基于BIM的地鐵火災(zāi)屏蔽門開(kāi)啟方式研究

徐偉 趙喜祥

摘 要：? 利用BIM技術(shù)建立三維物理模型，模擬在2.5MW火源功率下的地鐵站臺(tái)中部火災(zāi)，探討三種通風(fēng)模式下，屏蔽門開(kāi)啟方式對(duì)煙氣在站臺(tái)層的蔓延、有毒氣體濃度、站臺(tái)溫度的影響.研究結(jié)果表明：在自然通風(fēng)模式下，選擇屏蔽門關(guān)閉最優(yōu);站臺(tái)主風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式，選擇屏蔽門全部關(guān)閉或全部打開(kāi)可以較好地控制站臺(tái)煙氣擴(kuò)散;在輔助風(fēng)機(jī)模式下，選擇屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟既可以滿足降低站臺(tái)溫度的要求，也可滿足CO體積分?jǐn)?shù)和能見(jiàn)度的分布要求.

關(guān)鍵詞： BIM技術(shù);火災(zāi)模擬;地鐵車站;屏蔽門開(kāi)啟方式

[中圖分類號(hào)]TP392?? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Research on Opening Mode of Subway Fire Screening Door Based on BIM

XU Wei， ZHAO Xi-xiang

（School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

Abstract： In this paper， a three-dimensional physical model is built using BIM technology to simulate the fire in the middle of a platform under a 2.5 MW fire source power. With the three ventilation modes， the method of opening the screen door to the flue gas at the platform layer， the concentration of toxic gases， The effect of station temperature. The results show that in the natural ventilation mode， the selection of the shielding door is optimal， the main fan of the platform is turned on， and the selection of the shielding door is completely closed or fully opened to better control the smoke diffusion at the platform. Selecting the single-side opening of the shielding door in the auxiliary fan mode can meet the requirements for reducing the platform temperature while satisfying the distribution requirements of CO volume fraction and visibility.

Key words： BIM technology; fire simulation; subway station; screen door opening method

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通以其環(huán)保、便捷等優(yōu)勢(shì)迅速獲得人們的青睞，發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛.目前國(guó)內(nèi)已有43座城市獲批建設(shè)軌道交通，投資額高達(dá)萬(wàn)億，每年投資額超過(guò)3 500億元.城市軌道交通由于其特殊的運(yùn)行環(huán)境和特點(diǎn)，火災(zāi)事故后果可怕.如1987年倫敦國(guó)王十字地鐵車站大火，2003年韓國(guó)大邱地鐵火災(zāi)，無(wú)不造成慘重傷亡.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵火災(zāi)的研究主要集中在以下方面：地鐵站火災(zāi)發(fā)生時(shí)控制通風(fēng)排煙模式、增加擋煙垂幕的高度以及地鐵樓扶梯的結(jié)構(gòu)傾斜角度等因素對(duì)車站內(nèi)煙氣流動(dòng)情況的影響.美國(guó)學(xué)者Teodosiu C L， Ilie V， Dumitru R G，對(duì)緊急情況下的列車火災(zāi)通風(fēng)效率進(jìn)行了研究，利用流體動(dòng)力學(xué)方法（CFD）建模，隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械通風(fēng)站和末端站風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一使用，處理火災(zāi)產(chǎn)生的熱量、CO和CO 2，得出靠近站臺(tái)附近的疏散過(guò)程不受高處空氣速度、高溫、CO或CO 2體積分?jǐn)?shù)的干擾.[1] 韓國(guó)學(xué)者Yoo， Ji-Oh;Kim， Doo-Young對(duì)平臺(tái)起火情況下，地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的CO氣體和煙氣流進(jìn)行了三維數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在緊急情況下，當(dāng)所有排煙系統(tǒng)都啟動(dòng)并且只打開(kāi)起火側(cè)屏蔽門時(shí)，檢測(cè)到煙氣流量傳播范圍減小.當(dāng)所有排煙系統(tǒng)都啟動(dòng)并且關(guān)閉起火側(cè)屏閉門時(shí)，沒(méi)有煙氣再循環(huán)，是疏散環(huán)境中最有效的通風(fēng)模式.[2]

國(guó)內(nèi)學(xué)者丁偉、史聰靈、鐘茂華等人運(yùn)用FDS軟件對(duì)地鐵站臺(tái)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析不同端門開(kāi)閉模式下，火災(zāi)煙氣的溫度、擴(kuò)散區(qū)域、沉降高度、在樓扶梯開(kāi)口處的流速及可用安全疏散時(shí)間等特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)端門開(kāi)啟模式下，在站臺(tái)兩端區(qū)域及樓扶梯開(kāi)口處火災(zāi)煙氣均沉降至危險(xiǎn)高度，不利于人員安全疏散;端門開(kāi)啟模式使煙氣加速向站臺(tái)兩端縱向流動(dòng)，但不能及時(shí)排出，導(dǎo)致煙氣在站臺(tái)兩端區(qū)域加速混合與沉降.[3]周洋、林準(zhǔn)等人通過(guò)數(shù)值模擬模型對(duì)細(xì)水霧幕和排煙系統(tǒng)作用下樓扶梯開(kāi)口處的擋煙效果進(jìn)行了模擬研究，提出當(dāng)僅設(shè)置擋煙垂壁時(shí)，擋煙垂壁有一定的蓄煙作用，但仍有大量煙氣通過(guò)樓扶梯開(kāi)口從站臺(tái)層蔓延至站廳層;設(shè)置細(xì)水霧幕可在一定程度上阻止煙氣通過(guò)樓扶梯開(kāi)口從站臺(tái)層蔓延至站廳層，有效降低煙氣溫度.[4]于濱對(duì)國(guó)內(nèi)目前消防安全問(wèn)題現(xiàn)狀分析后，提出了對(duì)高層建筑火災(zāi)獨(dú)特見(jiàn)解.[5]周鳳、楊輝等人提出了一套基于嵌入式平臺(tái)、結(jié)合了數(shù)字圖像處理技術(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)火災(zāi)的實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng).[6]

筆者利用Revit建立物理模型，通過(guò)PYROSIM將其轉(zhuǎn)化為地鐵火災(zāi)模型，研究地鐵站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在不同通風(fēng)模式下，屏蔽門開(kāi)啟方式對(duì)火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散規(guī)律、氣流組織以及站臺(tái)溫度場(chǎng)的影響.

1 地鐵車站數(shù)值模擬

1.1 物理模型的建立

研究選取黑龍江省哈爾濱市學(xué)府路站為實(shí)例模型.該站位于哈爾濱市道里區(qū)學(xué)府路和西大直街交叉口，為地下二層11 m島式站臺(tái).車站總長(zhǎng)180 m，標(biāo)準(zhǔn)段20.1 m，車站共設(shè)4個(gè)出入口，兩組風(fēng)亭.通過(guò)CAD圖紙建立BIM三維物理模型，再合理簡(jiǎn)化模型，最后以DXF格式導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)與

Pyrosim的數(shù)據(jù)對(duì)接，進(jìn)而完成火災(zāi)模型的建立.車站的物理模型和火災(zāi)模型如圖1所示.

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景的模擬

研究目的為三種通風(fēng)模式下屏蔽門不同開(kāi)啟方式的排煙效果，比較不同通風(fēng)模式下，保證人員逆風(fēng)流方向撤離的同時(shí)，達(dá)到最好的煙氣控制效果.詳見(jiàn)表1.

1.3 邊界條件和參數(shù)設(shè)置

（1）本文遵循最不利保守原則，選取火源功率為5 MW，火勢(shì)按t2快速火發(fā)展.

（2）根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中的6 min撤離，模擬時(shí)間設(shè)為360 s.[7]

（3）火災(zāi)模型的網(wǎng)格劃分為0.5*0.5*0.5，總網(wǎng)格數(shù)為57 120個(gè)，在單臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬時(shí)間約為5 h.

（4）根據(jù)防火規(guī)范中防煙分區(qū)要具有1 m3/min以上的排煙能力，本文防煙分區(qū)的面積為1 418 m2，根據(jù)排煙口的截面尺寸，計(jì)算主風(fēng)機(jī)排煙速度約為2.9 m/s，輔助風(fēng)機(jī)排煙速度為2 m/s.

2 模擬結(jié)果分析

在站臺(tái)中心發(fā)生火災(zāi)工況下，選定主風(fēng)機(jī)排煙、隧道輔助風(fēng)機(jī)一推一拉進(jìn)行排煙、自然排煙三種模式，分析火源位置附近溫度場(chǎng)、扶梯口速度場(chǎng)、能見(jiàn)度及CO體積分?jǐn)?shù)變化等特征參數(shù)，研究屏蔽門不同的開(kāi)啟方式對(duì)排煙效果的影響，以延緩煙氣擴(kuò)散，增加人員逃生時(shí)間，得出合適的屏蔽門開(kāi)啟方式.

2.1 站臺(tái)溫度場(chǎng)分析

在火源位置±20 m、高1.8 m處設(shè)置多處熱電偶，監(jiān)測(cè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)站臺(tái)溫度場(chǎng)的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2.

自然排煙模式下，屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，站臺(tái)溫度在火災(zāi)初期上升迅速，在150 s時(shí)達(dá)到約53 ℃.開(kāi)啟單側(cè)屏蔽門后，火災(zāi)初期站臺(tái)溫度的上升有所下降，但到達(dá)火災(zāi)穩(wěn)定階段溫度一直維持在55 ℃左右，如圖2（a）所示.結(jié)果表明，在自然排風(fēng)模式下，開(kāi)啟單側(cè)屏蔽門對(duì)站臺(tái)溫度的降低效果并不明顯.屏蔽門全部開(kāi)啟時(shí)，由于站臺(tái)兩側(cè)活塞風(fēng)產(chǎn)生對(duì)流風(fēng)速加快，站臺(tái)溫度在火災(zāi)初期上升至35 ℃后，不再繼續(xù)上升，排熱效果較好.屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟溫度較全部開(kāi)啟升高27%，較屏蔽門全部關(guān)閉溫度升高4%.

開(kāi)啟主風(fēng)機(jī)排煙模式下，三種屏蔽門開(kāi)啟方式對(duì)站臺(tái)溫度影響變化不大，單側(cè)屏蔽門開(kāi)啟站臺(tái)溫度上升最快，最終維持45 ℃左右不再上升.屏蔽門全部開(kāi)啟和全部關(guān)閉情況下，站臺(tái)溫度上升至35 ℃后不再上升.如圖2（b）所示.屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟較屏蔽門全部開(kāi)啟站臺(tái)溫度升高9%，較屏蔽門全部關(guān)閉溫度升高4%.在開(kāi)啟主風(fēng)機(jī)排煙基礎(chǔ)上，增加隧道輔助風(fēng)機(jī)，采用一推一拉模式進(jìn)行排煙，三種屏蔽門開(kāi)啟方式對(duì)站臺(tái)火災(zāi)影響趨勢(shì)基本一致，最終站臺(tái)溫度維持在30～40℃.如圖2（c）所示.單側(cè)屏蔽門開(kāi)啟較兩側(cè)均開(kāi)啟溫度升高9%，較屏蔽門全部關(guān)閉溫度降低11%.

由此可知，在自然排煙模式下，開(kāi)啟兩側(cè)屏蔽門排熱效果最好;在主風(fēng)機(jī)模式下，不應(yīng)選擇打開(kāi)單側(cè)屏蔽門的方案;在輔助風(fēng)機(jī)也開(kāi)啟模式下，三種選擇排熱效果都滿足要求.具體選擇哪種方案，要兼顧其他參數(shù).

2.2 站臺(tái)能見(jiàn)度分析

在距離火源位置±2 m，±4 m，直到±20 m，高1.8 m處分別設(shè)置能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)當(dāng)站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)站臺(tái)的能見(jiàn)度，變化見(jiàn)圖3.

當(dāng)采用自然排煙模式時(shí)，屏蔽門全部開(kāi)啟和單側(cè)開(kāi)啟時(shí)的能見(jiàn)度分別為100 s和225 s;降低到10 m以下，屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)275 s時(shí)，才降低到10 m以下.見(jiàn)圖3（a），原因是屏蔽門的開(kāi)啟增加了站臺(tái)區(qū)域流場(chǎng)的速度，對(duì)熱量和煙氣產(chǎn)生了更快的稀釋作用，加快了煙氣的蔓延速度.在主風(fēng)機(jī)排煙模式和采取輔助風(fēng)機(jī)一推一拉模式下，屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟能見(jiàn)度集中在20～30 m，效果最好.屏蔽門全部開(kāi)啟時(shí)站臺(tái)能見(jiàn)度集中在10～25 m.見(jiàn)圖3（b）和圖3（c）.屏蔽門關(guān)閉時(shí)，站臺(tái)能見(jiàn)度在50 s左右已經(jīng)下降到10 m以下.故在輔助風(fēng)機(jī)排煙模式下，選擇屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟排煙效果最好.

2.3 CO體積分?jǐn)?shù)分析

在站臺(tái)高1.8 m處設(shè)置CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，輔助風(fēng)機(jī)一推一拉模式在屏蔽門全部開(kāi)啟情況下，360 s時(shí)，CO站臺(tái)左側(cè)體積分?jǐn)?shù)大于右側(cè)，一號(hào)扶梯處CO體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過(guò)人體極限，二號(hào)扶梯則可供安全逃生.在屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)，CO體積分?jǐn)?shù)在站臺(tái)左側(cè)較大，一號(hào)扶梯也已經(jīng)無(wú)法逃生，中心火源地帶CO體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)高達(dá)687 mg/m2. 在屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟時(shí)，站臺(tái)的CO體積分?jǐn)?shù)整體低于前兩種模式，但一號(hào)扶梯處CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)人體承受極限，只能從二號(hào)樓梯處逃生.

3 結(jié)論

本文研究了地鐵站臺(tái)火災(zāi)情況下，不同通風(fēng)模式屏蔽門的開(kāi)啟方式對(duì)站臺(tái)溫度場(chǎng)、能見(jiàn)度和有毒氣體體積分?jǐn)?shù)分布的影響，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

結(jié)論1 ??在自然通風(fēng)模式下，選擇屏蔽門關(guān)閉為最優(yōu);站臺(tái)主風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式，選擇屏蔽門全部關(guān)閉或全部打開(kāi)，均可以較好地控制站臺(tái)煙氣擴(kuò)散.在輔助風(fēng)機(jī)模式下，選擇屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟，既可以滿足降低站臺(tái)溫度的要求，也可以滿足CO體積分?jǐn)?shù)和能見(jiàn)度分布要求，為最合適的選擇.

結(jié)論2 ?在輔助風(fēng)機(jī)和站臺(tái)主風(fēng)機(jī)共同工作狀態(tài)，屏蔽門單側(cè)開(kāi)啟較屏蔽門全部關(guān)閉狀態(tài)站臺(tái)溫度下降11%，能見(jiàn)度提高85%，較屏蔽門全部開(kāi)啟溫度上升9%，能見(jiàn)度提高1.5%.

參考文獻(xiàn)

[1] ?Teodosiu C L， Ilie V， Dumitru R G， et al. Assessment of ventilation efficiency for emergency situations in subway systems by CFD modeling[J]. Building Simulation， 2016， 9（3）：319-334.

[2] ?Yoo， Ji-Oh; Kim， Doo-Young.A study on the optimal ventilation and smoke exhaust systems in case of fire in subway stations installed with PSD[J].Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association，2018， 20（2）：527-539.

[3] ?丁偉，史聰靈，鐘茂華，等.地鐵車站站臺(tái)火災(zāi)時(shí)端門開(kāi)啟模式研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，16（3）：75-79.

[4] ?周洋，林準(zhǔn)，張笑男，等.地鐵站細(xì)水霧幕擋煙效果的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（8）：75-80.

[5] ?于濱. 高層建筑消防安全存在的問(wèn)題及對(duì)策[J]. 牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2009（2）：79-80.

[6] ?周鳳， 楊輝， 王利. 火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J]. 牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2016（3）：26-28.

[7] ?GB 50157-2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.