基于實時關(guān)鍵性指標(biāo)驗證的地鐵站火災(zāi)人員安全疏散研究

羅佳程 錢雪軍

(同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 201804, 上海)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和疏散模型研究的深入,應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件和人員疏散仿真軟件,對地鐵站火災(zāi)人員疏散進行仿真能夠快速獲得比較好的仿真效果,對于地鐵車站應(yīng)急疏散和安全管理具有很好的指導(dǎo)性作用。文獻[1]結(jié)合PyroSim仿真軟件對站臺火災(zāi)發(fā)展及影響因素進行研究。文獻[2]利用Pathfinder軟件對地鐵車站不同條件下的人員疏散特點進行分析。文獻[3]通過地鐵站Pathfinder人員疏散仿真,得出總疏散時間受多種因素的影響。文獻[4]建立了基于FDS(火災(zāi)動態(tài)模擬器)和Pathfinder的地鐵車站人員疏散模型,從人員逃生率和安全疏散可用時間利用率等方面進行分析。

現(xiàn)有研究在判斷人員能否安全疏散時基本是通過比較各關(guān)鍵位置可用安全疏散時間(ASET)和必需安全疏散時間(RSET)來確定的。由于目前的人員疏散仿真軟件,如Pathfinder中人員的移動和決策是不能隨著火災(zāi)過程中的溫度和CO體積分數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)動態(tài)變化的[5],所以其規(guī)劃出的路線可能會引導(dǎo)人員走進危險區(qū)域。為更準(zhǔn)確判斷地鐵站火災(zāi)人員能否安全疏散,及時發(fā)現(xiàn)并避免人員走進危險區(qū)域,本文在綜合分析可用安全疏散時間和必需安全疏散時間的基礎(chǔ)上,通過將火災(zāi)模擬輸出結(jié)果加入到人員疏散仿真中,測量選定人員在整個疏散過程中自身位置實時的溫度、能見度和有效劑量分數(shù)(fractional effective dose,FED)3個關(guān)鍵性指標(biāo),并基于此對人員安全疏散提供指導(dǎo)性的建議。

1 關(guān)鍵性指標(biāo)與研究方法

1.1 關(guān)鍵性指標(biāo)

1) 溫度。當(dāng)?shù)罔F站發(fā)生火災(zāi)時,過高的溫度會灼傷人體表面皮膚,高溫氣體的吸入也會導(dǎo)致人體不適,嚴重時甚至?xí){人員生命安全。

2) 能見度。火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣具有遮光性,煙氣擴散,能見度的降低會直接導(dǎo)致疏散阻礙的增加,威脅人員的安全疏散。

3) FED。火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣中存在多種毒害氣體,吸收過量會導(dǎo)致人員中毒。FED是一種常用的衡量人體吸收毒害氣體程度的指標(biāo)[6],可用IFED表示,有:

IFED=IFED_COHCO2+IFED_O2

(1)

式中:

IFED——有害氣體的有效劑量分數(shù);

IFED_CO——CO的有效劑量分數(shù);

HCO2——CO2引起過度換氣的倍增因子;

IFED_O2——O2的有效劑量分數(shù)。

(2)

式中:

CCO——CO的體積分數(shù);

A——乘客每分鐘呼吸的空氣量,在輕活動水平(步行逃生)下取25 L/min;

te——暴露時間,單位min;

D——碳氧血紅蛋白百分比,在輕活動水平下取30%。

(3)

式中:

CCO2——CO2的體積分數(shù)。

CCO2高于5%時,CO2沒有毒性作用,但會刺激呼吸,從而增加CO的吸收速率。

(4)

式中:

CO2——O2的體積分數(shù)。

當(dāng)O2體積分數(shù)高于閾值時,低缺氧不會導(dǎo)致IFED的累積,據(jù)此,默認只有當(dāng)O2體積分數(shù)小于19.5%時,才會控制IFED_O2項對于IFED累積的貢獻。

FED在人員穿越燃燒建筑物的過程中會持續(xù)積累,若FED大于0.1則說明煙氣影響人員疏散,若FED大于0.8則說明人員面臨嚴重傷亡威脅。

參照文獻[6]的人體耐受極限相關(guān)指標(biāo),以及NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems的要求,人員關(guān)鍵性指標(biāo)的約束條件可歸結(jié)為3點:①溫度不超過60 °C;②能見度不低于10 m;③FED不超過0.8。

1.2 研究方法

基于地鐵站火災(zāi)人員疏散相關(guān)的研究成果,采用PyroSim和Pathfinder仿真軟件對地鐵站火災(zāi)與人員疏散進行仿真,并將火災(zāi)模擬結(jié)果與人員疏散仿真相結(jié)合進行分析,具體的研究思路如圖1所示。

圖1 地鐵站火災(zāi)人員安全疏散研究思路

2 地鐵站建模與火災(zāi)模擬仿真分析

2.1 地鐵站建模

采用PyroSim火災(zāi)模擬仿真軟件對上海軌道交通15號線某站進行建模。該地鐵站為雙層島式地鐵站。站臺層公共區(qū)面積約為1 620.0 m2,有效長度為135.0 m,寬度為12.0 m,共設(shè)置3組樓扶梯和1部無障礙電梯。站廳層公共區(qū)面積約為1 995.3 m2,有效長度為101.8 m,寬度為19.6 m,設(shè)有4個對外出口。建立該站的PyroSim仿真模型如圖2所示。

圖2 某站的PyroSim仿真模型

乘客行李及衣物的主要化學(xué)成分通常為聚氨酯,易引起火災(zāi)。因此,在PyroSim仿真模型中,將乘客行李及衣物的燃燒反應(yīng)設(shè)定為聚氨酯燃燒[7]。此外,火災(zāi)增長類型設(shè)定為快速t2增長型[8],火災(zāi)發(fā)展系數(shù)為0.046 9 kW/s2。根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》,火災(zāi)模擬運行時間設(shè)定為360 s。在各關(guān)鍵位置即樓梯口和出口距離地面上方1.6 m處分別設(shè)置溫度、CO體積分數(shù)和能見度檢測器。為模擬較不利的火災(zāi)工況,火源熱釋放速率設(shè)置為1 250 kW/m2;火源大小為2 m×2 m;火源位置設(shè)置在站臺層樓梯1入口處。

2.2 火災(zāi)模擬仿真分析

在火災(zāi)模擬仿真分析中,采用溫度、CO體積分數(shù)和能見度作為火災(zāi)到達危險狀態(tài)的判據(jù),三者達到安全閾值的用時最小值即為安全疏散可用時間。根據(jù)NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems,火災(zāi)模擬仿真設(shè)定:①距地面高度h=1.6 m處溫度不超過60 °C;②h=1.6 m處CO體積分數(shù)不超過500×10-6;③h=1.6 m處能見度不低于10 m。

通過火災(zāi)模擬仿真得到,各關(guān)鍵位置的關(guān)鍵性指標(biāo)時程曲線如圖3所示。按各關(guān)鍵性指標(biāo)的閾值,進一步分析得到可用安全疏散時間如表1所示。

表1 按關(guān)鍵性指標(biāo)閾值計算得到的ASET

a) 溫度

3 人員疏散仿真建模與分析

3.1 人員疏散仿真的建模

在PyroSim仿真模型的基礎(chǔ)上,采用Pathfinder軟件構(gòu)建Pathfinder仿真模型,進行人員疏散仿真。站臺層兩側(cè)的樓梯組均由2部有效寬度為1.0 m的自動扶梯和1部有效寬度為1.8 m的T型樓梯組成。T型樓梯位于站臺中部,其下梯段有效寬度為2.4 m,上梯段有效寬度為4.6 m。與4個出入口對應(yīng)設(shè)置了4個閘機組,每個閘機組均有6條閘機通道,閘機機箱寬度為0.18 m,閘機通道寬度為0.52 m。地鐵站Pathfinder仿真模型如圖4所示。

a) 站廳層

高峰時期的客運量預(yù)測為13 581人次/h,高峰時期列車的發(fā)車間隔一般為220 s,即每列列車到站時的乘客數(shù)量約為830人。綜合考慮部分乘客等待、逗留等情況,本次人員疏散仿真的疏散人數(shù)按每列車到站的乘客數(shù)量乘以1.5倍綜合系數(shù)來計算,即可估算高峰時期該站內(nèi)需疏散人數(shù)為1 245人。仿真中的人員特征參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 Pathfinder仿真模型中的人員特征參數(shù)

3.2 人員疏散仿真的分析

人員疏散仿真分析采用最后一名人員離開疏散區(qū)域所用的時間作為各關(guān)鍵位置的必需安全疏散時間。人員安全疏散成功的判定標(biāo)準(zhǔn)指人員在各關(guān)鍵疏散位置火災(zāi)到達危險狀態(tài)前從該區(qū)域全部撤離,即必需安全疏散時間小于可用安全疏散時間。在此基礎(chǔ)上,通過測量在整個人員疏散過程中人員位置實時的溫度、能見度和FED三個關(guān)鍵性指標(biāo)來驗證各火災(zāi)工況下人員安全疏散情況,并基于此對人員安全疏散提出指導(dǎo)性的建議。

由于火源位置在站臺層樓梯1入口處,故在人員疏散仿真中設(shè)置樓梯1狀態(tài)為不可通行,其他樓梯狀態(tài)為正常通行。通過人員疏散仿真,得到樓梯口2、樓梯口3、1號口、2號口、3號口和4號口的必需安全疏散時間分別為139 s、137 s、172 s、172 s、37 s、172 s,均不超過各關(guān)鍵位置的可用安全疏散時間,由此初步判斷人員可以安全疏散。

為更準(zhǔn)確判斷人員能否安全疏散,本研究選擇疏散時間相對最長,且最后一名從各出口逃生的人員為對象,測量其所在位置的關(guān)鍵性指標(biāo)。由于3號口的必需安全疏散時間僅為37 s,故可認為從3號口疏散的人員在整個疏散過程中是安全的。通過人員疏散仿真結(jié)果可知,從1號口、2號口及4號口疏散的最后一名人員分別是22號人員、956號人員及720號人員,其疏散用時均為172 s。仿真計算這3名人員所在位置的關(guān)鍵性指標(biāo)時程曲線,如圖5所示。

a) 22號人員

由圖5可知,在整個疏散過程中,22號和720號人員位置處溫度基本保持為20 °C(室溫),能見度保持為30 m,FED遠小于0.8。由此可判斷,在整個疏散過程中22號人員和720號人員都是十分安全的。

由圖5還可看出:在起火后疏散時間t=132 s后,956號人員所處位置的溫度和FED均開始上升,能見度開始迅速下降;最高溫度升至30 °C左右,FED最終為8.4×10-4,均未達到危險值;能見度波動較大。在t=146 s時,能見度降至8.5 m左右,且此次能見度低于臨界值(10.0 m)的時長約為1 s;之后,能見度回升至10.0 m以上;疏散時間達161 s后,能見度再次降至10.0 m以下,并持續(xù)到172 s疏散完成后。

956號人員在不同t下的周圍環(huán)境及能見度模擬情況截圖如圖6所示。由圖6 a)可見,t=146 s時,956號人員位于2號閘機組前的位置。此時,能見度第一次降到10.0 m以下,這是因為煙氣從站臺層樓梯1入口處的火源位置沿著樓梯1向站廳層蔓延。盡管這次能見度低于10.0 m的狀況只持續(xù)了1 s左右,但周圍煙氣已經(jīng)積聚。

a) t=146 s時人員情況

由圖6 b)可知,t=161 s時,956號人員位于2號閘機組與2號口之間。此時能見度已經(jīng)到達臨界值(10.0 m)。由仿真結(jié)果可知,其能見度在之后的疏散過程中會越來越低。這表明從2號口疏散的部分人員在整個疏散過程中并不是完全安全的,會存在能見度過低的危險情況。

3.3 人員安全疏散措施建議

1) 由火災(zāi)模擬與關(guān)鍵性指標(biāo)時程曲線可知,能見度的下降對于人員安全疏散速度的影響最大。因此,應(yīng)在樓梯口、出口及關(guān)鍵路段增設(shè)應(yīng)急照明燈具和安全疏散標(biāo)志,確保人員在能見度較低的情況下仍能找到逃生方向。

2) 在t=146 s時,956號人員往2號閘機組逃生過程中出現(xiàn)了短暫的能見度過低情況;在t=161 s之后,2號閘機通向2號口的通道能見度低于臨界值(10.0 m),不能再安全疏散人員。因此,在起火146 s之后,應(yīng)安排專業(yè)人員通過廣播或其他方式來引導(dǎo)滯后的需疏散人員前往1號口和4號口疏散。

3) 分析人員疏散全過程可以發(fā)現(xiàn):火災(zāi)發(fā)生之初,火勢發(fā)展較為緩慢,故站臺層人員都能基本不受影響地到達樓梯入口處;當(dāng)疏散人數(shù)過多時,往往會在樓梯口堵塞很久,影響人員疏散效率。因此,可在火災(zāi)發(fā)生時設(shè)置自動扶梯向上運行,并在樓梯口處增設(shè)引導(dǎo)人員有序引流,以提高人員疏散效率。

4 結(jié)語

本文采用PyroSim軟件和Pathfinder仿真軟件建立了上海軌道交通15號線某地鐵站火災(zāi)人員疏散模型。通過模型仿真計算得到,地鐵站各關(guān)鍵位置必需安全疏散時間均不超過可用安全疏散時間,由此初步判斷站內(nèi)人員均能安全疏散。

通過對選定人員實時關(guān)鍵性指標(biāo)的測量和分析發(fā)現(xiàn),從2號口疏散的部分人員在整個疏散過程中并不是完全安全的,會存在能見度過低的危險情況。基于該結(jié)果并結(jié)合人員的整個疏散過程,對地鐵站火災(zāi)人員安全疏散提出了指導(dǎo)性的措施建議。