排煙方式對島式地鐵站火災疏散時間的影響★

劉新蕾 沈 斌 宋曉陽 吳良猛

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學 瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究國家級專業中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

近年來，隨著城市交通量不斷增長，地鐵的建造與使用已經成為城市交通發展的一種趨勢，地鐵的發展在為人類帶來便捷的同時也存在著一些事故發生，其中火災事故發生頻率較高，形勢十分嚴峻[1,2]。研究地鐵火災，有助于提升人員應對能力，減少人員傷害和財產損失。FDS(Fire Dynamics Simulator)技術因其較好的預測精準性，成為了眾多學者研究地鐵火災煙氣流動的重要研究手段[3,4]。張文斌[5]利用FDS軟件對地下軌道交通車站的火災效果進行模擬研究，充分考察了該軟件在實際工程中的模擬需求，并根據模擬結果提出了優化方法。鐘帥等[6]以FDS模擬軟件為技術手段，將排煙模式考慮在內，對分離島式車站的火源情況進行了模擬，得出煙氣溫度、CO濃度及煙氣流動的變化情況。以上研究為地鐵火災研究提供了參考，然而對于地鐵排煙系統的相關研究尚未開展。

通常地鐵車站為封閉的地下空間，合理的機械排煙方式能夠有效抑制地鐵火災中的煙氣蔓延，從而為人員疏散提供更多的時間。鑒于此，為了得出地鐵站排煙方式的影響，本文以哈爾濱某島式地鐵站站廳火災為例，采用FDS軟件模擬研究火災在站廳排煙系統關閉、半開、全開三種工況下的煙氣擴散狀況。

1 計算模型及場景設定

1.1 計算模型

哈爾濱市某地鐵車站共為兩層，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，總建筑面積為15 151.37 m2，上下層均有通風系統，其中進風口共有48個，排風口24個，側邊機械排煙措施設置在站廳東西兩端，簡化模型如圖1所示。本次模擬以1∶1的比例建立物理模型，共設置了105 600個25 mm的網格，站廳部分的長為95 m，寬為24 m，站廳層與外部空間連接有4個出入口，此區域的頂部有12個排風口和24個進風口，通風面積為12.96 m2。該站廳總面積為2 280 m2，根據GB 50157—2013地鐵設計規范規定，計算出站廳層的總排煙量為1.36×105m3/h，考慮實際情況中存有設備故障漏風現象，設置每個排風口的風量為8 m/s，兩側機械排煙的排風量各為20 m3/s。由于該站廳設備管理房經常關閉，除站內工作人員外不可進入，火災較難發生，樓梯處不設擋煙垂壁，本文僅對不同排煙方式進行研究。

1.2 火災場景設定

火災場景的設定決定著站內火勢的發展，本著保守和最不利的原則，即考慮火災最嚴重的發生及后果來進行設定[7]。根據某地鐵站站廳火災的排煙系統開閉與半開閉狀態，選取離機械排煙口較遠的站廳中心位置設為火源，分為三種不同工況：1)排煙系統關閉狀態，通風系統和機械排煙均關閉；2)排煙系統半開狀態，通風系統開啟，但機械排煙口關閉；3)排煙系統全開狀態，通風系統與機械排煙都開啟。站廳有火災時，打開站臺進風和站廳排風，關閉站廳進風和站臺排風，以促進站廳中煙氣的流動。站廳中最主要的可燃物是電梯設備維修或者人員攜帶易燃易爆物品，火源發展系數為0.046 9 kW/s2，在FDS仿真中將熱釋放速率設定為3 MW/m2。

根據火源的不同位置，模型中設置了溫度、煙氣濃度、能見度的監測切片，切片的位置在出入口1,3和2,4之間Y=27 m處和站廳1.6 m高的Z=11.6 m處，并在4個出入口的附近設置監測點，分別測定出入口處溫度，CO濃度，能見度情況。根據GB 50157—2013地鐵設計規范中的火災發生所需最長疏散時間為6 min的要求，設置本次模擬的時間。取疏散人員的平均身高為1.6 m，將人員的安全疏散時間約束為三個條件：1)煙氣溫度不高于60 ℃；2)一氧化碳濃度不高于225 ppm；3)能見度不低于10 m。對各疏散情景結果進行安全判定并分析人員的安全疏散，模擬效果取計算機模擬結束為止。

2 結果與分析

2.1 溫度分析

在觀察火源從開始到結束的溫度變化后，設置黑色區域為溫度極限值60 ℃，本次模擬中站廳排煙系統關閉、半開和全開三種工況的Y=27 m切片，如圖2所示。

根據圖2中的溫度切片變化，可以看出，三種火災工況下，站廳中間部分的溫度首先達到最高，普遍在60 ℃以上，高溫煙氣隨著火災發生，先垂直上升，到達站廳頂部后向左右兩側逐漸擴散，造成了站廳兩側高溫對稱狀分布。根據在站廳安全出入口附近的監測點數據得出三種工況溫度變化圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，工況一：站廳排煙系統關閉條件下，安全出入口1,2,3,4處的溫度達到60 ℃的時間分別為132 s,133 s,123 s,125 s；工況二：站廳排煙系統半開條件下，安全出入口1,2,3,4處的溫度在360 s內，溫度較高但始終未達到60 ℃；工況三：站廳排煙系統全開條件下，安全出入口1,2,3,4處的溫度在360 s內同樣未能達到60 ℃，且溫度低于40 ℃，對人員疏散不構成威脅。通過分析可知，高溫煙氣在站廳中呈對稱分布，高溫隨煙氣的擴散首先會在站廳中心靠近火源位置的上方，后隨著頂部的墻壁向兩側蔓延，工況一、工況二、工況三中兩側墻壁處的溫度達到60 ℃的時間分別為60 s,120 s,180 s。

2.2 CO濃度分布

本研究取黑色區域為CO濃度極限值225 ppm，選取Y=27平面的站廳排煙系統關閉、半開和全開三種工況的CO濃度切片圖，如圖4所示。

根據圖4中的CO濃度切片分布得出， CO氣體會隨著煙氣流動，呈扇形狀向四周擴散，在工況一和工況二中，CO氣體濃度在模擬結束時充滿整個切片，且兩側靠墻位置的情況比較嚴重；而工況三中，CO氣體向站廳外排出很多，始終未能達到全覆蓋。根據在安全出入口附近的監測點數據得出三種工況下CO氣體濃度變化圖如圖5所示。

從圖5可以看出，工況一：站廳排煙系統關閉條件下，安全出入口1，2，3，4處的CO濃度達到225 ppm的時間分別為60 s，63 s，67 s，61 s；工況二：站廳排煙系統半開條件下，安全出入口1，2，3，4處的CO濃度達到225 ppm的時間分別為85 s，80 s，85 s，89 s，相比于工況一的時間平均增加了22 s；工況三：站廳排煙系統全開條件下，安全出入口1，2，3，4處的CO濃度普遍低于220 ppm，對站廳疏散人員威脅較輕。通過分析得知，CO氣體由于本身較輕，會隨著空氣流動或火災發展而向四周快速蔓延，在火源燃燒一定時間后，濃度趨于飽和，此時頂部分布較多，因此人員在疏散時應盡量俯身低頭前行。

2.3 能見度分布

站廳底部的高度為10 m，人員眼睛高度取1.6 m。本研究以黑色區域為能見度極限值10 m，得出站廳排煙系統關閉、半開和全開三種工況的Z=11.6 m切片圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，切片能見度隨兩側墻壁向中心逐漸下降，工況一的安全出口處能見度達到極限值最早，360 s時工況一、工況二的可見范圍大小相近，有機械排煙口的工況三切片可見范圍較大。為了能夠更清楚地表示不同出口處的煙氣濃度變化，本次模擬還得出了各個出入口能見度監測點的變化圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，工況一：站廳排煙系統關閉條件下，安全出入口1，2，3，4處的極限時間分別為79 s，67 s，68 s，66 s；工況二：站廳排煙系統半開條件下，安全出入口1，2，3，4處的極限時間分別為111 s，134 s，150 s，104 s；工況三：站廳排煙系統全開條件下，安全出入口1，2，3，4處的極限時間分別為226 s，188 s，190 s，226 s，相比于工況二的時間又平均增加了82 s，可以看出站廳有機械排煙的能見度效果較以上兩種好一些。由于煙氣的四周擴散，能見度不足10 m的煙氣在四周墻壁處的能見度較低，十分不利于人員的逃生。

2.4 安全疏散時間確定

安全疏散時間(ASET)作為人員安全疏散分析中的一項性能化判定標準。筆者結合各個指標的數據，得出該車站站廳的安全疏散表，如表1所示。

表1 安全疏散時間統計表 s

從表1中可以看出：當火災后人員最好在1 min之內完成疏散，并且對比不同工況，發現地鐵站廳有機械排煙時，最長逃生時間可以達到226 s，效果要好于僅有通風系統和無排煙系統兩種工況，平均增加安全疏散時間為125 s和220 s。

3 結論

本文以某地鐵站為例，采用FDS軟件建立了地鐵站的物理模型，運用數值模擬法，以火災發生過程中的環境溫度、CO濃度、能見度為指標，研究了哈爾濱某地鐵站站廳內不同火源位置的火災煙氣擴散狀況，結果表明：

1)分析站廳火災煙氣蔓延趨勢，發現火災煙氣擴散速率一般由大到小，一般會先豎直向上到頂部后，再沿著站廳頂部墻壁向兩邊擴散，最終呈對稱性分布，兩側墻壁處的危害性較大。通過對比三種工況的數據變化圖，發現四個出入口處的溫度、CO濃度、能見度具有不同的飽和值，隨著時間的增長，三種危害因素會有一定減小的趨勢。

2)通過對比三種工況下四個安全出口的安全疏散時間，發現機械排煙設備開啟情況下，可以有效抑制火災發生時溫度、CO濃度及環境可見度的影響，平均增加安全疏散時間為125 s和220 s，對地鐵站發生火災時的人員疏散具有極大的幫助。