при повышении температуры внутренних органов человека на 4…6°С, что возможно при температуре окру­жающей среды 60°С и выше, насту­пает смерть;

окна в помещении еще не разруше­ны, а двери в коридор открыты пол­ностью и через них коридор запол­няется продуктами горения. Продукты горения расслаиваются и занимают верхнюю часть коридора, а чистый воз­дух — нижнюю часть. Нахождение людей в коридоре возможно, если дым заполняет коридор не ниже верха дверного проема, а температура газо­воздушной смеси не превышает 45°С;

в коридоре и в лестничных клетках отсутствуют горючие отделочные ма­териалы и конструкции из горючих материалов;

незадымляемые лестничные клетки обеспечивают длительную (до несколь­ких часов) защиту их пространства от воздействия опасных факторов пожара (включая и обрушение конструкций) и поэтому необходимое время эвакуации в них не нормируется. Незадымляемые лестничные клетки могут служить вре­менными пожаробезопасными зонами, но с обязательным выводом по ним людей наружу, вне здания.

Таблица 1. Значения необходимого времени эвакуации людей из зальных помещений в зави­симости от их вида и объема

Зальные помещения	Необходимое время эвакуации, мин, при объе­ме помещения, тыс. м.
	до 5	10	20	40	60
С колосниковой сценой в театрах, клубах, домах культуры и др.; торговые залы универмагов Без колосниковой сце­ны — зрительные, выста­вочные, цирки, кинотеат­ры, спортивные с места­ми для зрителей, а также залы предприятий обще­ственного питания	1,5 2	2 3	2,5 3,5	2,5 4	4,5
Примечания: 1. При промежуточных объемах помещений необходимое время эвакуа­ции людей из них следует определять по интерполяции. 2. При объеме W залов без колосниковой сцены более 60 тыс. м3 необходи­мое время эвакуации определяется по формуле: tнб.зд =0,115W1/3, мин. 3. Значения указаны при размещении эвакуационных выходов на отметке ниже половины высоты помещения в зданиях I и II степени огнестойкости. 4. Для рядов зрительских мест на балконах и трибунах, размещенных выше отметки, равной половине высоте зала, приведенные в таблице значения уменьшаются на 50 %.

Если объем помещений общественного здания менее 5 тыс. м³ и они расположены вдоль общего коридора, то необходимое вре­мя эвакуации людей по коридору от наиболее удаленной двери до выхода наружу или в лестничную клетку в зда­ниях I и II степени огнестойкости составляет: 1 мин, если эта дверь ведет в коридор между двумя лестничными клетками или наружными выходами; 0,5 мин, если дверь ведет в ту часть коридора, по которой можно пройти только к одному эвакуационному вы­ходу наружу или в лестничную клетку (тупиковый коридор).

Необходимое время эвакуации лю­дей из общественных зданий tнб.зд. с задымляемыми лестничными клетками равно сумме значений необходимого времени эвакуации людей из зала, по фойе (кулуару или коридору), по лест­ничной клетке и вестибюлю. При объе­мах залов, не превышающих указанных в табл. 1, оно составляет 6 мин, а при объеме зала более 60 тыс. м³ — 10 мин (здание должно быть I степени огнестойкости).

Все приведенные значения необхо­димого времени эвакуации (из помеще­ний — табл. 1, по коридорам, из зда­ния в целом) должны быть уменьшены на 30 % при III, IIIа, IIIб, IV степени, огнестойкости и на 50 % при V степени огнестойкости здания.

Имея значение необходимого вре­мени эвакуации, казалось бы, легко назначить и такие размеры эвакуацион­ных путей и выходов, которые позво­лят людям своевременно завершить каждый этап эвакуации. Для этого предельно допустимая длина l^пр_i пути от места возможного расположения человека в начале эвакуации до эва­куационного выхода должна быть не более

l^пр_i = Vtнб., (2)

где v — скорость движения человека, м/мин.

Требуемая ширина ^тр._i каждого i-го участка эвакуационного пути и выхода должна быть не менее

^тр._i = max Рi/q, (3)

где max Рi — максимальная величина люд­ского потока, т. е. максимальное количество человек, которое будет проходить за еди­ницу времени, например за 1 мин, через поперечное сечение i-го участка пути, чел/мин; q — количество человек, кото­рое за эту же единицу времени cспособно пропустить поперечное сечение пути шири­ной в 1 м, чел/(ммин).

Однако, чтобы воспользоваться эти­ми элементарными формулами, необ­ходимо знать расчетное значение вхо­дящих в них величин: V, q, Р. При раз­личных значениях этих величин будут получаться и различные значения раз­меров эвакуационных путей, а следо­вательно, и определяемых ими объем­но-планировочных параметров помеще­ний и здания в целом. Так, скорость движения человека изменяется от де­сятка до нескольких сотен метров в минуту, поэтому, если необходимое время эвакуации из зала составляет 1 мин, то предельное удаление l^пр_зал мо­жет составить и 10, и 200 м. В первом случае ширина зала не может быть более 20 м, а во втором может быть почти 400 м. В первом случае возмож­ности планировочных решений зала будут весьма ограничены, а во втором допустимые размеры практически не будут ограничивать возможности пла­нировочных решений, но возникает сомнение: может ли человек так быстро идти в зале, если нет, то его безопас­ность при эвакуации не будет обеспе­чена, поскольку окажется, что tэв.з. > tнб.з.

Известно, что быстро идти можно, когда рядом идущие люди находятся на достаточном удалении и не мешают выбирать желаемую ско­рость движения. Когда же близко ока­зываются люди, идущие более мед­ленно, то становится трудно идти с высокой скоростью. Приходится их обгонять. При более плотном располо­жении людей на участке пути их обгон вызывает все большие осложнения, хотя они и идут в том же направле­нии, образуя общий поток. При воз­растании плотности людей в потоке обгон становился вообще невозможным и приходится приноравливаться к ка­кой-то их общей скорости, к скорости потока. А чем плотнее поток, тем он идет медленнее.

Поскольку свободная площадь для движения людей в потоке зависит не только от количества людей в нем, но и от того, какую часть площади пути занимает каждый из них, было пред­ложено измерять плотность потока на i-том участке пути Di, с учетом площа­ди горизонтальной проекции fi, состав­ляющих поток людей:

Di = , (4)

здесь Ni — количество людей на i-том уча­стке пути, имеющих площадь горизон­тальной проекции fi; i, li — соответственно ширина и длина этого участка, м; fi — средняя площадь горизонтальной проекции взрослого человека: в домашней одежде — 0,1 м²/чел., в демисезонной — 0,113, в зим­ней — 0,125 м²/чел.

Установлено, что максимальная плотность потока при таком измерении достигает значения 0,92 или око­ло 9 чел/м² при fi=0,1 м²/чел. Для каждого интервала плотности были получены совокупности значений наблюдаемых скоростей людских пото­ков при их движении по горизонталь­ному пути, через проем, по лестнице вниз и по лестнице вверх. Однако ко­личественного выражения зависимости скорости людского потока как функ­ции его плотности опять не было по­лучено. Были проведены и замеры про­пускной способности дверей различ­ной ширины и показано, что она также зависит от плотности потока. Но и эта зависимость не была описана количе­ственно.

Далее были выявлены общие закономерности изменения па­раметров людского потока при пере­ходе потока через границы смежных участков пути (границей участка пути является то его сечение, в котором из­меняется его ширина или вид пути). Установлен параметр люд­ского потока, связывающий его ско­рость и плотность:

qi = viDi, (5)

названный «интенсивность движе­ния». При измерении плотности потока в чел/м² интенсивность движения имеет размерность чел/ммин), а при измерении плотности в безразмерных единицах (4) — м/мин.

Интенсивность движения численно равна количеству человек, проходящих за 1 мин через поперечное сечение пути шириной в 1 м, следовательно, ве­личина потока Рi, (чел/мин или м²/мин) в каждом сечении пути шири­ной i, будет равна:

Рi = qii = viDii, (6)

Если величина потока при переходе через границу смежных участков пути не изменяется, то очевидно

qii = qi+1i+1, (7)

где qi и qi+1 — интенсивность движения людского потока соответственно на предшествующем i и последующем i+1 участ­ках пути.

При одновременном подходе к границе последующего участка пути не­скольких потоков с предшествующих участков (рис. 1) происходит слия­ние этих потоков и на последующий участок переходит поток суммарной величины. С учетом слияния людских потоков соотношение (7) будет иметь следующий вид;

= qi+1i+1, (8)

Поэтому, если известны ширина предшествующих и последующих уча­стков пути и интенсивность движения людского потока на предшествующих участках пути, то интенсивность дви­жения на последующем участке мо­жет быть легко определена

qi+1 = , (9)

Из формулы (5) видно, что ин­тенсивность движения, как и скорость, является функцией плотности потока, поэтому каждому значению qi+1, рас­считанному по формуле (4), будет соответствовать определенное значе­ние плотности потока Di+1 на после­дующем участке, а ему соответствует и вполне определенное значение скорости vi+1 движения людского потока по этому участку. Таким образом, для любого потока людей, сформировавше­гося в момент начала эвакуации на пер­воначальном участке его маршрута с плотностью D1, определяемой по фор­муле (4), становится возможным оп­ределить параметры его движения на всех последующих участках, а следо­вательно, и расчетное время эвакуации tр.эв., как сумму времени его движения по каждому из участков пути, входя­щих в маршрут его движения:

tр.эв. = , (10)

Сопоставление значения tр.эв. с tнб дает возможность оценить выполне­ние основного требования (1) обес­печения безопасности людей при эва­куации.

С ростом плотности интенсивность движения сначала возрастает, а затем, достигнув максимальной величины qmax, довольно резко снижается. По­скольку возможное значение интен­сивности движения по каждому виду пути ограничено, то ограничена и ве­личина потока, который может про­пустить последующий участок пути за­данной ширины. Величина Qi, чел/мин или м²/мин, является пропускной спо­собностью участка шириной i:

Qi = qmax i, (11)

Чтобы увеличить пропускную спо­собность участка пути, необходимо увеличить его ширину.

Если к границе участка подходит людской поток величиной Рi, большей, чем пропускная способность этого уча­стка Qi+1 , то не все люди могут сразу же перейти на этот участок и часть людей задерживается перед границей на предыдущем участке пути. С каж­дой минутой перед участком с недо­статочной пропускной способностью скапливается все больше людей. Плот­ность размещения людей в скоплении достигает максимальных значений. Давление людей друг на друга в скопле­нии при аварийной ситуации может привести к сдавливанию такой силы, что вызовет травматизм и удушье людей. Поэтому второе требование безо­пасности людей при эвакуации — обес­печение беспрепятственного движения людей, т. е. без образования скопле­ний. Для его выполнения требуемая ширина ^тр_i+1 каждого участка пути должна определяться по формуле

^тр_i+1 ≥ , (12)

Изучены также следующме процессы, происходящие в людском по­токе, как переформирование и расте­кание потока. Явление переформиро­вания состоит в том, что на участке пути может образоваться поток, со­стоящий из частей, имеющих различ­ную плотность. Такой поток образу­ется, например, в общем проходе зри­тельного зала в результате многочис­ленных слияний людских потоков, вы­ходящих одновременно в него из про­ходов между рядами зрительских мест. Части потока, имеющие различную плотность, а следовательно, и различ­ные значения остальных параметров движения, постепенно изменяют их, приобретая общие значения для всего потока. Растекание потока происходит, когда первые идущие люди имеют возможность увеличить скорость своего движения, приобретая сами и создавая идущим за ними людям боль­шую свободу движения. В результате длина потока увеличивается, а плот­ность его постепенно, начиная от го­ловной части, падает.

Понимание людского потока, как случай­ного процесса, подсказало необходимость для описания проявления общей зависимости ско­рости от плотности потока в каждом из на­турных наблюдений использовать теорию слу­чайных функций. На этом основании было получено общее выражение искомой зави­симости в виде элементарной случайной функ­ции

V_D = V0 [1-Сln(Di/D0)], (13)

где V_D — скорость потока при значении плотно­сти; Di — случайная величина, имеющая нормальное распределение наблюдаемых значений, соответствующих значению плотности Di, м/мин; V0 — случайная скорость свободного движения, соответствующая интервалу плотности людского потока от 0 до D0, в котором плотность потока не оказывает влияния на выбор людьми скоро­сти их движения; D0 — пороговое значение плотности потока, при достижении которого плотность потока начинает оказывать влияние на снижение скорости движения людей; C — безразмерный коэффициент, характеризующий темп влияния плотности потока на снижение скорости его движения.

Элементарная случайная функция (13) представляет собой произведе­ние случайной величины V0 на неслу­чайную функцию, стоящую в скобках. Значения C и D0, определенные мето­дом наименьших квадратов при аппрок­симации эмпирических данных функ­цией указанного вида, приведены в табл. 2. Высокие показатели корре­ляции теоретической функции с эмпи­рическими данными (значения корре­ляционных отношений выше 0,95) сви­детельствуют о правильности выбора вида функции и позволяют оценить вы­ражаемую ею зависимость, как функ­циональную.

Таблица 2. Значения C и D0 для различных типов пути

Тип пути	С	D0
Горизонтальный	0,295	0,51
Проем	0,295	0,648
Лестница вниз	0,4	0,89
Лестница вверх	0,305	0,667

Выражение неслучайной функции в (13) остается постоянным вне зави­симости от активности движения, ко­торая растет при увеличении психоло­гической напряженности ситуации. Рост степени активности движения по­тока при возрастании психологической напряженности ситуации выражается в увеличении скорости свободного движения людей в потоке, следовательно, и в увеличении средних значений V0 в зависимости (13). На оснований изучения общих закономерностей увеличения двигательной активности че­ловека при увеличении опасности ситуации, установленных в психологии, возможно классифицировать движение людей в потоке на комфортное, спо­койное, активное и повышенной актив­ности. Эвакуация в аварийных ситуа­циях происходит при повышенной ак­тивности движения, значения стати­стических характеристик случайной ве­личины скорости свободного движения V0 по горизонтальным путям, через проемы и во лестнице вниз при этом составят: среднее значение V0=120 м/мин, дисперсия _V0 = 10 м/мин, по лестнице вверх V=75 м/мин, _V=7 м/мин.

Поскольку интенсивность движения людского потока определяется как про­изведение скорости на плотность (4), то ее зависимость от плотности людского потока также описывается случайной функцией:

q_D = V0Di[1-Сln(Di/D0)], (14)

При каком-либо из возможных зна­чений случайной величины V0 функции (13) и (14) дают одну из возмож­ных реализаций описываемых ими за­висимостей. Отдельные реали­зации этих общих зависимостей и фик­сируются при замерах натурных на­блюдений, что и объясняет количе­ственные различия их результатов.

Установив факт варьирования зна­чений параметров людских потоков, следует иметь в виду, что и время за­вершения эвакуации является случай­ной величиной. Поэтому нужно иметь возможность построить в результате расчета распределение этой случайной величины и только в случае, если мак­симальное значение случайной величи­ны tр.эв. будет меньше tнб, можно быть уверенным, что безопасность людей при эвакуации гарантирована.