地鐵車站火災和人員疏散仿真模擬技術發(fā)展分析

劉鑫

摘要：隨著當前我國地鐵建設的進一步發(fā)展，各大城市的地鐵車站紛紛投入使用，方便了人們的生活和工作。但是地鐵車站作為人員聚集的區(qū)域，一旦發(fā)生火災所帶來的后果是比較嚴重的，為了避免火災發(fā)生造成損失，以及最大程度降低人員傷亡，通過仿真模擬技術的應用對人員疏散狀況進行分析，可以為實際地鐵車站火災以及人員疏散的優(yōu)化應對提供依據(jù)。本文首先對地鐵車站火災發(fā)生的特征以及對人員疏散的影響進行分析，然后就火災和人員疏散仿真模擬技術的發(fā)展詳細探究，希望能從理論層面就地鐵車站火災以及人員疏散仿真模擬技術的應用研究，進一步深化了解仿真模擬技術的應用價值。

關鍵詞：地鐵車站;人員疏散;仿真模擬技術

1 引言

地鐵車站是人流量大，密集度高的區(qū)域，是城市基礎設施中比較重要的內(nèi)容，當前的各大城市地鐵的客流量比地面公共汽車高幾倍。從人流量大以及作為重要的中轉(zhuǎn)站的角度進行分析來看，一旦出現(xiàn)火災很容易造成人員傷亡，所以人員疏散效率的提高就顯得比較重要，需要通過仿真模擬技術加以科學運用，對人員疏散的狀況進行闡釋。

2 地鐵車站火災發(fā)生的特征以及對人員疏散的影響

2.1地鐵車站火災發(fā)生的特征

地鐵車站火災發(fā)生有著鮮明的特征，地鐵是城市交通比較重要的人員輸送力量，地鐵的內(nèi)部空間比較大，但只有較少的通風井和車站出入口與外界連接，疏散的通道也比較狹長，并且出入口的布局都比較類似，這就使得火災一旦發(fā)生，蔓延速度極快，這對人員的疏散也會增加很大的難度[1]。地鐵事故中火災的發(fā)生率比較高，所造成的事故災害也是最為嚴重的，從其火災發(fā)生的特點來看體現(xiàn)在幾點：

其一，煙大，溫高，易擴散。由于地鐵的空間特殊性，通風口比較少，火災發(fā)生后大量的煙氣以及熱量不能有效擴散，這樣就比較容易在短期內(nèi)充滿整個地下空間，煙氣的擴散方向也會和人員的疏散方向一致，增加了人員疏散的難度。

其二，火勢蔓延速度快。地下空間中的氧含量是不足的，所以在發(fā)生火災的時候會存在不完全燃燒，空間中的一氧化碳在高溫下隨著煙氣擴大，新的空氣在補進之后就容易出現(xiàn)新的燃燒，所以在火勢方面容易發(fā)生擴大以及蔓延[2]?；馂陌l(fā)生后，在車廂中的火災溫度上升的速度極快，有限空間的體積容易發(fā)生膨脹的狀況，壓強在增加的時候就容易出現(xiàn)轟燃。

其三，滅火救援比較有難度。由于地鐵的空間是相對封閉的，所以在進行滅火救援的時候就會存在很大的難度?；馂陌l(fā)生產(chǎn)生的濃煙對起火點的確定會存在很大的難度，工作人員在火災救援的時候有著諸多不便。高溫以及熱輻射會使得救援人員很難進入到起火點的范圍，造成了火災救援時間長以及效率低的問題。

2.2地鐵車站火災對人員疏散的影響分析

近些年我國地鐵建設的速度加快，地鐵在運營過程中火災的事件也偶有發(fā)生，這對乘車人員的安全造成了很大的威脅，地鐵車站火災發(fā)生后對人員疏散產(chǎn)生的影響是比較大的。在正常的情況下人員所使用的平均疏散時間比火災下用的時間長，人員的速度是重要的影響因素，每個人都想要及早的脫離危險的環(huán)境，這就使得前進的速度加快，火災沒有達到危險狀態(tài)的時候，對人員的疏散影響是不明顯的，其他設施管理都正常的時候，車站在正常狀況下疏散相應數(shù)量人員需要的時間，能夠作為火災下疏散相同數(shù)量人員需要時間的參考[3]?；鹪吹膹姸炔煌瑢κ枭a(chǎn)生的影響也是不同的，火災發(fā)生速率需要對可燃物以及材料和墻等進行充分的考慮，地鐵的火災場景當中采用的大多是5-50MW火災熱釋放的速度，地鐵列車內(nèi)起火通常是采取10MW，可移動的是采用5MW，火源的強度在達到10MW的時候需要疏散的時間就要比5MW需要的時間長，火勢越大對人員的疏散產(chǎn)生的不利影響也是越大的，需要的疏散時間就相對比較長。除此之外，地鐵中的樓梯寬度因素也會影響人員的疏散效果，以及出口條件因素也會影響人員的疏散，自動檢票閘機對人員疏散的影響也比較大[4]。

3 地鐵車站火災和人員疏散仿真模擬技術發(fā)展

3.1仿真模擬技術發(fā)展

地鐵車站火災和人員疏散仿真模擬技術的研究愈來愈深入，當前在地鐵車站火災煙氣流動的規(guī)律以及控制研究的方法上有①現(xiàn)場試驗;②CFD數(shù)值模擬;③比例模型試驗。相關的研究都有利于地鐵車站以及區(qū)間設計參考?，F(xiàn)場的試驗以及比例模型的試驗就地鐵車站火災有著化學反應等模擬，就要比較多的人力物力的投入，并且也只能進行局部的測定，不能對整體建筑火災過程進行再現(xiàn)。通過CFD火災數(shù)值模擬技術的應用和數(shù)值分析以及傳熱學等諸多的理論進行結(jié)合起來運用，可以對火災科學研究起到積極作用。

火災煙氣流動計算模擬的方法是多樣的，其中的①區(qū)域模擬;②網(wǎng)絡模擬;③場模擬是比較重要的類型，每個模擬的方法都對應著不同場合。區(qū)域模擬是對單房間的諸多參數(shù)均勻控制體，求解方程的方式獲得控制體參數(shù)隨時間變化，計算量實際比較小，顯然對地鐵車站這一狹長建筑是不適合的[5]。而對于網(wǎng)絡模擬的方法應用是把整個建筑為一系統(tǒng)，每個房間是控制體，這樣的方法應用精度相對比較低，能夠就多房間以及計算距離起火房間遠區(qū)域狀況。最后場模擬的方法應用主要是通過對區(qū)間劃分控制體的計算，對內(nèi)部參數(shù)變化進行計算，對于建筑類型多以及實用性強的比較適合。對于地鐵車站火災發(fā)生不同火災的煙氣流動計算模擬方法所對應的CFD模擬軟件，主要有以下的內(nèi)容，如下表1所示。

表1 不同火災煙氣流動數(shù)值模擬軟件類型

3.2仿真模擬建模的不足

從仿真模擬建模的不足之處來看，主要是由在近似算計軟件技術的應用發(fā)展下，相應軟件的應用不足之處愈來愈突出。如FDS火災模擬的軟件應用過程中，整體效果不強，對于建筑模型當中每個房間都要明確輸入模型三維數(shù)據(jù)，而地鐵車站的內(nèi)部結(jié)構比較多，有著諸多層次，屬于多層的建筑，在不斷重復輸入XYZ數(shù)據(jù)的頻繁度比較大，而樓梯臺階層級多的模型，要多次坐標輸入，在這一軟件的模型構建圖形方面有著一定的限制，方便性方面不是很好。建模按鈕數(shù)量以及形狀因素的影響下使得建模的不便利愈來愈突出[6]。

另外，仿真模擬建模中在應用人員疏散軟件的時候，采用Pathfinder的軟件應用也同樣存在著一些不便之處。界面當中的工具圖標，構造建筑模型方式上面多邊形以及長方形數(shù)量少，缺乏坐標以及交點拾取功能，使得建筑模型的不同部位就容易出現(xiàn)縫隙。Z軸方向以層為單位輸入高度參數(shù)才能有助于多層的構建，而在單層當中有不同標高建筑的時候，就要進行再次的確定坐標才能重復構建模型，所以在便利性方面也受到了很大的影響。

3.3仿真模擬軟件的創(chuàng)新應用

地鐵車站火災和人員疏散仿真技術的應用中，通過Revit建模軟件以及火災和人員疏散軟件的結(jié)合應用下，就能有助于提高仿真模擬的應用效果。建筑信息模型在2004年進入我國，將三維數(shù)字技術作為基礎，集成建筑工程各數(shù)據(jù)，通過計算機三維軟件的運用，將各工程項目的信息包含的比較全面，建立數(shù)字模型提供了便利。模型的構建當中，項目所有信息都能采用數(shù)字參數(shù)設定以及修改，通過立體圖形形式呈現(xiàn)有助于三維協(xié)同設計的質(zhì)量控制，這樣就能有效避免不同單位間的信息對接出現(xiàn)誤差的問題[7]。運用Revit軟件和火災人員疏散軟件的結(jié)合也是這樣，Revit軟件的應用中通過三維建模軟件的科學運用，將虛擬模型構建的工具加以科學運用下，就能充分發(fā)揮軟件中的各種功能作用，如其中的墻體材料以及熱傳導率等都能進行設置。通過該軟件的運用繪制三維立體圖形保存成DWG等格式，就能直接導入FDS、Pathfinder相應軟件當中，模型導入的時候?qū)τ谛畔⒌陌踩钥梢员ＷC。通過仿真模擬的方式研究地鐵車站火災和人員疏散的情況有一定弊端，由于不同年齡以及性別和人員身體形態(tài)差異，步行速度不同，也有的是殘障人士使用地鐵，所以無法準確反映每個人疏散中行為特征，這就需要對焦點集中人員模型優(yōu)化上，能夠在心理學的角度方面對人員彼此容忍度以及擁擠造成的躁動不安等方面的內(nèi)容展開研究，避免采用單一化的思路。

4 結(jié)語

總而言之，地鐵車站火災和人員的疏散仿真模擬技術的發(fā)展將隨著各類仿真軟件的出現(xiàn)以及理論研究的進一步深化，獲得更大的進步。地鐵車站發(fā)生火災人員疏散是比較突出的難題，在各因素的影響下建筑物結(jié)構設計以及火源點和數(shù)量位置等方面因素相互作用影響，并有隨機性，技術的實際應用方面要多方面考慮優(yōu)化。

參考文獻：

[1] 張穎，張彪，侯佳麗.地鐵區(qū)間列車中部火災人員疏散受煙氣影響分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（02）：65-68.

[2] 姜學鵬，張帆，陳欣格.地鐵隧道火災人員疏散可靠度研究[J].消防科學與技術，2020，39（01）：9-13.

[3] 鐘茂華，劉暢，史聰靈.地鐵火災全尺寸實驗研究進展綜述[J].中國安全科學學報，2019，29（10）：51-63.

[4] 李丹辰，鐘茂華，梅棋，劉暢，肖衍.地鐵同站臺高架換乘車站火災人員疏散研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2019，15（06）：5-11.

[5] 呂?？?，白嬌嬌，陳瑤.基于建筑信息模型與Pyrosim軟件的地鐵車站火災模擬仿真方法[J].城市軌道交通研究，2019，22（06）：147-151.

[6] 王建國，劉穎，蘇俊凱，殷雄.地鐵火災人員疏散行為影響因素研究[J].消防科學與技術，2019，38（05）：706-709.

[7] 邢志祥，張瑩，錢輝，張淑淑，汪李金，顧凰琳.地鐵車站火災和人員疏散仿真模擬技術發(fā)展的新思路[J].安全與環(huán)境工程，2018，25（03）：130-135.