蘇州市某高大空間地鐵車站防排煙系統(tǒng)方案研究

鄭進(jìn)龍

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州，510000）

當(dāng)前，許多城市軌道交通車站為融入城市空間和城市景觀，創(chuàng)造宜人的乘客空間，打造城市核心區(qū)特色車站，考慮高大空間無柱設(shè)計，增加車站空間的通透性，一改傳統(tǒng)兩層分隔、柱網(wǎng)緊湊、裝修空間低矮等毫無辨識度的封閉僵硬的空間視野。

近年來，北京、上海、廣州等城市軌道交通車站采用大空間設(shè)計方案的案例越來越多，對消防疏散、防排煙系統(tǒng)設(shè)計和火災(zāi)控制模式等重難點問題提出了不同的有效措施。廣州地鐵設(shè)計院的余玨，鄭進(jìn)龍［1］對中庭地下車站消防疏散策略、防煙分區(qū)設(shè)置方案及擋煙垂壁設(shè)置高度及防排煙系統(tǒng)設(shè)計原則進(jìn)行了深入研究，并采用三維模擬軟件驗證了原則的可行性。鐵四院李小坤［2］從防煙分區(qū)劃分、排煙系統(tǒng)設(shè)計和火災(zāi)工況運行控制三方面提出了簡化、優(yōu)化設(shè)計思路。上海城市建設(shè)設(shè)計院余斌、何利英［3］［4］對上海7號線、11號線的中庭車站的防火系統(tǒng)和火災(zāi)安全疏散分別進(jìn)行了性能化模擬分析，提出對中庭設(shè)置專用排煙系統(tǒng)和優(yōu)化疏散路徑的措施。中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院史聰靈、李建等人［5］針對中庭式地鐵車站及半中庭式地鐵車站分別提出了簡化的火災(zāi)控制策略，提高了系統(tǒng)可靠性。

本文針對蘇州市某高大空間地鐵車站的建筑及裝修風(fēng)格特點，提出了針對性的消防疏散和防排煙系統(tǒng)設(shè)計解決方案，并用火災(zāi)模擬軟件FDS進(jìn)行性能化分析，驗證了方案的可行性，對軌道交通地下車站高大空間消防設(shè)計具有較好的參考意義。

1 高大空間地鐵車站消防設(shè)計存在的問題

高大空間地鐵車站把傳統(tǒng)的兩處樓扶梯洞口聯(lián)通為一個擴大洞口，使得站廳站臺公共區(qū)上下貫通，形成視野開闊的超大空間。然而，由此導(dǎo)致站臺公共區(qū)消防疏散、大空間防排煙系統(tǒng)方案及火災(zāi)控制模式與傳統(tǒng)車站有很大的不同，同時也是需要解決的重難點問題。

1.1 滿足現(xiàn)行規(guī)范問題

《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018第8.2.4條第3小條規(guī)定：“地下站臺的排煙量還應(yīng)保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m?s-1的向下氣流”［6］。本站公共區(qū)樓扶梯洞口擴大為76 m×12m的大洞口，難于保證1.5m?s-1的向下氣流的要求，鑒于此，需要設(shè)計其他的安全疏散口來滿足規(guī)范要求。

1.2 防排煙系統(tǒng)排煙量計算問題

《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018 第8.2.4條第1小條規(guī)定：“排煙量因按各防煙分區(qū)的建筑 面 積 不 小 于60 m3? (m2? h)-1分 別 計 算”［6］。然而，對于本站高大空間四周不進(jìn)行防火分隔的情況，該條規(guī)范計算的排煙量偏小，按6 min疏散時間內(nèi)難以控制煙氣不外溢到其他防煙分區(qū)，從而影響乘客疏散安全。

1.3 火災(zāi)控制模式問題

高大空間車站防煙系統(tǒng)控制模式?jīng)Q定了火災(zāi)煙氣控制的有效性，尤其是站臺公共區(qū)火災(zāi)時在不開啟站門的情況下如何迅速排除煙氣，控制清晰高度，避免影響乘客安全疏散，是需要本文需解決的一個重點問題。

基于上述高大空間車站三方面的重難點問題，作者提出對應(yīng)的解決方案。

2 高大空間車站概況

本站為地下兩層12m站臺島式車站，總建筑面積為15689.69m2，設(shè)4個出入口和2組風(fēng)亭。

車站位于蘇州市工業(yè)園區(qū)商業(yè)核心區(qū)，緊鄰金雞湖及摩天輪景區(qū)，為融入周邊城市空間和城市景觀，并創(chuàng)造宜人的乘客空間，同時作為工業(yè)園區(qū)段核心區(qū)的特色車站，車站內(nèi)部進(jìn)行高大空間設(shè)計，即將站臺與站廳公共區(qū)上下行樓扶梯開口進(jìn)行擴大處理，洞口尺寸為76 m×12 m，站臺板至頂板高度為12.1m，在洞口范圍形成廳臺連通的高大空間。

圖1 站廳層公共區(qū)洞口范圍

圖2 站臺層公共區(qū)洞口范圍

圖3 公共區(qū)高大空間橫剖面圖

3 防排煙系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 站臺公共區(qū)消防疏散設(shè)計

由于本站高大空間洞口擴大，在無任何措施的情況下無法保證站廳到站臺的樓扶梯口處具有不小于1.5 m?s-1的向下氣流，站臺到站廳的樓扶梯處無法滿足火災(zāi)工況下人員安全疏散要求。洞口處樓扶梯疏散安全確實存在一定的風(fēng)險性，因此在站臺兩側(cè)另行設(shè)置滿足要求的封閉樓梯間進(jìn)行疏散，且其設(shè)置位置滿足站臺內(nèi)任一點到樓梯口距離不大于50 m。站臺層封閉樓梯間布置及地鐵車站人員疏散流線如圖4所示。

圖4 站臺公共區(qū)疏散封閉樓梯間及疏散流線

為避免站臺層煙氣進(jìn)入封閉樓梯間，在樓梯間內(nèi)按規(guī)范要求設(shè)置機械加壓送風(fēng)系統(tǒng)。由于場地位置限制，兩側(cè)設(shè)置的封閉樓梯未直通室外，其固定窗無法靠外墻設(shè)置，考慮到固定窗的設(shè)置目的是保障救援人員生命安全，及時排除樓梯間內(nèi)火災(zāi)煙氣及熱量，一般在火災(zāi)發(fā)生的后期破拆，因此固定窗的破拆不會明顯影響站廳內(nèi)人員的安全疏散。鑒于此情況，可在站廳層疏散樓梯間防火門上方設(shè)置固定窗，面積不小于1 m2。

3.2 防煙分區(qū)及擋煙垂壁設(shè)計

本站公共區(qū)內(nèi)每個防煙分區(qū)面積不應(yīng)超過2000 m2，車站管理和設(shè)備用房區(qū)的防煙分區(qū)面積按不超過750 m2劃分。站臺、站廳連通處的高大空間劃分為一個防煙分區(qū)（編號：防煙分區(qū)5），面積約1950 m2，空間高度12.1 m；站廳層公共區(qū)其余位置空間凈高6.6 m，設(shè)置2個防煙分區(qū)，左側(cè)防煙分區(qū)1 面積約580 m2，右側(cè)防煙分區(qū)2面積約 400 m2。站臺公共區(qū)其余位置空間高度4.75 m，劃分為2個防煙分區(qū)，左側(cè)防煙分區(qū)3面積約115 m2，右側(cè)防煙分區(qū)4 面積約150 m2，如圖5所示。

圖5-1 站廳層公共區(qū)防煙分區(qū)示意圖

圖5-2 站臺層公共區(qū)防煙分區(qū)示意圖

公共區(qū)采用格柵鏤空吊頂，開孔率不低于50 %。站廳層凈高6.6 m，站廳擋煙垂壁在吊頂內(nèi)高度為3 m；站臺層凈高4.75 m，站臺擋煙垂壁在吊頂內(nèi)高度為1.75 m，擋煙垂壁在吊頂上方應(yīng)密封到頂。擋煙垂壁采用燃燒性能為A 級且耐火極限不低于0.5 h 的材料。

3.3 排煙量計算

鑒于本站高大空間的特殊性，公共區(qū)各防煙分區(qū)排煙系統(tǒng)排煙量按《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51251-2017 第4.6.3條計算［7］。

（1）大空間排煙量

防煙分區(qū)5為上下聯(lián)通的高大空間，排煙系統(tǒng)排煙量按空間凈高大于6 m 的無噴淋場所計算排煙量，計算排煙量為28×104 m3?h-1，設(shè)計排煙量為30×104 m3?h-1。

（2）站臺排煙量

站臺兩端層高小于6 m，單個防煙分區(qū)設(shè)計排煙量為1.5×104 m3?h-1，同時考慮將軌行區(qū)TEF 系統(tǒng)引入站臺兩端防煙分區(qū)內(nèi)，減少站臺端部火災(zāi)時煙氣向大空間蔓延的可能性，單臺TEF 風(fēng)機風(fēng)量14.4×104 m3?h-1，站臺每端各引入一臺TEF 風(fēng)機輔助排煙。

（3）站廳排煙量

站廳兩端層高大于6 m，單個防煙分區(qū)設(shè)計排煙量為16.5×104 m3?h-1。

3.4 火災(zāi)控制模式

《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51251-2017 第5.2.4條要求［7］火災(zāi)時只對著火防煙分區(qū)進(jìn)行排煙。由此，本站各防煙分區(qū)火災(zāi)時控制模式如下表所示。

4 火災(zāi)模擬論證

4.1 消防安全性指標(biāo)

（1）參照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51251-2017 第4.6.9條規(guī)定［8］，走道、室內(nèi)空間凈高不大于3 m 的區(qū)域，其最小清晰高度不宜小于其凈高的1/2，其他區(qū)域的最小清晰高度計算公式為：

式中，Hq— 最小清晰高度（m）；H—取排煙空間的建筑凈高度（m）。

因此，防煙分區(qū)1和2最小清晰高度為2.26 m，防煙分區(qū)3和4最小清晰高度為2.075 m，防煙分區(qū)5的最小清晰高度為3.01 m。

（2）熱煙層距地板高度小于2 m（或最小清晰高度以下時），則熱煙層的溫度不超過60 ℃，且能見度不小于10 m。

（3）熱煙層距地板高度小于2 m（或最小清晰高度以下時），CO2濃度不得超過1 %（體積百分比），CO 濃度不超過500 ppm。

（4）熱煙層距地板高度大于2 m（或最小清晰高度以上時），熱煙層的溫度不超過180 ℃。

（5）站臺層起火時，站臺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，并應(yīng)能在6 min 內(nèi)全部疏散至站廳公共區(qū)或其他安全區(qū)域。

4.2 火災(zāi)分析模擬條件設(shè)定

為了客觀的對建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙氣的蔓延特性和人員疏散情況進(jìn)行定量分析。

本文采用火災(zāi)分析模擬軟件FDS模擬計算表1中的3個場景的火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延特性，從而驗證本站防排煙系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性。

表1 各防煙分區(qū)火災(zāi)時控制模式

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（1）FDS簡介

FDS（Fire Dynamics Simulator）計算時將模型空間劃分成許多微元控制體（可能有成千上萬個），以微元控制體為基本單位，假設(shè)每個微元控制體內(nèi)各種物理量（溫度、壓力、速度、密度等）的值是同一的，它們只隨時間而變化。模擬計算精度主要與微元控制體的數(shù)量有關(guān)，而微元控制體的數(shù)量又主要受計算機能力的限制。FDS以N-S方程為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值求解，給出溫度、壓力、速度、密度、熱釋放速率、煙霧組分等的分布場。

（2）火災(zāi)增長速率及規(guī)模

按照應(yīng)急管理部四川消防研究所的《地鐵火災(zāi)場景特性研究》結(jié)果，站廳公共區(qū)最不利火災(zāi)場景為自動售檢票設(shè)備火災(zāi)，熱釋放速率峰值為3 MW。

站臺公共區(qū)最不利火災(zāi)場景為行李火災(zāi)，熱釋放速率峰值為1.5 MW。

車站軌行區(qū)最不利火災(zāi)場景為列車火災(zāi)，熱釋放速率峰值為10.5 MW。

《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51251-2017第4.6.10條［8］定 義了四種標(biāo)準(zhǔn)t2火災(zāi)，即慢速火、中等火、快速火和超快速火的火災(zāi)增長系數(shù)。本文模擬計算時，火災(zāi)增長速率均保守按照快速火考慮，火災(zāi)增長系數(shù)為0.044 kW?（s2）-1。

4.3 火災(zāi)分析模擬結(jié)果

（1）站廳公共區(qū)火災(zāi)模擬結(jié)果

火源為站廳公共區(qū)防煙分區(qū)1或2的自動售檢票設(shè)備，火災(zāi)增長速率為0.044 kW?（s2）-1，火災(zāi)規(guī)模為3 MW。開啟站廳防煙分區(qū)1或2排煙系統(tǒng)，結(jié)果如下：

1）煙氣溫度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站廳內(nèi)上層煙氣溫度為41 ℃，下層煙氣溫度達(dá)到36 ℃。

2）CO2濃度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站廳地面最小清晰高度處CO2濃度為 0.08 %。

3）CO 濃度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站廳地面最小清晰高度處CO濃度為95 ppm。

4）能見度的模擬結(jié)果：模擬至（1800 s）時，站廳地面最小清晰高度處能見度降到20 m，未沉降到10 m。

5）從火災(zāi)發(fā)生到人員疏散到安全地點所用時間為73 s。

上述模擬結(jié)果均滿足4.1節(jié)消防安全指標(biāo)要求，說明站廳防煙分區(qū)1和2的防煙系統(tǒng)方案合理可行。

（2）站臺兩側(cè)公共區(qū)火災(zāi)模擬結(jié)果

火源為站臺公共區(qū)防煙分區(qū)3或4的行李，火災(zāi) 增 長 速 率 為0.044 kW?（s2）-1，火 災(zāi) 規(guī) 模 為1.5 MW。開啟站臺防煙分區(qū)3或4排煙系統(tǒng)和對應(yīng)的TEF輔助排煙，防止煙氣蔓延至高大空間區(qū)域，結(jié)果如下：

1）煙氣溫度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站臺內(nèi)上層煙氣溫度為40 ℃，下層煙氣溫度達(dá)到32 ℃。

2）CO2濃度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站臺地面最小清晰高度處CO2濃度為0.09 %，站廳層未受影響。

3）CO濃度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站臺地面最小清晰高度處CO濃度為60 ppm，站廳層未受影響。

4）能見度的模擬結(jié)果：模擬至（1800 s）時，站臺地面最小清晰高度處能見度降到30 m，站廳層未受影響。

5）從火災(zāi)發(fā)生到站臺人員疏散到安全地點所用時間為248 s。

上述模擬結(jié)果均滿足4.1節(jié)消防安全指標(biāo)要求，說明站臺防煙分區(qū)3和4的防煙系統(tǒng)方案合理可行。

（3）站臺高大空間公共區(qū)火災(zāi)模擬結(jié)果

火源為高大空間防煙分區(qū)5的行李，火災(zāi)增長速率為0.044 kW?（s2）-1，火災(zāi)規(guī)模為1.5 MW。開啟站臺防煙分區(qū)5的排煙系統(tǒng)，結(jié)果如下：

1）煙氣溫度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站廳內(nèi)上層煙氣溫度為35 ℃，下層煙氣溫度達(dá)到30 ℃。

2）CO2濃度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站臺地面最小清晰高度處CO2濃度為0.12 %，站廳地面最小清晰高度處CO2濃度為0.12 %。

3）CO濃度的模擬結(jié)果：模擬結(jié)束（1800 s）時，站臺地面最小清晰高度處CO濃度為91 ppm，站廳地面最小清晰高度處CO濃度為86 ppm。

4）能見度的模擬結(jié)果：模擬至（1800 s）時，站廳地面最小清晰高度處能見度降到20 m，未沉降到10 m。

5）從火災(zāi)發(fā)生到站臺人員疏散到安全地點所用時間為229 s。

上述模擬結(jié)果均滿足4.1節(jié)消防安全指標(biāo)要求，說明站臺防煙分區(qū)5的防煙系統(tǒng)方案合理可行。

5 結(jié)論與建議

本站采用高大空間建筑設(shè)計方案，對其消防疏散和防排煙系統(tǒng)設(shè)計重難點問題，提出了針對性的解決方案，經(jīng)火災(zāi)模擬驗證，設(shè)計方案合理可行，具體結(jié)論如下：

（1）站臺公共區(qū)火災(zāi)時，通過設(shè)置在站臺兩側(cè)的專用消防疏散封閉樓梯間，站臺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，并能在6 min 內(nèi)全部疏散至站廳公共區(qū)或其他安全區(qū)域。

（2）站廳層火災(zāi)時，火災(zāi)初期及一定時間內(nèi)，站廳層煙氣可以控制在站廳層，未沉降到站臺層，隨著時間的增加，站廳層有少量煙氣沉降到站臺層，但車站內(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。

（3）站臺層起火時，煙氣會沿中部擴大孔洞上升到站廳層，站廳層排煙系統(tǒng)動作，可以保證車站內(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，達(dá)到了設(shè)定的消防安全設(shè)計目標(biāo)。

本文為高大空間地下車站的消防設(shè)計提供了實例借鑒。但為更好踐行“以防為主，防消結(jié)合”的消防設(shè)計原則，建議加強消防系統(tǒng)日常管理、維護和嚴(yán)禁危險品進(jìn)入車站，同時制定多項應(yīng)急預(yù)案并展開火災(zāi)應(yīng)急演練，時刻警惕火災(zāi)的發(fā)生。