地鐵車站火災排煙模式仿真研究

成琳娜 徐華菁 張梓峰 劉? B

摘 要：基于對地鐵車站火災產物影響的分析，以廣州地鐵 13 號線白江站為研究對象，使用PyroSim 軟件構建地鐵車站火災排煙模式仿真模型，對地鐵車站火災煙氣擴散特性、火災產物發展趨勢等進行仿真分析。在此基礎上，提出以加快煙氣消散速度、減緩溫度上升速度和增加能見度距離為優化目標的 6 種優化方案，并進行仿真對比分析。結果表明：當火源位于站臺中部時，在站臺加設排風機可有效提升火災排煙效率，同時在部分區域設置有效高度的擋煙垂壁可對煙氣控制起到有效的輔助作用。

關鍵詞：地鐵車站;火災事故;排煙模式;仿真研究

中圖分類號：U298.4

1 研究背景

隨著我國城鎮化的不斷發展，城市交通問題日益嚴重，地鐵以其安全、快捷、舒適、能耗低等優點成為改善交通結構、解決交通擁堵難題的最佳方案。與此同時，地鐵的建設和運營也帶來一些亟待解決的系統安全問題，根據國內外相關統計，在所調查的地鐵災害事故中，火災次數最多，約占30%[1]，其對人員的最大危害來源于煙氣影響，因此如何對火災煙氣進行有效控制是值得深入研究的課題，對于提升地鐵系統安全性和可靠性具有重要意義。

目前，國內外學者在研究火災控制問題時主要使用實地實驗和軟件仿真等方法。文獻[2]對深圳地鐵1號線崗廈站進行了熱煙實驗，分析開啟隧道風機對站臺排煙的作用，得到煙氣流動特性;文獻[3]利用冷煙、小木垛及煙餅進行實地實驗，模擬3種工況下防煙分區的劃分效果及排煙功能，提出改進排煙系統的措施;文獻[4]對某地鐵站進行實體火災煙氣實驗，對該地鐵站的防災系統、通風系統進行整體測試;文獻[5-7]分別建立不同縮尺的車站模型，分析火災過程中車站內的氣流情況、煙氣蔓延過程以及向鄰近空間的蔓延特點，以探究煙氣的蔓延及控制規律;文獻[8]構建了一個地下狹長受限空間的實驗平臺，使用柴油和汽油進行燃燒實驗，得到這2種燃料的熱釋放速率和煙氣溫度的實測數據。

國內外對于火災控制的研究已取得一定成果，但針對地鐵車站火災煙氣控制方法比選的研究仍有不足。因此本文以廣州地鐵13號線白江站為研究背景，利用PyroSim軟件構建仿真模型，分析地鐵站火災煙氣控制現狀，針對不同影響因素，提出6種煙氣控制方案，通過仿真對比研究各方案的有效性。

2 火災產物影響

地鐵車站發生火災時，所產生的煙氣、高溫、熱輻射、對流熱、毒性等會嚴重威脅人員的生命與財產安全[9]。人體可承受的溫度界限值如表1所示，現有研究表明，人體處于50℃高溫中時，血壓會急劇下降，循環系統會出現衰竭;吸入超過70℃的氣體時，會灼傷氣管和支氣管的內黏膜，令毛細血管破裂、組織壞死，嚴重時會破壞腦神經中樞;人接觸煙氣的溫度不應超過65℃，否則將難以存活[10]。因此本文將65℃定義為可安全疏散的參考溫度值。

人體可承受的能見度界限值如表2所示。現有研究表明，建筑材料燃燒除了會產生有毒氣體之外，還會產生一些固體顆粒，這些顆粒會隨著氣流向四周擴散，吸收光、散射光，降低火場的能見度，從而對人員判斷位置及尋找逃生路線十分不利，降低逃生的速度。此外，能見度的降低容易令人們陷入慌亂、不安與恐怖的情緒，導致現場的混亂及踩踏事件的發生[11]。中國建筑科學研究院建筑防火研究所規定：火災中安全區域的能見度不能低于10m[12]，因此，本文將能見度10m作為可安全疏散的參考值。

3 構建地鐵車站火災排煙仿真模型

3.1 地鐵車站空間結構仿真環境

本文以廣州地鐵13號線白江站為研究背景，該車站是一個雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站尺寸如表3所示。站廳層有4個通往地面的出入口，對稱分布于車站兩側，每個出入口寬6.5m，站廳層設計如圖1所示。站臺層與站廳層之間由2對雙向自動扶梯、1個單向自動扶梯、1個電梯、4個樓梯相連接，其中2個樓梯位于非公共區，樓梯與扶梯的水平開口長度從左到右依次為11.75 m、17 m、17 m、11.75 m，寬度依次為4.6 m、4.95 m、6.2 m、4.8 m，站臺層設計如圖2所示。

3.2 仿真參數設置

（1）車站建筑材料。該仿真模型所運用的材料及其厚度如表4所示。

（2）建立反應邊界。根據仿真需要，建立長×寬×

高分別為24m×15m×8m、21m×145m×8m、39m×

63m×8m、57m×223m×5m的4組網格，每組網格內部由若干個邊長為1m的單元格組成，坐標如表5所示。

（3）設置排煙通風設備及消防滅火設備。參照白江站管線圖設置風機和噴水裝置，將風機排煙功率設定為8 m3 / s，并開啟排煙模式。

（4） 設置探測設備。本文選取火災煙氣影響下的溫度和能見度變化值作為探測要素，根據人員在煙氣中活動所受影響，將探測點設置在離地面1.5 m處，分別在站廳層和站臺層每隔10 m設置1個探測點，并對其進行標號，站臺層為負數序號，站廳層為正數序號。

綜上所述，得到地鐵站火災煙氣仿真環境如圖3所示。

4 仿真結果分析

根據地鐵站內進站客流和出站客流的流線變化，將火源位置設置在站臺中部，并從設置的所有探測點中選擇客流路徑上火勢強、易擁堵的7個探測點位置，其中站廳層3個、站臺層4個，探測點序號分別為：10、12、07、014、-7、-9、-011，所選探測點位置分布如表6所示。

4.1 煙氣擴散過程

根據仿真結果動態展示可知，火災發生在站臺中部時，火源上方的空氣受熱后形成高溫煙氣，且熱煙氣溫度高于周圍環境溫度，受到熱浮力的作用向上運動，同時不斷吸卷周圍的新鮮空氣，從而形成煙氣羽流。煙氣撞擊頂棚后會形成頂棚射流，在火源兩側沿著頂棚向遠離火源的方向蔓延。部分時間節點及其煙氣擴散狀態如表7所示。

4.2 溫度變化過程

進行不同探測點位置的溫度變化對比分析，得到各探測點位置溫度變化如圖4所示：起火50s內，探測點-011的溫度值已超過安全參考值，此探測點位于火源半徑5 m內的樓梯附近，因此，起火后50 s內將有一處樓梯不能被用于逃生;起火后150 s，探測點10的溫度值超過安全參考值，該點位于站廳層的樓梯出口通往站臺層樓梯的通道上，人員通過這2個樓梯時將面臨生命危險，因此，站臺層的人員必須在150 s內離開;起火后200 s，探測點07的溫度值超過安全參考值，站廳層付費區內的人員將很難通過此處的閘機離開至站外;起火后360 s，站臺層樓梯的溫度值超過安全參考值，至此所有的公共區內樓梯均處于危險狀態。

4.3 能見度變化過程

進行不同探測點位置的能見度變化對比分析，得到各探測點位置能見度變化如圖5所示：起火50 s內，能夠保持10 m以上能見度的僅有探測點07;起火100s內站臺層所有探測點的能見度均不能滿足安全參考值的要求;起火后300 s內車站所有探測點的能見度測得值均為0，車站各處充滿煙氣。因此，站臺層的人員必須在起火后50s內到達站廳層，站廳層的人員也必須在100 s內離開，否則將會受到生命安全威脅。

綜上所述，人員必須在50 s內撤離站臺層，100 s內撤離站廳層才能保證安全逃生需要，但是從車站的人流量以及逃生通道現狀來看，實現難度較大。因此，本文從加強火災產物控制的角度出發，通過改進地鐵站排煙模式，加快煙氣消散速率，縮短地鐵站內環境恢復的所需時間，為人員的安全逃生爭取更多的可用時間。

5 地鐵車站火災排煙模式優化

5.1 優化方案設計

根據地鐵站火災煙氣仿真結果分析，結合煙氣控制理論，本文從擋煙和排煙2個角度出發，通過站廳正壓送風、站臺正壓送風、設置擋煙垂壁等方式設計了6個優化方案，具體如表8所示。

5.2 優化仿真結果分析

5.2.1 煙氣擴散過程

以優化前煙氣擴散過程中各個狀態描述作為參照，各優化方案設計條件下的煙氣擴散過程如表9所示。

由表9可知，優化效果主要體現在以下幾方面。

（1）煙氣上升至站廳層天花板（狀態B）的所需時間。大部分優化方案都有明顯效果，其中方案4優化效果最為顯著，將所需時間延長了34%，但方案5的用時反倒縮短，這是因為擋煙垂壁的存在令煙氣無法蔓延至其他區域，僅能在車站右側擴散，由此大量的煙氣只能從右側的樓梯孔洞上升至站廳層。

（2）煙氣從站廳層中間向外擴散（狀態C）的所需時間。各優化方案均具有明顯效果，其中方案4的優化效果最為顯著，說明在煙氣從站臺層上升至站廳層之前排出，可以有效阻止煙氣擴散。

（3）煙氣充滿站臺層走客區（狀態E）和煙氣充滿站廳層走客區（狀態F）的所需時間。各優化方案均具有明顯效果，其中方案4的效果最為顯著，達到狀態F的用時是原方案的3倍多，且至軟件運行結束時，煙氣仍未充滿整個站臺層。

綜上所述，優化方案4在整體上表現出相對較好的優化效果。

5.2.2 溫度變化過程

通過在不同優化方案條件下對7個探測點的溫度變化進行動態監控，可以得出以下仿真分析結果。

（1）對于探測點10，方案6在120 s后進入危險值;方案1在190 s后進入危險值;方案2、方案3在240 s后反復于危險值上下;方案4、方案5始終低于安全溫度參考值，表現出較好的優化效果。

（2）對于探測點12，方案5在20 s后進入危險值;方案6在60 s后進入危險值;方案2在180 s后反復于危險值上下;方案1、方案3在240 s后進入危險值;方案 4始終低于安全溫度參考值，表現出較好的優化效果。

（3）對于探測點07，方案1在200 s后反復于危險值上下;方案3在240 s后保持接近危險值;方案2、方案4、方案5、方案6始終低于安全溫度參考值，表現出較好的優化效果。

（4）對于探測點014，方案6在180 s后保持接近危險值;方案1在290 s后反復于危險值上下;方案2在360 s后保持接近危險值;方案3、方案4、方案5始終低于安全溫度參考值，表現出較好的優化效果。

（5）對于探測點-7，所有方案始終低于安全溫度參考值，其中方案4、方案5表現出更好的優化效果。

（6）對于探測點-9，方案2在140 s后反復于危險值上下;方案1、方案6在220 s后進入危險值;方案3、方案4、方案5始終低于安全溫度參考值，表現出較好的優化效果。

（7）對于探測點-11，方案1、方案2、方案3、方案5、方案6在20 s后陸續進入危險值;方案4在60 s后保持接近危險值。

綜上所述，綜合分析7個探測點的溫度變化情況可知，優化方案4在整體上表現出相對較好的優化效果，其中在探測點014、-011表現最為明顯，具體變化過程如圖6所示。

5.2.3 能見度變化過程

通過在不同優化方案條件下對7個探測點的能見度變化進行動態監控，可以得出以下仿真分析結果。

（1）對于探測點10，所有方案在60 s后能見度低于安全參考值。

（2）對于探測點12，方案4在100 s后能見度低于安全參考值;剩余方案在40 s后能見度低于安全參考值。

（3）對于探測點07，所有方案在60 s后能見度低于安全參考值。

（4）對于探測點014，方案4在120 s后能見度低于安全參考值;方案1、方案3在70 s后能見度低于安全參考值;方案5在40 s后能見度低于安全參考值。

（5）對于探測點-7，所有方案在60 s后能見度低于安全參考值。

（6）對于探測點-9，所有方案在40 s后能見度低于安全參考值。

（7）對于探測點-11，所有方案在30 s后能見度低于安全參考值。

綜合分析7個探測點的能見度變化情況可知，所有方案均未能有效增加能見度距離，但相比較原方案而言，優化方案4在整體上對于能見度的提升效果較好，其中在探測點12、探測點014表現最為明顯，具體變化過程如圖7所示。

5.3 小結

通過對7個典型探測點的仿真數據進行對比分析可知，當火源位于站臺中部時，在站臺兩側設置排風機可將煙氣快速排出，有效阻止其上升至站廳層;擋煙垂壁可控制煙氣流動方向，但需要控制有效高度，擋煙垂壁過長會使煙氣大量聚積在單個分隔區內無法溢出，使得該區域的人員危險性增大或由于積攢過多煙氣而增加爆炸的可能性，擋煙垂壁過短而小于煙氣層厚度時，無法有效控制煙氣的流動方向。

6 結論

本文以廣州地鐵13號線白江站為研究背景，根據對地鐵站火災產物影響的分析，使用PyroSim軟件對地鐵站火災排煙現狀進行仿真分析。在此基礎上，提出以加快煙氣消散速度、減緩溫度上升速度和增加能見度距離為優化目標的6種優化方案，并通過仿真對比得出，當火源位于站臺中部時，在站臺加設排風機可有效提升火災排煙效率，同時在部分區域設置有效高度的擋煙垂壁可對煙氣控制起到有效的輔助作用。但是在本次研究過程中未考慮到主觀因素對地鐵站火災煙氣控制的影響，這也是后續的研究方向。

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收稿日期 2020-01-20

責任編輯 胡姬

Simulation study on smoke exhaust mode of

subway station fire

Cheng Linna， Xu Huajing， Zhang Zifeng， et al.

Abstract： Based on the analysis of the influence of the fire products of the subway station， taking Baijiang station of Guangzhou metro line 13 as the study case， this paper uses PyroSim software to establish the simulation model of the fire smoke exhaust mode of the subway station， and carries on the simulation analysis of the fire smoke diffusion characteristics and the development trend of the fire products of the subway station. On this basis， it proposes six optimization schemes to accelerate the smoke dissipation speed， slow down the temperature rise speed and increase the visibility distance. The results show that when the fire source is located in the middle of the platform， adding exhaust fan in the platform effectively improves the efficiency of fire smoke extraction， and at the same time， setting the effective height of smoke baffle wall in some areas plays an effective auxiliary role in smoke control.

Keywords： subway station， fire accident， smoke exhaust mode， simulation research