地鐵車站火災(zāi)排煙模式仿真研究

成琳娜 徐華菁 張梓峰 劉? B

摘 要：基于對(duì)地鐵車站火災(zāi)產(chǎn)物影響的分析，以廣州地鐵 13 號(hào)線白江站為研究對(duì)象，使用PyroSim 軟件構(gòu)建地鐵車站火災(zāi)排煙模式仿真模型，對(duì)地鐵車站火災(zāi)煙氣擴(kuò)散特性、火災(zāi)產(chǎn)物發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，提出以加快煙氣消散速度、減緩溫度上升速度和增加能見(jiàn)度距離為優(yōu)化目標(biāo)的 6 種優(yōu)化方案，并進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明：當(dāng)火源位于站臺(tái)中部時(shí)，在站臺(tái)加設(shè)排風(fēng)機(jī)可有效提升火災(zāi)排煙效率，同時(shí)在部分區(qū)域設(shè)置有效高度的擋煙垂壁可對(duì)煙氣控制起到有效的輔助作用。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;火災(zāi)事故;排煙模式;仿真研究

中圖分類號(hào)：U298.4

1 研究背景

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，城市交通問(wèn)題日益嚴(yán)重，地鐵以其安全、快捷、舒適、能耗低等優(yōu)點(diǎn)成為改善交通結(jié)構(gòu)、解決交通擁堵難題的最佳方案。與此同時(shí)，地鐵的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)也帶來(lái)一些亟待解決的系統(tǒng)安全問(wèn)題，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在所調(diào)查的地鐵災(zāi)害事故中，火災(zāi)次數(shù)最多，約占30%[1]，其對(duì)人員的最大危害來(lái)源于煙氣影響，因此如何對(duì)火災(zāi)煙氣進(jìn)行有效控制是值得深入研究的課題，對(duì)于提升地鐵系統(tǒng)安全性和可靠性具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究火災(zāi)控制問(wèn)題時(shí)主要使用實(shí)地實(shí)驗(yàn)和軟件仿真等方法。文獻(xiàn)[2]對(duì)深圳地鐵1號(hào)線崗廈站進(jìn)行了熱煙實(shí)驗(yàn)，分析開(kāi)啟隧道風(fēng)機(jī)對(duì)站臺(tái)排煙的作用，得到煙氣流動(dòng)特性;文獻(xiàn)[3]利用冷煙、小木垛及煙餅進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，模擬3種工況下防煙分區(qū)的劃分效果及排煙功能，提出改進(jìn)排煙系統(tǒng)的措施;文獻(xiàn)[4]對(duì)某地鐵站進(jìn)行實(shí)體火災(zāi)煙氣實(shí)驗(yàn)，對(duì)該地鐵站的防災(zāi)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試;文獻(xiàn)[5-7]分別建立不同縮尺的車站模型，分析火災(zāi)過(guò)程中車站內(nèi)的氣流情況、煙氣蔓延過(guò)程以及向鄰近空間的蔓延特點(diǎn)，以探究煙氣的蔓延及控制規(guī)律;文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了一個(gè)地下狹長(zhǎng)受限空間的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用柴油和汽油進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，得到這2種燃料的熱釋放速率和煙氣溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于火災(zāi)控制的研究已取得一定成果，但針對(duì)地鐵車站火災(zāi)煙氣控制方法比選的研究仍有不足。因此本文以廣州地鐵13號(hào)線白江站為研究背景，利用PyroSim軟件構(gòu)建仿真模型，分析地鐵站火災(zāi)煙氣控制現(xiàn)狀，針對(duì)不同影響因素，提出6種煙氣控制方案，通過(guò)仿真對(duì)比研究各方案的有效性。

2 火災(zāi)產(chǎn)物影響

地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，所產(chǎn)生的煙氣、高溫、熱輻射、對(duì)流熱、毒性等會(huì)嚴(yán)重威脅人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全[9]。人體可承受的溫度界限值如表1所示，現(xiàn)有研究表明，人體處于50℃高溫中時(shí)，血壓會(huì)急劇下降，循環(huán)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)衰竭;吸入超過(guò)70℃的氣體時(shí)，會(huì)灼傷氣管和支氣管的內(nèi)黏膜，令毛細(xì)血管破裂、組織壞死，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞腦神經(jīng)中樞;人接觸煙氣的溫度不應(yīng)超過(guò)65℃，否則將難以存活[10]。因此本文將65℃定義為可安全疏散的參考溫度值。

人體可承受的能見(jiàn)度界限值如表2所示?，F(xiàn)有研究表明，建筑材料燃燒除了會(huì)產(chǎn)生有毒氣體之外，還會(huì)產(chǎn)生一些固體顆粒，這些顆粒會(huì)隨著氣流向四周擴(kuò)散，吸收光、散射光，降低火場(chǎng)的能見(jiàn)度，從而對(duì)人員判斷位置及尋找逃生路線十分不利，降低逃生的速度。此外，能見(jiàn)度的降低容易令人們陷入慌亂、不安與恐怖的情緒，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的混亂及踩踏事件的發(fā)生[11]。中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所規(guī)定：火災(zāi)中安全區(qū)域的能見(jiàn)度不能低于10m[12]，因此，本文將能見(jiàn)度10m作為可安全疏散的參考值。

3 構(gòu)建地鐵車站火災(zāi)排煙仿真模型

3.1 地鐵車站空間結(jié)構(gòu)仿真環(huán)境

本文以廣州地鐵13號(hào)線白江站為研究背景，該車站是一個(gè)雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，車站尺寸如表3所示。站廳層有4個(gè)通往地面的出入口，對(duì)稱分布于車站兩側(cè)，每個(gè)出入口寬6.5m，站廳層設(shè)計(jì)如圖1所示。站臺(tái)層與站廳層之間由2對(duì)雙向自動(dòng)扶梯、1個(gè)單向自動(dòng)扶梯、1個(gè)電梯、4個(gè)樓梯相連接，其中2個(gè)樓梯位于非公共區(qū)，樓梯與扶梯的水平開(kāi)口長(zhǎng)度從左到右依次為11.75 m、17 m、17 m、11.75 m，寬度依次為4.6 m、4.95 m、6.2 m、4.8 m，站臺(tái)層設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

（1）車站建筑材料。該仿真模型所運(yùn)用的材料及其厚度如表4所示。

（2）建立反應(yīng)邊界。根據(jù)仿真需要，建立長(zhǎng)×寬×

高分別為24m×15m×8m、21m×145m×8m、39m×

63m×8m、57m×223m×5m的4組網(wǎng)格，每組網(wǎng)格內(nèi)部由若干個(gè)邊長(zhǎng)為1m的單元格組成，坐標(biāo)如表5所示。

（3）設(shè)置排煙通風(fēng)設(shè)備及消防滅火設(shè)備。參照白江站管線圖設(shè)置風(fēng)機(jī)和噴水裝置，將風(fēng)機(jī)排煙功率設(shè)定為8 m3 / s，并開(kāi)啟排煙模式。

（4） 設(shè)置探測(cè)設(shè)備。本文選取火災(zāi)煙氣影響下的溫度和能見(jiàn)度變化值作為探測(cè)要素，根據(jù)人員在煙氣中活動(dòng)所受影響，將探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在離地面1.5 m處，分別在站廳層和站臺(tái)層每隔10 m設(shè)置1個(gè)探測(cè)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào)，站臺(tái)層為負(fù)數(shù)序號(hào)，站廳層為正數(shù)序號(hào)。

綜上所述，得到地鐵站火災(zāi)煙氣仿真環(huán)境如圖3所示。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)地鐵站內(nèi)進(jìn)站客流和出站客流的流線變化，將火源位置設(shè)置在站臺(tái)中部，并從設(shè)置的所有探測(cè)點(diǎn)中選擇客流路徑上火勢(shì)強(qiáng)、易擁堵的7個(gè)探測(cè)點(diǎn)位置，其中站廳層3個(gè)、站臺(tái)層4個(gè)，探測(cè)點(diǎn)序號(hào)分別為：10、12、07、014、-7、-9、-011，所選探測(cè)點(diǎn)位置分布如表6所示。

4.1 煙氣擴(kuò)散過(guò)程

根據(jù)仿真結(jié)果動(dòng)態(tài)展示可知，火災(zāi)發(fā)生在站臺(tái)中部時(shí)，火源上方的空氣受熱后形成高溫?zé)煔?，且熱煙氣溫度高于周圍環(huán)境溫度，受到熱浮力的作用向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷吸卷周圍的新鮮空氣，從而形成煙氣羽流。煙氣撞擊頂棚后會(huì)形成頂棚射流，在火源兩側(cè)沿著頂棚向遠(yuǎn)離火源的方向蔓延。部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)及其煙氣擴(kuò)散狀態(tài)如表7所示。

4.2 溫度變化過(guò)程

進(jìn)行不同探測(cè)點(diǎn)位置的溫度變化對(duì)比分析，得到各探測(cè)點(diǎn)位置溫度變化如圖4所示：起火50s內(nèi)，探測(cè)點(diǎn)-011的溫度值已超過(guò)安全參考值，此探測(cè)點(diǎn)位于火源半徑5 m內(nèi)的樓梯附近，因此，起火后50 s內(nèi)將有一處樓梯不能被用于逃生;起火后150 s，探測(cè)點(diǎn)10的溫度值超過(guò)安全參考值，該點(diǎn)位于站廳層的樓梯出口通往站臺(tái)層樓梯的通道上，人員通過(guò)這2個(gè)樓梯時(shí)將面臨生命危險(xiǎn)，因此，站臺(tái)層的人員必須在150 s內(nèi)離開(kāi);起火后200 s，探測(cè)點(diǎn)07的溫度值超過(guò)安全參考值，站廳層付費(fèi)區(qū)內(nèi)的人員將很難通過(guò)此處的閘機(jī)離開(kāi)至站外;起火后360 s，站臺(tái)層樓梯的溫度值超過(guò)安全參考值，至此所有的公共區(qū)內(nèi)樓梯均處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

4.3 能見(jiàn)度變化過(guò)程

進(jìn)行不同探測(cè)點(diǎn)位置的能見(jiàn)度變化對(duì)比分析，得到各探測(cè)點(diǎn)位置能見(jiàn)度變化如圖5所示：起火50 s內(nèi)，能夠保持10 m以上能見(jiàn)度的僅有探測(cè)點(diǎn)07;起火100s內(nèi)站臺(tái)層所有探測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度均不能滿足安全參考值的要求;起火后300 s內(nèi)車站所有探測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度測(cè)得值均為0，車站各處充滿煙氣。因此，站臺(tái)層的人員必須在起火后50s內(nèi)到達(dá)站廳層，站廳層的人員也必須在100 s內(nèi)離開(kāi)，否則將會(huì)受到生命安全威脅。

綜上所述，人員必須在50 s內(nèi)撤離站臺(tái)層，100 s內(nèi)撤離站廳層才能保證安全逃生需要，但是從車站的人流量以及逃生通道現(xiàn)狀來(lái)看，實(shí)現(xiàn)難度較大。因此，本文從加強(qiáng)火災(zāi)產(chǎn)物控制的角度出發(fā)，通過(guò)改進(jìn)地鐵站排煙模式，加快煙氣消散速率，縮短地鐵站內(nèi)環(huán)境恢復(fù)的所需時(shí)間，為人員的安全逃生爭(zhēng)取更多的可用時(shí)間。

5 地鐵車站火災(zāi)排煙模式優(yōu)化

5.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)地鐵站火災(zāi)煙氣仿真結(jié)果分析，結(jié)合煙氣控制理論，本文從擋煙和排煙2個(gè)角度出發(fā)，通過(guò)站廳正壓送風(fēng)、站臺(tái)正壓送風(fēng)、設(shè)置擋煙垂壁等方式設(shè)計(jì)了6個(gè)優(yōu)化方案，具體如表8所示。

5.2 優(yōu)化仿真結(jié)果分析

5.2.1 煙氣擴(kuò)散過(guò)程

以優(yōu)化前煙氣擴(kuò)散過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)描述作為參照，各優(yōu)化方案設(shè)計(jì)條件下的煙氣擴(kuò)散過(guò)程如表9所示。

由表9可知，優(yōu)化效果主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）煙氣上升至站廳層天花板（狀態(tài)B）的所需時(shí)間。大部分優(yōu)化方案都有明顯效果，其中方案4優(yōu)化效果最為顯著，將所需時(shí)間延長(zhǎng)了34%，但方案5的用時(shí)反倒縮短，這是因?yàn)閾鯚煷贡诘拇嬖诹顭煔鉄o(wú)法蔓延至其他區(qū)域，僅能在車站右側(cè)擴(kuò)散，由此大量的煙氣只能從右側(cè)的樓梯孔洞上升至站廳層。

（2）煙氣從站廳層中間向外擴(kuò)散（狀態(tài)C）的所需時(shí)間。各優(yōu)化方案均具有明顯效果，其中方案4的優(yōu)化效果最為顯著，說(shuō)明在煙氣從站臺(tái)層上升至站廳層之前排出，可以有效阻止煙氣擴(kuò)散。

（3）煙氣充滿站臺(tái)層走客區(qū)（狀態(tài)E）和煙氣充滿站廳層走客區(qū)（狀態(tài)F）的所需時(shí)間。各優(yōu)化方案均具有明顯效果，其中方案4的效果最為顯著，達(dá)到狀態(tài)F的用時(shí)是原方案的3倍多，且至軟件運(yùn)行結(jié)束時(shí)，煙氣仍未充滿整個(gè)站臺(tái)層。

綜上所述，優(yōu)化方案4在整體上表現(xiàn)出相對(duì)較好的優(yōu)化效果。

5.2.2 溫度變化過(guò)程

通過(guò)在不同優(yōu)化方案條件下對(duì)7個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，可以得出以下仿真分析結(jié)果。

（1）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)10，方案6在120 s后進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案1在190 s后進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案2、方案3在240 s后反復(fù)于危險(xiǎn)值上下;方案4、方案5始終低于安全溫度參考值，表現(xiàn)出較好的優(yōu)化效果。

（2）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)12，方案5在20 s后進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案6在60 s后進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案2在180 s后反復(fù)于危險(xiǎn)值上下;方案1、方案3在240 s后進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案 4始終低于安全溫度參考值，表現(xiàn)出較好的優(yōu)化效果。

（3）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)07，方案1在200 s后反復(fù)于危險(xiǎn)值上下;方案3在240 s后保持接近危險(xiǎn)值;方案2、方案4、方案5、方案6始終低于安全溫度參考值，表現(xiàn)出較好的優(yōu)化效果。

（4）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)014，方案6在180 s后保持接近危險(xiǎn)值;方案1在290 s后反復(fù)于危險(xiǎn)值上下;方案2在360 s后保持接近危險(xiǎn)值;方案3、方案4、方案5始終低于安全溫度參考值，表現(xiàn)出較好的優(yōu)化效果。

（5）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)-7，所有方案始終低于安全溫度參考值，其中方案4、方案5表現(xiàn)出更好的優(yōu)化效果。

（6）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)-9，方案2在140 s后反復(fù)于危險(xiǎn)值上下;方案1、方案6在220 s后進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案3、方案4、方案5始終低于安全溫度參考值，表現(xiàn)出較好的優(yōu)化效果。

（7）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)-11，方案1、方案2、方案3、方案5、方案6在20 s后陸續(xù)進(jìn)入危險(xiǎn)值;方案4在60 s后保持接近危險(xiǎn)值。

綜上所述，綜合分析7個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況可知，優(yōu)化方案4在整體上表現(xiàn)出相對(duì)較好的優(yōu)化效果，其中在探測(cè)點(diǎn)014、-011表現(xiàn)最為明顯，具體變化過(guò)程如圖6所示。

5.2.3 能見(jiàn)度變化過(guò)程

通過(guò)在不同優(yōu)化方案條件下對(duì)7個(gè)探測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，可以得出以下仿真分析結(jié)果。

（1）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)10，所有方案在60 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

（2）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)12，方案4在100 s后能見(jiàn)度低于安全參考值;剩余方案在40 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

（3）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)07，所有方案在60 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

（4）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)014，方案4在120 s后能見(jiàn)度低于安全參考值;方案1、方案3在70 s后能見(jiàn)度低于安全參考值;方案5在40 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

（5）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)-7，所有方案在60 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

（6）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)-9，所有方案在40 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

（7）對(duì)于探測(cè)點(diǎn)-11，所有方案在30 s后能見(jiàn)度低于安全參考值。

綜合分析7個(gè)探測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度變化情況可知，所有方案均未能有效增加能見(jiàn)度距離，但相比較原方案而言，優(yōu)化方案4在整體上對(duì)于能見(jiàn)度的提升效果較好，其中在探測(cè)點(diǎn)12、探測(cè)點(diǎn)014表現(xiàn)最為明顯，具體變化過(guò)程如圖7所示。

5.3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)7個(gè)典型探測(cè)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，當(dāng)火源位于站臺(tái)中部時(shí)，在站臺(tái)兩側(cè)設(shè)置排風(fēng)機(jī)可將煙氣快速排出，有效阻止其上升至站廳層;擋煙垂壁可控制煙氣流動(dòng)方向，但需要控制有效高度，擋煙垂壁過(guò)長(zhǎng)會(huì)使煙氣大量聚積在單個(gè)分隔區(qū)內(nèi)無(wú)法溢出，使得該區(qū)域的人員危險(xiǎn)性增大或由于積攢過(guò)多煙氣而增加爆炸的可能性，擋煙垂壁過(guò)短而小于煙氣層厚度時(shí)，無(wú)法有效控制煙氣的流動(dòng)方向。

6 結(jié)論

本文以廣州地鐵13號(hào)線白江站為研究背景，根據(jù)對(duì)地鐵站火災(zāi)產(chǎn)物影響的分析，使用PyroSim軟件對(duì)地鐵站火災(zāi)排煙現(xiàn)狀進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，提出以加快煙氣消散速度、減緩溫度上升速度和增加能見(jiàn)度距離為優(yōu)化目標(biāo)的6種優(yōu)化方案，并通過(guò)仿真對(duì)比得出，當(dāng)火源位于站臺(tái)中部時(shí)，在站臺(tái)加設(shè)排風(fēng)機(jī)可有效提升火災(zāi)排煙效率，同時(shí)在部分區(qū)域設(shè)置有效高度的擋煙垂壁可對(duì)煙氣控制起到有效的輔助作用。但是在本次研究過(guò)程中未考慮到主觀因素對(duì)地鐵站火災(zāi)煙氣控制的影響，這也是后續(xù)的研究方向。

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收稿日期 2020-01-20

責(zé)任編輯 胡姬

Simulation study on smoke exhaust mode of

subway station fire

Cheng Linna， Xu Huajing， Zhang Zifeng， et al.

Abstract： Based on the analysis of the influence of the fire products of the subway station， taking Baijiang station of Guangzhou metro line 13 as the study case， this paper uses PyroSim software to establish the simulation model of the fire smoke exhaust mode of the subway station， and carries on the simulation analysis of the fire smoke diffusion characteristics and the development trend of the fire products of the subway station. On this basis， it proposes six optimization schemes to accelerate the smoke dissipation speed， slow down the temperature rise speed and increase the visibility distance. The results show that when the fire source is located in the middle of the platform， adding exhaust fan in the platform effectively improves the efficiency of fire smoke extraction， and at the same time， setting the effective height of smoke baffle wall in some areas plays an effective auxiliary role in smoke control.

Keywords： subway station， fire accident， smoke exhaust mode， simulation research