半封閉公交樞紐火災安全研究

李炎鋒,常琳,林欣欣,張亦昕,趙剛

(北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

半封閉公交樞紐火災安全研究

李炎鋒,常琳,林欣欣,張亦昕,趙剛

(北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

針對綜合交通樞紐中的半封閉公交樞紐部分出入口少、車輛與人員混雜產生火災風險問題，以某實際半地下公交樞紐為研究對象，研究極端火災場景即樞紐中心處公交發生火災時煙氣擴散情況。采用現場出入口實測數據作為邊界條件，選擇快速t2火且最大功率為30MW模擬公交車輛火災場景。采用大渦模擬軟件FDS分析開啟排煙風機和不開啟風機工況下樞紐內煙氣擴散情況。研究表明：樞紐的中心處發生公交車輛火災時，開啟樞紐內的防排煙系統能夠在6min中內保證人員的安全疏散?？紤]樞紐高度對煙氣層沉降的影響，半封閉高大空間公交樞紐防排煙系統設計可以參考國內地下車庫的防排煙系統相關設計規范。

公交樞紐；火災分析；數值模擬；煙氣；疏散；安全；通風

為了方便與地鐵換乘，綜合交通樞紐中的公交樞紐往往設計為半地下或者半封閉空間形式。該類公交樞紐的主要特點有：1) 與外界基本上處于隔離狀態，與外界聯系僅為幾個出入口；2)樞紐內公交車流和人流密度遠遠大于普通地下車庫，且高峰期和低谷期情況下樞紐內人流密度和車流密度變化大；3)公交樞紐高度一般在5 m以上，遠大于地下車庫高度?；馂氖蔷C合交通樞紐需考慮的最主要的災害模式[1]。由于缺乏針對這類公交樞紐的通風防排煙系統設計規范，一般按照《汽車庫、停車庫、停車場設計防火規范》(GB50067-97)進行設計，但這類公交樞紐與地下車庫相比有其特殊性，因此需要對其火災工況安全進行研究。國內關于半封閉空間包括地下車庫[2]、城市交通隧道[3-4]、地鐵[5]方面火災煙氣擴散開展的研究比較多，取得了大量的研究成果。關于車輛火災，部分學者開展了公交車輛的火災發展特性研究[6-7]。國內外部分學者在地上多層公交樞紐火災方面也開展了研究[8-10]。但對于這類半地下、半封閉公交樞紐內的火災工況缺乏系統深入研究。

本文以北京某半地下公交樞紐(與地鐵換乘站相連)為研究對象，以現場調研的車輛情況、人員分布以及出入口溫度和速度結果為基礎，采用數值模擬手段研究發生火災情況下的煙氣擴散規律以及對人員疏散的影響，并對樞紐的通風防排煙系統的運行效果進行評估。

1 公交樞紐計算模型及火災場景設置

1.1 物理模型分析與描述

選擇北京某綜合交通樞紐的公交樞紐部分為研究對象，該樞紐包括市區、近郊、遠郊等眾多公交流線，?？抗卉囆鸵云蛙嚍橹?。樞紐南北方向154 m，東西方向166 m，占地面積共25 564 m2。樞紐為7.3 m高的單層結構，公交樞紐內包括附屬用房及設備間等，整個樞紐公共空間設置成一個防火分區。公交樞紐共5個出入口，其中一個為公交緊急出入口，一個為公交出入口，一個市內公交與人流共用出入口，2個人流出入口，同時還包括集散大廳與公交樞紐結合處連通通道。

樞紐通風主要采用柱底送風即下送風，平時柱底排風與上排風相結合，下送風口與下排風口尺寸均為3 m×1 m，安裝高度為下底距地面3 m，上排風兼排煙口尺寸為3 m×1 m，安裝高度為7 m，設置送風機14臺，其中上排煙兼排風機11臺，下排風機19臺?；馂那闆r下上排煙，風機為雙速風機，送排風量分為47 005/89 879 m3/h兩檔，平時送排風低速運行，火災送風低速運行，排風高速運行，集散大廳與公交樞紐結合處采用防火卷簾進行防火分隔。

1.2 數值模擬方法

考慮到公交樞紐現場試驗費用昂貴以及對交通運行產生影響，采用數值模擬分析樞紐發生火災的煙氣擴散規律是合理有效的研究手段。

本文采用FDS5.0軟件對樞紐內公交車輛發生火災煙氣擴散進行研究。它是美國NIST(National Institute of Standards and Technology)研發，該軟件采用的數學模型經過了大量的工程實驗驗證，并得到國際火災工程界的認可[11]。FDS對湍流亞網格模型采用的修正的Smagorinsky模型。在亞格子模型中，流體的導熱系數和物質擴散系數表示為：

(1)

(2)

式中：Sc為流體的施密特數，Pr為普朗特數，Cp為流體定壓比熱。FDS中的Smagorinsky亞網格模型對湍流粘性的考慮為

(3)

式中，CS是Smagorinsky常數，Δ值為(δxδyδz)1/3，而

(4)

式中：CS取值范圍在0.1～0.25，結合文獻[12]的研究結果,Cs取0.18，Pr取0.2。

1.3 邊界條件

初始條件下各出入口的參數(溫度、速度、壓力等)由測量結果得到，見表1。其中流出樞紐的部分出口設置為自由邊界條件。由于發生火災時，與地鐵相連的通道(出口1)會用防火卷簾封掉，所以該進口設置為在風機啟動后(延遲60s)設置為壁面。其他墻體邊界設置為無滑移熱惰性邊界，采用壁面函數法求解壁面附件流場參數。送風口和排風口按設計排煙量設置風量。

關于公交車輛的著火過程模擬，依據文獻[13]，公共汽車燃燒功率為30MW，為了考慮最大危險狀況采用t2超快速火，420 s達到最大值然后維持這個最大值。FDS設置參數時將燃燒物質分子式設為C8H18，燃燒產物建議值Yco=0.043，YS=0.13，smokeyield設為燃料值的8%。

表1 冬季高峰期樞紐各出入口的氣流參數測試值

1.4 網格的劃分

由于計算公交樞紐區域空間大，需對重點區域如火源附近區域的計算網格進行加密。研究表明：火災特征直徑D*與網格尺寸的大小有很大關系[14]?；馂奶卣髦睆紻*表達式如下:

(5)

研究表明，在火災模擬和實驗結果對比中，當FDS模型的網格尺寸d=0.1D*，模擬結果與實驗測試結果吻合[11,14]。按火源功率為30MW計算，火災特征尺寸D*約為2.4m。計算中火源面積取2.5m×15m，風口處網格大小為0.25m×0.25m×0.25m其他區域采用0.5m×0.5m×0.5m的網格。根據公交樞紐的建筑特點，送風口和火源區域位于下部0～3m區域，排煙口位于6～7m區域，詳細劃分見表2。關于網格獨立性驗證采用火源上方溫度值進行不同網格尺寸(整場1.0m, 整場5m和表2網格)模擬[15]，綜合考慮計算的結果以及計算機的性能,采用表1給出網格尺寸進行計算。

表2 區域網格劃分列表

1.5 模擬場景的設置

研究考慮最危險火災場景，即火源位置位于樞紐中部(圖1(a)的位置的D)，場景1防排煙系統風機沒有開啟，噴淋系統失效。場景2防排煙系統風機在起火60s后開啟，噴淋系統失效。計算時間選取10min，重點觀察6min內人員疏散情況。主要是參考《城市軌道交通技術規范》(GB50490-2009)第7.3.2條規定：當發生事故或災難時，應保證將一列進站列車的預測最大載客量以及站臺上的候車乘客在6min內全部撤離到安全區。

(a) 計算樞紐模型平面圖

(b) FDS模擬模型圖圖1 計算模型圖Fig. 1 Computing model diagram

2 計算結果分析與討論

火災工程學中臨界安全高度HC定義為

HC=1.6+0.1H

(6)

式中：H為建筑層高，m。由于公交樞紐的高度H=7m，臨界安全高度HC為2.3m。

疏散人員不可承受的狀態主要判據包括：1)上部煙氣層溫度180℃；2)人體直接接觸空氣溫度60℃；3)能見度大空間內10m。

圖2給出2種場景下2.3m高度上每隔150s的煙氣擴散情況，其中(a)～(d)對應場景1即風機沒有開啟，(e)～(h)對應場景2，即60s后開啟風機。可以看到，當樞紐中部發生火災時煙氣向4個方向均勻擴散，風機不開啟時，300s時煙氣擴散到了出口1、2，450s時煙氣已經完全覆蓋了整個樞紐和各個出口處；當風機開啟時，450s時煙氣擴散到出口1、2，在600s時煙氣擴散到整個區域和各個出口，表明風機的開啟降低了煙氣擴散的速度，增加了人員可利用的安全疏散時間。

圖3給出2種場景下2.3m高度上每隔150s的溫度場。其中(a)～(d)對應場景1即風機沒有開啟，(e)～(h)對應場景2。由于樞紐高度為7m，在2.3m處煙氣的溫度已經降低很多。除了火源附近區域外，樞紐的其他區域在600s內,即使風機不開啟時,溫度維持在30℃左右，而風機開啟時大部分溫度維持在25℃以下，整體溫度均沒有達到60℃，人員所處的溫度環境是安全的。

圖2 樞紐內不同火災場景下2.3 m高度處煙氣擴散情況

圖3 樞紐內不同火災場景下 2.3 m高度處的溫度場

圖4 樞紐內不同火災場景下2.3 m高度處的能見度

圖4給出兩種場景下2.3 m 高度上每隔150 s的能見度分布圖。其中(a)～(d)對應場景1，可以看出當風機不開啟時，300 s時樞紐內部能見度在30 m左右，而出口1位置處能見度下降到12 m左右，原因是煙氣遇見墻體發生沉降，影響了人員對出口1的辨識，增加人員的恐懼感，450 s時各出口處能見度處于12 m左右，樞紐內部大部分區域能見度下降到10 m，600 s時整個樞紐能見度均下降到10 m以下，達到人員不可承受的狀態。圖4(e)～(h)對應場景2，當風機開啟時, 450 s時出口1、2處均降到12 m左右，而樞紐內部大部分區域能見度在30 m，同樣影響人員對出口1、2的辨識，600 s時樞紐大部分區域能見度在18 m以上，各個出口處能見度下降到12 m左右。結果表明風機的開啟能夠降低煙氣沉降速度，但是煙氣首先在個別出口處沉降應當引起設計者的注意。

3 人員疏散分析

人員疏散采用VTT開發的疏散計算模型即 “FDS+Evac”模擬[16]。氣體毒性采用Fractional Effective Dose(FED)來表示，當FED值超過統一設定的值時即認為人員喪失活動能力。依據文獻[16]，設定當人員所受到的FED值超過0.1時該場景被認為是不安全。

根據現場調查，高峰時期的候車人員數量和運行車輛數為22輛，該樞紐高峰期發生火災疏散總人數為1 662人[15]。

圖5 場景2火災煙氣擴散和人員疏散圖Fig. 5 Smoke diffusion and personnel evacuation in case 2 fire scenario

圖6 場景2人員疏散受到的最大的FED值Fig. 6 FED maximum value evacuation suffered in case 2

圖5給出了場景2人員疏散和火災煙氣擴散情況。結果表明，1 662人都可以在230 s內從樞紐中安全疏散。圖6給出了人員受到最大的FED情況。人員高度處的FED值在150 s左右時達到最大，然后在很長時間內保持不變，在175 s后，人員高度處的FED值開始有減小的趨勢，原因是風機的正常開啟和大量人員已經安全疏散出樞紐，6 min內FED值始終沒有達到人員無法承受的極限。由于該公交樞紐屬于大空間建筑，且站臺停留人員相對較少，合理的排煙量的控制能夠使6 min內煙氣影響到人員健康前進行撤離。

從圖2～5給出的模擬結果可以看出，該樞紐防排煙系統運行能夠保證6 min內人員安全疏散。因此，對于高大空間半封閉公交樞紐，理想情況下按照地下車庫防排煙設計標準能夠保證樞紐內的短時期內人員疏散要求。但應考慮實際樞紐內乘客并不是平均分布，一旦發生火災后不能迅速判斷火災情況，容易耽誤逃生時間，因此發生火災需要有效的疏散指揮。此外，由于其與地鐵出口相連，發生火災需要及時關閉與地鐵出口相連的卷簾門以防止地鐵客流涌入樞紐。

4 結論

采用數值模擬手段對半封閉公交樞紐的防排煙系統效果進行分析，得出結論如下：

1)對于公交樞紐，當樞紐中部發生火災時，火災開始時各個出口都可以作為人員疏散出口，但是由于火災向四個方向均勻擴散，在較短的時間內煙氣擴散到各個出口，人員的疏散選擇路經多，但可利用的疏散時間短。

2)對于公交樞紐發生火災時，開啟風機能夠有效地控制煙氣的擴散和沉降，且保證 6 min內人員疏散承受FED值在安全范圍，所以公交樞紐在發生火災時必須及時開啟防排煙系統。

3)通過對煙氣擴散特性分析，半封閉高大空間公交樞紐防排煙系統設計可以參考國內地下車庫的防排煙系統相關設計規范。

[1]李炎鋒, 王超, 樊洪明. 城市地下綜合交通樞紐火災控制研究[J]. 建筑科學, 2011, 27(1): 39-44. LI Yanfeng, WANG Chao, FAN Hongming. Study on fire prevention of underground urban comprehensive transportation hub[J]. Building Science, 2011, 27(1): 39-44.

[2]TILLEY N, DECKERS X, MERCI B. CFD study of relation between ventilation velocity and smoke backlayering distance in large closed car parks[J]. Fire Safety Journal, 2012, 48: 11-20.

[3]ZHONG Wei, LV Jinjin, LI Zhaozhou, et al. A study of bifurcation flow of fire smoke in tunnel with longitudinal ventilation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 67: 829-835.

[4]劉海燕, 于年灝, 徐志勝. 城市地下車道縱向通風條件下火災蔓延規律研究[J]. 消防科學與技術, 2011, 30(7): 577-579. LIU Haiyan, YU Nianhao, XU Zhisheng. Study on fire spreading rule in longitudinal ventilation road below street level[J]. Fire Science and Technology, 2011, 30(7): 577-579.

[5]楊立中, 鄒蘭. 地鐵火災研究綜述[J]. 工程建設與設計, 2005 (11): 8-12. YANG Lizhong, ZOU Lan. Summary of subway fire[J]. Engineering Construction and Design, 2005(11): 8-12.

[6]ZHANG Xiaonan, WANG Xishi, ZHOU Yang. Numerical simulation study on bus fire[C]//Proceedings of the 2011 International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering (RSETE). Nanjing, 2011: 511-515.

[7]BI Kun, QIU Rong, JIANG Yong, et al. Reconstruction of a bus fire based on numerical simulation[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2010, 40(4): 387-394.

[8]ALEXEJ G, ARMIN W. Case study: A hybrid approach to wind and fire modeling in a naturally ventilated transit station[C]//12th Americas Conference on Wind Engineering (ACWE) 2013. Seattle, USA, 2013: 1848-1856.

[9]DOMINGO J, BARBERO R, IRANZO A, et al. Analysis and optimization of ventilation systems for an underground transport interchange building under regular and emergency scenarios[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2011, 26(1): 179-188.

[10]姚浩偉, 梁棟, 趙哲. 地下公交站火災煙氣運動數值模擬[J]. 消防科學與技術, 2011, 30(1): 23-25. YAO Haowei, LIANG Dong, ZHAO Zhe. Numerical simulation of smoke control in underground bus station[J]. Fire Science and Technology, 2011, 30(1): 23-25.

[11]MCGRATTAN K, HOSTIKKA S, FLOYD J, et al. Fire dynamics simulator (version 5) technical reference guide[M]. Washington, DC: National Institute of Standards and Technology, 2005:50-65.

[12]HU L H, HUO R, YANG D. Large eddy simulation of fire-induced buoyancy driven plume dispersion in an urban street canyon under perpendicular wind flow[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(1): 394-406.

[13]MAEVSKI I Y. Design fires in road tunnels[M]. Washington, DC: Transportation Research Board, 2011:200-255.

[14]張會冰. 不同壁面邊界條件對隧道火災模擬結果的影響[D]. 成都: 西南交通大學, 2007. ZHANG Huibing. The influence to tunnel fires simulation with different wall boundary condition[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2007.

[15]林欣欣. 城市交通樞紐中運營環境控制及人員疏散研究[D]. 北京: 北京工業大學, 2013: 25-50. LIN Xinxin. Study on the operating environment control and evacuation in the city public transport interchange[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2013: 25-50.

[16]KORHONEN T, HOSTIKKA S. Fire dynamics simulator with evacuation: FDS+Evac technical reference and user’s guide[M]. VTT Working Papers 119, 2010:45-85.

Study on fire safety of a semi-closed public transportation hub

LI Yanfeng, CHANG Lin, LIN Xinxin, ZHANG Yixin, ZHAO Gang

(College of Architectural and Civil Engineering, Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Fire safety of a semi-enclosed public transportation hub in a comprehensive transportation center was analyzed. Smoke propagation under an extreme fire scenario where fire occurred at the center of the hub was studied. On-site measured data at portals were set to the boundary conditions in a numerical simulation. A quickt2firemodelwithamaximumheatreleaserateof30MWwasusedtosimulateabusfire.Largeeddysimulationtechnologywasusedtopredictsmokepropagationundertwofirescenarios,wheresmokeexhaustfansoperatedornot.Resultsshowthatoperationofasmokecontrolsystemcouldprovidesafeevacuationwithinsixminuteswhenafireoccurredinthecenterofthehub.Givensuchresults,domesticundergroundgaragesmokecontrolsystemdesignspecificationsshouldbeconsideredforsemi-enclosedspacessuchastransithubs.

transportation hub; fire safety analysis; numerical simulation; smoke; evacuation;safety; ventilation

2014-05-15.

時間：2015-07-28.

國家自然科學基金資助項目(51378040).

李炎鋒(1971-)，男，教授，博士.

李炎鋒，E-mail: liyanfeng@bjut.edu.cn.

10.3969/jheu.201405041

TG661

A

1006-7043(2015)09-1194-05

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150728.1406.002.html