針對高層樓宇火災事故單人逃生的智能可穿戴產品設計研究

石瑞生 陳建新

關鍵詞：高層建筑 火災事故 單人 逃生裝備 智能穿戴產品

引言

高層樓宇是建筑類型目前主要發展的建筑群之一，且頻頻發生的火災事故已成為國內外極難攻克的問題。由于火災事故在高層樓宇頻頻發生，導致部分居民無法在有效的時間內逃生，造成大量人員財產損失，同時困于火災現場的人員出現生命危險時被救援速度相對緩慢，很難達到將受困人員安全快速救出的目的。因此逃生裝備在發生火災時發揮著重要的作用，針對各類火災現場情況與逃生救援情況分析，居民能否有效使用逃生自救裝備，直接關系著人們生命財產安全，同時也是當下重要的研究方向。

一、高層樓宇火災事故

（一）高層樓宇火災事故概述

從宏觀的角度來分析，由于世界各國的經濟發展水平和對消防救援技術的重視程度，各個國家對高層樓宇的劃分標準都不相同。表1為世界部分國家高層樓宇起始高度情況劃分。

高層樓宇是象征國內外城市的發展水平與經濟實力的代表之一。綜合國內外高層樓宇的定義劃分，我國在最新的《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定：（JGJ3－2002）：10層及10層以上或高度超過28m的鋼筋混凝土結構稱為高層建筑結構。在國內《民用建筑設計通則》中將七層至九層為中高層住宅，十層及十層以上為高層住宅。

據統計，近十年我國發生高層建筑火災5萬多起。表2為國家消防救援局發布的2022年全國警情與火災情況的通報，其中高層樓宇建筑火災明顯呈上升趨勢，全年接報高層樓宇火災占總接報件數的0.3%，傷亡人數占整體的27%，基數上升276%。因此，除了要保障好高層樓宇自身的消防工作，消防部門也需要積極思考如何做好高層樓宇火災救援計劃，預設救援思路，給救援工作爭取更多的時間，同時居民也可通過相關平臺學習了解相關火災自救知識，從而提高救援效率。

根據調查在發生火災事故的時候，高層建筑的最佳逃生時間是5～6分鐘。因此在高層樓宇火災事故發生時，由于樓層過高，在人口密度較大的環境高樓內，人群無法在最有效的時間內迅速逃生，將處于樓層過高的人員迅速撤離及疏散到安全的地方是一項較為困難的行動。

在發生火災事故時，防火區處置不當，由于傳播途徑眾多，很容易迅速引發大面積火災。導致高層建筑火災迅速蔓延，而且火勢豎向蔓延的速度比橫向蔓延快，尤其在電梯井、樓梯道及管道井、玻璃幕墻縫隙等地方，建筑物的燃燒會產生大量的煙霧及有害氣體，且高層樓宇在發生火災5—7 min后，室內溫度達到特定極限值時，一旦遇到外部進入的空氣便會引發爆炸。因此在較高樓層的人群無法在有效的時間內逃出火災事故現場，同時，被困于高層樓宇的人群在消防救援未到達時不能有效自救，大部分人群在緊急情況下也不能有效利用樓內自帶消防救援裝備。

（二）高層樓宇火災事故相關問題分析

1.高層樓宇火災事故類型特點

通過調研2021年10月中旬，臺灣高雄的“城中城”大樓發生大火；2021年10月，福建廈門的一高層樓宇突發火情；2022年1月，遼寧大連一棟臨街居民樓突發火災；2017年12月中旬，一棟位于韓國忠清北道堤川市的高層體育中心發生火災；2020年12月，美國巴爾的摩的一座高層辦公樓發生火災爆炸等案例都直接或間接地反映出，由于高層樓宇建筑結構復雜，人員密集，受災人群對于在發生火災時的逃生知識匱乏，導致在面對突如其來的火災時，發生擁擠或踩踏事件。同時在一些社會因素影響下，造成更為嚴重的二次事故傷亡。其中突發性、蔓延性和復雜性是高層樓宇火災事故最重要的三個類型特點。

突發性。在突發性火災事故中，人們由于極度恐懼會產生暫時喪失行為能力的“木雞”行為。據調查，人群在處于緊張與平靜的兩種狀態下時，對于事情的判斷能力有較大的差。因此當火災事故發生時，隨著人群心里承受能力不斷下降，大腦神經緊張程度的加劇，理性分析問題的能力逐漸減弱，從而導致了人群反應行為逐漸消弱（如圖1）。

蔓延性。由于樓層較高，且“煙囪效應”嚴重，用戶在逃生過程中所遇到的問題多數是由于火災燃燒引起的，巨大的火勢會導致空氣中彌漫有毒氣體和煙霧。當人體吸入過量的有毒氣體時，會對人體產生不可逆轉的傷害。在有毒氣體產生的同時，會產生煙霧彌漫，能見度降低，通常會導致人群視覺模糊，無法看清周圍環境等。

復雜性。在發生火災時，由于事故現場的特殊性，從而產生許多不可確定的因素。首先，用戶在逃生過程中會面臨樓層過高、人口密度大等因素導致的疏散困難。據估測，在每層樓人口數量為120人且只有1個疏散樓梯的情況下，在三十層以下至少需要40分鐘，三十層以上至少需要55分鐘，但通常實際現場情況會更加嚴重，如人群逃生時容易發生碰撞踩踏、高空墜物砸傷、火勢兇猛都會導致不同程度的傷亡。通常更高樓層的用戶是無法有效并迅速地逃離火災事故現場的。

2.高層樓宇火災事故消防救援

消防救援通常會因為一些社會因素從而錯過最佳救援時間，尤其是消防通道的堵塞，消防人員不能及時到達救援現場的情況時有發生，例如在2020年重慶市某小區發生火災，由于消防通道被占用，消防救援車輛無法在第一時間內到達事故現場。其次，在建筑施工時可能會存在對消防系統安裝設計忽視的情況或未能按要求更新消防設備等，從而導致在火災事故發生時，錯過了最佳控制火勢趨勢和搶救人群生命財產安全的時間。

3.高層樓宇火災事故救援設備

火災救援設備中，登高車是高層樓宇火災事故救援的重要工具之一。一般的登高車可救援的高度在50米左右，部分配置較好的可達80米高的樓宇。國內大部分的高層樓宇的層高在3-4米之間，登高車可救援的樓層僅在14層左右，因此無法利用登高車到達具體的救援高度。較高的樓層也會對救援產生其他的負面影響，如電力系統失靈，帶電設備不能有效使用等，因此消防員不得不通過爬行安全通道進行救援，但該效果并不理想，在增加救援時間的同時，降低救援效率。

綜上所述，在高層樓宇火災事故發生時，用戶無法在有效的時間內迅速逃生，救援人員無法在有效時間內到達事故現場施救，救援設備老化，質量不過關等會導致嚴重的火災事故傷亡。針對高層樓宇火災事故的救援迫切，急需設計出一款可以提高救援效率的逃生產品設備。

二、智能穿戴技術與應用

（一）智能穿戴技術的概念

美國麻省理工大學多媒體實驗室在上個世紀60年代首次將多媒體、傳感器、無線通訊等信息技術與服裝相結合，形成了一套新型的智能可穿戴設備，并實現了手勢、眼睛等多模式的人機交互方式。70年代，Alan Lewis發明了一種帶有數字照相功能的智能可穿戴式產品，可以在賭場內預測賭局的勝負。進入20世紀后，智能可穿戴技術的應用越來越廣泛，消費型的智能可穿戴產品也應運而生。二十一世紀，隨著全球 DPS系統、藍牙技術，無線連接和傳輸技術在各行各業的迅速發展，可穿戴式產品的類型越來越多，其功能性和智能化程度也愈發先進。通常來說，具有設備性能較為先進的智能穿戴產品有貼身、尺寸小等特點，還可以實現與網絡的實時通信，這使得人們對信息的識別和捕捉能力更加強大，同時對信息的傳輸也更加及時精準，能使人們不管身處在何地都可以輕松快捷地接入互聯網獲得自己所需的信息，從而滿足各種生活場景的需求。

（二）智能穿戴技術的產品在救援逃生中的應用

目前智能可穿戴產品的市場覆蓋了社會各個領域，除了常見的醫療、保健、娛樂、交通和教育等方面，還包括寵物、動物、農業等領域。市面上最常見的智能穿戴產品包括智能手表手環、智能眼鏡、藍牙耳機等。現有的智能穿戴產品需滿足兩種屬性，一是功能相對獨立全面，能夠在不依賴智能設備等終端的情況下完成全部或部分功能；二是專注于某一類應用功能，需要與智能設備等終端進行配合使用。

智能可穿戴設備在軍事領域的應用較為先進，且多應用于消防、地震救援逃生等場景。美軍研制一款多功能穿戴設備“BLEEX”，在滿足作戰需求的同時，也可用于災難救援。“BLEEX”（如圖2）采用液壓驅動附著于人體下肢助力的外骨骼 ，產品除自身重量為五十千克，還可承受額外30千克左右的負載，但該裝備設計巧妙之處在于穿戴者只能感受到2千克的負重力，本設備通常應用于救災現場，幫助救援人員搬運救援物資，清理災后現場等。

國內研發的一種用于滑翔傘或跳傘運動的智能穿戴實用新型產品設備，采用了藍牙技術、傳感器、電子羅盤及氣壓計等設備，通過各個設備之間的連接、傳感及信號處理等技術進行人體運動狀態檢測，還可測量多種人體生理參數，并及時反饋信息，有助于提升本設備在運行時的安全性能等。該設備雖為娛樂設備，但在產品功能及結構方面可為后面本課題研究做一定參考。

（三）智能穿戴技術在高層樓宇火災事故逃生中的市場分析

目前，智能可穿戴產品在各個領域的發展日新月異，特別是針對一些救援產品，其主要的目標用戶群是救援人員與受災逃生人員。在人口密集度愈來愈大，高層建筑愈來愈密集、火災事故愈發嚴重的情況下，對于高層樓宇火災事故逃生的智能可穿戴產品需求日益旺盛，市場規模龐大。目前適于高層樓宇火災事故的單人逃生智能可穿戴產品的研究較少，多為其他類型的救援設備，且大多數救援產品多為非自救型產品，并沒有很好地解決用戶群體的自救需求。因此總結出該產品的設計重點，避免復雜的操作流程、已使用各年齡段的人群。

三、適于高層樓宇火災事故的單人逃生智能穿戴產品造型設計實踐

（一）適于高層樓宇火災事故的單人逃生智能穿戴產品設計思路近年來，國內外的火災事故頻頻發生，消防救援雖以盡最大努力進行搶救人民群眾生命財產安全，但仍存在不足。由于高層樓宇的建筑特殊性和救援設施不完善，本次設計目的在于為高層樓宇發生火災事故提供一個解決方案。

該產品設計面向的主要用戶群體是因受火災事故的危害居住在高層樓宇的用戶群體，將自救逃生功能優勢與外觀造型設計相結合，從而滿足用戶使用需求，有效降低了火災事故人員受難，減少了生命財產損失。產品設計外觀主要將現代傘類智能穿戴技術與時尚元素融入造型設計中。本次研究除了設計線下使用的自救穿戴產品，還增添了線上使用的小程序，用戶閑暇之余還可以了解相關火災逃生的知識，且在火災事故中可以根據小程序內的產品使用規范進行語音播報，從而在最短的時間內穿戴好救援設備加以逃生。

（二）產品造型設計

產品造型集相關功能設計，考慮到用戶逃生時的使用情況，造型美觀程度，制作成本因素等，在此技術上確定并繪制了草圖方案（如圖3）。產品的外觀造型靈感來源于蜜袋鼯獨特的身體結構，同時結合現代流線型跑車對產品正面進行造型設計，給予產品以光滑、靈動、曲面的視覺效果。

（三）產品功能與結構設計

本產品的功能設計遵循以用戶為出發點的設計原則，首先要滿足產品的基本功能，在此基礎上提高產品的易用性。在面對高層突發火災或其他緊急情況時，首先用戶需將該裝備取出置于地上，其次穿戴本設備，根據機器自動感應來確認本設備是否穿戴完畢，接著用戶從可逃生的路線飛躍而下，設備在0.1秒內重力感知自啟動，通過重力加速度自動啟動進行人機交互，在緊急情況下，用戶可通過控制桿啟動該設備，適應飛行，距離可達1000米水坑等地形，產品內置六軸傳感器以此來捕捉人群在逃生過程中的姿態，并添加溫度傳感器用于測定人體溫度及事故現場溫度，氣壓計實時采集逃生路途中的海拔高度，同時GPS自動搜索最近的安全著陸點，最后用戶安全落地，等待救援（如圖4）。

結構設計方面，在機身上添加紅十字標識，并為其增添燈光效果，可以給后方逃生者起到指引路線和繞道逃生的警示作用，避免使用人群過多，造成碰撞等其他意外危險行為，還可以給救援人員指引方向。在機身的四周增添可收縮機翼輪，在使用時四周機翼輪展開飛行，以控制人體飛行時平衡度及速度，當機翼收縮時節約了該產品的占用空間。在產品配色方面主要以黑色為底色，再加上紅色和橙色，可供用戶選擇。紅色是生命健康和行動力強的顏色象征，還有警示的寓意，且在我國有吉祥、樂觀之意。橙色是暖色系中最溫暖的顏色，太陽光也為橙色，寓意逃生者逃離火海迎來新的希望，大多數的消防救援服顏色為橙色，且橙色的外殼有著阻燃性能，該顏色十分鮮艷，易于辨認，可以幫助逃生人員更容易被救援人員及時發現（如圖5）。正面安全帶設計采用安全系數較高的五點式設計，通過固定肩膀和胸部，緊貼胯部兩側和臀部，確保使用者在使用產品時的安全穩定，同時五點式安全也可在一定程度上減少使用者的學習時間，提升逃生人群在最短時間內快速穿戴本產品，再加之輔助控制桿，可以讓使用者靈活地控制方向及速度。并在底部加設卡扣固定板，以此來加固用戶和產品的穩定性（如圖6）。

（四）產品材料

在材料的選用上，使用抗腐蝕耐高溫的鈦合金、石墨烯材料；軍用級別的跳傘背帶；產品表面又再次覆蓋高強度、耐磨、環保、防火超纖材料，在最大程度上保障產品的防火性能。

（五）產品用戶體驗設計

在用戶體驗方面，本產品從易用性的角度出發，用戶直觀了解本逃生裝備的使用方式是通過線上小程序。相較于App而言，小程序的應用更容易被廣大用戶所接受。本產品從易用性的角度出發，用戶通過線上小程序可以了解到相關火災自救方式及本設備的使用方式（如圖7）。在緊急情況下，用戶可根據小程序內的產品語音操作指導，在短時間內有效穿戴本逃生設備進行逃生，從一定程度上有效提高用戶逃生機率，為用戶打造一個完善的界面指引和功能布局，實現用戶體驗感最大化。通過小程序進行預約線下該逃生裝備使用的培訓和定期檢查該設備的安全性能等需求。

根據用戶的實際需求設計小程序界面的主要功能為：火災知識，設備使用、個人中心和緊急聯絡等功能點，同時為了方便用戶的使用也增加了受災中使用指引、語音安撫等特色功能。

（六）產品設計驗證

設計實體化對于產品設計和服務設計都是必不可少的。通過設計評價，可以確定方案的可行性和用戶對方案的滿意度。根據用戶反饋總結當前設計的不足之處，重復迭代設計過程。設計驗證采取問卷調查的形式，對前期調研的用戶進行回訪，評估逃生設備在適用于高層建筑消防的智能穿戴產品設計實踐中使用的安全性、設備的實用性、外觀的美觀性、小程序界面設計的美學性等方面的整體設計滿意度。評價等級分為五級；等級越高，設計的認可度就越大。受時間、地點和環境的影響，我們選擇了在線問卷形式。向50名用戶發送了問卷，其中45份是合法的并被收集。對反饋結果進行分類后，繪制了相應的數據分析圖。從圖表的數據來看，用戶對整體方案比較滿意，但仍有許多細節和選項需要細化和增強。

結語

在經濟水平不斷提高的背景下，城市建設中出現了越來越多的高層樓宇，解決高層樓宇火災事故逃生問題已經變得迫在眉睫。單人逃生智能穿戴產品是用戶火災自救的良好選擇，能夠有效提升高層樓宇火災事故逃生問題的解決率。該類單人逃生智能穿戴產品可以體現出直接自救的功能，使得該產品在火災第一現場發揮更加重要的作用。通過使用該產品，用戶能夠更加快速、全面、有效、安全地逃離火災現場，從而幫助救援任務的實施更加順利。在當前火災事故頻繁發生的背景下，這些智能穿戴產品成為了高層樓宇火災逃生的必備裝備，也是提升公共安全的一項重要舉措。