地鐵同站臺高架換乘車站火災(zāi)全尺寸實驗研究—(2)站廳火災(zāi)*

鐘茂華，劉 暢，田向亮，肖 衍，梅 棋，張 磊

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819； 3.北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068；4.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

0 引言

地鐵同站臺高架換乘車站的公共站廳一般位于地上一層，通過樓扶梯與兩換乘線路的站臺相連通，一旦站廳區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，煙氣容易受煙囪效應(yīng)影響向站臺層蔓延，因此站廳火災(zāi)防排煙措施的有效性對車站各防煙分區(qū)人員疏散安全具有重要影響。

目前針對地鐵站廳火災(zāi)安全的研究主要集中在采用頂部排煙的地下車站，研究方法主要包括數(shù)值模擬和模型實驗。袁建平等[1]通過FDS某大型地鐵換乘車站站廳的三維模型對機(jī)械排煙效果進(jìn)行模擬，結(jié)果表明采用站廳各防煙分區(qū)進(jìn)行排煙的模式能夠較好地控制煙氣擴(kuò)散及沉降；張亦昕等[2]對地鐵車站站廳不同吊頂裝修形式的火災(zāi)煙氣層沉降和溫度分布特征進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，重點分析了吊頂鏤空率對煙氣蓄積特性的影響；鐘茂華等[3]采用FDS構(gòu)建了某“T”形換乘車站的火災(zāi)數(shù)值計算模型，對換乘通道火災(zāi)時站廳不同防煙分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動模式的煙氣控制效果開展了研究，結(jié)果表明在此類車站站廳的防排煙設(shè)計中應(yīng)采用各防煙分區(qū)全排煙的通風(fēng)模式；Ji等[4]對地鐵車站狹長形空間內(nèi)火源附近煙氣最高溫度進(jìn)行了理論和實驗研究，并建立了頂棚最高溫度預(yù)測模型；顧正洪等[5]對站臺與站廳之間煙氣控制的臨界風(fēng)速開展了一系列數(shù)值模擬研究，并通過在廣州地鐵二號線中大站進(jìn)行現(xiàn)場火災(zāi)實驗對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證；鐘委等[6]采用Fluent軟件建立某雙層島式地鐵車站的三維計算模型，對機(jī)械排煙和活塞風(fēng)作用下站廳火災(zāi)煙氣分層現(xiàn)象和氣流組織模式進(jìn)行了研究；羅娜[7]對某中庭式地鐵換乘車站站廳火災(zāi)的通風(fēng)模式開展了模型實驗和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明采用站廳頂部天窗進(jìn)行自然排煙，地下二層和三層站臺進(jìn)行送風(fēng)的模式能夠有效地控制煙氣擴(kuò)散和沉降；吳振坤[8]采用數(shù)值模擬的方法分析了地鐵車站內(nèi)空氣幕射流速度和角度對煙氣控制效果的影響；羅燕萍等[9]以廣州地鐵三號線大塘站為例分析了火災(zāi)時屏蔽門開啟模式對站內(nèi)流場的影響；周志望等[10]對大跨度建筑空間自然排煙和機(jī)械排煙條件下的豎直溫度分布、煙氣層高度和排煙效率進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；高俊霞等[11]通過對某單線高架車站站廳火災(zāi)自然通風(fēng)條件下的煙氣擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了此類結(jié)構(gòu)車站站廳排煙優(yōu)化方案，并分析了擋煙垂壁高度和排煙口設(shè)置方式對火災(zāi)防排煙的影響；李炎峰[12]對換乘車站公共站廳的煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了煙氣溫度變化、蔓延時間和沉降過程。

本文通過開展同站臺高架換乘車站站廳的全尺寸火災(zāi)實驗，對不同火災(zāi)場景下的煙氣擴(kuò)散、沉降過程和疏散路徑的火災(zāi)危險性進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為此類車站站廳防排煙設(shè)計提供技術(shù)建議。

1 實驗概況

實驗所在站廳為兩換乘線路的公共站廳，位于地上一層，在東西方向長度為46 m，南北方向?qū)挾葹?6 m，南北兩側(cè)各采用兩部樓扶梯與地上二層的2個島式站臺相連通，樓扶梯入口處安裝有0.5 m高的擋煙垂壁，防止站廳發(fā)生火災(zāi)時煙氣向站臺防煙分區(qū)擴(kuò)散。站廳中部閘機(jī)同時承擔(dān)進(jìn)出站功能，南部和北部閘機(jī)承擔(dān)出站功能，站廳西端的南北側(cè)各設(shè)置一個寬7 m，高3 m的出入口。

站廳發(fā)生火災(zāi)時，現(xiàn)場人員需通過閘機(jī)疏散至出入口，現(xiàn)場全尺寸火災(zāi)實驗主要模擬部分疏散路徑關(guān)鍵節(jié)點被火災(zāi)封堵的情況，在站廳中部閘機(jī)、樓扶梯入口和安全出口附近設(shè)置起火點，根據(jù)現(xiàn)場裝修情況設(shè)置0.25～0.75 MW規(guī)模的火源。表1為實驗工況，站廳結(jié)構(gòu)及測試裝置布置平面圖見實驗設(shè)計[13]，圖1～3為3個火源位置處的實驗現(xiàn)場情況。

表1 站廳實驗工況

圖1 火源位置1處實驗過程Fig.1 Experimental scene at fire location 1

圖2 火源位置2處實驗過程Fig.2 Experimental scene at fire location 2

圖3 火源位置3處實驗過程Fig.3 Experimental scene at fire location 3

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 頂棚溫度

位置1所在區(qū)域的上部裝修形式采用柵欄式吊頂，煙氣可運動至吊頂上方的結(jié)構(gòu)頂板高度，圖4為柵欄式吊頂上方的頂棚溫度，該位置發(fā)生0.25～0.75 MW規(guī)模的火災(zāi)時頂棚最高溫度可達(dá)到40～60℃。圖5和圖6分別為位置2和3起火時北側(cè)封閉式吊頂下方溫度，由于該吊頂高度僅為3 m，位置2發(fā)生0.25～0.5 MW規(guī)模的火災(zāi)時頂棚最高溫度可達(dá)到50～75℃，高于位置1處的最高溫度；在與位置2相同的火災(zāi)規(guī)模下，位置3起火時頂棚最高溫度均低于位置1和位置2，由此可見不同起火位置造成的火災(zāi)危險性有所差異。

圖4 位置1起火時柵欄式吊頂上方的頂棚溫度Fig.4 Fence-type ceiling temperature of fire location 1

圖5 位置2起火時北側(cè)封閉式吊頂下方溫度Fig.5 Northern closed-type ceiling temperature of fire location 2

圖6 位置3起火時北側(cè)封閉式吊頂下方溫度Fig.6 Southern closed-type ceiling temperature of fire location 3

位置1起火時，由于站廳東側(cè)為封閉結(jié)構(gòu)，煙氣運動至該部位后開始蓄積并豎直沉降，導(dǎo)致該部位的頂棚溫度僅略低于火源附近溫度，而靠近西側(cè)出入口區(qū)域時溫度迅速降低。圖7為位置1起火時站廳出入口的自然風(fēng)風(fēng)速，該風(fēng)速處于較不穩(wěn)定的波動狀態(tài)，隨著火災(zāi)功率的增加，蔓延至出入口區(qū)域的煙氣溫度和濃度升高，在該區(qū)域形成的風(fēng)阻增大，因此圖7中1號出入口和2號出入口的風(fēng)速隨火災(zāi)規(guī)模的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，由于兩出入口貫通風(fēng)的形成，該區(qū)域大部分煙氣由1號出入口排出，導(dǎo)致站廳西側(cè)溫度比東側(cè)大幅降低，兩側(cè)煙氣溫度呈現(xiàn)圖4中的非對稱分布。位置2起火時，煙氣在封閉式吊頂下方形成頂棚射流，在站廳東側(cè)封閉端和樓扶梯入口的擋煙垂壁處蓄積，形成較高的煙氣溫度。在火源西側(cè)，由于火源距出入口距離較遠(yuǎn)，運動至該區(qū)域的煙氣溫度較低，形成的風(fēng)阻較小。圖8為兩出入口的自然風(fēng)風(fēng)速，在貫通風(fēng)的作用下大部分煙氣由1號出入口排出，因此圖5中出入口附近的溫度接近環(huán)境溫度。圖9為位置3起火過程中的自然風(fēng)風(fēng)速變化情況，與前兩個起火點不同，該位置起火時火源直接受到自然風(fēng)的影響。圖10為位置3起火時的煙氣運動情況，由2號出入口進(jìn)入站廳的自然風(fēng)導(dǎo)致火羽流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加了該區(qū)域煙氣運動的慣性力，一部分煙氣直接從1號出入口排出，導(dǎo)致火源區(qū)域和煙氣擴(kuò)散過程中的溫度均低于位置1和位置2，如圖6所示。

圖7 位置1起火時出入口氣流速度Fig.7 Flow velocity in exits during fire at location 1

圖8 位置2起火時出入口氣流速度Fig.8 Flow velocity in exits during fire at location 2

圖9 位置3起火時出入口氣流速度Fig.9 Flow velocity in exits during fire at location 3

圖10 自然風(fēng)作用下煙氣的運動情況Fig.10 Smoke diffusion with natural ventilation

2.2 煙氣分層及摻混作用

煙氣在水平擴(kuò)散過程中不斷卷吸下部空氣，形成密度不同的煙氣分層，在火災(zāi)環(huán)境中保持煙氣分層的穩(wěn)定性對于人員疏散至關(guān)重要。圖11為火源位置1發(fā)生0.5 MW規(guī)模火災(zāi)時柵欄式吊頂區(qū)域煙氣豎直分布情況，由于在靠近頂棚位置處通過對流換熱損失了部分能量，豎直方向煙氣最高溫度位于4.7 m高度，該區(qū)域煙氣分層作用較為明顯，在4.2 m以上高度為熱煙氣層，溫度為44～51℃；在3.2～4.2 m高度范圍內(nèi)為煙氣層與下部空氣層的過渡區(qū)域，豎直方向的溫度梯度最高；在3.2 m以下高度為空氣層，其小幅度的溫升一方面是受到上部熱煙氣層的輻射熱，另一方面為沉降至下部區(qū)域的少量低溫?zé)煔馑隆?/p>

圖11 位置1起火時柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度Fig.11 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 1

柵欄式吊頂上方的煙氣向站廳東西方向縱向擴(kuò)散的同時，也在站廳南北兩側(cè)的封閉式吊頂上方至建筑頂板之間的空間內(nèi)填充，因此運動至封閉式吊頂下方的煙氣經(jīng)過水平擴(kuò)散、填充及沉降，已有較多的空氣與其摻混。圖12為位置1起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，起火約1.5 min后煙氣沉降至站廳北側(cè)封閉式吊頂下方，該區(qū)域豎直方向的煙氣分層作用不明顯，從地面位置至吊頂高度的溫升均在1.5℃左右。圖13為南側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，由于自然風(fēng)風(fēng)向為由2號出入口至1號出入口，火災(zāi)初期站廳南側(cè)自然風(fēng)風(fēng)壓較大，由封閉式吊頂上方沉降的煙氣均向北部擴(kuò)散，隨著火勢的增加，起火約5 min后煙氣沉降至南側(cè)封閉式吊頂下方，與站廳北側(cè)類似，該區(qū)域豎直方向煙氣分層作用不明顯。圖14為位置1起火時站廳南側(cè)煙氣沉降的現(xiàn)場情景，說明擴(kuò)散至封閉式吊頂下方的煙氣已摻混大量的空氣并降至地面高度，該區(qū)域低溫?zé)煔馑鶎?dǎo)致的下部空間能見度降低將不利于人員安全疏散。

圖12 位置1起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.12 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 1

圖13 位置1起火時南側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.13 Smoke temperature of southern closed-type area during fire at location 1

圖14 位置1起火時站廳南側(cè)閘機(jī)附近煙氣摻混情況Fig.14 Smoke mixture near southern ticket gate during fire at location 1

位置2起火時，煙氣首先在封閉式吊頂下方擴(kuò)散，此時煙氣溫度較高且分層明顯，圖15為北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，在2.9 m高度處溫度最高，其次為2.6 m高度，在2.3 m高度以下區(qū)域的溫度較低。圖16為起火區(qū)域煙氣分層擴(kuò)散的現(xiàn)場情況，可見煙氣層與空氣層的邊界明顯，且高度在2.3 m以上。隨著煙氣運動至柵欄式吊頂區(qū)域，在浮力作用下開始在結(jié)構(gòu)頂板下方填充。圖17為中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度，該區(qū)域煙氣分層現(xiàn)象明顯，在3.7 m高度以上高度為熱煙氣層，溫度為31～33℃，在2.7～3.7 m高度范圍為煙氣層與下部空氣層的過渡區(qū)域，豎直方向的溫度梯度最高，在2.7 m以下高度為空氣層，受煙氣層熱輻射和少量煙氣沉降的影響，下層出現(xiàn)小幅度溫升且溫度集中在26～27.5℃。

圖15 位置2起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.15 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 2

圖16 位置2起火時站廳北部煙氣分層擴(kuò)散情況Fig.16 Smoke stratification in northern of station hall during fire at location 2

圖17 位置2起火時中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度Fig.17 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 2

由于受到兩出入口自然風(fēng)的影響，位置3起火時火源區(qū)域的煙氣在卷吸大量新鮮空氣的同時，一部分煙氣在慣性力的作用下從1號出入口運動至站外，另一部分在浮力作用下向站內(nèi)擴(kuò)散。圖18為北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，該區(qū)域位于火源下風(fēng)向，摻混大量空氣的煙氣運動至該區(qū)域時，與位置2起火相比，最高溫度由68℃降低至44℃，且在豎直方向煙氣分層不明顯，溫度梯度較為均勻，地面高度位置也出現(xiàn)了明顯的溫度升高。

圖18 位置3起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.18 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 3

與豎直溫度分布情況相一致，圖19為位置3起火時北側(cè)封閉式吊頂區(qū)域煙氣沉降情況，可見煙氣已沉降至地面高度，現(xiàn)場能見度較低。柵欄式吊頂區(qū)域位于位置3火源的上風(fēng)向。圖20為中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度，起火后約110 s后煙氣從封閉式吊頂蔓延至結(jié)構(gòu)頂板下方，該區(qū)域煙氣分層明顯，在3.7 m高度以上高度為熱煙氣層，溫度為31～33℃，在2.7～3.7 m高度范圍為煙氣層與下部空氣層的過渡區(qū)域，豎直方向的溫度梯度最高，在2.7 m以下高度為空氣層，受自然風(fēng)壓的影響，封閉式吊頂區(qū)域上部溫度較高的煙氣擴(kuò)散至上風(fēng)向柵欄式吊頂區(qū)域，下部摻混大量空氣的低溫?zé)煔獠蛔阋钥朔匀伙L(fēng)壓向上風(fēng)向擴(kuò)散。圖21為柵欄式吊頂區(qū)域煙氣擴(kuò)散情況，可見該區(qū)域下部無煙氣沉降。

圖19 位置3起火時站廳北部煙氣沉降情況Fig.19 Smoke descendant in northern of station hall during fire at location 3

圖20 位置3起火時中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度Fig.20 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 3

圖21 位置3起火時柵欄式吊頂區(qū)域煙氣擴(kuò)散情況Fig.21 Smoke spread in fence-type area during fire at location 3

2.3 危險高度煙氣溫度

在建筑火災(zāi)中，《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》[14]規(guī)定防排煙設(shè)計計算中的最小清晰高度應(yīng)按照Hq=1.6+0.1H進(jìn)行計算，其中Hq為最小清晰高度，也稱為危險高度(m)，H為排煙空間的建筑凈高度(m)，建筑空間內(nèi)的火災(zāi)排煙系統(tǒng)應(yīng)將煙氣控制在危險高度以上，才能確保不影響人員安全疏散，本文中柵欄式吊頂區(qū)域和封閉式吊頂區(qū)域的危險高度計算值分別為2.2 m和1.9 m。

圖22為站廳各區(qū)域危險高度的最高溫度，位置1起火時，在0.5 MW和0.75 MW規(guī)模的火災(zāi)情況下，柵欄式吊頂區(qū)域危險高度出現(xiàn)明顯的溫升，說明煙氣沉降至危險高度以下位置，煙氣最高溫度分別為30℃和31℃，在封閉式吊頂區(qū)域，北側(cè)溫升程度明顯高于南側(cè)，結(jié)合2.2中煙氣摻混及沉降情況的分析，進(jìn)一步說明站廳北側(cè)煙氣蓄積和沉降程度比南側(cè)嚴(yán)重。位置2起火時，在0.25 MW和0.5 MW的火災(zāi)規(guī)模下，火源區(qū)域北側(cè)封閉式吊頂下方沉降至危險高度的煙氣最高溫度為41℃和30℃，在柵欄式吊頂和站廳南側(cè)封閉式吊頂區(qū)域煙氣均未沉降至危險高度處。位置3發(fā)生火災(zāi)時，受站廳南側(cè)新鮮氣流與煙氣摻混的影響，未排出車站的煙氣主要蓄積在站廳北側(cè)并且沉降至危險高度下方，最高溫度分別為38℃和33℃，說明位置2和位置3起火時站廳北側(cè)樓扶梯入口和閘機(jī)區(qū)域均不利于人員疏散。

圖22 站廳各區(qū)域危險高度的最高溫度Fig.22 Maximum temperature in station hall at dangerous height

3 結(jié)論

1)站廳南北兩側(cè)對稱式出入口形成的貫通風(fēng)雖然能夠較好地控制出入口區(qū)域的火災(zāi)危險性，但由于難以對整個站廳空間形成充足的通風(fēng)換氣次數(shù)，造成站廳中部和東部區(qū)域煙氣蓄積嚴(yán)重，能見度降至較低水平，不利于人員疏散和應(yīng)急救援。

2)受裝修吊頂形式和通風(fēng)條件的影響，站廳不同位置火災(zāi)的危險性有所差異。中部柵欄式吊頂區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，兩側(cè)封閉式吊頂區(qū)域的煙氣沉降較為嚴(yán)重；站廳通往站臺的樓扶梯入口發(fā)生火災(zāi)時，站內(nèi)各區(qū)域能夠形成穩(wěn)定的煙氣層，人眼高度處的能見度較高；出入口附近發(fā)生火災(zāi)時，在自然風(fēng)風(fēng)壓較大的條件下，火源下風(fēng)向區(qū)域煙氣能夠沉降至地面，人眼高度能見度較低，火災(zāi)危險性較大，火源上風(fēng)向區(qū)域煙氣分層穩(wěn)定，下部空間煙氣沉降較少，在0.25～0.75 MW的火災(zāi)規(guī)模下，不同位置起火時沉降至各區(qū)域危險高度處的煙氣最高溫度為30～41℃。

3)針對此類結(jié)構(gòu)車站站廳的防排煙設(shè)計，應(yīng)綜合考慮出入口空間布局和吊頂形式對火災(zāi)危險性的影響，利用自然風(fēng)壓形成一定通風(fēng)換氣量的同時應(yīng)將摻混空氣的低溫?zé)煔饪刂圃谳^小區(qū)域內(nèi)，確保人員疏散路徑的能見度和煙氣濃度處于安全水平。

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