地鐵站廳至站臺(tái)樓梯口風(fēng)速對(duì)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響

摘 要：地鐵車(chē)站站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)，連接站廳與站臺(tái)的樓梯口保持一定風(fēng)速，可阻擋煙氣向站廳蔓延并為人員疏散提供誘導(dǎo)氣流。為研究樓梯口風(fēng)速對(duì)車(chē)站火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，試驗(yàn)對(duì)不同排煙模式下樓梯口風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，建立數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：火災(zāi)場(chǎng)景下樓梯口風(fēng)速大于無(wú)火源場(chǎng)景下風(fēng)速，因此常規(guī)樓梯口風(fēng)速校核設(shè)計(jì)方法由于沒(méi)考慮真實(shí)火災(zāi)情況下各種因素的復(fù)雜作用，需進(jìn)一步改進(jìn)；樓梯口附近起火，煙氣易從擋煙垂壁溢出向站廳層蔓延，站臺(tái)火災(zāi)時(shí)站廳層為送風(fēng)狀態(tài)，存在溢出煙氣時(shí)站廳層煙濃度可增至大于站臺(tái)層；站臺(tái)公共區(qū)著火，增開(kāi)隧道風(fēng)機(jī)，能夠增加樓梯口風(fēng)速，但由于對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，破壞了煙氣分層，使煙氣充填區(qū)域增大，因此，防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中科學(xué)組織煙氣流動(dòng)、合理控制煙氣運(yùn)動(dòng)路徑與控制排煙量同等重要。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)煙氣控制；FDS；樓梯口風(fēng)速；地鐵車(chē)站

中圖分類(lèi)號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2012）02-0105-05

Analysis of Fire Smoke Movement with Different Air Velocity at the Stair head to the Hall of a Metro Station

YAN Shu-xia，WU Xi-ping

(Collge of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P.R. China)

Abstract:When a fire happens at the subway platform， the downward ventilation at the staircase which connects the hall and platform can prevent smoke spreading into the hall and provides guiding air for evacuation people. To investigate the influence of the ventilation rate on the smoke movement， the air velocity at the staircase was measured under three ventilation modes. Numerical model was established to simulate the real fire scenario. It is shown that the downward air velocity under fire is greater than that without fire， and the traditional design procedure without considering complex factors interaction in real fire scenario should be improved; when fire is near the staircase， smoke easily spills from the smoke screen to the concourse. And smoke concentration of concourse is even higher than that of platform because the hall is under air supply mode; when the fire locates at the public area of the platform， turning on the tunnel fans can increase the downside flow at the staircase. However exceeding high flow can produce disturbance and destroy the smoke stratification， so more area will be filled with smoke. Therefore， reasonable smoke management scheme is as important as smoke exhausting system capability.

Key words:fire smoke control; FDS; air velocity at the stairhead; metro stations



《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2003)［1］19.1.39條規(guī)定：當(dāng)車(chē)站站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證站廳到站臺(tái)的樓梯和扶梯口處具有不小于1.5 m/s的向下氣流。在《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50045—95）8.3.2［2］條和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2006）9.3.2［3］條有類(lèi)似的規(guī)定：防煙樓梯間門(mén)開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)門(mén)的風(fēng)速不應(yīng)小于0.70 m/s。地鐵規(guī)范正是借鑒于地面建筑相關(guān)規(guī)范，出發(fā)點(diǎn)是利用氣流阻擋火災(zāi)煙氣從站臺(tái)向站廳蔓延，為人們安全疏散提供無(wú)煙通道。由于地鐵車(chē)站作為地下建筑，不同于地面建筑的水平方向防煙，進(jìn)行的是垂直方向防煙，而有效防煙的氣流速度與煙氣流動(dòng)特性有關(guān)。因此，對(duì)向下氣流防煙作用有效性進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式具有一定意義。

樓梯口風(fēng)速對(duì)煙氣控制效果的影響因素較復(fù)雜。顧正洪等［4］通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究得出樓梯口臨界風(fēng)速與火災(zāi)負(fù)荷和樓梯口寬度成正比，與樓梯口處擋煙垂壁高度成反比。閻麗萍和施明恒［5］采用CFD方法，對(duì)采用不同樓梯結(jié)構(gòu)的站臺(tái)層煙氣擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，比較樓梯結(jié)構(gòu)對(duì)防排煙模式的影響。結(jié)果表明：擋煙垂壁和樓梯口向下氣流使得火災(zāi)時(shí)防煙分區(qū)效果較為明顯，對(duì)煙氣在整個(gè)站臺(tái)層內(nèi)的擴(kuò)散起到了很好的阻礙作用。針對(duì)增加樓梯口處風(fēng)速的措施，羅艷萍等［6］提出綜合利用車(chē)站所安裝的風(fēng)機(jī)設(shè)備協(xié)助排煙的策略，不同排煙模式下煙霧彈對(duì)比試驗(yàn)表明采用系統(tǒng)綜合協(xié)助排煙模式較僅靠車(chē)站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排煙，所需排煙時(shí)間短，可有效控制煙氣蔓延。

根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)證明，煙氣沿樓梯、豎向管井的垂直擴(kuò)散速度為3~4 m/s［7］，防止煙氣向上蔓延的理論風(fēng)速比規(guī)范要求的1.5 m/s高，文獻(xiàn)［8］指出當(dāng)車(chē)站站臺(tái)著火時(shí)，站廳流向站臺(tái)的氣流速度應(yīng)大于3 m/s［8］。過(guò)強(qiáng)的氣流是否會(huì)造成煙氣分層的破壞需要研究論證，同時(shí)由于煙氣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，樓梯口結(jié)構(gòu)、形式、建筑幾何尺寸對(duì)煙氣的蔓延都有一定影響，從而樓梯口所需的向下氣流速度有差異。本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析影響樓梯口風(fēng)速的因素，采用FDS［9-11］火災(zāi)模擬軟件，研究不同樓梯口風(fēng)速下的煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定地鐵車(chē)站站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)合理的防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式。

1 樓梯口風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

樓梯口風(fēng)速一方面與參與運(yùn)行的風(fēng)機(jī)容量有關(guān)，另一方面與屏蔽門(mén)開(kāi)啟和防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式有關(guān)。出于正常通風(fēng)，事故/火災(zāi)通風(fēng)等功能的需要，地鐵車(chē)站內(nèi)設(shè)置通風(fēng)及排煙系統(tǒng)，以上海軌道交通一號(hào)線某車(chē)站為例，主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

地鐵車(chē)站站臺(tái)公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，站臺(tái)排煙，站廳送風(fēng)，可選擇的運(yùn)行方式如表2所示：

其中，模式1是設(shè)計(jì)模式，模式2、模式3是可采取的增大排煙量的運(yùn)行模式。很明顯運(yùn)行模式的不同將影響到站廳到站臺(tái)樓梯口風(fēng)速的大小。試驗(yàn)在表2中的3種模式下，采用SQF多點(diǎn)數(shù)字熱線風(fēng)速儀每10 s記錄1次站廳至站臺(tái)向下氣流風(fēng)速值，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)平面布置圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

模式1、模式2順序運(yùn)行，樓梯口風(fēng)速測(cè)量結(jié)果如圖2所示。首先運(yùn)行模式1，只開(kāi)啟公共區(qū)相關(guān)設(shè)備，站廳至站臺(tái)樓梯口處平均風(fēng)速0.25 m/s，加開(kāi)站臺(tái)隧道上排熱風(fēng)機(jī)，站廳至站臺(tái)樓梯口處平均風(fēng)速達(dá)到0.73 m/s。模式1、2只開(kāi)啟了站臺(tái)一端的相關(guān)設(shè)備，開(kāi)啟兩端設(shè)備風(fēng)速理論上是圖中值的2倍。因此站臺(tái)公共區(qū)著火，只開(kāi)啟站臺(tái)排風(fēng)和站廳送風(fēng)無(wú)法滿(mǎn)足地鐵規(guī)范要求的不小于1.5 m/s風(fēng)速的要求，開(kāi)啟站臺(tái)上排熱風(fēng)機(jī)可以使風(fēng)速增加，接近規(guī)范要求值。

圖2 模式1、模式2樓梯口風(fēng)速測(cè)量值

圖3是運(yùn)行模式3的測(cè)量結(jié)果，車(chē)站兩端設(shè)備均運(yùn)行。從風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始記錄風(fēng)速值，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)50 s后風(fēng)速增加到穩(wěn)定值，站廳至站臺(tái)風(fēng)速的穩(wěn)定平均值為1.76 m/s。1點(diǎn)即樓梯邊緣測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速低于樓梯中心測(cè)點(diǎn)2、3中的較大值。模式3風(fēng)速最大值2.5 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖3 模式3樓梯口風(fēng)速測(cè)量值

1.3 實(shí)測(cè)值不等于設(shè)計(jì)值的原因分析

運(yùn)行模式1，風(fēng)速不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主要原因有：設(shè)計(jì)條件與實(shí)際存在差異［12］，設(shè)計(jì)中主要是用樓扶梯開(kāi)口面積的總和去除站臺(tái)層的排煙量進(jìn)行校核，但各樓梯開(kāi)口面積不一致，因此風(fēng)速不一致；車(chē)站兩端由于管道特性的問(wèn)題，可造成風(fēng)量分配不均勻，進(jìn)而造成樓扶梯口氣流分布不均勻，小的一端可能造成風(fēng)速低于規(guī)范值；屏蔽門(mén)的泄漏量不容忽視；地鐵車(chē)站空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地鐵出入口、活塞風(fēng)井等的影響并未在設(shè)計(jì)中考慮。

因此，針對(duì)本測(cè)試車(chē)站，目前通常的單參數(shù)設(shè)計(jì)方法，不能保證在實(shí)際工程中達(dá)到規(guī)范要求值，必要時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可一定程度上反映站內(nèi)流場(chǎng)情況。

2 數(shù)值模型建立

2.1 FDS模型介紹

FDS是模擬火災(zāi)湍流流動(dòng)過(guò)程的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。采用大渦模擬(LES)數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過(guò)程，燃燒模型采用混合百分比模型［9］。

2.2 幾何模型

根據(jù)測(cè)試車(chē)站及目前地鐵站現(xiàn)狀，模型計(jì)算幾何尺寸確定為180 m×20 m×10 m，共有3個(gè)出入口，車(chē)站分站臺(tái)、站廳2層，島式站臺(tái)。站臺(tái)通往站廳的樓梯共4個(gè)，沿長(zhǎng)度方向依次編號(hào)，樓梯口尺寸3.2 m×4.4 m。原點(diǎn)設(shè)在站臺(tái)平面中心處。模型及坐標(biāo)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 車(chē)站幾何模型圖

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

2.3.1 邊界條件 站廳層出入口、隧道口取壓力出口邊界條件，初始為1個(gè)大氣壓，車(chē)站初始溫度25 ℃。

2.3.2 火源參數(shù) 站臺(tái)區(qū)域火災(zāi)固定荷載包括裝飾材料、頂棚可燃材料等；動(dòng)荷載包括人員攜帶的行李等，由于站臺(tái)一般有候車(chē)人員，發(fā)生著火現(xiàn)象會(huì)較快發(fā)現(xiàn)，電氣火災(zāi)在一定條件下的快速蔓延和人為縱火形成的高強(qiáng)度火源。而隨著人們對(duì)火災(zāi)防范的重視，日常維護(hù)管理的提高，電氣火災(zāi)發(fā)生的幾率可以隨之降低，人為縱火成為相對(duì)不容易防范危險(xiǎn)源。本文研究將火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置為由于人為縱火潑灑汽油造成火災(zāi)。史聰靈等對(duì)潑灑燃料總量為5 kg汽油的故意縱火的火災(zāi)功率等進(jìn)行分析結(jié)果為［13］：汽油密度0.722 kg/L，5 kg汽油體積大約為6.9 L，假設(shè)汽油瞬間全部倒出，其在地面上的浸鋪厚度為3 mm，地板浸鋪直徑為1.7 m，火災(zāi)形成的穩(wěn)定熱釋放速率大約為1.4 MW。其他相關(guān)文獻(xiàn)［4、14-15］認(rèn)為車(chē)站公共區(qū)火災(zāi)規(guī)模不超過(guò)2 MV。

數(shù)值模擬穩(wěn)定熱釋放率參數(shù)取2 MW。結(jié)合FDS軟件燃燒模型設(shè)置特點(diǎn)［9］，火源區(qū)域?yàn)? m×1.5 m，單位面積熱釋放速率為667 kW/m2。

2.3.3 排煙系統(tǒng)參數(shù) 排煙系統(tǒng)以中軸線x軸劃分為2個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)送/排風(fēng)管以y軸為對(duì)稱(chēng)軸分為2支，單根風(fēng)管布置24個(gè)風(fēng)口。模擬時(shí)考慮到管道水力特性等因素引起的送/排風(fēng)不均勻性及節(jié)省計(jì)算存儲(chǔ)量，將單根風(fēng)管上風(fēng)口抽象為3個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口風(fēng)速及尺寸如表3所示。系統(tǒng)運(yùn)行模式如表2中所示，其中由于目前車(chē)站是否安裝屏蔽門(mén)并不統(tǒng)一，同時(shí)為清晰對(duì)比3種模式排煙效果，車(chē)站模型選擇為無(wú)屏蔽門(mén)形式。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 站內(nèi)風(fēng)速分布

分別對(duì)站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)和正常情況進(jìn)數(shù)值計(jì)算，無(wú)火源樓梯口風(fēng)速隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。3種模式下樓梯口風(fēng)速與1.2節(jié)實(shí)測(cè)結(jié)果比較，總體變化趨勢(shì)吻合，實(shí)測(cè)風(fēng)速平均值與相應(yīng)數(shù)值計(jì)算得到的風(fēng)速值對(duì)比結(jié)果如表4所示，二者偏差在25%范圍內(nèi)，因此，采用FDS在上述設(shè)定條件下可以較好的反映車(chē)站氣流場(chǎng)的真實(shí)情況。

有火源樓梯口風(fēng)速隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。從圖5、圖6可以得出如下結(jié)論：

1)同種運(yùn)行模式下有無(wú)火源的風(fēng)速對(duì)比可得出，3種運(yùn)行模式下，有火源時(shí)的風(fēng)速均大于無(wú)火源的風(fēng)速。這是由于火災(zāi)形成的熱羽流對(duì)周?chē)諝獾木砦饔茫约罢緝?nèi)溫度、壓力等參數(shù)變化的綜合作用，使站內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生復(fù)雜變化，樓梯口風(fēng)速也隨之改變，而常規(guī)設(shè)計(jì)采用樓梯開(kāi)口面積的總和去除站臺(tái)層的排煙量進(jìn)行校核計(jì)算，沒(méi)有考慮火源對(duì)站內(nèi)流場(chǎng)的影響，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5 無(wú)火源樓梯口速度分布圖

2)同一種運(yùn)行模式下，車(chē)站內(nèi)不同位置的樓梯口風(fēng)速存在差異。這主要是受火源距離，樓梯口與防排煙風(fēng)口距離、車(chē)站出入口位置等影響。從圖4可以看出在有火源的3種運(yùn)行模式下，近火源樓梯口的風(fēng)速小于遠(yuǎn)離火源樓梯口風(fēng)速。有火源3種模式各樓梯口風(fēng)速差別明顯；無(wú)火源時(shí)排風(fēng)強(qiáng)度最大的模式3，各樓梯口風(fēng)速差異減小。這可能是因?yàn)槟Ｊ?下各樓梯口風(fēng)速差值占風(fēng)速絕對(duì)值比例較小造成的。

3)模式3樓梯口風(fēng)速變化幅度最大，不均性最差。有火源時(shí)運(yùn)行模式2，近火源樓梯口風(fēng)速較低，其他3個(gè)樓梯口風(fēng)速較一致。

4)3種運(yùn)行模式下樓梯口風(fēng)速總體趨勢(shì)符合理論狀態(tài)，風(fēng)速?gòu)拇蟮叫∫来螢槟Ｊ?、模式2、模式1。

因此，從風(fēng)速大小角度講，第3種模式最優(yōu)。從均勻性比較，第2種模式較好。樓梯口風(fēng)速是多因素共同作用的產(chǎn)物，受到火源大小，樓梯口位置，站內(nèi)防排煙系統(tǒng)布置性能等影響，對(duì)于樓梯口風(fēng)速的校核不能單純從無(wú)火源狀態(tài)下的風(fēng)速進(jìn)行評(píng)價(jià)，而應(yīng)當(dāng)考慮到真實(shí)的火災(zāi)場(chǎng)景影響。

圖6 有火源樓梯口速度分布圖

3.2 站內(nèi)煙氣流動(dòng)

地鐵車(chē)站中央縱斷面（y=0），火災(zāi)初期t=100 s和結(jié)束階段t=295 s時(shí)的煙氣分布如圖7、圖8所示。

圖7 y=0，t=100 s站內(nèi)煙氣分布圖

圖8 y=0，t=295 s站內(nèi)煙氣分布圖

由圖7可以看出火災(zāi)初期，在3種運(yùn)行模式下均存在煙氣通過(guò)火源近處樓梯向站廳擴(kuò)散的情況。這是由于火災(zāi)初期，煙氣蔓延已達(dá)到一定速度，但是樓梯口還未產(chǎn)生足夠向下氣流。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也可以看到風(fēng)機(jī)50 s后才達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定，再考慮到發(fā)生火災(zāi)的響應(yīng)時(shí)間等因素，發(fā)生在站臺(tái)樓梯口附近的火災(zāi)煙氣存在向站廳蔓延的可能性。3種運(yùn)行模式比較，由于模式3樓梯口風(fēng)速大，抑制煙氣向站廳蔓延的效果最好，模式1最差。因此增大樓梯口風(fēng)速能阻止煙氣向站廳蔓延。

由圖7和圖8對(duì)比發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行模式1，火災(zāi)初期煙氣層界面較明顯，且未沉降到人活動(dòng)區(qū)域，利于人員疏散。但是如果火沒(méi)有被及時(shí)撲滅，煙氣蔓延至車(chē)站端部回流并不斷聚集，則排煙容量小將對(duì)人員疏散造成威脅；模式3站臺(tái)內(nèi)煙氣分布空間更廣，隧道內(nèi)排煙量大，使站內(nèi)煙氣擴(kuò)散度大，但站廳層煙氣少。由圖7可以看到，火還沒(méi)熄滅，站廳層已經(jīng)沒(méi)有煙氣，這一方面是因?yàn)檎九_(tái)排煙量大，另一方面樓梯口的風(fēng)速也有效地抑制了煙氣向站廳層蔓延。

模式2、模式3由于增開(kāi)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)能使站內(nèi)煙氣更快被排除，但同時(shí)也形成了對(duì)煙氣分層的破壞。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)站廳至站臺(tái)樓梯口風(fēng)速不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)此問(wèn)題分析了樓梯口風(fēng)速的影響因素，建立模型，模擬研究不同風(fēng)速下站內(nèi)煙氣的排除情況。結(jié)果表明通過(guò)采用增開(kāi)隧道風(fēng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。從而為以后的設(shè)計(jì)提供可行建議。

增大地鐵站站廳至站臺(tái)樓梯口風(fēng)速可以起到控制地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣向站廳蔓延的作用。但單純?yōu)樵龃髽翘菘陲L(fēng)速，而采取模式2、模式3，有可能破壞站內(nèi)煙氣分層，干擾煙氣流動(dòng)，同時(shí)室外新風(fēng)的增加可能使燃燒更劇烈。因此在防排煙工程中對(duì)火災(zāi)煙氣流的組織，比單純的數(shù)量指標(biāo)更重要。

考慮影響樓梯口風(fēng)速的各種因素，，在設(shè)計(jì)階段可對(duì)計(jì)算所確定的防排煙系統(tǒng)通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行進(jìn)一步校核，降低在地鐵站這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中采用單參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理性。

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（編輯 胡 玲）