中庭式拱頂多層地鐵車站排煙系統設計及模擬分析

中鐵上海設計院集團有限公司 曾 惜

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發展，位于城市重要地理位置的車站時常需承擔公共交通以外的一些功能，車站內部空間的功能越來越多元化，中庭車站、高大空間車站應運而生。特殊車站內部空間更為復雜，加劇了防排煙的復雜性。本文對某中庭式拱頂多層地鐵車站站廳排煙進行計算分析。

1 車站概況

該車站為全高站臺門制式的地下3層車站，如圖1所示，地下1層、2層為站廳層并設中庭，地下3層站臺層為標準6A制式站臺。地下1層(回廊層)總長度約210 m，地下2層總長度約180 m，共開3個長度分別為22、66、66 m的中庭孔洞，孔洞之間設寬9 m的連廊將中庭兩側的回廊連通，回廊及連廊組成地下1層的人行通道，并與相鄰商業區連通，車站與商業區之間采用防火隔斷分隔。A1、A2、C出入口均與回廊層、站廳層直接連通，B出入口僅與回廊層連通。火災時，回廊層通過4個出入口疏散人員，站廳層疏散路徑包含兩部分：第一部分為通過A1、A2、C 3個出入口直出地面；第二部分為通過中庭兩端通往回廊層的樓扶梯經回廊層后由4個出入口出地面。車站寬度18.7 m，中庭孔洞寬度12.7 m，地下1層凈高5.35 m，地下2層凈高5.4 m，中庭凈高11.35 m。車站公共區平面、剖面圖見圖1。

圖1 車站公共區平面、剖面示意圖

2 火災控制指標

結合美國NFPA130的規定及參考文獻[1-3]，以火災發生后6 min內為煙氣控制時間，本文采用的控制標準如下。

1) 溫度：疏散高度以下(本文疏散高度取2 m)，煙氣溫度不超過60 ℃。

2) 可見度：疏散高度以下，可見度不應低于13 m。

3) 煙氣層高度：不低于最小清晰高度。

4) 有毒氣體濃度：CO體積分數極限值不得高于1 150×10-6。

3 車站模型

根據車站物理尺寸建立如圖2所示的車站模型，車站共有4個出入口，分別為A、B、C、D，其中A出入口僅能進入地下1層，B、C、D出入口地下1、2層均能進入。

圖2 車站模型

3.1 火源參數

參考國內外地鐵火災研究采用的參數[1，3-6]，假定火災為穩態過程。根據對地鐵火災事故的調查分析，站內火災主要為行李火災，行李火災規模一般不會超過2 MW，本文計算火災規模確定為2 MW。

3.2 網格尺寸

計算采用FDS軟件，根據美國國家標準局(NIST)的試驗驗證結果——當網格尺寸為火源特征直徑的1/10時，模擬計算結果最接近實測結果。火源特征直徑計算式如下：

(1)

式中D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放率，kW；ρ0為空氣密度，kg/m3；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；t0為空氣溫度，℃；g為自由落體加速度，9.81 m/s2。

據此，網格尺寸確定為0.2 m×0.2 m×0.2 m(長×寬×高)，網格總數約170萬。

3.3 邊界條件

設置車站出入口為“Open”條件；排煙口為“Exhaust”條件，風量根據排煙量確定；環境初始溫度為25 ℃。

4 排煙系統設計

排煙系統的設計與建筑的構造息息相關，建筑內部構造的不同對煙氣的流動產生不同的影響。本文研究的車站主要包含以下3個重要特征：站廳為2層且開設大中庭；高大空間；車站頂部為拱形頂部。上述3個特征對防煙分區的劃分、排煙量的確定、排煙口的布置形式產生重要影響。下面就這3個問題進行研究分析，并根據研究結果確定排煙系統設計方案。

4.1 防煙分區的劃分

許琪娟[4]、李小坤[7]、沈亮峰[8]、朱建霆等人[9]對站廳-站臺設中庭車站的排煙系統設計進行了探討，探討的中庭相對公共區投影面積的開孔率在10%～30%之間，主要劃分原則為中庭單獨1個防煙分區，站廳層除中庭外的區域按規范要求劃分防煙分區，站臺層除中庭外兩端一般各有1個面積不超200 m2的區域劃分為2個防煙分區。

本文研究車站中庭相對公共區投影面積的開孔率達到約50%，地下2層的開孔率更是達到約60%，此時，是否可將中庭連通的上下2層作為1層空間考慮進行防煙分區的劃分？下面從中庭回廊寬度對排煙效果的影響、中庭下層獨立防煙分區的排煙效果進行分析。

4.1.1回廊寬度對排煙效果的影響

當回廊下著火時，如圖3所示，回廊對煙氣的上升起到阻擋作用，煙氣上升至回廊板后沿著板擴散至回廊邊緣后方上升至頂板。

圖3 回廊下著火煙氣流動示意圖

煙氣順著回廊板流動的過程中不斷與周邊冷空氣混合并逐步下沉，隨著回廊寬度的增大，煙氣下沉更加明顯。分別對不同回廊寬度(5～30 m，每5 m為一工況)情況進行模擬分析，根據火災控制指標，監測回廊下的溫度、可見度、CO濃度，測點布置如圖4所示。

圖4 監測點布置示意圖

計算結果顯示：疏散高度內CO濃度均能滿足要求；溫度和可見度在火災最初的4 min內變化不大，4 min后，不同回廊寬度下開始出現差異，如圖5、6所示，隨著回廊寬度的增大，回廊板下溫度升高；當煙氣沿回廊板擴散并上升至頂板后，由于排煙系統并不能完全排除火災產生的煙氣，導致煙氣沿車站頂板往兩端擴散，擴散過程中與周圍冷空氣混合并下沉，下沉到一定高度后煙氣隨著出入口補入新風往火源回流，回流過程中不斷與新風混合，煙氣溫度下降，因此在火災發展到4 min后火源附近測點高度上出現了溫度與測點距火源距離成反比的現象；當回廊寬度增至15 m，可見度開始下降，當回廊寬度達到30 m時，回廊邊緣附近可見度降低至13 m以下。

4.1.2中庭下層獨立防煙分區的排煙效果

如前所述，參考既有工程案例[7-8]，一般將站廳-站臺設中庭的車站站臺層除中庭外的站臺兩端劃分為獨立的防煙分區，這2個防煙分區分別設置排煙系統，火災時開啟排煙系統的同時開啟隧道通風系統進行輔助排煙，以保證中庭往站臺端頭防煙分區形成1.5 m/s的風速，該方案能有效控制煙氣擴散。對于本文研究的車站，因中庭設在2層站廳內，無法通過隧道通風系統輔助排煙，故本節對板下區域獨立劃分防煙分區且無隧道通風輔助排煙時的控煙效果進行分析，以確定板下區域排煙設計方案。建立如圖7所示模型，通過擋煙垂壁將板下區域與中庭區域分隔，板下區域形成獨立的防煙分區，排煙系統獨立設置，排煙量按規范[10-12]計算。板下前后左右每隔5 m布置一組監測點，同時監測全區域的煙氣層高度。

圖7 計算模型

計算結果顯示：疏散高度內CO濃度變化不大；如圖8所示，回廊下1.5 m高處溫度低于30 ℃，2.0 m高處溫度低于40 ℃，能滿足控制指標要求；可見度在180 s后開始急劇下降，基本維持在10～15 m左右；煙氣層高度監測結果如圖9所示，在90 s左右煙氣開始從回廊下擴散至中庭，快速升至頂板，沿頂板往兩邊擴散，回廊上煙氣層厚度逐步增大，在約180 s后回廊上煙氣層下降至距地2 m以下。

圖8 回廊下溫度、可見度計算結果

圖9 煙氣層高度統計結果

4.2 排煙量的確定

現階段，地鐵排煙系統設計主要依據為3本規范[10-12]，其中，GB 51298—2018《地鐵設計防火標準》(以下簡稱《火標》)、GB 50157—2013《地鐵設計規范》要求按防煙分區建筑面積不小于60 m3/(m2·h)計算排煙量，GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》(以下簡稱《煙標》)對于凈高不大于6 m的場所，排煙量計算方法與《火標》相同，對于凈高大于6 m的場所要求按規范中公式進行計算。一般車站單層凈高小于6 m，對于排煙量的確定無影響，但本文車站凈高11.35 m，按照規范每個防煙分區面積不超2 000 m2的要求，本站站廳劃分為2個防煙分區，每個面積1 965 m2，按照2種算法得到的排煙量分別為118 000 m3/h和240 000m3/h，兩者相差1倍多。因此，本節就2種排煙量的排煙效果進行對比分析。

計算模型如圖2所示，地下2層沿車站縱向布置3列測點，2列位于連廊下，1列位于中部，地下1層兩側均布置測點，分別位于車站兩側連廊，高度為2 m。測點按與車站中部電梯的距離編號(左端為負，如-10 m；右端為正，如10 m)，測點間隔10 m。

計算結果如圖10、11所示：2種排煙量下，中庭地面的溫度、可見度均能滿足疏散環境的需求且差異不大；回廊層溫度均可滿足要求，但《火標》工況溫度明顯高于《煙標》工況，對于可見度《煙標》工況基本控制在15 m以上，《火標》工況不少區域低于13 m甚至局部區域低至6 m左右；《煙標》工況煙氣層高度控制在8 m以上，滿足回廊清晰高度的要求，《火標》工況不少區域煙氣層高度低于8 m，回廊層清晰高度不滿足規范要求。

圖10 《煙標》工況排煙量各測點計算結果

圖11 《火標》工況排煙量各測點計算結果

4.3 小結

綜上，本文研究車站的地下1、2層排煙系統按以下方案設計：

1) 車站兩側回廊寬度為3 m，中間連廊寬度為9 m，地下2層公共區長度基本與中庭寬度相等，兩端基本無板下空間，根據第4.1節的計算分析，將中庭連通的2層作為1個空間考慮。

2) 鑒于地鐵排煙系統設計依據的3本規范[10-12]均對站廳防煙分區面積有不超過2 000 m2的要求，同時考慮防煙分區劃分過大(尤其是地鐵屬于狹長型建筑)時煙氣水平擴散過程會卷吸周圍冷空氣而沉降，從而影響煙氣控制的效果，在站廳中部設置擋煙措施，將站廳劃分為2個防煙分區，每個防煙分區面積1 965 m2。

3) 根據第4.2節計算結果，車站各防煙分區的排煙量按文獻[12]計算結果為準，為240 000 m3/h。在車站兩端各布置2臺專用排煙風機(風量72 000 m3/h，風壓850 Pa)，其中，SEF-A01、SEF-A02負擔A端防煙分區排煙，SEF-B01、SEF-B02負擔B端防煙分區排煙。車站著火時，僅開啟著火防煙分區的排煙系統，由出入口自然補風，其余與本防煙分區排煙系統無關的系統均關閉。

4) 根據拱形地鐵車站火災煙流模擬研究[6]結論，拱頂處設置排煙的方式能提高排煙效率，結論明確且本站拱頂情況與之相似，因此本文對拱頂排煙口的布置暫不作進一步的分析，借鑒參考既有工程案例及研究結論，車站排煙風口布置在拱頂，分2行布置。

5 排煙系統排煙效果分析

根據前述確定的排煙系統方案，對車站內不同位置的著火情況進行模擬分析，火源位置如圖12所示，分別位于連廊下、連廊上、中庭中部、車站端部4個位置。車站模型見圖2，測點布置同第4.2節。

圖12 火源位置示意圖

1) 連廊下火災工況。

因C、D出入口距離車站中部最近，火災排煙時，C、D出入口補風量最大，且中庭上下2層均有補風，因此C、D出入口一側回廊上下溫度、可見度條件均最好，車站內最不利位置為A、B出入口一側回廊所在區域。最不利區域計算結果如圖13所示：因火源位于0 m測點附近，且回廊寬度為9 m，煙氣經回廊邊緣上升至車站頂部，連廊下0、10 m兩處測點溫升最大，其余位置溫升不明顯；連廊上火源附近20 m(-10～20 m內測點)內溫升明顯，可見度降低明顯，其余區域溫升不大，可見度在15 m以上；煙氣層高度顯示除-10、10 m距火源最近處煙氣層在6 m左右外，其余位置煙氣層均在8 m高度以上。

圖13 連廊下火災工況

計算結果顯示，除火源附近20 m范圍外，其余區域疏散高度內溫度未超60 ℃，可見度>13 m，同時煙氣層高度大于最小清晰高度，故連廊下火災時，滿足火災控制指標的要求。

2) 連廊上火災工況。

與連廊下火災工況相同，站內最不利區域為A、B出入口一側回廊所在區域。因火源位于連廊上，煙氣直接升至頂部區域，如圖14所示，煙氣層基本在9.5 m以上，地下2層基本不受煙氣影響；回廊層除火源附近的溫升較為明顯外，其余區域溫度變化不大，整個疏散高度內可見度未受影響。

圖14 連廊上火災工況

計算結果顯示，疏散高度內溫度未超60 ℃，可見度>13 m，同時煙氣層高度大于最小清晰高度，故連廊上火災時，滿足火災控制指標的要求。

3) 中庭中部火災工況。

同前，站內最不利區域為A、B出入口一側回廊所在區域，此工況火源位于30 m測點附近。因火源位于中庭內，煙氣無任何遮擋物，直接上升至車站頂部，如圖15所示，連廊下除火源附近的30 m測點溫升較大外，其余區域溫度變化不大，整個地下2層區域可見度未受影響；回廊層，30、40 m兩處測點溫升較大，達到約50 ℃，可見度降低至10 m左右；除火源附近的30 m測點煙氣層高度低至4 m外，其余區域煙氣層高度均大于8 m。

圖15 中庭中部火災工況

計算結果顯示，除火源附近10 m范圍外，其余區域疏散高度內溫度未超60 ℃，可見度>13 m，同時煙氣層高度大于最小清晰高度，故中庭中部火災時，滿足火災控制指標的要求。

4) 車站端部火災工況。

同前，站內最不利區域為A、B出入口一側回廊所在區域，此工況火源位于80 m測點附近。因火源位于車站端部地下1層，煙氣往上流動，如圖16所示，煙氣層在9.5 m以上高度，連廊下區域基本不受煙氣影響，回廊層除火源附近80 m測點溫升較大，其余區域溫度變化不大，整個區域可見度未受影響。

圖16 車站端部火災工況

計算結果顯示，疏散高度內溫度未超過60 ℃，可見度>13 m，同時煙氣層高度大于最小清晰高度，故車站端部發生火災時，滿足火災控制指標的要求。

綜上，排煙系統能滿足各處火災時的控制指標要求，但綜合對比可以發現，當火災發生在地下2層時，站內環境均比地下1層發生火災時差，主要原因如下：

1) 回廊對煙氣的遮擋阻礙作用導致煙氣在上升過程中擴散范圍更廣，影響面積增大。

2) 地下2層火災時煙氣上升高度更高，煙氣在上升過程中與周圍冷空氣混合更充分，煙氣的下沉效應更明顯，導致煙氣層厚度更大，疏散高度上的環境更差。

6 結論

1) 對于采用大中庭的多層站廳，中庭兩端回廊下區域面積小，蓄煙倉容積小，蓄煙能力弱，在沒有隧道通風系統輔助排煙的情況下，煙氣極易擴散，建議在回廊寬度不大于15 m的前提下，將中庭連通的上下2層作為1個空間考慮進行排煙設計。

2) 對于高度超6 m的高大空間公共區，建議排煙量根據GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》進行計算，若依據GB 51298—2018《地鐵設計防火標準》計算排煙量，應核算煙氣層厚度，以確定是否滿足最小清晰高度的要求及擋煙垂壁的設置高度。

3) 對于中庭開孔率達到50%的情況，將中庭連通的上下2層作為1個空間考慮，同時根據GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》計算排煙量，在6 min疏散時間內能滿足煙氣控制標準的要求。

本文僅對中庭車站的排煙系統進行了初步的探討，關于中庭排煙系統還可從以下兩方面進行探索：

1) 當僅在中庭頂部設置排煙系統時，中庭開孔率對排煙效果的影響。

2) 本文分析連廊寬度對連廊下環境的影響時，僅針對本站中庭寬度進行了分析，但中庭與車站的寬度比對回廊下煙氣流動也會有影響，需作進一步的研究分析。