中庭式拱頂多層地鐵車站排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬分析

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 曾 惜

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，位于城市重要地理位置的車站時(shí)常需承擔(dān)公共交通以外的一些功能，車站內(nèi)部空間的功能越來越多元化，中庭車站、高大空間車站應(yīng)運(yùn)而生。特殊車站內(nèi)部空間更為復(fù)雜，加劇了防排煙的復(fù)雜性。本文對某中庭式拱頂多層地鐵車站站廳排煙進(jìn)行計(jì)算分析。

1 車站概況

該車站為全高站臺門制式的地下3層車站，如圖1所示，地下1層、2層為站廳層并設(shè)中庭，地下3層站臺層為標(biāo)準(zhǔn)6A制式站臺。地下1層(回廊層)總長度約210 m，地下2層總長度約180 m，共開3個(gè)長度分別為22、66、66 m的中庭孔洞，孔洞之間設(shè)寬9 m的連廊將中庭兩側(cè)的回廊連通，回廊及連廊組成地下1層的人行通道，并與相鄰商業(yè)區(qū)連通，車站與商業(yè)區(qū)之間采用防火隔斷分隔。A1、A2、C出入口均與回廊層、站廳層直接連通，B出入口僅與回廊層連通。火災(zāi)時(shí)，回廊層通過4個(gè)出入口疏散人員，站廳層疏散路徑包含兩部分：第一部分為通過A1、A2、C 3個(gè)出入口直出地面；第二部分為通過中庭兩端通往回廊層的樓扶梯經(jīng)回廊層后由4個(gè)出入口出地面。車站寬度18.7 m，中庭孔洞寬度12.7 m，地下1層凈高5.35 m，地下2層凈高5.4 m，中庭凈高11.35 m。車站公共區(qū)平面、剖面圖見圖1。

圖1 車站公共區(qū)平面、剖面示意圖

2 火災(zāi)控制指標(biāo)

結(jié)合美國NFPA130的規(guī)定及參考文獻(xiàn)[1-3]，以火災(zāi)發(fā)生后6 min內(nèi)為煙氣控制時(shí)間，本文采用的控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

1) 溫度：疏散高度以下(本文疏散高度取2 m)，煙氣溫度不超過60 ℃。

2) 可見度：疏散高度以下，可見度不應(yīng)低于13 m。

3) 煙氣層高度：不低于最小清晰高度。

4) 有毒氣體濃度：CO體積分?jǐn)?shù)極限值不得高于1 150×10-6。

3 車站模型

根據(jù)車站物理尺寸建立如圖2所示的車站模型，車站共有4個(gè)出入口，分別為A、B、C、D，其中A出入口僅能進(jìn)入地下1層，B、C、D出入口地下1、2層均能進(jìn)入。

圖2 車站模型

3.1 火源參數(shù)

參考國內(nèi)外地鐵火災(zāi)研究采用的參數(shù)[1，3-6]，假定火災(zāi)為穩(wěn)態(tài)過程。根據(jù)對地鐵火災(zāi)事故的調(diào)查分析，站內(nèi)火災(zāi)主要為行李火災(zāi)，行李火災(zāi)規(guī)模一般不會超過2 MW，本文計(jì)算火災(zāi)規(guī)模確定為2 MW。

3.2 網(wǎng)格尺寸

計(jì)算采用FDS軟件，根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果——當(dāng)網(wǎng)格尺寸為火源特征直徑的1/10時(shí)，模擬計(jì)算結(jié)果最接近實(shí)測結(jié)果。火源特征直徑計(jì)算式如下：

(1)

式中D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放率，kW；ρ0為空氣密度，kg/m3；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；t0為空氣溫度，℃；g為自由落體加速度，9.81 m/s2。

據(jù)此，網(wǎng)格尺寸確定為0.2 m×0.2 m×0.2 m(長×寬×高)，網(wǎng)格總數(shù)約170萬。

3.3 邊界條件

設(shè)置車站出入口為“Open”條件；排煙口為“Exhaust”條件，風(fēng)量根據(jù)排煙量確定；環(huán)境初始溫度為25 ℃。

4 排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建筑的構(gòu)造息息相關(guān)，建筑內(nèi)部構(gòu)造的不同對煙氣的流動產(chǎn)生不同的影響。本文研究的車站主要包含以下3個(gè)重要特征：站廳為2層且開設(shè)大中庭；高大空間；車站頂部為拱形頂部。上述3個(gè)特征對防煙分區(qū)的劃分、排煙量的確定、排煙口的布置形式產(chǎn)生重要影響。下面就這3個(gè)問題進(jìn)行研究分析，并根據(jù)研究結(jié)果確定排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

4.1 防煙分區(qū)的劃分

許琪娟[4]、李小坤[7]、沈亮峰[8]、朱建霆等人[9]對站廳-站臺設(shè)中庭車站的排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，探討的中庭相對公共區(qū)投影面積的開孔率在10%～30%之間，主要劃分原則為中庭單獨(dú)1個(gè)防煙分區(qū)，站廳層除中庭外的區(qū)域按規(guī)范要求劃分防煙分區(qū)，站臺層除中庭外兩端一般各有1個(gè)面積不超200 m2的區(qū)域劃分為2個(gè)防煙分區(qū)。

本文研究車站中庭相對公共區(qū)投影面積的開孔率達(dá)到約50%，地下2層的開孔率更是達(dá)到約60%，此時(shí)，是否可將中庭連通的上下2層作為1層空間考慮進(jìn)行防煙分區(qū)的劃分？下面從中庭回廊寬度對排煙效果的影響、中庭下層獨(dú)立防煙分區(qū)的排煙效果進(jìn)行分析。

4.1.1回廊寬度對排煙效果的影響

當(dāng)回廊下著火時(shí)，如圖3所示，回廊對煙氣的上升起到阻擋作用，煙氣上升至回廊板后沿著板擴(kuò)散至回廊邊緣后方上升至頂板。

圖3 回廊下著火煙氣流動示意圖

煙氣順著回廊板流動的過程中不斷與周邊冷空氣混合并逐步下沉，隨著回廊寬度的增大，煙氣下沉更加明顯。分別對不同回廊寬度(5～30 m，每5 m為一工況)情況進(jìn)行模擬分析，根據(jù)火災(zāi)控制指標(biāo)，監(jiān)測回廊下的溫度、可見度、CO濃度，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

計(jì)算結(jié)果顯示：疏散高度內(nèi)CO濃度均能滿足要求；溫度和可見度在火災(zāi)最初的4 min內(nèi)變化不大，4 min后，不同回廊寬度下開始出現(xiàn)差異，如圖5、6所示，隨著回廊寬度的增大，回廊板下溫度升高；當(dāng)煙氣沿回廊板擴(kuò)散并上升至頂板后，由于排煙系統(tǒng)并不能完全排除火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣，導(dǎo)致煙氣沿車站頂板往兩端擴(kuò)散，擴(kuò)散過程中與周圍冷空氣混合并下沉，下沉到一定高度后煙氣隨著出入口補(bǔ)入新風(fēng)往火源回流，回流過程中不斷與新風(fēng)混合，煙氣溫度下降，因此在火災(zāi)發(fā)展到4 min后火源附近測點(diǎn)高度上出現(xiàn)了溫度與測點(diǎn)距火源距離成反比的現(xiàn)象；當(dāng)回廊寬度增至15 m，可見度開始下降，當(dāng)回廊寬度達(dá)到30 m時(shí)，回廊邊緣附近可見度降低至13 m以下。

4.1.2中庭下層獨(dú)立防煙分區(qū)的排煙效果

如前所述，參考既有工程案例[7-8]，一般將站廳-站臺設(shè)中庭的車站站臺層除中庭外的站臺兩端劃分為獨(dú)立的防煙分區(qū)，這2個(gè)防煙分區(qū)分別設(shè)置排煙系統(tǒng)，火災(zāi)時(shí)開啟排煙系統(tǒng)的同時(shí)開啟隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行輔助排煙，以保證中庭往站臺端頭防煙分區(qū)形成1.5 m/s的風(fēng)速，該方案能有效控制煙氣擴(kuò)散。對于本文研究的車站，因中庭設(shè)在2層站廳內(nèi)，無法通過隧道通風(fēng)系統(tǒng)輔助排煙，故本節(jié)對板下區(qū)域獨(dú)立劃分防煙分區(qū)且無隧道通風(fēng)輔助排煙時(shí)的控?zé)熜ЧM(jìn)行分析，以確定板下區(qū)域排煙設(shè)計(jì)方案。建立如圖7所示模型，通過擋煙垂壁將板下區(qū)域與中庭區(qū)域分隔，板下區(qū)域形成獨(dú)立的防煙分區(qū)，排煙系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，排煙量按規(guī)范[10-12]計(jì)算。板下前后左右每隔5 m布置一組監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測全區(qū)域的煙氣層高度。

圖7 計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果顯示：疏散高度內(nèi)CO濃度變化不大；如圖8所示，回廊下1.5 m高處溫度低于30 ℃，2.0 m高處溫度低于40 ℃，能滿足控制指標(biāo)要求；可見度在180 s后開始急劇下降，基本維持在10～15 m左右；煙氣層高度監(jiān)測結(jié)果如圖9所示，在90 s左右煙氣開始從回廊下擴(kuò)散至中庭，快速升至頂板，沿頂板往兩邊擴(kuò)散，回廊上煙氣層厚度逐步增大，在約180 s后回廊上煙氣層下降至距地2 m以下。

圖8 回廊下溫度、可見度計(jì)算結(jié)果

圖9 煙氣層高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2 排煙量的確定

現(xiàn)階段，地鐵排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)為3本規(guī)范[10-12]，其中，GB 51298—2018《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《火標(biāo)》)、GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求按防煙分區(qū)建筑面積不小于60 m3/(m2·h)計(jì)算排煙量，GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《煙標(biāo)》)對于凈高不大于6 m的場所，排煙量計(jì)算方法與《火標(biāo)》相同，對于凈高大于6 m的場所要求按規(guī)范中公式進(jìn)行計(jì)算。一般車站單層凈高小于6 m，對于排煙量的確定無影響，但本文車站凈高11.35 m，按照規(guī)范每個(gè)防煙分區(qū)面積不超2 000 m2的要求，本站站廳劃分為2個(gè)防煙分區(qū)，每個(gè)面積1 965 m2，按照2種算法得到的排煙量分別為118 000 m3/h和240 000m3/h，兩者相差1倍多。因此，本節(jié)就2種排煙量的排煙效果進(jìn)行對比分析。

計(jì)算模型如圖2所示，地下2層沿車站縱向布置3列測點(diǎn)，2列位于連廊下，1列位于中部，地下1層兩側(cè)均布置測點(diǎn)，分別位于車站兩側(cè)連廊，高度為2 m。測點(diǎn)按與車站中部電梯的距離編號(左端為負(fù)，如-10 m；右端為正，如10 m)，測點(diǎn)間隔10 m。

計(jì)算結(jié)果如圖10、11所示：2種排煙量下，中庭地面的溫度、可見度均能滿足疏散環(huán)境的需求且差異不大；回廊層溫度均可滿足要求，但《火標(biāo)》工況溫度明顯高于《煙標(biāo)》工況，對于可見度《煙標(biāo)》工況基本控制在15 m以上，《火標(biāo)》工況不少區(qū)域低于13 m甚至局部區(qū)域低至6 m左右；《煙標(biāo)》工況煙氣層高度控制在8 m以上，滿足回廊清晰高度的要求，《火標(biāo)》工況不少區(qū)域煙氣層高度低于8 m，回廊層清晰高度不滿足規(guī)范要求。

圖10 《煙標(biāo)》工況排煙量各測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

圖11 《火標(biāo)》工況排煙量各測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

4.3 小結(jié)

綜上，本文研究車站的地下1、2層排煙系統(tǒng)按以下方案設(shè)計(jì)：

1) 車站兩側(cè)回廊寬度為3 m，中間連廊寬度為9 m，地下2層公共區(qū)長度基本與中庭寬度相等，兩端基本無板下空間，根據(jù)第4.1節(jié)的計(jì)算分析，將中庭連通的2層作為1個(gè)空間考慮。

2) 鑒于地鐵排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)的3本規(guī)范[10-12]均對站廳防煙分區(qū)面積有不超過2 000 m2的要求，同時(shí)考慮防煙分區(qū)劃分過大(尤其是地鐵屬于狹長型建筑)時(shí)煙氣水平擴(kuò)散過程會卷吸周圍冷空氣而沉降，從而影響煙氣控制的效果，在站廳中部設(shè)置擋煙措施，將站廳劃分為2個(gè)防煙分區(qū)，每個(gè)防煙分區(qū)面積1 965 m2。

3) 根據(jù)第4.2節(jié)計(jì)算結(jié)果，車站各防煙分區(qū)的排煙量按文獻(xiàn)[12]計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，為240 000 m3/h。在車站兩端各布置2臺專用排煙風(fēng)機(jī)(風(fēng)量72 000 m3/h，風(fēng)壓850 Pa)，其中，SEF-A01、SEF-A02負(fù)擔(dān)A端防煙分區(qū)排煙，SEF-B01、SEF-B02負(fù)擔(dān)B端防煙分區(qū)排煙。車站著火時(shí)，僅開啟著火防煙分區(qū)的排煙系統(tǒng)，由出入口自然補(bǔ)風(fēng)，其余與本防煙分區(qū)排煙系統(tǒng)無關(guān)的系統(tǒng)均關(guān)閉。

4) 根據(jù)拱形地鐵車站火災(zāi)煙流模擬研究[6]結(jié)論，拱頂處設(shè)置排煙的方式能提高排煙效率，結(jié)論明確且本站拱頂情況與之相似，因此本文對拱頂排煙口的布置暫不作進(jìn)一步的分析，借鑒參考既有工程案例及研究結(jié)論，車站排煙風(fēng)口布置在拱頂，分2行布置。

5 排煙系統(tǒng)排煙效果分析

根據(jù)前述確定的排煙系統(tǒng)方案，對車站內(nèi)不同位置的著火情況進(jìn)行模擬分析，火源位置如圖12所示，分別位于連廊下、連廊上、中庭中部、車站端部4個(gè)位置。車站模型見圖2，測點(diǎn)布置同第4.2節(jié)。

圖12 火源位置示意圖

1) 連廊下火災(zāi)工況。

因C、D出入口距離車站中部最近，火災(zāi)排煙時(shí)，C、D出入口補(bǔ)風(fēng)量最大，且中庭上下2層均有補(bǔ)風(fēng)，因此C、D出入口一側(cè)回廊上下溫度、可見度條件均最好，車站內(nèi)最不利位置為A、B出入口一側(cè)回廊所在區(qū)域。最不利區(qū)域計(jì)算結(jié)果如圖13所示：因火源位于0 m測點(diǎn)附近，且回廊寬度為9 m，煙氣經(jīng)回廊邊緣上升至車站頂部，連廊下0、10 m兩處測點(diǎn)溫升最大，其余位置溫升不明顯；連廊上火源附近20 m(-10～20 m內(nèi)測點(diǎn))內(nèi)溫升明顯，可見度降低明顯，其余區(qū)域溫升不大，可見度在15 m以上；煙氣層高度顯示除-10、10 m距火源最近處煙氣層在6 m左右外，其余位置煙氣層均在8 m高度以上。

圖13 連廊下火災(zāi)工況

計(jì)算結(jié)果顯示，除火源附近20 m范圍外，其余區(qū)域疏散高度內(nèi)溫度未超60 ℃，可見度>13 m，同時(shí)煙氣層高度大于最小清晰高度，故連廊下火災(zāi)時(shí)，滿足火災(zāi)控制指標(biāo)的要求。

2) 連廊上火災(zāi)工況。

與連廊下火災(zāi)工況相同，站內(nèi)最不利區(qū)域?yàn)锳、B出入口一側(cè)回廊所在區(qū)域。因火源位于連廊上，煙氣直接升至頂部區(qū)域，如圖14所示，煙氣層基本在9.5 m以上，地下2層基本不受煙氣影響；回廊層除火源附近的溫升較為明顯外，其余區(qū)域溫度變化不大，整個(gè)疏散高度內(nèi)可見度未受影響。

圖14 連廊上火災(zāi)工況

計(jì)算結(jié)果顯示，疏散高度內(nèi)溫度未超60 ℃，可見度>13 m，同時(shí)煙氣層高度大于最小清晰高度，故連廊上火災(zāi)時(shí)，滿足火災(zāi)控制指標(biāo)的要求。

3) 中庭中部火災(zāi)工況。

同前，站內(nèi)最不利區(qū)域?yàn)锳、B出入口一側(cè)回廊所在區(qū)域，此工況火源位于30 m測點(diǎn)附近。因火源位于中庭內(nèi)，煙氣無任何遮擋物，直接上升至車站頂部，如圖15所示，連廊下除火源附近的30 m測點(diǎn)溫升較大外，其余區(qū)域溫度變化不大，整個(gè)地下2層區(qū)域可見度未受影響；回廊層，30、40 m兩處測點(diǎn)溫升較大，達(dá)到約50 ℃，可見度降低至10 m左右；除火源附近的30 m測點(diǎn)煙氣層高度低至4 m外，其余區(qū)域煙氣層高度均大于8 m。

圖15 中庭中部火災(zāi)工況

計(jì)算結(jié)果顯示，除火源附近10 m范圍外，其余區(qū)域疏散高度內(nèi)溫度未超60 ℃，可見度>13 m，同時(shí)煙氣層高度大于最小清晰高度，故中庭中部火災(zāi)時(shí)，滿足火災(zāi)控制指標(biāo)的要求。

4) 車站端部火災(zāi)工況。

同前，站內(nèi)最不利區(qū)域?yàn)锳、B出入口一側(cè)回廊所在區(qū)域，此工況火源位于80 m測點(diǎn)附近。因火源位于車站端部地下1層，煙氣往上流動，如圖16所示，煙氣層在9.5 m以上高度，連廊下區(qū)域基本不受煙氣影響，回廊層除火源附近80 m測點(diǎn)溫升較大，其余區(qū)域溫度變化不大，整個(gè)區(qū)域可見度未受影響。

圖16 車站端部火災(zāi)工況

計(jì)算結(jié)果顯示，疏散高度內(nèi)溫度未超過60 ℃，可見度>13 m，同時(shí)煙氣層高度大于最小清晰高度，故車站端部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，滿足火災(zāi)控制指標(biāo)的要求。

綜上，排煙系統(tǒng)能滿足各處火災(zāi)時(shí)的控制指標(biāo)要求，但綜合對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在地下2層時(shí)，站內(nèi)環(huán)境均比地下1層發(fā)生火災(zāi)時(shí)差，主要原因如下：

1) 回廊對煙氣的遮擋阻礙作用導(dǎo)致煙氣在上升過程中擴(kuò)散范圍更廣，影響面積增大。

2) 地下2層火災(zāi)時(shí)煙氣上升高度更高，煙氣在上升過程中與周圍冷空氣混合更充分，煙氣的下沉效應(yīng)更明顯，導(dǎo)致煙氣層厚度更大，疏散高度上的環(huán)境更差。

6 結(jié)論

1) 對于采用大中庭的多層站廳，中庭兩端回廊下區(qū)域面積小，蓄煙倉容積小，蓄煙能力弱，在沒有隧道通風(fēng)系統(tǒng)輔助排煙的情況下，煙氣極易擴(kuò)散，建議在回廊寬度不大于15 m的前提下，將中庭連通的上下2層作為1個(gè)空間考慮進(jìn)行排煙設(shè)計(jì)。

2) 對于高度超6 m的高大空間公共區(qū)，建議排煙量根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計(jì)算，若依據(jù)GB 51298—2018《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算排煙量，應(yīng)核算煙氣層厚度，以確定是否滿足最小清晰高度的要求及擋煙垂壁的設(shè)置高度。

3) 對于中庭開孔率達(dá)到50%的情況，將中庭連通的上下2層作為1個(gè)空間考慮，同時(shí)根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算排煙量，在6 min疏散時(shí)間內(nèi)能滿足煙氣控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文僅對中庭車站的排煙系統(tǒng)進(jìn)行了初步的探討，關(guān)于中庭排煙系統(tǒng)還可從以下兩方面進(jìn)行探索：

1) 當(dāng)僅在中庭頂部設(shè)置排煙系統(tǒng)時(shí)，中庭開孔率對排煙效果的影響。

2) 本文分析連廊寬度對連廊下環(huán)境的影響時(shí)，僅針對本站中庭寬度進(jìn)行了分析，但中庭與車站的寬度比對回廊下煙氣流動也會有影響，需作進(jìn)一步的研究分析。