典型地鐵車站火災人員疏散模擬與評估

陳立林，羅恩民，劉冠華，夏張琦，劉曉云

(武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081)

典型地鐵車站火災人員疏散模擬與評估

陳立林，羅恩民，劉冠華，夏張琦，劉曉云

(武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081)

以典型地鐵車站火災為背景，先通過FDS軟件分析典型地鐵車站不同場景下發生火災時的煙氣蔓延過程，再采用Pathfinder軟件建立地鐵車站人員疏散模型，模擬與分析12種場景下人員疏散情況，并選擇最可能出現的危險場景進行優化分析。結果表明：當站內無列車時，車站的疏散能力都能滿足人員逃生要求；當站內有1輛列車，且火源位于2#位置時，人員逃生所需時間為345 s，疏散過程中危險性較大，火源位于其他位置時車站疏散能力滿足人員逃生要求；當站內有2輛列車時，僅在樓梯都可用的情況下滿足人員逃生要求，其他情況下均不能滿足要求；優化分析表明加寬2#樓梯0.5 m并在2#出站檢票口增加1個閘機通道的方案可縮短人員逃生時間20 s。

地鐵車站火災；人員疏散；FDS；Pathfinder

近年來，地鐵作為減小城市交通壓力的主要手段，在國內許多城市快速發展。然而地鐵車站由于人流量大、電氣設備多等原因易發生火災事故，同時也是恐怖襲擊的重要目標。如2003年2月18日，韓國大邱市地鐵中央路站發生火災，造成198人死亡、146人受傷、298人失蹤[1]。2005年7月7日早高峰時段，倫敦地鐵發生連環爆炸案，造成52人死亡、100多人受傷。地鐵車站在突發情況下，人員疏散能力差，其主要原因如下[2-4]：①地鐵一般建在地下15 m左右，有的甚至建在深達30～70 m左右的地下,垂直高度大；②地鐵運營環境的特定性決定了供乘客安全逃生途徑的單一性,即逃生途徑少；③一旦地鐵突發火災事故，乘客由于不熟悉地鐵環境和路線等因素會造成逃生距離長，且可能被困或受害；④日本消防部門曾針對地鐵火災事故進行過實驗，證明了允許乘客逃生的時間很短，只有5 min左右,另外車內乘客的衣物一旦引燃，火勢能在短時間內擴大，且允許逃生的時間則更短。我國《地鐵設計規范》規定：出口樓梯和疏散通道的寬度，應保證在遠期高峰小時客流量時發生火災的情況下，6 min內將一列車乘客和站臺上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺[5]。

在國外，自2003年韓國大邱地鐵縱火事故以后，研究人員對地鐵火災與人員疏散進行了研究[1,6-7]，結果表明站內設置的檢票機會降低火災過程中人員的疏散速度；2009 年西班牙鐵道管理部門在運行速度為130 km/h 的列車上進行了人員疏散演習，并采用自行研制的逃生軟件對不同情況的列車人員疏散進行了模擬研究[8]。在國內，劉景敏[9]以FDS+EVAC為平臺，對船舶機艙火災及人員逃生進行了仿真研究；陸君安等[10]對建筑內人員疏散逃生速度模型進行了研究；郭良杰等[11]基于元胞自動機模型對人員疏散行為進行了模擬研究。

本文以典型地鐵車站火災為背景，先通過FDS軟件分析不同火源情況下的煙氣擴散過程，得到各樓梯在火災中的使用狀態，再采用Pathfinder軟件模擬不同場景下的人員疏散情況，并根據模擬結果評估車站的人員疏散能力，進而對車站設計進行優化分析。

1 模擬軟件與模型建立

1.1 模擬軟件介紹

本研究主要采用FDS軟件和Pathfinder軟件對典型地鐵車站發生火災時煙氣擴散過程和人員疏散情況進行模擬與分析。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國NIST開發的用于分析工業尺度的火災模擬軟件。它采用大渦模擬方法，可以得到真實的瞬態流場且精度較高、計算工作量小。利用FDS軟件對列車進行火災模擬可以得到溫度、煙氣及各組分氣體的分布信息，并可以對計算結果進行可視化處理。目前FDS軟件已經解決了大量消防工程中的火災問題。

Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司開發的一款基于人員進出和運動的聚集疏散模擬軟件。該軟件采用人工智能的計算方法，并采用一套完整的三維三角網格設計和獨特的參數(最高速度、人員密度、出口的選擇等)設定，通過對每個人屬性的智能判定，賦予人一定的思維，在災難發生時，精確地預測人員的路徑選擇、人員的擁堵等實際的人員思維，自動計算每個人員的疏散路徑和逃生時間，以及特定區域人員的疏散時間、特定出口的人員流量等。此外，Pathfinder軟件支持簡單快速的內部建模功能，且數據可靠，可用于分析人員疏散的最佳時間，從而減少人員傷亡[12]。

Pathfinder軟件人員運動模式包括SFPE模式和Steering模式[13]。

SFPE人員運動模式是基于出口人員流量的運動模式，它利用空間密度確定人的運動速度。在Pathfinder軟件中，人員疏散的幾何導向由三類組成：門、房間和樓梯。房間是疏散人員行走的空曠場地，樓梯作為一種特殊的傾斜房間限制了人員運動的速度，門作為連接房間和樓梯的載體限制了人員流量。當出口門限制了人員流量時，為了避免碰撞，人員出現排隊等候現象，這便符合SFPE假設。

Steering人員運動模式即人類運動的行為模式，它使用路徑規劃、指導機制和碰撞處理相結合來控制人員運動。這種路徑生成算法的核心是基于人類行為學原理，如果人員之間的距離和最近點的路徑超過某一閥值，這種算法會再生新的路徑，調節人員運動的方式。

1.2 模型建立

模擬模型根據典型地鐵車站尺寸建立，主要包括站廳層、站臺層以及站臺層兩邊軌行區，且建立的模型具有對稱性。站臺層乘客活動區域長118 m、寬12 m，與站廳層高度差為4.8 m；站廳層總區域長95 m、寬19.3 m；站臺層兩邊軌行區總長118.24 m、寬 3.65 m。建立的典型地鐵車站FDS模型和Pathfinder模型見圖1和圖2。

根據典型地鐵車站實際情況，地鐵車站Pathfinder模型設置了3處樓梯和2處手扶自動扶梯[見圖2(a)]，各樓梯臺階寬為0.3 m、高為0.15 m，自動扶梯有效凈寬1.2 m，1#和3#樓梯有效凈寬2 m，2#樓梯左右兩側樓梯有效凈寬2 m，中間樓梯有效凈寬3 m。

站廳層設有4處檢票口，分別為1#進站檢票口、1#出站檢票口、2#進站檢票口和2#出站檢票口[見圖2(b)]，各處檢票口均設6個閘機，各閘機的凈寬為0.5 m，相鄰閘機中心距為0.9 m，閘機通道跨度長1.2 m。

列車總長為118.24 m，其中包含4節長為19 m的普通車廂和帶有司機室總長為19.82 m的首、尾車廂，車廂寬均為2.8 m；每節車廂單側設有4處屏蔽門，屏蔽門寬為1.3 m，兩端屏蔽門中心至車體兩端距離2.45 m，相鄰屏蔽門中心距為4.7 m。

通過預測，站臺層乘客人數取400人，站廳層乘客人數取550人，站臺層兩邊軌行區上行車內人數取1 200人，下行車內人數取1 150人。查閱相關資料可知，人的步行速度為0.95～1.55 m/s[10]，計算肩寬為45.58 cm。

站臺上發生火災時，著火一側屏蔽門開啟，排煙風機工作，屏蔽門一側的排熱風機和兩端的隧道風機開啟。站臺內軌行區和隧道中部發生火災(列車著火)時，著火一側屏蔽門開啟，該側排熱風機工作、兩端的隧道風機工作，另一側屏蔽門關閉。不同火災場景排煙的具體參數見表1。

表1 不同火災場景排煙參數

站臺火災時火災功率為2.5 MW，站臺內軌行區火災和隧道中部火災時火災功率為7.5 MW，火災燃燒材料選擇為聚酯。聚酯燃燒形式可以代表大部分塑料和織物，可以較好地反映火災過程中的煙氣釋放過程。火災過程中主要燃燒物為塑料和織物，可燃物釋放曲線選擇t2增長曲線，火災類型為快速火，火災增長系數為0.046 89[14]。

站臺火災時，火源熱釋放功率在230.8 s時達到最大值2.5 MW，著火面積為2.4×2.4=5.76 m2，平均熱釋放功率為434.028 kW/m2。站臺內軌行區火災和隧道中部火災時，火源熱釋放功率在400 s時達到最大值7.5 MW，燃燒平均分布在1.5列車廂內，著火面積為67.68 m2，平均熱釋放功率為110.82 kW/m2。

2 站臺火災煙氣蔓延規律分析

2.1 1#火源站臺火災煙氣擴散過程分析

當地鐵車站站臺發生火災，且火源位于1#火源位置時，火災煙氣擴散過程模擬結果見圖3。由圖3可以看出：火源位于1#火源位置時，由于通過1#樓梯和1#自動扶梯通入站臺內的空氣向左流動，使得煙氣向站臺左側擴散，造成1#樓梯口煙氣濃度快速升高，對站臺左側人員的疏散構成較大威脅，因此1#樓梯和1#自動扶梯在火災情況下不可用于人員疏散；站臺右側煙氣沒有明顯上升，因此2#、3#樓梯可用于人員疏散。

2.2 2#火源站臺火災煙氣擴散過程分析

當地鐵車站站臺發生火災，且火源位于2#火源位置時，火災煙氣擴散過程模擬結果見圖4。由圖4可以看出：火源位于2#火源位置時，由于通過2#左側樓梯通入站臺內的空氣向左流動，使得煙氣向站臺左側擴散，造成左側的樓梯口煙氣濃度快速升高，對左側人員的疏散構成較大威脅，因此1#樓梯和1#自動扶梯以及2#左側樓梯在火災情況下不可用于人員疏散；站臺右側煙氣沒有明顯上升，因此2#右側樓梯、3#樓梯和3#自動扶梯可用于人員疏散。

2.3 3#火源站臺軌行區火災煙氣擴散過程分析

當地鐵車站站臺軌行區發生火災，火源位于3#火源位置時，火災煙氣擴散過程模擬結果見圖5。由圖5可以看出：當站臺軌行區發生火災時，即3#

火源引起的火災情況下，由于火源位于列車中間，煙氣首先通過屏蔽門擴散到站臺中間，然后再向兩側擴散，這使得站臺中間的煙氣濃度快速上升，因此2#樓梯不可用于人員疏散，而兩側煙氣濃度則相對較低，其他樓梯和自動扶梯均可用于人員疏散。

3 地鐵車站火災人員疏散方案設計及結果分析

3.1 人員疏散方案設計

3.1.1 樓梯的開啟方式

根據FDS模型模擬得到的站臺火災煙氣擴散過程，可將人員疏散過程中樓梯的開啟方式分為4種：①樓梯和自動扶梯全部可用；②1#火源位置時，1#樓梯和1#自動扶梯不可用，其他樓梯和自動扶梯可用；③2#火源位置時，1#樓梯和1#自動扶梯以及2#左側樓梯不可用，其他樓梯和自動扶梯可用；④3#火源位置時，2#樓梯不可用，其他樓梯和自動扶梯可用。

3.1.2 站內列車數量

站內列車數量分為無、1輛、2輛三種情況：當站臺發生火災時，車輛在該站不停靠，此時站內無列車；當1輛列車在站內發生火災時，另一個方向的列車在站內不停靠，因此站內只有1輛列車；而極端情況是，站內同時有2輛列車，且都需要進行人員疏散。

根據4種門的開啟方式和3種站內列車數量，人員疏散方案共設計為12種場景，詳見表2、表3和表4。

3.2 人員疏散結果分析

3.2.1 站內無列車

當站內無列車時，4種可能的樓梯開啟方式下，通過SFPE模式和Steering模式計算，人員逃生所需時間均較短，車站的疏散能力滿足人員逃生要求。具體人員逃生所需時間見表2。

表2 站內無列車時人員所需逃生時間

3.2.2 站內有1輛列車

當站內有1輛列車時，根據不同的樓梯可用與不可用的組合，人員逃生所需時間見表3。由表3可見，4個場景中SFPE模式計算得到的人員逃生所需時間都小于Steering模式，因此以下以SFPE模式為主進行討論。

表3 站內有1輛列車時人員逃生所需時間

當火源位置在2#火源位置時，通過SFPE模式計算得到的人員逃生所需時間最長，為345 s，該時間僅為人員逃生運動所需的時間，不包含探測時間、報警時間、疏散準備時間，非常接近《地鐵設計規范》規定可用逃生時間小于360 s的要求，但在逃生過程中人員傷亡的危險較大。

圖6為場景7情況下281 s時人員疏散分布圖，此時2#樓梯上已沒有人員，人員都集中在3#樓梯和3#自動扶梯上。圖7為場景7情況下通過各可用樓梯疏散的總人數隨時間的變化曲線。由圖7可見，到259 s時2#樓梯上人員全部疏散，共疏散582人；到305 s時3#樓梯上人員全部疏散，共疏散623人；到316 s時3#自動扶梯上人員全部疏散，共疏散395人。這表明造成整體人員逃生時間長的原因是2#樓梯沒有充分利用；另外到316 s時3#自動扶梯上人員已經全部疏散，但是到345 s時人員才全部疏散出站內，這說明在2#出站檢票口處還存在人員滯留的情況。

3.2.3 站內有2輛列車

當站內有2輛列車時，各樓梯開啟方式下的人員逃生所需時間見表4。由表4可見，僅當樓梯全部可用時，在SFPE模式下計算得到的人員逃生所需時間小于360 s，滿足規范要求，但其他場景下的人員疏散時間均大于360 s，這表明車站的設計不滿足2輛列車同時在站內人員疏散的要求。因此，在列車運營中要盡量避免2輛列車同時到站，即使2輛列車同時到站，發生火災后其中一輛也須盡量開出該站。

表4 站內有2輛列車時人員逃生所需時間

4 場景優化分析

綜合以上分析，場景7存在較大的危險性，且出現的概率相對較高，所以選擇場景7作為優化分析的對象。

根據場景7情況下2#右側樓梯未充分利用和2#出站檢票口存在人員滯留等問題，提出以下優化方案：①增加2#右側樓梯口寬度0.5 m；②在2#出站檢票口處增加一個閘機通道；③將方案①與方案②同時使用。

通過分析優化方案可知：方案①全部疏散所用時間為332 s，優化后人員逃生所需時間縮短了13 s，通過2#樓梯逃生的人數增加至642人，通過各可用樓梯逃生的人數見圖8；方案②全部疏散所用時間為341 s，與優化前相比僅縮短了4 s，其優化效果不明顯；方案③全部疏散所用時間為325 s，優化后人員逃生所需時間縮短了20 s，與方案①相比，增加的一個出站檢票口主要是為了減輕人員在逃生出口的滯留情況，對樓梯在逃生中的作用沒有影響，通過各樓梯逃生的人數與方案①相同。由此可見，通過同時加寬樓梯和增加逃生出口的方法可以比較有效地縮短逃生時間，但是總逃生時間為325 s，與360 s的要求仍較接近，因此在疏散過程中，需要根據實際情況更合理地引導人員分流，從而進一步縮短人員疏散的時間。

5 結 論

本文通過FDS軟件模擬典型地鐵車站不同場景下發生火災時的煙氣蔓延情況，采用Pathfinder軟件建立地鐵車站的人員疏散模型，根據不同場景下煙氣擴散過程，分析了火災狀態下樓梯的開啟狀態，并結合車站內可能的列車數量，共建立12種場景對站內人員疏散進行模擬分析，選擇最有可能出現的危險狀態(場景7)進行優化分析，得到以下主要結論：

(1) 當火源在站內一側時，在樓梯口氣流作用下煙氣集中向該側擴散，人員需向另一側疏散。

(2) 當站內無列車時，3種火源位置下，車站的疏散能力都能滿足人員逃生要求；站內有1輛列車時，當火源位于2#位置，人員逃生運動所需時間為345 s，非常接近360 s的要求，疏散過程中危險性較大，火源位于其他位置時車站疏散能力滿足人員逃生要求；站內有2輛列車時，車站僅在樓梯都可用的情況下滿足人員逃生要求，其他情況下均不能滿足人員逃生要求，因此需要避免2輛列車同時在一個站內疏散的情況。

(3) 通過對站內有1輛列車、火源位于2#位置的場景進行加寬2#樓梯0.5 m和在2#出站檢票口處增加1個閘機通道的優化方案分析，當這兩種措施同時采用時可縮短人員逃生時間20 s，但在實際人員疏散過程中還需加強工作人員的引導，進一步縮短人員逃生時間，提高該場景下的車站安全性。

(4) 在本模型中當逃生人數多、出口數較少的情況下，SPFE模式計算得到的人員逃生時間更短。

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Stimulation and Evaluation of Safety Evacuation in a Typical Subway Station

CHEN Lilin，LUO Enmin,LIU Guanhua,XIA Zhangqi,LIU Xiaoyun

(CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

With a typical subway station as the background,this paper simulates the smoke spread processes in fires under different scenarios based on the FDS software and applies Pathfinder software to establishing the station evacuation model;and then the paper simulates and analyzes evacuation situation under 12 kinds of scenarios,and selects the scenario that will most likely happen for optimization analysis.The results show that when there is no train in the station,the evacuation ability of the station can meet the requirements;when there is one train in the station and fire originates in 2#combustion source,personnel escape movement takes 345 seconds,indicating a higher evacuation risk,while the evacuation capability can meet the requirements with fire originated in two else combustion sources;when there are two trains in the station,the requirements can be met only in the case that all the stairs are available for escape but not in any other case.Optimization analysis shows that the time to escape can be shortened by 20 seconds by broadening the 2#stairs by 0.5 m and adding a ticket exit in 2#outbound ticket barrier.

subway station fire；safety evacuation；FDS；Pathfinder

1671-1556(2015)04-0123-06

2014-11-14

2015-02-05

武漢科技大學大學生科技創新基金項目(13ZRB144)

陳立林(1992—)，女，本科生，主要研究方向為工業防火安全技術。E-mail:chenlilinchen@gmail.com

X913;U231.4

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.022

劉曉云(1985—)，男，講師，博士研究生，主要研究方向為工業安全。E-mail：330289846@qq.com