基于火災模擬器FDS的沿海某地鐵換乘站消防安全性探討

針對我國沿海某地鐵換乘站共用站廳防火分區(qū)面積超大的問題，從防火分隔、消防救援、人員疏散和可燃物控制等四個方面提出了相應的消防設計安全策略。通過FDS和STEPS進行地鐵火災煙氣模擬和人員疏散計算，結(jié)合ASET和RSET的消防安全評估防范，對其消防安全性進行了驗證并提出了相應的地鐵車站消防安全加強措施。

地鐵站； FDS； 消防安全； 數(shù)值模擬

TU998.12A

［定稿日期］2022-12-27

［作者簡介］吳林峰（1986—），男，本科，工程師，主要從事建筑防火、防排煙技術(shù)和人員疏散研究工作。

0 引言

隨著城市地鐵線路的增加，多線換成的地鐵站的出現(xiàn)不僅可以提供乘客更多的選擇線路，還可以擴大地鐵的運輸輻射范圍，形成多線路交叉的網(wǎng)狀地鐵布局，為市民出現(xiàn)提供交通便利。但地鐵站因人員密度較高，部分換乘站愈發(fā)大型和復雜，其地鐵建筑的消防安全性存在一定風險。

針對地鐵的消防安全性，國內(nèi)外相關學者開展了系列研究。Sajid等［1］學者利用FDS進行地鐵火災風險研究，研究表明受火場毒性氣體和溫度的影響，當疏散時間超過200s時最高死亡率為6.2%。Zhang等［2］基于地鐵起火的研究背景提出了ASET/RSET的安全評估方法，并開展了大量的數(shù)值模擬驗證。謝元一等［3］針對換乘站地鐵防火分區(qū)面積超過規(guī)范進行了計算機模擬，研究表明在防火卷簾有效的前提下，通過防火分隔的方式能夠提升地鐵換乘站的消防安全性。韓國中央大學利用Fire Dynamics Simulator（FDS）對地鐵車站的煙氣擴散規(guī)律進行了系列研究，并考慮了煙氣對疏散人員安全性的影響［4］。

筆者針對我國沿海某地鐵換乘站提出消防安全策略，利用火災模擬器進行數(shù)值模擬分析，并結(jié)合ASET/RSET安全評估方法進行驗證，判斷大型換成地鐵站的消防安全性。

1 工程概況

沿海某車站為A地鐵線和B地鐵線換乘站，地下3層島式站臺車站，總建筑面積24 146 m2，附屬建筑面積8 669 m2，標準段寬為23.5 m，車站外包長度為214 m。耐火等級均為一級，共分成11個防火分區(qū)，最大防火分區(qū)9 483.5 m2，最小防火分區(qū)106。車站共設置4個出入口、2組風亭及2個安全出口，風亭均為低風亭組。如圖1所示。

2 消防設計難點

GB 51298-2018《地鐵設計防火標準》第4.2.1條規(guī)定：“站臺和站廳公共區(qū)可劃分為同一防火分區(qū)，站廳公共區(qū)的建筑面積不宜大于5 000 m2?！逼錀l文解釋中規(guī)定：“兼顧換乘車站設計及火災安全性要求，提出站廳公共區(qū)的建筑面積不宜大于5 000 m2，當站廳公共區(qū)面積超過5 000 m2時需采取防火分隔措施?！痹撥囌菊緩d公共區(qū)面積為9 483.5 m2，因功能需要難以再進行防火分隔，未能達到標準的相關要求。

3 消防安全分析方法

為保障沿海某地鐵換乘站的建筑消防安全性，筆者利用FDS和STEPS開展定性消防安全評價分析，并從防火分隔、人員疏散、可燃物控制、消防救援等多個方面對此車站的消防設計提出加強措施。結(jié)合規(guī)范條文要求，對此車站防火設計安全性進行論述，并分析其消防設計情況（圖2）。

仿真模擬的目的在于驗證現(xiàn)有消防設計方案的合理性。其最重要的安全判據(jù)是火災發(fā)生時，火災發(fā)展到對人構(gòu)成危險所需要的時間（ASET）必需大于人員疏散到安全區(qū)域所需要的時間（RSET），該研究方法能夠定量分析建筑的消防安全性［5］。通過設定疏散人數(shù)和疏散行動參數(shù)，結(jié)合不利起火位置對人員安全疏散的影響，對人員疏散行動過程進行模擬，并與煙流量化分析結(jié)果對比確定，分析人員疏散是否能夠滿足設定的消防安全目標，是否能夠?qū)崿F(xiàn)人員安全疏散。

3.1 防火分隔

此站站廳公共區(qū)面積較大，最大防火分區(qū)面積達到9 483.5 m2。A線與B線站廳采用防火卷簾進行物理分隔。卷簾總長度較大，因此對卷簾的有效動作和相關防火分隔設計提出了相關優(yōu)化和加強。

首先要求采用雙軌雙簾特級防火卷簾，除消防電源外，應為防火卷簾提供備用電源供電保障；防火卷簾下方及兩側(cè)各1 m范圍內(nèi)，不得擺放影響防火卷簾下落的物品；應嚴格按照相關規(guī)定對防火卷簾進行維護。為避免火災時人員恐慌，卷簾突然下降導致疏散路徑不暢，要求火災狀態(tài)下防火卷簾采用兩步降控制方式。感煙火災探測器報警時至距樓板面1.8 m，專用感溫火災探測器報警時降至地面；下降至地面的動作信號應反饋至消防聯(lián)動控制器。防火卷簾監(jiān)控線路應接入A、B線消防控制室，卷簾兩側(cè)任一站廳發(fā)生火災時，兩邊車站應均能控制卷簾降落?？紤]到本站規(guī)模大且客流復雜，為了減小站臺至站廳各樓扶梯的開口面積，增大樓扶梯下行風速，防止煙氣進入，保證樓扶梯的疏散安全性，要求站臺公共區(qū)通往站廳公共區(qū)的樓扶梯兩側(cè)應設置耐火完整性不小于1 h的防火玻璃，背面應設置耐火極限不低于2 h的實體墻+甲級防火門分隔，正面出入口處應設置擋煙垂壁，擋煙垂壁的高度應凸出吊頂不小于500 mm。站廳層通向地面的疏散樓扶梯及站臺其他疏散樓梯應采用耐火極限不低于2 h的實體墻與周圍空間分隔，用于疏散的樓梯或扶梯入口處應設置凸出吊頂不小于500 mm的擋煙垂壁。

3.2 人員疏散

疏散設計應滿足規(guī)范要求，最大疏散距離不應大于50 m。站廳公共區(qū)發(fā)生火災時，打開所有自動檢票口和所有欄柵門，通過應急廣播、電視監(jiān)控和站務人員引導站廳層的人員疏散至地面安全區(qū)域，同時阻擋地面乘客不再進入地鐵，已進入的即刻返回。處于上一站和本站區(qū)間隧道內(nèi)的地鐵列車本站不?？浚秸拘旭?。

3.3 可燃物控制

控制車站內(nèi)可燃物數(shù)量，降低車站的火災危險性，是保證車站消防安全性的根本。因此在車站內(nèi)可燃物的等級、數(shù)量及相關安全管理方式提出了措施。應加強車站內(nèi)的消防安檢，禁止地鐵乘客攜帶易燃易爆物品進入車站內(nèi)，從源頭降低車站內(nèi)發(fā)生火災的概率。布置在車站的非消防供電線路均要求使用低煙無鹵阻燃型電纜。車站公共區(qū)的頂棚、墻面、地面的裝飾裝修材料燃燒性能等級應為A級，其它部位裝飾裝修材料燃燒性能等級不應低于B1級。車站公共區(qū)內(nèi)的廣告燈箱、休息椅、垃圾桶以及安檢設備、售（檢）票機等自助終端設備的外殼的燃燒性能等級應為A級。地下車站的站臺、站廳付費區(qū)及非付費區(qū)的疏散區(qū)和通道內(nèi)不得設置商業(yè)設施。

3.4 消防救援

地鐵車站屬于人員密集場所，當發(fā)生火災時，車站員工應按照應急預案指揮、協(xié)助、引導乘客疏散，并展開初期滅火行動?？紤]到防火卷簾進行分割的有效性，要求車站控制中心應具有全線消防救援、調(diào)度指揮和與上一級防災指揮中心聯(lián)網(wǎng)的功能，保障車站發(fā)生火災時，能夠準確的向相關部門傳達車站信息。消防控制室與控制中心建筑的監(jiān)控室合設，視頻采集系統(tǒng)作為輔助火災報警設施。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

研究采用FDS火災模擬器進行煙氣蔓延特性研究，F(xiàn)DS模擬參數(shù)設置包括環(huán)境情況、模型、開口情況、壁面條件和模擬時間。假設計算區(qū)域內(nèi)外溫度均為25 ℃，壓力為101 325 Pa（1個標準大氣壓）。模型按照實際尺寸建立，湍流模型為大渦模型，燃燒模型為混合分數(shù)模型。除此之外還采用STEPS人員疏散軟件模擬人員疏散行動時間。相關計算機數(shù)據(jù)建立1∶1三維計算模型（圖3）。

4.2 場景及參數(shù)設置

考慮到火災工況下防火分隔卷簾的出現(xiàn)的情況，設置了2個火災場景和2個疏散場景?；馂膱鼍敖Y(jié)合工程實際情況，分別考慮了防火卷簾未能正常動作的最不利情況，并參照GB 51251-2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》的要求設置火災規(guī)模參數(shù)；考慮到此站體量較大，疏散人數(shù)較多，故對其安全性的模擬時間確定為30 min，即1 800 s（表1）。

采用STEPS人員疏散模型對該站進行整體疏散模擬。對應相應的火災場景共設置了多個疏散場景，如表2所示。

4.3 煙氣模擬結(jié)果

煙氣模擬結(jié)果及相關數(shù)據(jù)具體如圖4所示。

A場景模擬過程中，煙氣溫度的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（383 s）時，上層煙氣溫度達到44 ℃左右，下層煙氣溫度達到28 ℃左右，模擬結(jié)束（1 800 s）時，上層煙氣溫度達到64" ℃左右，下層煙氣溫度達到37 ℃左右。

CO2體積分數(shù)的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（383 s）時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO2體積分數(shù)達到0.04%，模擬到1 800 s時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO2體積分數(shù)達到0.26%。CO體積分數(shù)的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（383 s）時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO體積分數(shù)達到4×10-6，模擬到1 800 s時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO體積分數(shù)達到14×10-6。

能見度的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（383 s）時，距離站廳層地面上方2.0 m處的能見度達到29 m，模擬到700 s時，距離站廳層出入口附近的地面上方2.0 m處的能見度下降到10 m。

B場景模擬過程中， 煙氣溫度的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（390 s）時，上層煙氣溫度達到34 ℃左右，下層煙氣溫度達到26 ℃左右，模擬結(jié)束（1 800 s）時，上層煙氣溫度達到44 ℃左右，下層煙氣溫度達到32 ℃左右。CO2體積分數(shù)的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（390 s）時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO2體積分數(shù)達到0.03%，模擬到1 800 s時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO2體積分數(shù)達到0.1%。CO體積分數(shù)的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（390 s）時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO體積分數(shù)達到10×10-6，模擬到1 800 s時，距離站廳層地面上方2.0 m處的CO體積分數(shù)達到30×10-6。

能見度的模擬結(jié)果：疏散結(jié)束（390 s）時，距離站廳層地面上方2.0 m處的能見度達到29 m，模擬到960 s時，距離站廳層出入口附近的地面上方2.0 m處的能見度下降到10 m。

4.4 疏散模擬結(jié)果

參照火災模擬的工況設置了2個對等的疏散模擬場景，疏散時間REST計算方法如式（1）所示。

REST= Td+Tpre+k×Tt（1）

式中：Td為報警探測時間（s）；Tpre為疏散預動作時間（s）；Tt為疏散行動時間（s）；K為安全系數(shù)，通常為1.2～1.5。

利用STEPS模擬計算出2個疏散工況的整體疏散時間分別為383 s和390 s，各參數(shù)詳見表3。

4.5 消防安全定性分析

通過FDS軟件進行地鐵站煙氣流動模擬并結(jié)合STEPS人員疏散的計算數(shù)據(jù)，利用ASET/RSET消防安全定性分析進行綜合判斷。通過模擬得出，在站廳層發(fā)生火災時，在防排煙系統(tǒng)均有效的情況下，火災場景A的安全余量有317 s，火場場景B的安全余量有570 s。因此在保障地鐵防火分隔、人員疏散、可燃物控制、消防救援等多方面的安全措施可靠的前提下，沿海某換乘地鐵站的消防安全性能夠得到保障（表4）。

5 結(jié)論

結(jié)合消防性能化解決方案和數(shù)值模擬分析結(jié)果，現(xiàn)消防安全設計可行，能夠保證人員安全疏散。但在日常運營中要加強管理，嚴格控制火災荷載，同時應確保各疏散門、疏散通道和安全出口的暢通，加強消防設施設備的維護保養(yǎng)，確保消防設施設備的功能完整性。日常運營管理中應重點加強防排煙系統(tǒng)的保養(yǎng)和維護；并建議在后期運營中制定相關應急預案，站廳火災時站臺人員考慮通過地鐵列車輔助疏散。

參考文獻

［1］ Sajid Z， Yang Y， You P， et al. An explorative methodology to assess the risk of fire and human fatalities in a subway station using fire dynamics simulator （FDS）［J］. Fire， 2022， 5（3）： 69.

［2］ Zhang L， Wu X， Liu M， et al. Discovering worst fire scenarios in subway stations： A simulation approach［J］. Automation in Construction， 2019（99）： 183-196.

［3］ 謝元一， 柴家遠， 黃曉露，等. 地鐵換乘車站共用站廳防火控制數(shù)值模擬［J］. 消防科學與技術(shù)， 2017（9）.

［4］ Roh J S， Ryou H S， Park W H， et al. CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2009， 24（4）： 447-453.

［5］ Purser D A. ASET and RSET： addressing some issues in relation to occupant behaviour and tenability［J］. Fire Safety Science， 2003（7）： 91-102.