火災煙霧對城市軌道交通安全疏散系統設計的影響研究

胡曉 周華杰 楊凡

摘 要：本文探討了火災煙霧對城市軌道交通安全疏散系統設計的影響。以雙層島式地鐵車站作為模擬對象，使用PyroSim作為模擬工具，在地下二層的站臺層設置面積為1m2的正方形火源，討論增加通風口的必要性。模擬結果表明，在有通風口的情況下，地鐵火災煙氣擴散速度大大降低，為乘客爭取了更多的逃生時間。

關鍵詞：火災;煙霧;城市軌道交通;疏散

中圖分類號：U231.96文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）11-0102-03

Abstract： This paper discussed the impact of fire smoke on the design of urban rail transit safety evacuation systems. Taking a double-decked island subway station as a simulation object， using PyroSim as a simulation tool， a square fire source with an area of ??1m2 was set on the platform floor of the second basement to discuss the necessity of adding vents. The simulation results showed that in the case of vents， the subway fire smoke diffusion rate was greatly reduced， and more escape time was obtained for passengers.

Keywords： fire;smoke;urban rail transit;evacuation

1 研究背景和研究方法

1.1 研究背景

地鐵是目前世界上解決大中型城市人們出行的最為便捷、經濟和高效的交通工具。我國的第一條地鐵始建于1965年7月。地鐵的發展程度已經成為衡量一個城市現代化的重要標志。

地鐵由于具有運量大、速度快、無污染、準時、方便、舒適等優點而備受人們的青睞，發展迅速[1]。但是，與此同時，地鐵的安全問題也開始受到普遍關注，特別是地鐵成為人流密集的公共場所，一旦發生毒氣、爆炸、火災等突發事件，影響十分巨大。

1.2 研究方法

本文著重研究地鐵發生火災事故時人員的疏散問題。據統計結果顯示，地鐵火災造成傷亡的主要原因是煙氣和高溫。因此，在本次設計中，應用PyroSim軟件模擬火源位置6min內煙氣的擴散狀況和離地面高度為1.7m處的溫度變化情況。PyroSim，全名Thunderhead Engineering PyroSim，是一款用于消防模擬的軟件，可以對火災中煙氣的運動、溫度和毒氣濃度進行準確預測分析。

2 地鐵消防中防煙排煙與事故通風的規定

火災煙氣造成的嚴重危害主要表現在毒害性和減光性。地鐵車體、地鐵隧道、地鐵車站都是環境相對封閉的地方，一旦發生火災，煙霧不容易自動散開，濃煙的積聚使能見度降低，乘客在一個不熟悉的環境中很難分辨方向，而且煙氣中含有對人體有刺激性作用的氣體，如SO2、H2S、HCl、Cl2和NO2等，使人眼流淚，不易睜開，從而給人員的安全疏散造成很大困難[2]。

防排煙工程的目的是防止火災產生大量的煙氣，阻止煙氣的迅速蔓延，確保人員的安全疏散和改善撲救條件。為達到上述目的，現代防排煙技術及方法主要有設置機械排煙、送風系統，進行機械排煙或正壓送風防煙;對建筑進行防煙分隔或建立防煙封閉避難區;設計自然通風口，利用煙氣的熱浮力特性，采用自然排煙;對建材和家具進行阻燃、消煙處理;利用噴灑化學消煙劑或水霧等消除煙氣中有毒成份及煙塵粒子，提高能見度[3]。

3 模擬地鐵火災煙氣擴散及溫度變化

3.1 地鐵車站模型的建立

本次模擬選取了雙層島式地鐵車站作為研究對象。第一層為站廳層，有效長度為80m，寬度為18m，高度為4.5m，兩側各有兩個人行出入口與地面相連，每個出入口寬6m;地下二層為站臺層，有效長度為120m，寬度為10m，高度為4.5m，共有4個送風口與4個排氣口，風速為3m/s，每個開口寬2m，高1.5m。站廳層與站臺層之間依靠2個寬均為6m的樓梯連接，樓梯水平開口長4m，每個樓梯臺階寬40cm，高22.5cm。車站各向視圖見圖1至圖3。

3.2 模擬結果及分析

在本次設計中，除了記錄了發生火災后的360s內的3D煙霧擴散狀況，還記錄了距離地面1.7m的整個平面的溫度分布情況。這是因為相關數據表明，火災致死的因素除了煙霧，高溫也是一個造成重大傷亡的元兇。高溫會灼傷人的呼吸道，造成人窒息死亡，同時會降低人的行動能力和判斷能力[4]。距離地面1.7m被認為是安全高度，高于1.7m的煙氣和高溫對人體的傷害可以忽略不計，但當煙霧降到1.7m以下時，就會影響人的視線;同時，1.7m處的溫度也會影響人的呼吸運動。

本次設計中，進行了兩次火源位置的模擬，都是在地下二層的站臺層設置面積為1m2的正方形火源。第一次模擬是為了討論在樓梯口加上高度為30cm的擋煙垂壁對煙氣擴散的影響;第二次模擬是為了討論火災情況下增加通風口的必要性。

3.2.1 模型一的計算結果及分析。模型一及模型一（增加擋煙垂壁）的火源位置設置在站臺層左側，地鐵車站內煙霧擴散狀況如圖4至圖6所示。

由圖4至圖6可以看出，著火后120s，煙氣從樓梯口擴散到地下一層。煙氣在撞擊站臺層天花板后迅速向水平方向擴散，但左邊有障礙物的阻擋迫使煙霧只能加速向右擴張，樓梯口成為站廳層的噴煙口，導致120～360s地下一層煙氣迅速擴散。而在地下二層遠離火源的另一端，空氣中的煙霧含量較低，甚至會低于同時期地下一層空氣中的煙霧含量。這是由于火源距離其中一個樓梯口較近，火災產生的煙氣很熱，會迅速在垂直方向向上擴散，而在水平方向上，通常是向上方向受阻后才水平擴張。這時，在火源附近向地下一層疏散時，雖然選擇離火源比較近的樓梯所用的時間會比另一個樓梯少，但就安全情況來看，更應該選擇遠離火源的樓梯逃生。

圖7至圖9是在模型一的基礎上，在兩個樓梯口周圍添加了高度為30cm的擋煙垂壁后，相同火源情況下煙霧擴散狀況的模擬記錄。通過比較加擋煙垂壁前后煙氣擴散的狀況，可以看出擋煙垂壁對煙氣的擴散確實有一定的作用，但不是非常明顯。如果想要達到更好的效果，必須增高擋煙垂壁的高度。但是，為了保證乘客在上下樓梯時不受擋煙垂壁影響，又必須增大樓梯口的長度。

3.2.2 模型二計算的結果及分析。模型二和模型二（增加通風口）的火源位置設置在站臺層左側樓梯入口處，地鐵車站內煙霧擴散狀況如圖10至圖12所示。

大火封堵了一個樓梯口，乘客只能由另外一個樓梯口逃往站廳層。在站臺層最左邊的乘客還必須越過火災產生的濃厚的煙霧向站臺層右側的樓梯前進，而且這些乘客距離安全樓梯的距離最遠，疏散所用的時間也最長。由于火源位置正在樓梯口處，煙霧順著樓梯快速擴散到站廳層，使左側的樓梯口成為站廳層的噴煙口。

圖13至圖15是在模型的基礎上，在樓梯口正上方的站廳層天花板上添加了風速為9m/s的機械通風口后相同火源點的煙霧擴散狀況。通過和模型二的模擬結果進行比較可以發現，機械通風對火災煙氣的擴散具有非常大的影響。

4 結語

在兩個模型中，雖然火源點在地下二層的不同位置，但大火產生的煙氣都在120s內擴散至地下一層，樓梯口都成為地下一層的噴煙口。地下二層的乘客必須經過兩個樓梯疏散至地下一層，乘客疏散方向與煙霧擴散方向一致，給乘客的安全疏散造成很大困擾。基于此，可以在樓梯口周圍設置擋煙垂壁，用來延長煙霧擴散至地下一層的時間;也可以通過機械通風的方法延長擴散時間。此外，建議通過機械通風的方法使樓梯口保持向下的空氣壓力來控制煙霧從樓梯口擴散的速度。相較于增加擋煙垂壁，機械通風在抑制煙氣向站廳層擴散效果更好。

參考文獻：

[1]杜寶玲.國外地鐵火災事故案例統計分析[J].消防科學與技術，2007（2）：214-217.

[2]簡琪，關輝，高博.建筑防排煙方法對火災時期人員逃生的影響[J].建筑與設備，2013（3）：43-44.

[3]蘭彬，錢建民.國內外防排煙技術研究的現狀和研究方向[J].消防科學與技術，2001（2）：17-18.

[4]王學謙，劉萬臣.建筑防火設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.