地鐵同站臺高架換乘車站火災全尺寸實驗研究-(4)設備區火災*

鐘茂華，劉 暢，田向亮，張 磊，胡家鵬，梅 棋

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；4.北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100068)

0 引言

地鐵設備區通常包括多個相互連接的走廊和設備房間，該區域結構較為復雜，同時，作為疏散路徑的走廊一般為狹長空間，一旦出現火災情況，煙氣將在多個走廊迅速蔓延，容易同時將多個疏散路徑封堵，威脅人員安全疏散和外部力量的應急救援。因此，合理確定設備區的火災通風模式對站務值守人員的生命安全至關重要。

國內外相關學者對含走廊和房間相互連接結構的建筑火災安全開展了一系列研究。He[1]在含多個房間和公共走廊的建筑結構內開展了全尺寸火災實驗，討論了起火房間與走廊連接處的煙氣溫度、流速等參數；張人杰等[2]采用鹽水模擬探討了典型側室-走廊結構建筑型式的火災煙氣運動規律，對走廊煙氣前鋒擴散速度和頂棚煙氣溫度增長過程進行了分析；湯靜等[3]對建筑結構中常見的L形、T形和環形走廊構建了FDS計算模型，分析了不同結構走廊發生火災時的煙氣流動特性、溫度分布特征和煙氣層高度；Li等[4]基于動量和質量守恒方程，考慮外界風壓對擴散速度的影響，建立了房間起火時建筑走廊內煙氣擴散速度的預測模型，并開展了1∶3小尺寸模型實驗對該模型進行了驗證；龍新峰等[5]對含多個房間和走廊的建筑結構構建了數值計算模型，分析了不同通風方式下起火房間煙氣溫度、煙氣層高度和走廊區域的煙氣擴散情況；李靜嫻等[6]搭建了建筑內狹長走廊的火災煙氣實驗模型，結合FDS數值模擬對此類結構建筑的火災排煙模式進行優化研究，提出了防煙緩沖區、排煙口及擋煙垂壁共同作用的組合通風方式；徐曉楠等[7]采用FDS對含走廊建筑火災發展和煙氣傳播過程進行了數值模擬，分析了煙氣蓄積特點和CO通過走廊向其他房間的傳播規律；Johansson等[8]采用52組小尺寸火災實驗數據，對多個房間相互連接結構的煙氣溫度理論預測模型進行了分析驗證；Luo等[9]在含多個房間的建筑內開展了現場火災實驗，通過對火焰傳播速度、煙氣溫度、輻射熱通量和氣體組分分析，驗證了CFD三維火災數值計算的可靠性；Audouin[10]總結了在類似結構建筑空間內開展的35組全尺寸火災實驗，對實驗條件、測試裝置和典型實驗結果進行了介紹，研究結果可用于構建該結構建筑火災實驗數據庫；Yeoh[11]對含走廊和多個房間的建筑結構進行火災數值模擬，發現煙氣與建筑空間的輻射換熱量對火場溫度影響較大；Fu[12]采用數值模擬的方法構建了多房間連接結構雙區域火災增長和煙氣擴散模型；針對走廊與多個房間連接的建筑；馮文興等[13]開展了小尺寸火災實驗研究煙氣向遠距離房間的傳播規律，發現一氧化碳濃度受出入口高度影響較大，溫度與一氧化碳濃度在豎直方向分布的差異較大。

本文通過在某同站臺高架換乘車站的設備區開展全尺寸火災實驗，對不同通風方式和火源位置情況下的煙氣擴散和沉降過程進行分析，研究結果可為此類結構車站設備區火災防排煙措施的優化提供技術參考和數據支撐。

1 實驗概況

該實驗在某同站臺高架換乘地鐵車站的設備區開展，設備區與站廳同層，主要結構包括5個長度不一的東西向走廊、1個南北向走廊和若干設備房間。圖1為設備區建筑結構示意圖，東西向走廊包括北1、北2、南1、南2和中部走廊，南1和北1走廊長度為42 m，東側通往車站外部，西側通往站廳公共區。南2和北2走廊長度為24 m，東側通往站廳公共區，西側與南北向走廊連接。中部走廊長度為18 m，東側通往車站外部，西側與南北向走廊連接，南北向走廊長度為36 m，與5個東西向走廊均互相連通，設備區各個走廊與站廳公共區和車站外部空間連接處均安裝有防火門。

圖1 設備區結構示意Fig.1 Sketch of equipment area

設備區發生火災時，現場人員可通過東側和南北側安全出口撤離至車站外部，也可通過西側安全出口撤離至站廳公共區，疏散路徑的選擇需考慮起火位置和不同部位煙氣擴散情況。通過在設備區走廊交叉位置、走廊末端和設備房間中設置甲醇池火，模擬不同位置的火災場景。實驗過程中采用自然通風和機械排煙2種通風方式，設備區實驗工況如表1所示。在機械排煙的工況中，開啟排煙風機和點火同時進行，火源熄滅后風機繼續工作15 min左右。圖2～4為不同火源位置的實驗開展情況，設備區實驗測試裝置的平面布置見實驗設計[14]，考慮到火災情況下人員可能從各個疏散出口撤離，在火源位置1和3的實驗中各疏散出口的防火門均處于開啟狀態，位置2起火時人員無法打開中部走廊末端的防火門進行疏散，實驗過程中該防火門處于關閉狀態。

表1 設備區火災實驗工況Table 1 Fire experimental cases in equipment area

圖2 設備區火源位置1實驗過程Fig.2 Experimental scene at fire location1

圖3 設備區火源位置2實驗過程Fig.3 Experimental scene at fire location2

圖4 設備區火源位置3實驗過程Fig.4 Experimental scene at fire location3

2 實驗結果與分析

2.1 頂棚煙氣溫度

設備區發生火災時，煙氣在多個走廊的擴散過程受通風條件、火源位置的影響較大。煙氣擴散過程中，頂棚下方區域的溫度較高，可采用頂棚煙氣溫度變化情況對煙氣擴散范圍進行示蹤和判斷[15-16]。

圖5 設備區火災時頂棚煙氣溫度Fig.5 Fire-induced ceiling temperature in equipment area

圖5為不同位置起火時，設備區各個走廊的頂棚最高煙氣溫度。如圖5(a)所示，自然通風條件下位置1起火時，煙氣向與起火點連接的3條走廊擴散，南2走廊和南北向走廊的煙氣溫度較高，最高溫度分別為75，68℃，隨著與火源距離的增加逐漸衰減。受自然風的影響，南北側走廊的北側溫度高于南側，且煙氣向南側擴散的距離較短，在實驗過程中觀察到火羽流向西偏轉的現象，偏轉角度達到45°。

圖6為第1組實驗火羽流偏轉情況，可以看出，火源東側和南側自然風壓較大，導致大部分煙氣向設備區北部和西部走廊區域擴散，在南北向走廊的北端防火門處煙氣溫度為43℃，南1走廊西側最高溫度為32℃，東側保持為環境溫度，南2走廊的煙氣溫度最高，西端防火門處的煙氣溫度達到58℃。圖7為第2組實驗火羽流偏轉情況，開啟機械排煙后，南2走廊和南北向走廊的火源北側溫度衰減速度加快，煙氣未蔓延至西端和北端防火門處，實驗過程中自然風處于不穩定狀態，此時火源北側自然風壓較大，火羽流出現向南偏轉的情況，偏轉角度達到30°，導致大部分煙氣向火源南側擴散，南北向走廊火源南側的煙氣溫度高于未開啟機械排煙的情況，南1走廊火源東側有少量煙氣進入，最高溫度為40℃。

位置2起火時，如圖5(b)所示，由于火源位于中部走廊東側封閉末端，且該區域未設置通風口，機械排煙對火源附近煙氣溫度的影響不大，自然通風和機械通風情況下該區域煙氣溫度均為82～100℃。在南北向走廊、北1走廊和北2走廊，開啟機械通風后的煙氣溫度相對于自然通風均有不同程度的降低，但機械排煙未能縮小煙氣擴散的范圍，2種通風方式下煙氣均從中部走廊向設備區北部擴散。設備房內起火時，煙氣首先在起火房間進行填充，沉降至房門開口高度時開始向北1走廊擴散，在縱向擴散的過程中，一部分煙氣從北1走廊東側和南北向走廊北側疏散出口排至站外，南北向走廊內的溫度保持為環境溫度，說明煙氣未向設備區南部區域擴散，如圖5(c)所示，開啟機械排煙后，北1走廊溫度低于自然通風的情況，且煙氣縱向擴散范圍減小，火災危險性有所降低。

圖6 第1組實驗過程中自然風對火羽流的影響Fig.6 Impact of natural wind on fire plume in test 1

圖7 第2組實驗過程中自然風對火羽流的影響Fig.7 Impact of natural wind on fire plume in test 2

3種火源位置情況下頂棚煙氣最高溫度的分析表明，火源位于設備區走廊末端時，機械排煙對該區域頂棚的降溫效果不明顯，火源位于走廊節點部位時，機械排煙和站外自然風壓的共同作用可將煙氣控制在局部區域，對頂棚的降溫效果較為明顯。因此，設備區吊頂上方的管線設計應考慮走廊末端的火災危險性，提高該區域頂部構件和防火材料的耐火等級，防止通信、信號和供電線纜在高溫作用下斷路，導致車站無法有效執行應急預案；同時，應增加該區域的排煙口數量，將頂棚溫度盡可能控制在較低范圍，避免對頂部線纜造成破壞。

2.2 煙氣層高度

在建筑火災中，煙氣層高度是表示煙氣沉降情況及其危險性的重要參數，穩定的煙氣層會與下部空氣層形成明顯的密度差，然而受火災類型和通風方式的影響，煙氣層下部區域也往往會摻混少量煙氣，形成煙氣層和空氣層的過渡區域，導致下部能見度降低，不利于人員疏散，圖8和圖9為設備區煙氣分層現場觀測情況，實驗過程中在煙氣層下方低速流動的煙氣沉降至較低位置。

NFPA-92B[17]提出采用豎直方向溫度數據計算煙氣沉降高度的方法，計算公式如下：

Tn=Cn(Tmax-T0)+T0

(1)

式中：Tn為煙氣層與空氣層分界面的溫度，℃；Tmax為豎直方向最高溫度，℃；T0為環境溫度，℃；Cn為百分比常數，當Cn為0.8～0.9時，認為Tn所在高度為煙氣層高度，當Cn為0.1～0.2時，認為Tn所在高度為煙氣沉降最低高度。考慮較為危險的情況，在本文中取煙氣層高度和煙氣沉降最低高度對應的Cn值分別為0.8和0.1，對設備區不同位置火災過程中的煙氣層高度和煙氣沉降最低高度進行計算。

圖8 位置1起火時設備區走廊煙氣分層情況Fig.8 Smoke stratification in corridor for fire location1

圖9 位置2起火時設備區走廊煙氣分層情況Fig.9 Smoke stratification in corridor for fire location2

圖10為自然通風情況下各走廊區域煙氣沉降情況，位置1發生火災時，如圖10(a)所示，設備區大部分區域的煙氣在起火一段時間后沉降至相對穩定的位置，南北側走廊、北1走廊和南2走廊的煙氣層高度分別穩定在2.5，2.7和2.5 m，北2走廊的煙氣層高度波動幅度較大，最低降至0.5 m以下；煙氣沉降的最低高度均在1.5 m以下，南北向走廊和南2走廊煙氣沉降最低高度穩定在1.3 m和0.65 m，北1和北2走廊的火災煙氣最低均沉降至地面高度。開啟機械排煙后，如圖10(b)所示，南北向走廊和南2走廊的煙氣沉降作用減弱，煙氣層高度穩定在2.7 m左右，煙氣沉降最低高度分別升高至1.6 m和1.4 m，火災危險性低于自然通風的情況。

圖10 位置1起火時設備區走廊煙氣沉降情況Fig.10 Smoke descendent in corridor for fire location1

位置2起火時，中部走廊空間較為封閉，如圖11所示，自然通風和機械排煙作用下中部走廊的煙氣層高度和煙氣沉降最低高度均低于其他區域。在南北向走廊，2種通風方式下煙氣層高度均在2.7 m左右，開啟機械排煙后煙氣沉降最低位置有所升高，北1和北2走廊在自然通風下的煙氣層高度均為2.7 m，煙氣最低可沉降至1.4 m。位置3起火時，煙氣擴散范圍主要包括北1走廊和南北向走廊北端，在北1走廊東側，煙氣溫度較高，沉降作用不明顯，在自然通風和機械排煙條件下煙氣層高度和煙氣沉降最低高度均穩定在2.7 m和2 m左右；煙氣擴散至南北側走廊北端和北1走廊西側的過程中，溫度不斷降低，沉降作用逐漸加強，如圖12(a)所示，該區域煙氣沉降最低高度均降低至地面高度，北1走廊西側煙氣層高度處于波動狀態，最低降至1.3 m。

圖11 位置2起火時設備區走廊煙氣沉降情況Fig.11 Smoke descendent in corridor for fire location2

圖12 位置3起火時設備區走廊煙氣沉降情況Fig.12 Smoke descendent in corridor for fire location3

2.3 危險高度煙氣溫度

針對不同的建筑高度，《建筑防排煙技術規程》(DGJ08-88-2006)[18]規定防排煙設計計算中的最小清晰高度應按照Hq=1.6+0.1H進行計算，其中Hq為最小清晰高度，也稱為危險高度，m；H為排煙空間的建筑凈高度，m。可根據沉降至該高處的煙氣溫度判斷防排煙效果及火災危險程度，本文中設備區走廊的危險高度計算值為1.9 m。圖13為3處位置起火時自然通風和機械排煙作用下煙氣擴散范圍內1.9 m高度的溫度變化情況。在0.125 MW的火災規模下，位置1起火時，2種通風條件下的最高溫度均為45℃，受自然風壓的影響，最高溫度所在區域分別為南2走廊和火源北側走廊.自然通風條件下，北1、北2走廊和南北向走廊危險高度的煙氣最高溫度分別為27，29和34℃，開啟機械排煙后，在自然風壓的共同作用下，煙氣主要向火源南側擴散，南2走廊的煙氣溫度降低至26℃。位置2起火時，火源所在封閉端走廊危險高度的煙氣溫度最高達到45℃，開啟機械排煙在減小煙氣擴散范圍的同時，對南北向走廊火源北側危險高度的煙氣溫度降低作用較為明顯，北1和北2走廊距起火部位較遠，沉降至危險高度的煙氣溫度為27℃和31℃。在0.06 MW的火災規模下，位置3起火時，煙氣蔓延至北1走廊后由疏散出口排至站外，未向設備區南部蔓延，在自然通風和機械排煙作用下該區域危險高度的煙氣最高溫度分別為32.5℃和31℃。

圖13 設備區走廊危險高度煙氣溫度Fig.13 Maximum temperature in equipment area corridor at dangerous height

綜合煙氣層高度和危險高度煙氣溫度的分析表明，開啟機械排煙對煙氣溫度和沉降高度均有一定的控制作用，但火災通風模式和人員疏散路徑的選擇需考慮不斷變化的外部自然風壓的影響。疏散出口均開啟時，大部分煙氣向火源下風向擴散且沉降較為嚴重，處于該區域的站務人員面臨較大的火災危險性。因此設備區防排煙設計應參考該地區不同季節自然風向、風速等歷史氣象資料，結合車站運營中日常觀測情況，采用若干種針對性的火災通風和疏散模式。一方面應根據火源位置引導現場人員選擇上風向的安全出口進行疏散；另一方面，應根據煙氣擴散范圍，關閉上風向無煙氣擴散區域的排煙口，以增加火源下風向的頂部排煙量，降低該區域的火災危險性。

3 結論

1)地鐵設備區發生火災時，在安全出口均開啟的情況下，煙氣擴散過程受外界自然風壓影響較大。實驗過程中走廊交叉位置起火時，煙氣首先向設備區北部蔓延，隨著自然風壓的變化大部分煙氣開始向設備區南部蓄積；走廊末端區域起火時，火源所在區域的煙氣蓄積作用較為明顯，頂棚溫度較高，擴散至其他區域走廊后，受自然風壓影響大部分煙氣向設備區北部蔓延；設備房間內起火時，蔓延至走廊區域的部分煙氣直接通過附近的安全出口排至站外，由于設備區南側自然風壓較高，煙氣始終在北側走廊區域擴散。

2)不同位置起火時，大部分走廊區域穩定的煙氣層高度位于2.4～2.8 m，部分區域煙氣層高度波動較大，最低可降至0.5 m以下；開啟機械排煙有利于降低煙氣沉降作用，自然通風情況下煙氣最低可沉降至地面高度，機械通風作用下大部分區域的煙氣沉降最低高度均在1 m以上。

3)在煙氣擴散區域，走廊交叉位置起火時煙氣主要向自然風的下風向蓄積，危險高度的最高溫度可達到45℃，走廊末端起火時，火源所在封閉端走廊區域和南北向走廊區域危險高度的最高溫度可達45℃和40℃，設備房間內起火時，煙氣在經過一段時間的填充和空氣卷吸后蔓延至北側走廊，同時部分煙氣直接從北側安全出口排出，該走廊區域危險高度煙氣溫度較低，火災危險性較小。

4)針對火災危險性較高的走廊末端區域，在防排煙設計中應考慮增加該部位的排煙口數量，且在頂部采用耐火等級較高的構件和防火材料，確保車站各系統執行應急預案過程中通信和信號等線纜正常工作；同時，應考慮不同季節車站外部自然風壓的影響，盡可能提高火源下風向的機械排煙量，引導現場人員選擇上風向的安全出口進行疏散。