基于Pathfinder的重慶某樞紐站臺火災人員疏散研究

涂沁穎 熊 康

(1.重慶市消防總隊軌道交通支隊，重慶 401147； 2.重慶大學土木工程學院，重慶 400045)

1 概述

地鐵是一種有效緩解都市交通擁堵和地面用地緊張的交通工具，具有快速、低碳、準時等特點，其作用在都市交通中不可替代。地鐵站作為地下建筑，進出口少，內(nèi)部空間密閉，一旦出現(xiàn)火情，高溫煙氣將給人們造成嚴重的傷害和心理上的恐懼，十分有可能引發(fā)眾多人員傷亡的惡性事件。因此，地鐵站火災的人員疏散慢慢成為了國內(nèi)外不少學者研究的熱點。張莉[1]運用數(shù)值模擬，開展了地鐵站火災情況下人員疏散情況的研究，提出一種引入了火災影響因子的人員疏散模型，能精確地計算出火情下的人員疏散狀態(tài)。張程[2]通過問卷調(diào)查和對地鐵站內(nèi)人員行走速度的實地觀測，結合疏散仿真研究了地鐵人員行為特征，并開發(fā)了相應的疏散仿真軟件。劉夢潔[3]基于FDS火災模擬以及Pathfinder疏散模擬，研究了某地鐵車站的人流量以及火源熱釋放速率的容納能力。還有很多學者對于換乘站內(nèi)人員疏散、客流組織動態(tài)仿真和評價方法等方面開展了研究[4-8]。

本文假設某個地鐵樞紐車站站內(nèi)的列車引發(fā)了火災，運用Pathfinder疏散評估軟件對站內(nèi)疏散的行為開展了一系列模擬，以研究當站臺出現(xiàn)火情時人員的疏散安全。

2 研究對象概況

車站為重慶軌道交通4號線與軌道交通10號線的換乘車站，車站在鐵路重慶北站北廣場的下方。該車站與重慶北站北廣場及地下空間相結合設置。地下1，2層分別是集散大廳和車輛停車場；地下3層是軌道交通站廳、站廳層同層及通過中庭連通鐵路重慶北站，實現(xiàn)地鐵與鐵路的換乘。10號線垂直穿過鐵路站房，其軌行區(qū)在地下4層；4號線平行于鐵路站房，其軌行區(qū)位于地下5層，4號線和10號線十字換乘，屬于大型軌道交通換乘站。

地下2層的10號線部分為雙柱的島式站臺車站，車站規(guī)模為185 m×23 m。地下3層的4號線部分為單柱的島式站臺車站，車站規(guī)模189.6 m×23 m。兩條線路十字換乘。4號、10號線車站的總建筑面積為41 109 m2，車站4號、10號線部分共設置4組地面風井。

車站設置2組共4部垂直電梯位于鐵路站房前(與國鐵共用)，連接站廳層、鐵路進站層與地面廣場，無超長出入口。圖1和圖2分別是4號線站臺層與站廳層的平面圖。

根據(jù)車站CAD平面圖，運用Pathfinder對該車站建模，以人員和疏散問題為基礎的前提下，對車站模型做了一些必要的簡化處理，具體如下：

1)由于模擬對象為乘客，因此建模區(qū)域主要為內(nèi)部站臺及站廳部分，對以外的設備及工作房間不做建模；由于4號線 與10號線的換乘樓扶梯不作為火災情況下的疏散樓扶梯，故建模不考慮十字換乘平臺部分。

2)由于在建模區(qū)域內(nèi)座椅、垃圾箱及自動售貨機等設施所占面積相對模擬區(qū)域很小，在建模過程中忽略不計。

在Pathfinder軟件內(nèi)建出的與實際車站同尺寸的模型如圖3所示。

3 疏散參數(shù)設計

3.1 疏散人數(shù)

對于地鐵換乘車站，站內(nèi)的客流總量呈現(xiàn)出一個規(guī)律性變化，乘客僅將車站作為一個臨時過渡的空間，不會長時間的在車站內(nèi)停留，根據(jù)錄像中的人流量規(guī)律可知，車站內(nèi)的人數(shù)與進出站的人數(shù)、列車停留時間以及間隔時間關系緊密。車站的這一特點決定了傳統(tǒng)面積系數(shù)法并不適用于確定車站內(nèi)的人員分布情況。

在交通建筑中，通常使用“人流量法”來計算人員的數(shù)量，計算方法如下：

由于該地鐵站尚未投入使用，采用課題組前期實地調(diào)研重慶其他換乘車站的錄像分析得到乘客在站內(nèi)的停留時間和車站客流情況，如表1所示。

表1 地鐵換乘站停留時間基礎數(shù)據(jù)[9]

依據(jù)課題組前期研究[9]提出的利用進站、出站、換乘客流計算列車間隔內(nèi)的車站內(nèi)待疏散總?cè)藬?shù)方法，計算得到該站總疏散人數(shù)約為：2 803×1.4=3 925人，列車間隔時間的總?cè)藬?shù)與站廳人數(shù)之差就是站臺總?cè)藬?shù)。疏散模擬模型中取站臺的人數(shù)為1 280人。

3.2 人員構成

地鐵車站是交通建筑，多數(shù)情況是滿足人員出行需求，人員可簡單分為成年男性、成年女性、兒童以及老人。根據(jù)Pathfinder 所建議的數(shù)值以及問卷調(diào)查人群的比例，本疏散模型的人員構成如表2所示。

表2 人員構成

3.3 人員行為特性

Pathfinder人員模型行為特性里最重要的設置參數(shù)為疏散速度，成年男性、成年女性、兒童、老人的行走速度根據(jù)SFPE handbook及GB/T 33668—2017地鐵安全疏散規(guī)范選取，本文中人員的行走速度取值如表3所示。

表3 行走速度 m/s

4 疏散模型及結果分析

基于Pathfinder建出該換乘站內(nèi)的疏散模型，如圖3所示。4號線的站臺層共有兩部樓梯通往地下3層的站廳層。4號線的站臺通過換乘平臺至10號線再通向地下3層的樓扶梯不作為疏散。地下3層軌道站廳層有4個出入口連接地面，并且有兩部樓扶梯通向-1層的集散大廳，人員由4號線站臺層疏散到地下3層站廳層之后，會自主選擇最近的出口疏散。

模擬結果顯示，火災在站臺層發(fā)生后190 s時，站臺上所有人均離開站臺，319 s后所有人均進入站廳。疏散開始453 s時所有人員均已疏散至-1層通向地面的出口處，疏散完畢。

在地鐵建筑人員疏散時間的計算中，往往把火災探測報警時間加上人員疏散響應時間的總和設為1 min。疏散行動時間采用軟件仿真獲得的值，則必需的安全疏散時間是513 s，低于通過火災模擬得出的可用安全疏散時間600 s。

5 通風排煙模擬分析

根據(jù)設計的站臺層火災場景，共設計了8個通風排煙模擬方案，火源功率均設置為1.5MW。各不同通風排煙情況下的模擬方案如表4所示，其中P1是站臺送風排煙系統(tǒng)全部失效工況，該工況下樓扶梯口也沒有形成下行風速，P2是站臺送風排煙系統(tǒng)全部正常工作，且樓扶梯口形成下行風速的情況，P3是考慮站臺送風系統(tǒng)失效，但是排煙系統(tǒng)有效，樓扶梯口沒有下行風速，P4是在P2的基礎上，考慮沒有樓扶梯口下行風速的工況，P5是考慮站臺層送風排煙全部失效，但是樓扶梯口設有下行風速的工況，P6是只考慮站臺層排煙失效，送風有效，樓扶梯口無下行風速的情況，P7是在P6的基礎上，考慮了樓扶梯口有下行風速的情況，P8是考慮了站臺層送風系統(tǒng)失效，排煙有效且樓扶梯口有下行風速的情況。有關通風排煙模擬分析部分的內(nèi)容作者另文中詳述。

表4 通風排煙模擬方案

模擬分析結果顯示，當沒有形成樓扶梯口下行風速時，即使站臺層有排煙和補風(P4)，仍然不能很好的及時地將煙氣排出去，煙氣仍然會向樓扶梯口蔓延，而人員疏散只能通過兩樓扶梯口，所以無樓扶梯口下行風速的所有方案均不利于疏散；在有樓扶梯口下行風速，但是站臺層的排煙系統(tǒng)失效的情況下(P5,P7),煙氣會在下行風的阻擋下，在站臺層蔓延，由于站臺煙氣沒有有效排除，煙氣層高度會很快降低到1.5 m以下，此種情況下也不能滿足人員的疏散安全。因而樓扶梯口有下行風速，且站臺層排煙有效的情況，有利于疏散。即除P2,P8工況外，其余的工況均無法滿足該車站人員疏散的要求。模擬分析表明P5，P8可用的安全疏散時間為600 s?？捎冒踩枭r間大于Pathfinder模擬獲得的必需安全疏散時間，說明P5，P8兩個通風排煙方案能保證疏散安全。

6 結論及建議

運用Pathfinder疏散仿真軟件對樞紐站的人員逃生行為開展了一系列模擬，并與FDS模擬分析得到的不同排煙方案下的臨界達到危險的時間進行了對比分析。根據(jù)以上分析，當樓扶梯口有下行風速，且站臺層有效排煙的情況，有利于疏散，可以延長可利用疏散時間。此外，地鐵樞紐站的消防設施對于人員疏散安全十分重要，應當注重其管理和維護。