地鐵車(chē)站火災(zāi)工況站臺(tái)層樓扶梯口氣流組織模擬研究

梁艷，唐春華，楊志偉

（1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司；2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司；3.江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

地鐵車(chē)站站臺(tái)層公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，以往的做法是啟動(dòng)兩端大系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙，同時(shí)為保證站廳到站臺(tái)的樓梯和扶梯口處具有不小于1.5m/s 的向下氣流，打開(kāi)站臺(tái)門(mén)首/尾兩端各一道活動(dòng)門(mén)，啟動(dòng)車(chē)站隧道排熱風(fēng)機(jī)（TEF 風(fēng)機(jī)）、區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)（TVF風(fēng)機(jī)）輔助排煙。［1-2］但《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》［3］（GB 51298-2018）已于2018年12月1日實(shí)施，其中條文8.1.3-2原文：“當(dāng)對(duì)站臺(tái)公共區(qū)進(jìn)行排煙時(shí)，應(yīng)能防止煙氣進(jìn)入站廳、地下區(qū)間、換乘通道等鄰近區(qū)域”。即當(dāng)站臺(tái)公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣不能經(jīng)由車(chē)站站臺(tái)層到達(dá)站臺(tái)門(mén)外側(cè)的區(qū)間隧道，不允許采用以往的開(kāi)啟站臺(tái)門(mén)活動(dòng)門(mén)及TVF、TEF風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助排煙的排煙模式。本文僅就在解決上述問(wèn)題的過(guò)程中，如何在不增加地鐵車(chē)站規(guī)模的情況下使站臺(tái)層公共區(qū)火災(zāi)煙氣排除，給人員疏散創(chuàng)造有利條件進(jìn)行研究，以期為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

2 工程概況

某地鐵車(chē)站為地下兩層，車(chē)站站廳層公共區(qū)長(zhǎng)120m、寬20.4m，有效站臺(tái)長(zhǎng)186m、寬12m、高5.05m。車(chē)站共設(shè)置兩個(gè)出入口，尺寸分別為6m×4.8m、6m×4m。共設(shè)置6組自動(dòng)扶梯、3組踏步樓梯和1組垂直電梯，布置見(jiàn)圖1、圖2。

3 站臺(tái)層排煙方案

研究本站站臺(tái)層公共區(qū)火災(zāi)排煙方案的前提是站臺(tái)安全門(mén)不開(kāi)啟。當(dāng)站臺(tái)層公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若只開(kāi)啟車(chē)站兩端大系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)，無(wú)法滿(mǎn)足《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》條文8.2.4-3中“保證站廳到站臺(tái)的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流”的風(fēng)速要求，需增加排煙設(shè)備。擬采取開(kāi)啟車(chē)站兩端排熱風(fēng)機(jī)輔助排煙。具體做法是排熱風(fēng)機(jī)入口端設(shè)排煙風(fēng)管伸入站臺(tái)層公共區(qū)域，并設(shè)置一定數(shù)量的排煙風(fēng)口。排煙風(fēng)口的位置范圍從站臺(tái)安全門(mén)延伸到站臺(tái)層中部樓梯處。

圖1 站廳公共區(qū)樓扶梯布置示意圖

圖2 站臺(tái)公共區(qū)樓扶梯布置示意圖

車(chē)站每端設(shè)置一臺(tái)風(fēng)量為120000m3/h的TEF風(fēng)機(jī)，共2臺(tái)；車(chē)站每端設(shè)置一臺(tái)風(fēng)量為91700m3/h的大系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)，共2臺(tái)。擬對(duì)如下三個(gè)排煙方案的氣流組織對(duì)比分析，一方面驗(yàn)證站廳到站臺(tái)的樓梯或扶梯口處具有≥1.5m/s的向下氣流的要求，另一方面綜合分析三個(gè)設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合地鐵車(chē)站狀況選擇符合地鐵建設(shè)特點(diǎn)的排煙方案。

模擬方案一：大系統(tǒng)排煙風(fēng)口分散布置在站臺(tái)一側(cè)（escalator1側(cè)）。排熱風(fēng)機(jī)接排煙風(fēng)管及風(fēng)口，排煙風(fēng)口設(shè)置在車(chē)站站臺(tái)公共區(qū)兩端端頭，靠近安全門(mén)。

模擬方案二：大系統(tǒng)布置同方案一。排熱風(fēng)機(jī)接排煙風(fēng)管及風(fēng)口，排煙風(fēng)口向車(chē)站中部延伸，集中布置于兩端第一組樓扶梯口附近。

模擬方案三：大系統(tǒng)布置同方案一。排熱風(fēng)機(jī)接排煙風(fēng)管及風(fēng)口，排煙風(fēng)口向車(chē)站中部延伸，集中布置于各組樓扶梯口附近，車(chē)站中部的樓梯口附近也設(shè)置排煙風(fēng)口。

圖3 樓梯或扶梯口物理模型

4 CFD模型建立

本站氣流組織模擬目的為查看站臺(tái)層公共區(qū)火災(zāi)時(shí)樓扶梯口部的氣流情況，站廳層公共區(qū)作為補(bǔ)風(fēng)空間。CFD物理模型建立過(guò)程中對(duì)一些構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以減少模型網(wǎng)格劃分，縮短模擬計(jì)算 時(shí)間。

①將站廳層公共區(qū)簡(jiǎn)化為帶進(jìn)風(fēng)口的立方體模型。

②柱子及地面小物體與車(chē)站大空間相比體積小，對(duì)樓扶梯處氣流組織影響有限，忽略不計(jì)。

③不考慮人體及其他運(yùn)動(dòng)物體對(duì)氣流組織的擾動(dòng)影響。

④只考慮氣流組織的速度場(chǎng)，不考慮熱交換。

⑤車(chē)站底板、中板、頂板周?chē)魤Φ暮穸群雎圆挥?jì)。

⑥不考慮鏤空吊頂及風(fēng)管等管線(xiàn)對(duì)空間氣流組織的影響。

本站采用分區(qū)劃分網(wǎng)格，共劃分140個(gè)小區(qū)域（站廳層66個(gè)，站臺(tái)層74個(gè)）。因要查看樓扶梯口處的氣流組織速度場(chǎng)，需對(duì)進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口和結(jié)構(gòu)不規(guī)則的樓扶梯網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，在進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、樓扶梯及附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，車(chē)站共劃分2085453個(gè)網(wǎng)格。具體如圖3所示。

圖4 監(jiān)測(cè)面位置

5 CFD模型求解計(jì)算

由于只考慮氣流組織的速度場(chǎng)，車(chē)站內(nèi)空氣流視為不可壓縮低速湍流介質(zhì)，因此數(shù)值模擬考慮修正后的realizable湍流模型，采用壓力基求解器，結(jié)合隱式差分方程，利用SIMPLE算法求解穩(wěn)態(tài)方程組，對(duì)流項(xiàng)考慮二階迎風(fēng)插值格式。經(jīng)計(jì)算求解，方案1迭代669步收斂，方案2迭代542步收斂，方案3迭代534步收斂。

6 模擬結(jié)果分析

雖然《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》提出“保證站廳到站臺(tái)的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流”的要求，但規(guī)范及相關(guān)條文中均未明確此處所指的樓梯或扶梯口的具體位置。本次數(shù)值模擬分析在樓梯或扶梯口選取了兩個(gè)監(jiān)測(cè)面，即最小斷面、站廳與站臺(tái)層板有效過(guò)風(fēng)孔洞，見(jiàn)圖4。以最小斷面（監(jiān)測(cè)面2）的平均風(fēng)速為主要評(píng)判指標(biāo)，監(jiān)測(cè)面1的平均風(fēng)速僅供參考對(duì)比，各監(jiān)測(cè)面面積見(jiàn)表1。站臺(tái)公共區(qū)系統(tǒng)氣流穩(wěn)定后，各監(jiān)測(cè)面平均風(fēng)速見(jiàn)表2。

表1 監(jiān)測(cè)面面積

根據(jù)表2監(jiān)測(cè)結(jié)果，可得到結(jié)論：

①三個(gè)方案監(jiān)測(cè)面1（最小斷面）處的平均風(fēng)速均超過(guò)1.5m/s，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，是排煙方案成立的必備條件。

②三個(gè)方案監(jiān)測(cè)面2處平均風(fēng)速均無(wú)法達(dá)到1.5m/s的風(fēng)速。

③三個(gè)方案同一位置監(jiān)測(cè)面的平均風(fēng)速稍有差別。站臺(tái)層僅在一側(cè)安全門(mén)設(shè)置大系統(tǒng)排煙風(fēng)口，此側(cè)監(jiān)測(cè)面1、2的平均風(fēng)速大于另一側(cè)；同一位置監(jiān)測(cè)面方案三平均風(fēng)速最大，最有利，但管線(xiàn)敷設(shè)路徑最遠(yuǎn)，最容易和其他管線(xiàn)交叉。

表2 監(jiān)測(cè)面平均風(fēng)速值

7 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)條文的要求，詳細(xì)論述在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取的解決方案，通過(guò)對(duì)方案的研究，歸納主要結(jié)論如下：

①站臺(tái)層公共區(qū)火災(zāi)開(kāi)啟車(chē)站兩端大系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)+車(chē)站兩端排熱風(fēng)機(jī)輔助排煙方案可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

②排熱風(fēng)機(jī)入口端設(shè)排煙風(fēng)管伸入站臺(tái)層公共區(qū)，排煙風(fēng)口位置可靈活布置，有條件時(shí)建議延伸至第一組樓扶 梯處。

③保證站廳到站臺(tái)的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流，此處的樓梯或扶梯口所指應(yīng)為監(jiān)測(cè)面1（最小斷面），其他鏤空面需封閉。