地鐵站公共區(qū)排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉 鈞

(株洲市消防支隊(duì)，湖南 株洲 412000)

地鐵站公共區(qū)排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉 鈞

(株洲市消防支隊(duì)，湖南 株洲 412000)

結(jié)合地鐵站公共區(qū)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，認(rèn)為可將鏤空吊頂空間作為儲(chǔ)煙倉(cāng)設(shè)計(jì)，同時(shí)研究了不同吊頂鏤空率下的蓄煙效果和吊頂內(nèi)排煙管道上排煙口不同設(shè)置情況下的排煙效果。研究結(jié)果表明：當(dāng)?shù)蹴旂U空面積不小于吊頂面積的25%時(shí)，吊頂空間能夠達(dá)到較為理想的蓄煙效果；當(dāng)?shù)蹴攦?nèi)排煙管道上的排煙口開設(shè)在排煙管道上方時(shí)其排煙效果最好。

地鐵站公共區(qū)；排煙設(shè)計(jì)；吊頂空間；鏤空率；排煙效果

0 引言

地鐵作為一種現(xiàn)代化的交通工具，由于高速、準(zhǔn)點(diǎn)、便捷、充分利用城市地下空間等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為城市主要公共交通工具之一。1863年，倫敦建成世界上第一條線路“大都會(huì)地區(qū)地鐵”，至今全球陸續(xù)已有100多座城市建成地鐵[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各大城市都在競(jìng)相發(fā)展地鐵交通，目前，已有北京、天津、上海、廣州、南京、西安、武漢、杭州、長(zhǎng)沙等10余個(gè)城市的軌道交通線路投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。地鐵的發(fā)展在為人類生活帶來方便的同時(shí)，也衍生出一些嚴(yán)重的安全事故，而在這些事故中，火災(zāi)事故發(fā)生的頻率較高[2]，且一旦發(fā)生地鐵火災(zāi)則極有可能造成嚴(yán)重的人員傷亡。

為充分利用城市空間，城市軌道交通車站一般建立在地下，由于地下空間較為封閉，人流密集，疏散條件也有限，因而一旦發(fā)生火災(zāi)，若煙氣不能被及時(shí)控制在一定范圍內(nèi)并及時(shí)排除，就容易造成慘痛的傷亡結(jié)果。國(guó)內(nèi)外研究統(tǒng)計(jì)表明，在火災(zāi)事故中真正被燒死的人員比例很低，而由于煙氣影響死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的80%以上[3]，因此地下車站如何控制火災(zāi)煙氣并有效排除顯得尤為重要。

許多學(xué)者專家都對(duì)地鐵站的防排煙進(jìn)行了相應(yīng)的研究，這些研究主要集中于防煙分區(qū)劃分、防排煙模式、不同區(qū)域火災(zāi)排煙設(shè)計(jì)等方面[4-7]，未見結(jié)合地鐵站公共區(qū)域建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)出發(fā)的防排煙設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究。由于地鐵車站管線眾多，一般采用吊頂形式設(shè)置在屋頂上方，而火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖彩窍壬仙轿蓓敽笤傧蛳鲁两?，因此，地鐵車站公共區(qū)可以充分利用這一特點(diǎn)進(jìn)行排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文主要結(jié)合地鐵站公共區(qū)吊頂設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從儲(chǔ)煙倉(cāng)設(shè)計(jì)、吊頂鏤空率、排煙口設(shè)計(jì)三方面提出相應(yīng)的排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以期取得良好的排煙功效，為地鐵站的防排煙設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

1 儲(chǔ)煙倉(cāng)設(shè)計(jì)

地鐵站設(shè)計(jì)中，需要布置大量的管道、電線、電纜等設(shè)備，通常在公共區(qū)頂部設(shè)置吊頂，各種管道、電氣線纜設(shè)置在吊頂中。一般的吊頂空間都在0.5～1.5 m之間，且地鐵站公共區(qū)面積較大，其吊頂空間也相對(duì)較大，因此，可以將地鐵站公共區(qū)頂部吊頂設(shè)置為鏤空形式，按照地鐵站公共防煙分區(qū)的劃分方法，將吊頂空間劃分不同的防煙分區(qū)(可以采用向下凸出的梁作為擋煙垂壁)，各防煙分區(qū)即為相應(yīng)的儲(chǔ)煙倉(cāng)。在利用向下凸出的梁擋煙的同時(shí)，還可以在梁的下方安裝固定擋煙垂壁，垂壁從梁底一直向下延伸至吊頂，如圖1所示。如此設(shè)計(jì)可將煙氣最大限度控制在著火區(qū)域頂部空間，避免其大范圍蔓延，并通過排煙系統(tǒng)及時(shí)排出室外，減小火災(zāi)對(duì)地鐵站公共區(qū)的影響，為人員疏散及消防隊(duì)救援創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境。

圖1 擋煙垂壁安裝示意圖

2 吊頂鏤空率研究

2.1 模型設(shè)計(jì)

本研究采用FDS數(shù)值模擬軟件，整體模型尺寸為82 m×36 m×8 m，建筑吊頂空間為6.5～8.0 m，采用均勻網(wǎng)格尺寸法，網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，火源功率2.0 MW。選擇五種不同鏤空率進(jìn)行數(shù)值模擬研究，即站廳公共區(qū)吊頂鏤空面積分別為吊頂面積的10%、20%、25%、30%和40%，對(duì)應(yīng)吊頂鏤空面積為295.2 m2、590.4 m2、738 m2、885.6 m2、1 180.8 m2，其數(shù)值模擬模型如圖2所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 吊頂空間內(nèi)煙粒子濃度變化

以相同火源功率下吊頂空間內(nèi)的煙粒子濃度作為對(duì)比參數(shù)，煙粒子濃度越高，則蓄煙效果越好，設(shè)計(jì)越合理，煙粒子濃度隨時(shí)間變化情況如圖3所示。由圖3可以看出，公共區(qū)吊頂鏤空率從10%增大到20%時(shí)蓄煙速度變化最快，從20%增大到25%時(shí)蓄煙速度變化相對(duì)較小，吊頂鏤空率達(dá)到25%以后再增加時(shí)，其蓄煙速度變化非常小，故臨界鏤空率為25%左右，即至少應(yīng)設(shè)置占吊頂面積25%的鏤空面積才能達(dá)到較好的蓄煙效果。

圖2 鏤空吊頂FDS數(shù)值模擬模型

圖3 不同鏤空率下吊頂內(nèi)煙粒子濃度隨時(shí)間變化曲線

2.2.2 吊頂空間內(nèi)溫度變化

由圖4可以看出，鏤空率越大，頂棚處的溫度越高，煙氣聚集量大，說明蓄煙效果越好；距離頂棚高度降低時(shí)，溫度整體呈階梯形下降趨勢(shì)。這主要是受煙氣層分層的影響，且隨著高度的降低，不同鏤空率下溫度差距逐漸縮小，當(dāng)高度下降到距離頂棚1.3 m處時(shí)，吊頂鏤空率大于20%時(shí)各種情況下的溫度很接近，但與吊頂鏤空率10%時(shí)的溫度相差較為明顯。因此，從溫度變化可以得出，吊頂鏤空率大于20%時(shí)的蓄煙效果較好。

圖4 不同鏤空率下吊頂內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線

綜合吊頂空間內(nèi)煙粒子濃度及溫度變化規(guī)律分析得出，為了達(dá)到較為理想的蓄煙效果，地鐵站吊頂空間的鏤空率不應(yīng)小于25%。

3 吊頂內(nèi)排煙口設(shè)置

對(duì)于排煙管道上排煙口的設(shè)置，可以視其吊頂形式有不同的選擇。對(duì)于設(shè)置封閉吊頂?shù)目臻g，設(shè)置在頂棚的排煙口只能在吊頂上開設(shè)，因此排煙口只有從排煙管道下壁面引出的面向地面的向下排煙口這一種設(shè)置方式。若采用開口較大的鏤空吊頂形式，則排煙口除面向地面設(shè)計(jì)外，還可以選擇采用從排煙管道上壁面引出的面向頂棚的向上排煙口或者從排煙管道側(cè)壁引出的側(cè)向排煙口。為了及時(shí)排煙和更好地控制室內(nèi)煙氣，本文采用數(shù)值模擬方法分別研究了三種不同排煙口設(shè)計(jì)下的煙氣控制效果。

采用鏤空率為25%時(shí)的模型作為數(shù)值模擬基礎(chǔ)，模擬了在火源功率、機(jī)械排煙量等其他條件均相同的情況下的煙氣層高度、能見度及煙氣溫度，綜合分析不同排煙口布置情況下的排煙效果。

3.1 煙氣層高度及能見度

煙氣層及能見度的模擬結(jié)果見圖5～圖7。

由圖5、圖6、圖7能見度云圖可以看出，排煙口開設(shè)在排煙管道上部、側(cè)面及下部時(shí)，煙氣層分別維持在6 m、5.5 m及5 m以上；從能見度等值線可以看出，排煙口位于上部、側(cè)面及下部，其最低能見度分別為6 m、4 m及4 m，但是排煙口位于側(cè)面時(shí)火源附近豎向最低能見度比位于下部時(shí)位置要高。綜上所述可知，在以上三種不同情況下，排煙口位于排煙管道上部時(shí)排煙效果最好，位于側(cè)面時(shí)次之，位于下部時(shí)排煙效果最差。

3.2 煙氣層溫度

排煙口從排煙管道不同壁面引出時(shí)，吊頂空間內(nèi)的溫度變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，排煙口布置在排煙管道上壁面時(shí)，吊頂空間內(nèi)的溫度最低；布置在排煙管道側(cè)壁面時(shí)的溫度次之；布置在排煙管道下壁面時(shí)的溫度最高。溫度反映了頂棚下方的煙氣聚集情況，也說明了不同情況下的排煙效果，溫度越低，煙氣聚集越少，說明排煙效果越好。因此，排煙口布置在排煙管道上壁面時(shí)的排煙效果最好，布置在排煙管道側(cè)壁面時(shí)的排煙效果次之，布置在排煙管道下壁面時(shí)的排煙效果最差。

圖5 排煙口位于排煙管道上部

圖6 排煙口位于排煙管道側(cè)面

圖7 排煙口位于排煙管道下部

通過對(duì)吊頂空間內(nèi)煙氣層高度、能見度及溫度變化規(guī)律分析得出，排煙口的設(shè)計(jì)對(duì)于控?zé)熜Ч兄^大的影響，排煙口位于排煙管道上部時(shí)的控?zé)熜Ч詈?，位于排煙管道?cè)向控?zé)熜Ч沃?，且兩者均?yōu)于位于排煙管道下部的控?zé)熜ЧＲ虼?，建議地鐵站公共區(qū)吊頂內(nèi)排煙管道的排煙口選擇從排煙管道上壁面引出的向上排煙口這一形式，以達(dá)到最佳的排煙效果。

圖8 排煙口布置形式對(duì)排煙效果的影響

4 結(jié)論

本文結(jié)合地鐵站公共區(qū)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將公共區(qū)吊頂設(shè)計(jì)與排煙設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出了將吊頂空間作為一種儲(chǔ)煙倉(cāng)，將吊頂全封閉式改為鏤空式，進(jìn)而研究得出要達(dá)到較為理想的蓄煙效果，吊頂鏤空率不應(yīng)小于吊頂面積的25%。對(duì)于吊頂內(nèi)排煙管道上的排煙口設(shè)置方式也做了相應(yīng)的研究，研究結(jié)果表明排

煙口開設(shè)在排煙管道上部排煙效果最為理想。

[1] 梁亞婷.地鐵火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究[D].西安:西安科技大學(xué),2012.

[2] 田娟榮.地鐵火災(zāi)人員疏散的行為研究及危險(xiǎn)性分析[D].廣州:廣州大學(xué),2006.

[3] 霍然,胡源,李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009:86.

[4] 吳煒,彭金龍.地鐵地下車站公共區(qū)防排煙設(shè)計(jì)相關(guān)探討[J].都市快軌交通,2011,24(1):94-97.

[5] 趙明橋,彭立敏,彭錦志,等.地鐵車站火災(zāi)煙氣分區(qū)控制試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,8(1):91-96.

[6] 高俊霞,史聰靈,鐘茂華.深埋地鐵防排煙設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2006,2(6):39-44.

[7] 盛業(yè)華,魏進(jìn)文,吳文輝,等.基于空氣幕和排煙系統(tǒng)的地鐵車站煙氣控制[J].城市軌道交通研究,2014,(10):66-70.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

On the Optimal Design of Smoke Exhausting for the Public Zone of a Metro Station

LIU Jun

(ZhuzhouMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince412000,China)

Based on the design characteristics of the metro station public zone, this paper suggests that the ceiling cavity can be used as the storage warehouse of smoke. The paper also makes a study of the in-smoking effects under the different hollow out rate of a ceiling cavity and the out-smoking effects under the different smoke vent settings of exhaust pipes in the ceiling cavity. The results show that when the hollow out rate is not less than 25%, the in-smoking effect was comparatively ideal, and when the smoke vent is located in the top of an exhaust pipe, the out-smoking effect is best.

the public zone of metro stations; smoke exhausting design; ceiling cavity; hollow out rate; smoke exhausting effect

2015-10-19

劉鈞(1969— )，男，湖南岳陽(yáng)人，高級(jí)工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2015)12-0044-04

●火災(zāi)預(yù)防