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1、1.1 课题的研究背景和意义 随着科技的进步、土地资源的稀贵，高楼（一般指七层以上高度的建筑物）的发展极为迅速，数量急剧增加，但随之而来的火灾事故数量也不断攀升，更要紧的是随着建筑物高度的增加1，消防救援工作难度跟着急剧增加，特别是其中的高层和超高层建筑的消防救援更历来是一个世界性难题，直到现在一直没有一个综合性良好的解决方法。这是因为高楼失火后，高楼内部楼道往往被大火和浓烟封堵，难以进入，消防救援主要靠在高楼外面进行，而目前消防部门通常用于灭火的主要装备如消防水罐车等其灭火喷射高度十分有限，对高楼层的火灾则鞭长莫及，而且还不能直接立即实施救援中的救生项目2。相对有效地救援主要是通过云梯消防车
2、、带有登高平台或举高的消防车等大型车载攀升或攀扶设备将人员及或器材送达所需高度实施消防救援，但这些设备绝大多数最高也只能伸展至53米，相当于约十五层楼的高度，而就是这样的消防装备对我国大多数城市来说也还都不是具备的.因为随着举升高度的增加其设备成本急剧上升，许多城市难以承受3。目前世界上最高的消防云梯车为荷兰生产的110米，但也只能达到约三十几层高的高度，而其价格却极为昂贵，目前我国仅杭州市进口了一台，但由于这类消防车超大的重量及体积，其通过性、机动性、灵活性、高位负重能力、营救效率速度及对地面支承环境的适应性等都较差，特别是其极其高昂的价格，显然在未来很长时期之内，中小城市是无法普及的，更致
3、命的是当楼层高度超过其使用高度时无法使用，只能“望楼兴叹”，而现在城市中二、三十层以上高度的高楼已越来越多3。高层建筑消防救援的能力已经成为衡量和检验一个国家、地区或城市消防现代化水平和战斗力的重要标志，这是现代化都市所面临的一项重要课题。特别是美国“9.11”事件再次给世界高层建筑消防安全敲响了警钟。 因此,能“更高”、“更强”、“更省”“更普及”地解决高层建筑消防救生与灭火显而易见将具有重大的经济与社会效益。消防部门急需一种全新的高层建筑消防救生装置，能够基本不受建筑高度限制，较好地解决高层建筑消防救生（也可适当附带灭火）的难题。而且设备结构还要简单，生产成本低，产品实施简便易行，廉价、快
4、捷，特别易于普及使用6。1.1 国外在高层建筑消防救援方面的研究现状有鉴于高层建筑直接救生灭火设备开发与实施的极端困难性，目前国内外高层建筑救生与灭火设备的最新发展有以下趋势：继续研发更高高度的云梯消防车以及开发性能更好、适合救火的直升机，但目前依然实际困难很大。性能更好的设备并商品化的目前尚未见到相关报道。目前多数公司或机构转而集中致力于创新、开发能辅助高层建筑消防救生与灭火的外围相关产品，但一般不能直接进行救生灭火，主要有以下进展趋势：火场机器人。把带有视频头的机器人送到着火地区，特别是可能有毒气等条件恶劣的地方代替消防人员搜索被困者。美国一个叫“安娜肯达”的搜索机器人，像一条大蛇，它有三
5、米长，共有22个节，顶部的摄像头能转动33个角度，全方位观察特定区域内情景。主要适于火场搜索，能辅助救生，但造价昂贵，不能直接用于高层救生、灭火7,11。超大型超高压灭火喷枪。基德消防公司是美国联合技术公司旗下的分公司，他们的超大口径高压泵，能够在极短时间内，喷射非常大的灭火水流，或是将灭火泡沫喷至约140米的高空。但较难射中室内指定地点，更不能直接救生。未来型灭火机器人。德国一公司设计了一外形很像是甲壳虫的未来型灭火机器人，配备全球定位系统导航，并携带一到数个水箱，在遥控中心的指挥下，“自行”前往火区灭火，使消防人员远离危险。可以爬楼，但对于楼层过高而楼内通道受阻的情况却束手无策，难以直接救
6、生7,14。造价昂贵。遥控搜寻飞机。这种小飞机上的摄像系统，能够透过浓烟和黑夜及高温烈焰，拍摄到现场情况并将信息传到消防指挥中心。但不能直接救生和灭火。2 本课题的研究项目通过分析国内外现有的高层救生方案的弊端，提出了一种适于中国现有城市环境的高层救援方案，此方案可以基本不受建筑高度限制，较好地解决高层建筑消防救生（也可适当附带灭火）的难题。2.1 简析现有的两种高层救援方案的利弊2.1.1 基于电磁发射技术的抛射装置此技术是将灭火装置和救援器材等消防救援装备以较低的速度由高层建筑的窗口发射到内部供给消防队员和被困人员开展灭火救生行动，为实施灭火救援工作提供保障。抛射器结构原理抛射器基于电磁发
7、射技术，基本结构为电磁炮8。图1为抛射器的结构示意图。在导轨炮的两条平行导轨之间设置弹射体，弹射体与重接炮的支撑座固定连接；支承座的两侧设置重接炮的线圈，与重接炮线圈垂直的方向上对称设置两块挡板；两块挡板之间的空间用于装载抛射体。在此结构中，导轨炮水平设置，用于给抛射体一个水平方向上的速度，线圈炮竖直设置，用于给抛射体一个竖直方向上的初速度，在导轨炮和重接炮的配合作用下，抛射体在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做竖直上抛运动，抛射体的运动轨迹是一条抛物线，通过控制水平速度和竖直速度，使抛物线的最高点作为进入高层建筑窗口的入射点。图1 抛射器的结构示意图图中1导轨炮2重接炮线3抛射体1壳体
8、2吊环3支撑轮4铰支架4挡板5支撑座6弹射体5绳盘6绳索此设计虽然成本低，结构简单，可是存在几个很严重的问题：1.实际参加过救援的人员都知道，这类动力发射装置准确性极差，即使建筑物上有门窗等，因挂靠物很高，而且又很小，因此很难命中，楼层越高问题越大，命中率会急剧下降，不知要发射多少次也难以命中，且不谈累计发射成本高低，更要紧的是每次失败都还要收回已发射的绳索长度（接近高楼高度）包括锚勾等一整套装置机构并重新进行安装发射，火场极其宝贵的时间会被大段地浪费，而每一分钟都可能意味着生命的代价。2.由于射击准确度太低，有可能会打到其它窗户或门内，即时射击命中，但由于对窗户或门里面人员情况不明还可能会发
9、生次生危险，不够安全。3. 该设计要求作为空中另一支点的挂靠物强度应保证达到500公斤以上（其实安全余量是不够的），以便一人先上去重新挂靠牢实，但遇到较高楼层，需携带的绳索会很长（意味着绳重量更重），而这类携绳抛绳器负重又非常有限，因此绳索只能很细，承载能力自然降低，一人缘该绳爬高救生其安全性令人担忧，以致实际上当楼很高时往往会无法实施所述的一人先行缘绳上去。就算一人可以先上去，却不能在第一次就立即多人及或重器材一同上去，这也浪费了许多宝贵的救火时间，更要紧的是，失火现场建筑物特别是很高的高楼上被锚定钩住的挂靠物所在距离很远，固定物自身的牢固程度很难看清或很快判定，锚定装置是否已牢靠地抓、挂、
10、勾住固定物还是仅仅挂了固定物的一个边角或其松软不结实之处等也都很难确定，而每座高楼的情况又是千差万别的，在紧急的火场氛围下是很难快速做出无误判断的，而挂靠物的牢靠与否事关待救人员与消防人员的生命安全，如看不清而仅靠现场拍脑袋估计挂靠物的牢度和可靠程度，这对消防救援工作可是一个大忌，要冒很大的风险，用于实战装备还存在很大问题，而作为一项实用技术方案更必须完全可靠和安全才能被消防部门作为一种正常的消防方法接受和使用，发射锚定后先人工试拉拉看强度可否，不行就再重新发射，也正是此意，但人命关天，这试一试可不是简单的拉一拉就能确定的，即使能确证强度不行，这重新收回再发射又可能浪费大量的宝贵营救时间4,9
11、，这也可以说是这一方法的另一个致命伤了。 4.不少实际的高层建筑物立面墙上或救援点附近立面墙上根本没有明显的凹凸物、窗门、阳台等可附着物，墙面大面积几乎全是“光面”，如玻璃幕墙或类似物等，此法则很难实施或要浪费很多周折和时间来解决，更不用说快速准确定点救援了，这在火场救援中也差不多是一个很大的致命伤了，5.采用压缩空气做动力的抛射体其飞行高度有限，何况还要负重，而且楼越高需绳越长，负重也越大，抛射高度自然越低，因此遇到很高的楼层很可能无法实施该方案，这也是一个大大的问题。2.1.2 直升飞机在高层建筑消防救生直升机被越来越广泛地应用到消防领域，如森林火灾的扑救、高层建筑火灾的救援。随着城市中摩
12、天大楼高度的不断增加，利用直升机将消防队员和装备运到发生火灾的高层建筑顶部执行搜索、救援和火灾扑救任务的优势越来越明显，已经引起国际消防界的高度重视。(1) 直升机在高层建筑消防救援中的应用现状直升机最初被广泛用于森林火灾扑救，20世纪60年代末才开始扩大到城市消防领域。1966年11月1日，日本东京成立了第一支空中消防队，标志着直升机真正开始应用于城市建筑物消防救灾。在随后的二十年内，特别是美国的部分大城市在70年代中后期陆续规定高层建筑物顶层需设有供直升机起降的救生平台，为直升机真正广泛地用于高层建筑救援和消防奠定了重要基础9,11。由于直升机具有机动灵活的飞行特性，包括起降限制条件少、空
13、中停留盘旋、任意方向前进后退等。因此，在消防救灾行动中，较之消防车，直升机具有无可替代的优点。直升机在高层建筑物火灾的抢救中主要具有5个方面的作用，即救助被困人员、火灾侦查、现场指挥、运载人员和装备以及直接灭火。2009年5月29日，上海政府飞行队暨上海市公安局警务飞行大队成立，上海市配置消防直升机的事宜也已提上日程，而且已经进入机型筛选阶段。在为中国城市飞速发展和城市管理手段日新月异感到自豪的同时。也认识到直升飞机在城市中的运用却有以下几个重要缺陷。(2) 航空环境不够理想一般情况下，城市使用直升机的活动空间在500米以下。而目前，我国空域是由国家空管办委托空军实施管理的，出于战略安全需要，
14、空军对我国600米以下的低空飞行管制还是比较严格的，涉及的限制条件较多、审批环节较多、审批时间较长，而城市高层建筑消防救援最基本的要求就是快速及时，严格繁琐的审批手续是制约直升机进行救援的重要因素之一。即便空军同意执行“制定计划，先飞后报14制度，但对于高楼分布十分广泛的特大型城市而言，也难以事先制定全面的飞行计划，也就是说，不改变现行空管制度，就无法真正发挥直升机快速反应、及时救险的优势13。同时，由于我国通用航空发展滞后，政府和公众对航空安全事故的承受能力普遍较低。可以说，如果航空环境不发生重大改变，哪怕仅仅一起坠机事故就可能大大延缓直升机在城市高层建筑消防救援中的应用进程。(3) 技术问
15、题难以回避直升机虽然有许多无法替代的优势，但并非无所不能。由于高层建筑物火灾抢救在城市有相当的复杂性，因此，直升机所能发挥的作用也会因许多因素影响而受到限制。首先，城市中心高层建筑林立，街道的宽度有限，还有狭窄的里弄，远小于直升机安全操纵的有效空间。其次，高层建筑火灾发生时，大量上升的火灾热气流及燃烧生成的烟雾干扰等都不利于直升机接近起火建筑物，而且各种建筑物附属构造物，如架空线、广告板等设施，不但妨碍直升机救灾，还可能造成直升机发生意外事故。第三，若无法适度击碎建筑物玻璃外墙，则直升机介入火灾抢救的功能就会受到相当限制，但破坏建筑物的玻璃外墙的动作相当困难，一旦建筑物内火势扩大已达到最盛时期
16、，直升机就已失去使用的最佳时机。第四，直升机本身可装载的水量极其有限，如何中继供水以补充消防用水，不仅任务相当艰巨而且会损失救援时间；即便中继供水问题可以解决，由于直升机直接射水灭火，因距离与空间的限制、水损等二次灾害的损失也难以预料。到目前为止，这些影响因素仍然是困扰直升机用于高层建筑消防救援的难题，必须经过相当长的时间来研究解决10,11。(4) 基本飞行条件尚未具备高层建筑都有自身的安全消防体系，同时，由于技术和安全等方面的原因，一般情况下很少直接使用直升机进行高层建筑物消防救援，目前仅在日本、美国等少数国家有应用经验，但这必须与飞行环境和直升机飞行操作水平、消防技术水平和高楼楼顶平台建设等密切
