中庭式地下車站消防疏散及防排煙設(shè)計(jì)分析

余玨，鄭進(jìn)龍

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州，510000）

軌道交通的中庭式車站的能很好的改善地下車站封閉隔絕、視線不通透、空間形體單一、辨識性差等常規(guī)車站常見的問題。能使整個(gè)車站公共區(qū)空間更加開闊、寬敞、明亮，讓乘客在封閉的地下不再感覺到壓抑和無方向感。進(jìn)而極大的提升了乘車體驗(yàn)，提升地鐵系統(tǒng)的服務(wù)品質(zhì)。因此中庭式車站受到了廣大人民群眾歡迎，并被行業(yè)內(nèi)廣泛接受及采用。中庭地下車站實(shí)景圖如下圖所示。

圖1 中庭車站實(shí)景圖

中庭車站雖然得到了越來越多的應(yīng)用，但其站廳站臺(tái)公共區(qū)連通且開敞的大空間形式，給乘客的安全疏散和防排煙的組織帶來了一定不利的因素。目前國內(nèi)關(guān)于中庭車站防災(zāi)的研究，集中于防排煙系統(tǒng)的設(shè)置、煙量的計(jì)算等方面。而未結(jié)合乘客的安全疏散的防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一定程度上難于真正保證乘客的真正安全。中鐵一院沈亮峰［2］針對2種不同形式的中庭車站防排煙系統(tǒng)分析，提出了防煙分區(qū)劃分、排煙設(shè)備設(shè)置及控?zé)煼绞降慕鉀Q方案，余斌［3］采用性能化分析方法，對大中庭車站防火排煙系統(tǒng)、人員疏散設(shè)施等進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，提出了在站廳頂部設(shè)置大中庭專用排煙控制方式的可行方案。本文結(jié)合對中庭車站火災(zāi)時(shí)乘客的安全疏散模式研究，得出該類型車站防煙分區(qū)劃分原則及防排煙系統(tǒng)方案，并通三維仿真模擬驗(yàn)證了研究結(jié)果的可行性，對中庭車站的防災(zāi)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1 火災(zāi)危險(xiǎn)性與消防安全目標(biāo)的確定

1.1 火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

地鐵公共區(qū)主要作為人員為乘坐地鐵進(jìn)出的臨時(shí)過渡空間，空間內(nèi)部固定可燃物少，且規(guī)模較小，主要為自動(dòng)販賣機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)。但地鐵車站為人員密集的公共地下空間，發(fā)生火災(zāi)時(shí)乘客疏散路徑相對較少，煙氣影響程度更大，火災(zāi)危害性較大。

對于中庭車站，由于其中庭區(qū)域空間大，上下空間連通、空間功能復(fù)雜、乘客密度大等特點(diǎn)。火災(zāi)煙氣一旦進(jìn)入，煙氣將迅速擴(kuò)散，充滿整個(gè)公共區(qū)空間，加快火災(zāi)的擴(kuò)展，對乘客的安全疏散產(chǎn)生更為不利的影響，較標(biāo)準(zhǔn)車站火災(zāi)危害性更勝一籌。

1.2 站臺(tái)層安全疏散重難點(diǎn)分析

當(dāng)常規(guī)地下車站站臺(tái)或車站隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，列車上及站臺(tái)候車乘客6分鐘內(nèi)通過樓扶梯疏散至站廳公共區(qū)，并通過站廳公共區(qū)疏散至室外。火災(zāi)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)排煙系統(tǒng)，確保能在6 min內(nèi)控制火災(zāi)煙氣在起火樓層，不進(jìn)入安全區(qū)。同時(shí)疏散路徑內(nèi)煙氣層應(yīng)不沉降到保證疏散的清晰高度，并在疏散樓扶梯開口形成1.5 m/s的向下氣流，阻止煙氣向起火層以上樓層蔓延,乘客逃生迎著新風(fēng)向疏散。由于樓扶梯開口形成1.5 m/s的向下氣流，可有效保證煙氣不蔓延至站廳公共區(qū)。因此乘客進(jìn)入站廳后即進(jìn)入相對安全區(qū)，可從容疏散至室外。

對于中庭車站，車站內(nèi)部考慮進(jìn)行高大空間設(shè)計(jì)，將站臺(tái)與站廳公共區(qū)上下行樓扶梯開口進(jìn)行擴(kuò)大處理。在無任何措施的情況下，此擴(kuò)大孔洞無法保證火災(zāi)情況下站廳到站臺(tái)的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流［4，5］，影響開洞處樓扶梯火災(zāi)工況下的正常疏散，亦無法保證煙氣不蔓延至站廳公共區(qū)，確保站廳公共區(qū)成為安全區(qū)，保證乘客安全。因此將考慮適當(dāng)?shù)拇胧?，保證站臺(tái)層人員的安全疏散，減小站臺(tái)層火災(zāi)時(shí)煙氣對站廳公共區(qū)的影響。

1.3 疏散及防排煙策略分析

1.3.1 消防安全目標(biāo)的確定

消防安全評估的目的在于檢驗(yàn)建筑的消防設(shè)計(jì)，驗(yàn)證采用的設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施是否能防止火災(zāi)發(fā)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，通過適當(dāng)?shù)膱?bào)警系統(tǒng)及早發(fā)布火災(zāi)警報(bào)，有組織、有計(jì)劃地將建筑內(nèi)的人員疏散到安全區(qū)域。結(jié)合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50157-2013、《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》GB50490-2009和《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018的要求［4，5，6］，確定該中庭車站應(yīng)滿足以下消防安全目標(biāo)：

（1）站臺(tái)層起火時(shí)，站臺(tái)上的候車乘客和一列進(jìn)站列車所載乘客能夠在4 min以內(nèi)疏散離開站臺(tái)，并應(yīng)能在6 min內(nèi)全部疏散至安全區(qū)域。對于中庭車站而言，由于站廳與站臺(tái)連通，煙氣無法有效控制在站臺(tái)公共區(qū)內(nèi)，站廳公共區(qū)無法成為真正安全區(qū)，因此，此類型車站公共區(qū)應(yīng)為出入口。

（2）車站內(nèi)人員能夠在煙氣發(fā)展到人體耐受極限條件之前疏散至安全區(qū)域。

人員安全疏散時(shí)的耐受極限：熱煙層（最小清晰高度）的溫度不超過60 ℃，且能見度不小于10 m，CO濃度不超過500 ppm。

1.3.2 疏散及防排煙策略

根據(jù)安全目標(biāo)，中庭車站站臺(tái)火災(zāi)時(shí)，站臺(tái)乘客在6 min內(nèi)全部疏散至出入口［7］，疏散路徑上需將煙氣控制在乘客安全疏散的清晰高度之上。

此方案首先應(yīng)保證站臺(tái)樓扶梯的設(shè)置距離、站廳出入口與樓扶梯口距離滿足6 min疏散要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)公式2.3.2-1核算乘客疏散時(shí)間，保證站臺(tái)最不利點(diǎn)乘客在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)安全疏散。

式2.3.2-1

其中：Ts1：探測報(bào)警時(shí)間及人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間，按1 min考慮。

Ts2：疏散至樓扶梯入口時(shí)間。

LS2：站臺(tái)層最大疏散走行距離

V：人員平均水平走行速度，按66 m/min考慮；

TS3：乘客撤離站臺(tái)時(shí)間。

TS4：樓扶梯上平均滯留時(shí)間

LS4：站臺(tái)層內(nèi)樓扶梯有效長度

Vs：人員在樓扶梯上絕對運(yùn)動(dòng)速度，樓梯上行速度按37 m/min考慮；

TS5：站廳公共區(qū)內(nèi)樓扶梯口至出入口的疏散時(shí)間；

TS5=LS5/V

LS5：站廳公共區(qū)內(nèi)樓扶梯口至出入口水平距離

此方案除應(yīng)保證站臺(tái)樓扶梯的設(shè)置距離、出入口與樓扶梯口距離滿足疏散要求外，還應(yīng)充分考慮防排煙系統(tǒng)與擋煙垂壁的設(shè)置，以確保乘客疏散路徑安全。

2 防煙分區(qū)及防排煙方案

2.1 防煙分區(qū)劃分及防排煙系統(tǒng)設(shè)置

中庭區(qū)域應(yīng)劃分為一個(gè)獨(dú)立防煙分區(qū)，在站臺(tái)層孔洞兩側(cè)或中庭開口區(qū)域設(shè)置擋煙垂壁。以確?；馂?zāi)時(shí)煙氣盡量控制在中庭區(qū)域內(nèi)，而盡可能少的影響中庭范圍外的乘客疏散。

擋煙垂壁在吊頂上方應(yīng)密封到頂；吊頂下突出高度不小于0.5 m。通常來說站廳公共區(qū)吊頂高度為3～3.2 m，因此擋煙垂壁設(shè)置高度約為2.5～2.7 m。在站廳層孔洞兩側(cè)設(shè)置的擋煙垂壁，由于站廳站臺(tái)樓扶梯開口擴(kuò)大，為減小站臺(tái)層煙氣通過孔洞對兩側(cè)站廳公共區(qū)造成影響，應(yīng)適當(dāng)增加站廳層擋煙垂簾下垂高度，但其下緣距地面高度不應(yīng)小于2.3 m，下部具備人員疏散能力。

圖2.1.2-1 兩端設(shè)置擋煙垂壁示意圖

圖2.1.2-2 中庭四周設(shè)置擋煙垂壁示意圖

中庭上部設(shè)置排煙風(fēng)管及排煙口。當(dāng)中庭區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，中庭上部排煙系統(tǒng)開啟排煙，將煙氣控制在站廳公共區(qū)清晰高度以上，保證站臺(tái)乘客通過兩端樓扶梯及站廳疏散至出入口安全區(qū)。

2.2 排煙量計(jì)算

按照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017［6］中4.6.11對稱煙羽流質(zhì)量流量公式進(jìn)行計(jì)算。

Z>Z1時(shí)，

式2.2-1，其中，QC— 熱釋放速率的對流部分；

Z—燃料面到煙層底部的高度（m）；

Z1—火焰極限高度（m）；

Mp—煙羽流質(zhì)量流量（kg/s）。

3 示例及模擬計(jì)算驗(yàn)證

3.1 中庭車站概況

本項(xiàng)研究選取6節(jié)列車編組的地下二層中庭車站為火災(zāi)數(shù)值模擬對象。車站公共區(qū)長度116 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬17 m；站臺(tái)寬10 m，長度120 m。中庭開口長度68 m，寬度10 m。站臺(tái)兩端設(shè)置樓扶梯。車站共設(shè)置2個(gè)出入口，排煙系統(tǒng)設(shè)于中庭上部。

根據(jù)式2.3.2-1計(jì)算，得出本站站臺(tái)最不利點(diǎn)乘客疏散至出入口安全區(qū)的時(shí)間為：TS=5.34 min<6 min 。

圖3.1-1 中庭車站公共區(qū)建筑布局示意圖

排煙量根據(jù)式2.2-1及《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017附錄A換算為機(jī)械排煙量為56.73 m3/s（即204228 m3/h）。

由于乘客可在6分鐘內(nèi)安全疏散至出入口安全區(qū)，因此只需驗(yàn)證在乘客安全疏散的6分鐘內(nèi)，煙層不下降至影響乘客安

全疏散的清晰高度（2.5 m），即在清晰高度范圍內(nèi)，煙氣不發(fā)展至超過人體耐受極限條件。本文將采用三維模擬計(jì)算驗(yàn)證中庭車站站臺(tái)火災(zāi)時(shí)的煙氣發(fā)展過程。

3.2 模擬計(jì)算驗(yàn)證

圖3.2-1 中庭車站FDS三維模型

1）物理模型

在FDS軟件中按3.1節(jié)中庭車站建筑形式創(chuàng)建三維計(jì)算模型，如下圖所示。

2）火災(zāi)規(guī)模

車站火災(zāi)通常按行李火災(zāi)考慮，火災(zāi)規(guī)模約1.5 MW，考慮1.5倍的設(shè)計(jì)系數(shù)，因此計(jì)算的火災(zāi)規(guī)模約為2.25 MW。

3）計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解析

考慮到網(wǎng)格解析和計(jì)算機(jī)計(jì)算的速度，采用FDS中的Multi-blocking方法，即在流動(dòng)和熱交換迅速的區(qū)域采用局部網(wǎng)格加密。對著火區(qū)域、站臺(tái)、站廳等區(qū)域分別設(shè)置Mesh和網(wǎng)格解析大小。

4）計(jì)算結(jié)果分析

（1）中庭兩端設(shè)置擋煙垂壁方案火災(zāi)發(fā)生600 S時(shí)溫度、可見度及CO濃度分布情況。

圖3.2-3 中庭兩端設(shè)置擋煙垂壁可見度分布圖

圖3.2-4 中庭兩端設(shè)置擋煙垂壁CO濃度分布圖

圖3.2-5 中庭四周設(shè)置擋煙垂壁溫度分布圖

圖3.2-6 中庭四周設(shè)置擋煙垂壁可見度分布圖

圖3.2-7 中庭四周設(shè)置擋煙垂壁CO濃度分布圖

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果（圖3.2-2～7）可以得出以下結(jié)論：

圖3.2-2 中庭兩端設(shè)置擋煙垂壁溫度分布圖

（1）由于擋煙垂壁與排煙系統(tǒng)的作用，在600 s時(shí)間內(nèi)，中庭兩端或四周設(shè)置擋煙垂壁兩種方案均可有效將煙氣控制在中庭范圍內(nèi)。少量擴(kuò)散至站廳公共區(qū)的煙氣，基本不影響乘客疏散。

（2）在600 s時(shí)間內(nèi)，兩種方案乘客疏散路徑上的溫度未超過45 ℃，能見度也未受到顯著影響（大于10米），CO濃度可未超過500 PPM，均不影響乘客疏散。

（3）兩種防煙分區(qū)方案相較而言，中端兩端設(shè)置擋煙垂壁方案由于防煙分區(qū)內(nèi)煙氣擴(kuò)散范圍更大，漫延至防煙分區(qū)外的煙氣更少，控?zé)熜Ч谩?/p>

4 結(jié)論與建議

1）中庭車站火災(zāi)時(shí)通常將乘客疏散至出入口安全區(qū)內(nèi)，因此應(yīng)充分考慮乘客的走行距離、樓扶梯通行能力、樓扶梯的走向距離、出入口至樓梯口距離，以確保乘客在6 min能安全疏散至出入口安全區(qū)。

2）根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017中的計(jì)算方法，計(jì)算得出的排煙量，可確保中庭兩端或四周設(shè)置擋煙垂壁的兩種防煙分區(qū)方案均可有效將煙氣控制在中庭范圍內(nèi)。6分鐘內(nèi)，兩種方案煙氣均未下降至清晰高充范圍內(nèi)，乘客疏散路徑上的溫度未超過45 ℃，能見度與CO濃度亦均未超出人體耐受極限，均不影響乘客疏散。

3）中庭的建筑及裝修設(shè)計(jì)應(yīng)與安全疏散及防排煙方案緊密配合，以確保災(zāi)難時(shí)乘客的疏散安全、建筑功能及美觀的最優(yōu)組合。