非常災害に対処する建築物のしくみと人間工学
神戸大学 都市安全研究センター 北後明彦
1.はじめに
2.地震への対処
3.火災に対処するしくみ(Fire Safety Design)
3.1 火災(Fire)
3.2 火災対応行動(Human Behavior in Fire)
3.3 群集避難(Crowd Evacuation)
3.4 避難施設(Means of Escape)
1.はじめに
非常災害は、緊急・非常事態による危機的な状態による突発的な災害のことである。 建築物に関わる非常災害として、地震災害、風水害、雪害、火山災害、地盤沈下、塩害などの自然災害と、火災、爆発、物体の飛来・衝突、危険物質の流出・拡散などの突発的な事故がある。
建築物における非常災害により、被害を受けるのは人間である。この場合、災害によって生じた物理的な異常現象がどのように人間に影響を与えるか、言い換えれば人間はどの程度の異常現象に耐えられるか、生理的な人間の耐力が問題となる。たとえば、輻射熱でみると、2,000kcal/㎡・hを50秒間暴露されると痛みを生じ、10,000kcal/㎡・hを10秒間暴露されるとやけどが生じるといわれている。煙の中に含まれる一酸化炭素については、0.03%程度の濃度の時、吸入時間4~5時間で頭痛等が生じ、0.3%程度の濃度となると、吸入時間1~1.5時間で死に至ることがある。避難場所などの計画の際には、このような人間の耐力の限界を超えないように空間を設計する必要がある。
建築物で非常災害が起こった場合、人間はその災害が拡大することを防いだり、その影響が人間の耐力の限界を超えることを回避するといった対応行動をとる。非常災害という緊急時には、人間は過度の緊張あるいは興奮状態にあって思いがけない不適応行動や異常行動がみられることも考慮に入れておく必要がある。
災害への対応がうまくいくかどうかは、人間の聴力、視力、耐力、判断力といった行動能力がどの程度あるかが関わる。高齢者や障害者は、行動能力の不足によって対応がうまくできないことが多く、非常災害により被災しやすい。避難施設などの計画の際には、その建物がどのような人が使用するのか想定して、その人の行動能力を考慮に入れて、災害現象による影響が及ぶまでに避難が可能となるように避難施設までの経路の長さなどを設計することになる。
避難階段の幅や滞留する場所の広さなどの避難施設の容量については、人間が避難する際に必要な物理的なスペースが関わってくる。たとえば、1m幅の出口からは、群集は1秒あたり1.5人程度ずつ流出することが群集歩行の観察の結果わかっている。
非常災害と人間の関わりでは、以上のほか、災害の発生そのものに人間が関与することがある。人間のエラーが災害を誘発するのである。このようなことを防止するためには、人間のエラーをカバーする技術が求められる。
2.地震への対処
自然災害のなかで、建築物の構造・外皮のハード対策によっても建築物の中にいる人間に何らかの影響を与えることになる地震災害について、ここでは取り上げる。次項目以降では、突発的な事故の代表例として、火災について取り上げる。
地震により建築物が倒壊すると、中にいる人間の生命が著しく危険となるので、地震により建築物が倒壊しないようにしておくことは、構造設計によって最低限確保されなければならない。ただし、建築物が倒壊しなくても設備類の破損、家具や機器の転倒、建築部材の変形や落下などによって直接人的被害が生じたり、避難路をふさいで避難を困難とすることは、1978年の宮城県沖地震や1995年の阪神・淡路大震災などの際に顕著に示されている。
地震の最中の行動としてこれまで震度5~6では、「屋外への飛び出し」の比率が高く、続いて「火の始末」、「じっとしていた」、「子供・老人の保護」、「物をおさえる」、「逃げ場の確保」等の行動が見られることが調査され、屋外への飛び出しで窓ガラスの破片などが頭上へ落下することによる危険が指摘されてきた。
震度7という激しい地震動となった阪神・淡路大震災の場合、ゆれている最中、人間はどのような行動をとったかの調査(神戸市消防局1995、室崎1995)によれば、多くの人は行動の自由を瞬時に失っており、4割近くの人は「何もできなかった」状態であった。この他、「布団をかぶったりして身を守るのに精一杯であった」人は約3割、「外に飛び出した」人は約1割、「火元の点検・始末(ガスの元栓をしめるなど)をした」人は約1割であった。早朝の地震であったため、地震の直前、約7割の人が眠っていたことも関係すると考えられるが、「机の下にもぐったり」、「家具の転倒防止をはかった」人はそれぞれ約2~3%と少なかった。また、18%の人が「石油ストーブなどの火気を使用していた」が、「火気を使っていたのですぐに消した」人は3%である。これは、火気を使用していた人の約2割程度しか、ゆれている最中に消した人がいないことになる。
以上のように、建築部材や家具などの被害状況や人的被害の状況、人間の対応行動等を見ていけば、大きなゆれの時に人間の対応には限界があり、部材や家具などの落下防止、固定等、ハード面での対策をそれぞれ行っていくことが重要なことがわかる。
地震時には、ここまでに示した個人的な対応の他に、個々の現場での防災センターの係員の対応や警察・消防などによる救出・消火活動などが展開される。これらの人々は、一度に数多くのことに対応しなければならないので、災害現象の動向とのかねあいで優先順位を決めるなどの対応を余儀なくされる。
3.火災に対処するしくみ(Fire Safety Design)
建築物の火災安全は、火災の進展や建築物内の人間の挙動に対応した建築設計によって達成される。空間の構成、構造、階段、外壁、内装、建具など、建築の各部位の性能を、出火防止、延焼阻止、煙制御、避難誘導、倒壊防止、類焼防止などに適したようにすることにより、火災に対処するしくみを作り上げるわけである。スプリンクラーなどの消火設備、感知通報設備や排煙設備などは、火災に対処するためだけに建築物に配置される。これらの火災に対処するしくみを組み合わせて、建築物の用途や形態の特性に応じた火災安全のコンセプトを持つことが、建築設計を進める上で重要である。
3.1 火災(Fire)
建築物の空間において、ある物から出火して拡大していく一連の経過のことを火災シナリオという。火災時の人命安全の確保を考える場合には、火災シナリオの中に、人間の対応行動や火災による人間への影響を含めて考えることが必要になる。
建築物における火災シナリオとしては、出火、室内における火災の拡大、火災室から噴出した煙の建物全体への流動、他の室や上階への延焼拡大、隣棟への延焼拡大の各段階をたどる。出火箇所周辺の状況や、壁や天井に用いられている材料の種類、消火設備や防火区画など、空間をとりまく境界条件によって火災シナリオは変化する。
出火は、コンロやタバコ、電気器具など一般に用いられている火気が発火源となって周辺の可燃物に着火することによって起こる。これらの出火源と着火物の関係は人間が生活する中で、放置、消し忘れ、空だき、誤操作を行ったりするなどのヒューマンエラーや、着火しやすい物を生活空間に集積したりしたりする行為が深く関わっている。出火から、室内における火災の拡大にまで進展するのは、人間が出火が発生している場から離れていたり、火災拡大の力が初期消火する能力を上回る場合である。
着火物が燃焼する初期段階から、室内における火盛り期に移る経過は、室の壁や天井の内装が不燃材料を用いて不燃化がなされているかどうかによって異なる。内装が不燃化されている場合、着火物やその周辺の家具が燃焼するだけなので、室内の温度上昇は比較的緩やかで、室内にいる人間の数に対して十分な出口があればその室内からの避難は容易である。一方、内装が可燃である場合は、火炎が壁や天井に達すると急激に燃焼が進行し大きな面積の燃焼となり、この燃焼面からの輻射熱によって床やその他の可燃物に着火する。このような急激な火災の成長のことをフラッシュオーバーと呼んでいる。フラッシュオーバーに至ると、空間が人間にとって危険となる時間が極端に短くなり、避難に要する時間がこれを上回ることもある。このような場合、内装制限(内装の不燃化)や可燃の部分の配置の工夫などの内装防火設計によって、フラッシュオーバーに至らないようにしたり、フラッシュオーバーに至るまでの時間を長くし、人間が火災に対応できる時間を長くする。
火災シナリオの次の段階としては、出火した室からの煙流動、他の室や上階への延焼拡大となる。煙がなるべく建物全体に拡がらずまた上階に延焼しないように竪穴区画や層間区画などの対策が講じられることとなるが、これらの対策の信頼性を補完するために、建物全体からの避難ができるように避難施設を設計しておくことが人命安全の確保のために必要となる。
3.2 火災対応行動(Human Behavior in Fire)
建築物の火災安全を確保するための設計を行うに際して、評価の対象となるのは最終的には人間の安全である。人間の安全が確保されているかどうかの評価は、建築物内のある空間において想定される火災シナリオに対して、人間が安全に対応できるかを示すことになる。空間の性能によっては、どのような火災を想定してもその空間内がいつまでも安全ということもあり得るが、現実的には人間の対応として避難を考えるのが一般的である。そこで、発生すると考えられる火災の進展によってある空間が危険となる時間(危険波及時間)と、その空間にいる人間の避難が完了できるまでの時間(総避難時間)を比較チェックすることになる(図1参照)。総避難時間は避難を開始するまでの時間(避難開始時間)と、避難を開始してから建物の出口まで到達して人間が建物から退出するまでの時間(避難行動時間)からなる。
図1 避難に要する時間
危険波及時間内に避難が完了すれば問題はないが、総避難時間が危険波及時間よりも長くなってしまう場合は、非常放送などで避難開始時間を短縮したり、避難施設を充実させて避難行動時間を短縮するか、建築空間の性能を向上させて危険波及時間を長くすることになる。
スタジアムなどの人が多く集まる施設では群集避難となって避難行動時間が大きなウェイトをしめることになるが、宿泊施設などでは、火災に気付くのが遅れたり避難を決断する時期が遅れやすいことから避難開始時間のウェイトが大きくなる。しかし、いずれにしても、ある火災シナリオに対して、いかに速やかに避難が開始されるかということが、建物全体からの避難を考える場合に重要となる。避難の開始については、出火室の場合と非出火室・非出火階の場合では大きく異なる。
避難開始時間は、火災に気付くまでの覚知時間と避難行動に移行するまでの初期対応行動時間からなる。出火室においては、火災発生場所近辺の在室者は即座に火災の発生に気づく。出火室の規模が大きくなれば、火災発生箇所から離れた位置にある在室者が火災に気づくまでやや多く時間を要することになる(表1参照)。これに対して、非出火室・非火災階においては、火災の状況を理解するのに時間がかかり避難開始が大幅に遅れやすい(図2参照)。自動火災報知器の鳴動があった場合、人は様々な対応を行うが、人の属性や性格などによってその対応にパターンが認められる。よく訓練された従業員であれば、火災の有無、火災場所の確認をいち早くするであろう。しかし、一般には度重なる誤報によってベルを聞き流すことになりがちである。明瞭な非常放送があれば、火災であることが理解されやすい。
表1 1985年英国ブラッドフォード・サッカー場火災時の避難開始状況
(長谷見、1988)
時:分:秒 | 主な事象 |
15:41:30 | 数人の観客が出火に気付いたそぶりを示す。 |
15:43:33 | 煙が観客席屋根の軒から流出、出火点近くの観客が避難開始。 |
15:44:13 | 観客席上に火炎が見える。 |
15:44:28 | テレビ・カメラが火災に気付く。 |
15:45:18 | 軒から黒煙・黄煙が流出。 |
15:45:40 | 出火点付近の観客がグラウンド側フェンスに殺到。出火点から遠くの観客は傍観している。 |
15:45:55 | 軒から火炎噴出。 |
15:46:30 | 観客席の屋根全体の約3分の1から火炎噴出。 |
15:47:00 | 観客席のほぼ全体が炎上。 |
(屋根付き観客席で火災が発生しており、大きな出火室における避難開始状況の実例である。) |
図2 覚知時間の分布の例(南砂町高層住宅火災)
火災の発生を覚知してからの対応は、その時の状況により、また人によって異なる。その場に立ちすくむ人もいれば、消火器を持ってきて消火にあたる人もいる。火災が急激で危険が迫っていると直ちに避難する人の割合が高くなる。また、不特定の利用者の場合、ただちに避難する人の割合が高くなる。これに対して従業員、なかでも責任ある地位についている従業員は、初期消火、消防機関への通報、非常放送、客がいる場合は避難誘導など、様々な対応をとることになる。
火災を覚知し、何らかの初期対応がとられた後、避難が自発的、あるいは誘導によって開始される。避難開始、つまり避難の見切りがつけられるのは、<1>火煙が身近に迫っていることを確認したとき、<2>適切な避難誘導がなされた時、<3>周囲の人が逃げるのを見た時、の3つが主たるものである。
3.3 群集避難(Crowd Evacuation)
劇場や百貨店、学校など在館者の人数が多い施設では、避難出口の不足によって多くの死者が発生した火災事例が過去において少なくない。火災の発生していないときであっても多数の人が集まって流動する場合に群集事故が発生することがあることを考えれば、火災の時、不足した出口に人が殺到して退出できない人が滞留し、群集となって混乱をきたすことは容易に想像できる。
火災が拡がって身に危険が迫るという危急時には、避難出口に殺到した群集がいち早く火災の発生した部屋から出ようとし、また、後方からの避難者に押されるために出口に人が詰まってしまう現象が生じて、不足する出口からの流出人数を制限してしまうことになる。このように、個人の認識としては適切な対応行動であっても、同時に多くの人によってなされるために環境の制約を超えるような集中の危険が起こることを集合パニックとよんでいる。
このような集合パニックを回避するため、避難出口や避難階段などの避難施設の容量を十分に準備して集中しても過度に人が滞留しないようにしたり、適度に分散させたりする方法や、危険が一番高い階の在館者から順次火災を知らせて時間差をつけ、一度に避難階段に人が集中しないようにする方法などがある。
避難出口や避難階段の容量がその建物内にいる人に対して十分にあり、滞留による過度の集中が起こらないようにチェックする方法が避難計算である。
通勤や集会施設などにおける群集の観察結果より、避難出口の幅1mあたり1秒間に1.5人が通過できるとされており、この1.5のことを流動係数という。居室からの避難計算の場合、居室にいる人の数を流動係数と居室の避難出口幅の合計で割れば、避難出口を全員が通過する時間が計算される。
避難出口幅として、1つの出口が火災により使えないとして計算する場合もあるが、これは避難出口を分散して配置する必要性を評価していることになる。
出口通過時間と出火室にいる人のうち出口から最も遠い位置にいる人が出口までに到達する時間とを比べ、長くかかる方を避難行動時間とする。
この避難行動時間とその居室の危険波及時間とを比べ、避難行動時間が危険波及時間を上回る場合には出口幅を増やして避難行動時間を短くする必要があることになる。危険波及時間は、一般的には、収納可燃物の燃焼により発生した煙によって居室内にいる人に影響が及ぶまでの時間とする。可燃の内装材を用いている場合にはその発熱による影響を含めて危険波及時間を算出する必要がある。
なお、過度に人が出口に集中すること自体を直接避けるために、出口に滞留する人数が一定の値を超えないように出口幅を設計する方法もある。
3.4 避難施設(Means of Escape)
出火室や出火階からの避難、建物全体からの避難を行うための手段として、居室の避難出口、廊下、階段、バルコニーなどの避難施設は計画される。避難施設は、建物の形態や規模から考えられる在館者の避難行動の展開のなかで、火煙による在館者への影響がないように設計されておく必要がある。
建物の規模が小さく単純な場合、火災が発生したことに気付きやすく、また、地上の安全な避難場所まで、在館者が避難するのに要する時間も短いので、避難経路となる廊下、階段には火煙への特別な防護策は通常求められない。しかし、建物の規模が大きくなると在館者の数が多くなり、また、在館者のいる位置から安全な避難場所までの距離が長くなり避難が困難となる。そこで、区画や煙制御によって火煙から影響の受けない空間を建築物の中に設定し、そこに逃げ込めば安全が確保されるようにする。
火煙による影響を受けないように防火区画によって防護された空間をつくり、その内部で地上への移動を可能としたものが避難階段である。これに附室をつけて煙制御するとさらに安全度が高まる。また、居室から避難階段に至る廊下に遮煙性のある安全区画を設定し、煙制御をによって廊下の避難経路としての安全性を高める手段がとられることもある。
煙制御のための排煙設備や防火区画を構成する防火戸などが故障してうまく機能しないことも有り得る。そこで、煙が在館者に迫った状況での避難も考慮して、避難経路となる廊下や避難階段を計画することになる。これは、火災安全対策のフェイルセーフとして冗長性を持たせることになる。
煙が在館者に迫る状況としては、火災発生箇所と遮煙されていない空間で煙が次第に濃くなるケース、非火災室の在館者が火災に気付くのが遅れ、気付いた時には廊下が既に煙に汚染されているケース、避難を開始して廊下で濃い煙に遭遇するケースなどがある。
これらの煙が迫った状況になると、煙の濃度に応じて見透かし距離が低下し、歩行が困難となるとともに、動揺して効果的な対応行動をとれない心理パニックの状態に陥ることがある。また、煙の中での避難を行う際、経路選択の特性として、もときた道をたどる回帰性、日頃から慣れている経路をたどる日常志向性、明るく開かれた方向に向かう向光性、突き当たりまで向かう直進性などがある。
以上のような状況に対処するため、二方向避難が可能なように避難施設を配置したり、バルコニーや避難タラップなどの特殊な避難施設が設けられる。また、避難施設のフールプルーフとして、非常照明装置や避難誘導灯などを設置したり、廊下や階段の配置については、明快性があり、在館者の行動特性に合致するような計画とする。
参考文献
消防科学総合センター:地域防災データ総覧、地域避難編、1987年.
警視庁警備心理学研究会:新潟地震に関する調査研究-地震発生時における人間行動の心理学的研究-、1965年6月.
警視庁警備心理学研究会:えびの、十勝沖地震に関する調査研究-地震発生時における人間行動の心理学的研究(2)-、1968年8月.
科学技術庁:「伊豆大島近海地震」時の松崎町住民調査、1978年.
日本建築学会東北支部:'78宮城県沖地震災害の実態-住民等の対応および被害の実態調査報告、1979年6月.
東京大学新聞研究所:1982年浦河沖地震と住民の対応、1982年11月.
北浦かほる:室内被害の傾向と地震対策のとらえ方、地震時におけるインテリアの安全設計の普及に向けて、関西インテリアプランナー協会、1997年.
室崎益輝:震災時における市民行動、阪神・淡路大震災(神戸市域)における消防活動の記録、神戸市消防局編、1995年3月.
神戸市消防局:地震発生!そのとき市民は?<兵庫県南部地震にかかる市民行動調査結果>、1995年4月.
日本火災学会編:1995年兵庫県南部地震における火災に関する調査報告書、1996年.
新建築学大系編集委員会:新建築学大系12 建築安全論、彰国社、1983年.
室崎益輝:現代建築学 建築防災・安全、鹿島出版会、1993年.
室崎益輝:ビル火災、大月書店、1982年.
岡田光正:火災安全学入門-ビル・ホテル・デパートの事例から学ぶ-、学芸出版社、1985年.
長谷見雄二:火事場のサイエンス、井上書院、1988年.
田中哮義:建築火災安全工学入門、日本建築センター、1993年.
堀内三郎監修:新版建築防火、朝倉書店、1994年.
林春男:火災時の人間心理、火災便覧第3版、日本火災学会編、共立出版、1997年.
神忠久:火災と人間行動、火災便覧第3版、日本火災学会編、共立出版、1997年.
小林正美:建築空間における火災時の人間行動-人は何時避難できるのか?、建築防災、1991年4月.
長谷見雄二:建物火災と材料の燃焼性状評価、建築防災、1996年10月.
北後明彦:避難計画と避難計算について、建築防災、日本建築防災協会、1997年4月.
建設省南砂町高層住宅火災調査委員会:南砂町高層住宅火災調査報告書、1990年3月.