基于多層復雜地鐵站的火災和應急人員疏散仿真模擬

摘要：以深圳某地鐵站7號線為原型的多層復雜地鐵站作為研究對象，探索發生火災后人員疏散的安全性和應急疏散策略。第一階段使用PyroSim軟件對該多層地鐵站進行建模和火災模擬，通過分析各出入口與通道附近溫度、能見度以及一氧化碳體積分數指標達到危險臨界值的時間，得出可用安全疏散時間（ASET）。第二階段使用Pathfinder軟件，構建地鐵站低、中、高峰期三種客流場景并進行應急人員疏散模擬，得出必需安全疏散時間（RSET）。通過比較ASET和RSET來判定人員疏散的安全性。初步實驗結果表明，高峰期人員疏散存在嚴重隱患，部分通道擁堵嚴重，部分疏散口利用率偏低。進行疏散策略優化后，提升了低利用率出口的使用率，緩解了擁堵，尤其對于中、高峰期時段，有效縮短了疏散時間，提高了疏散效率。

關鍵詞：PyroSim；火災模擬；Pathfinder；人員疏散；地鐵站

中圖分類號：U231+.96" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）02-0001-06

現代城市中越來越多復雜建筑的出現，給火災防控和人員疏散帶來了不小的挑戰。不少學者對諸如工廠車間、倉庫、辦公樓等[1-4]典型室內空間火災演化進行了廣泛模擬，對火災預防得出了有益結論。然而，地下半地下空間火災，由于其具有隱蔽性和密閉性較強、煙氣蔓延快等特點，對火災防范提出了更加嚴格的要求。

目前，對典型地下半地下空間建筑（如地下隧道、地鐵站等）進行的研究主要分為兩個方向：火災演化或人員疏散理論模型的改進創新和實際場景下火災仿真或人員疏散數值研究。第一個方向聚焦于現有火災演化或疏散模型在理論方法上的改進和創新[5-7]；第二個方向是針對具體實際場景下的火災演化或人員逃生過程進行計算機模擬。楊楊[8]、丁厚成等[9]對某一特定地鐵站模型進行火災仿真。王莉[10]、楊鑫剛等[11]和朱濤等[12]研究了普遍情況下的地鐵站人員應急疏散。楊洲等[13]、杜梅霞等[14]研究則更加完善，在對地鐵站進行火災仿真后，再進行該火情下人員疏散模擬，以此來驗證人員撤離的安全性，結論也更加可靠。

1 多層復雜地鐵站建模

本文對多層復雜地鐵站的火災場景做建模仿真，分為以下幾部分內容：物理模型構建、網格參數設置和可燃物及火源設置。

1.1" 物理模型構建

以深圳地鐵某站7號線為原型構建1：1物理模型。該地鐵站為地下三層站，車站長204.531m，寬為21.8m，深度為21.04m[15]，主體部分由站廳層、設備層、站臺層構成。基于以上數據，本文構建出模型的三視圖見圖1。

1.2" 網格參數設置

網格參數設置主要包括計算網的劃分和計算網內網格的尺寸劃分。計算網用于限定FDS計算的范圍，計算網內網格的大小則決定模型在FDS中的精確度。模型的計算網劃分見圖2。將整個模型劃分為3個計算網，不僅能更加貼合物理模型的實際形狀，也能避免把額外的空間納入計算中。

在對計算網完成劃分之后，還需對網格的尺寸參數進行設置。一般來說，網格劃分越粗糙，計算時間越快，但結果可能不準確；網格越精密，計算結果越準確，但是計算時間會呈幾何倍增[16-17]。考慮到本地鐵站體積較大，且在物體建模上沒有出現需要特別精細化處理的地方，將每個計算網的網格尺寸均設置為1m×1m×1m。

1.3" 可燃物及火源設置

本次模擬主要使用兩種可燃物，分別是PVC（聚氯乙烯）和南方黃松。PVC作為貨架上擺放的可燃物，南方黃松作為木制貨架。反應類型設置為Polyurethane（聚氨酯）。

參考高嘉璐[4]、張果霞[18]關于火災初始條件的設定，本文對于火災模擬的初始條件設定如下：①環境初始溫度為20℃；②環境初始相對濕度為65%；③環境大氣壓為101325Pa；④室內風速為0m/s；⑤火災模擬時間為400s；⑥地板和墻壁材質為混凝土。

取最大熱釋放率為6000kW，火源的熱釋放速率模型設置為t2，本文選擇快速生長火，依據GB51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》，取α=0.044。

2 火災煙氣模擬結果分析

借助PyroSim和FDS軟件做火災的動態模擬，下面將對火災煙氣的蔓延過程、煙氣溫度、煙氣的可見度以及有害氣體CO濃度等做詳細的數據分析。

2.1" 煙氣蔓延過程

通過PyroSim設定網格參數、可燃物以及火源參數之后，使用FDS軟件進行火災動態模擬，運算結果可以通過可視化編輯器，以視頻演示的形式展現火災的煙氣蔓延全過程?；馂脑趖=90s、180s、270s、360s時刻的煙氣蔓延情況見圖3。

從圖3可知，火災煙氣是呈上升趨勢，待頂部空間被煙氣填滿后，再轉向水平方向大量擴散?；馂臒煔獾倪@種向上涌動再沿水平方向擴散的趨勢主要是由熱空氣上升效應所致。

2.2" 煙氣溫度分析

火災過程中的高溫煙氣會對人體造成損傷，長期暴露于高溫煙氣中會導致死亡。參考杜梅霞等[14]，將60℃作為火災危險性臨界溫度。實驗中一共設置了10個溫度傳感器，由于從下層到上層的通道有兩臺自動扶梯以及一臺三段式樓梯，因此有6個溫度傳感器分別部署在這3條通道的兩端，剩余的4個溫度傳感器則分別部署在4個疏散口。各傳感器周圍的溫度變化趨勢見圖4。

從圖4可知，4個疏散口和二號自動扶梯的兩個端口均未超過臨界值60℃。一號自動扶梯的上層端口在303s左右達到60℃，下層端口在380s達到60℃。三段式樓梯的下層端口先于337s達到臨界值溫度，上層端口于390s接近臨界值。在整個模擬過程中，通道兩端及疏散口旁的溫度最高可達81℃。

2.3" 煙氣可見度分析

火災發生時，煙氣的不透光性會阻擋大部分視線，煙氣中的刺激性氣體也會對眼睛造成傷害。依據《建筑防煙排煙系統技術標準》，并參考戰乃巖等[3]、高嘉璐[4]的研究，將可見度臨界值設置為5m?？梢姸忍綔y器的分布與上一節相同，各傳感器周圍的可見度變化趨勢見圖5。在最初的170s內，所有探測器的能見度都是30m。170s之后，部分探測器的能見度在較短時間內出現顯著下降。一號自動扶梯的上層端口的可見度在204s之后首次低于5m，隨后三段式樓梯下層端口、一號自動扶梯下層端口的可見度在大約240s之后低于5m，三段式樓梯上層端口的可見度在278s之后低于5m。二號自動扶梯的上、下層端口可見度低于5m的時刻分別是354s、347s。疏散口1、2的可見度也分別于311s、304s之后低于5m。疏散口3的可見度大約在372s之后才低于臨界值5m，而疏散口4的可見度則一直未受影響。

2.4" 有害氣體CO濃度分析

CO氣體是火災煙氣中的主要有害氣體，CO濃度過高會導致人體因缺氧而窒息，因此需要對其進行濃度分析。以往的研究[3，4，11]將CO臨界濃度設置為0.1%或者0.05%，為安全起見，本文將CO臨界濃度設置為0.05%。CO濃度探測器的分布與前兩節相同，各傳感器周圍的CO濃度變化趨勢見圖6。從圖6可知，在火災發生的304s和310s時，一號自動扶梯的上層端口和三段式樓梯的下層端口的CO濃度先后達到臨界值0.05%。一號自動扶梯的下層端口的CO濃度在360s左右達到0.05%，三段式樓梯上層端口的CO濃度在377s達到臨界值0.05%。4個疏散口和二號自動扶梯的上下層端口的CO濃度在整個實驗過程都沒有達到臨界值。

3 地鐵站人員疏散模擬分析

本節的人員疏散模擬是以上節火災仿真案例為基礎進行的，探索特定火情下地鐵站人員疏散過程是否滿足安全性要求這一問題，分為Pathfinder地鐵站模型構建、人員疏散評價指標、疏散人員仿真及案例設置和人員疏散安全性分析4個部分。

3.1" Pathfinder地鐵站模型構建

與用于火災煙氣分析的模型不同，Pathfinder的地鐵站模型不再需要構建空間上的網格，只需要將乘客所能涉足的區域以平面的方式展現出來，見圖7。

在圖7中，從站臺板下層到站廳層的通道有3個：一號自動扶梯、二號自動扶梯和三段式樓梯。一號自動扶梯和二號自動扶梯均配備3臺自動扶梯。疏散口一共有4個。

3.2" 人員疏散評價指標

地鐵站發生火災后，人員是否可以撤離到安全區域主要取決于兩個時間：人員所需安全疏散時間TRSET和人員可用安全疏散時間TASET。當TRSET＜TASET時，人員疏散不會遇到危險，否則，人員疏散就存在重大安全隱患。TRSET計算公式為[16]：

TRSET=Talarm+Tpre+Tmove" " （1）

式中：Talarm——察覺火災時間，s；

Tpre——人員反應動作時間，s；

Tmove——人員疏散時間，s。

考慮到地鐵站作為人員分布較為密集的公共區域，火災發現早，且地鐵站人員處于清醒狀態，對突發情況反應迅速，將Talarm設置為10s，Tpre設置為10s。Tmove則以Pathfinder模擬的疏散時間為準。TASET則取決于疏散口以及各通道口煙氣溫度、煙氣能見度以及CO濃度分別達到各自臨界值的時間。

本文將人員疏散分為兩個階段：第一階段，站廳層乘客向4個疏散口撤離的同時，位于站臺層的乘客通過兩組自動扶梯和一個三段式樓梯向上撤離，直到站臺層人數清空，3個通道的人數也清空。第一階段完成后，在第一階段已花費時間的基礎上，仍位于站廳層的乘客繼續向4個疏散口撤離，直到站廳層人數清空。因此，對于兩個階段需分別計算TASET和TRSET，將第一階段的可用安全疏散時間和所需安全疏散時間記作TASET1、TRSET1，第二階段的可用安全疏散時間和所需安全疏散時間記作TASET2、TRSET2。TASET1＞TRSET1且TASET2＞TRSET2則說明疏散過程是安全的，反之則不安全。

關于TASET的計算，第一階段要求TASET1時刻內，一號自動扶梯、二號自動扶梯以及三段式樓梯兩端的溫度傳感器、煙氣可見度探測器以及CO濃度探測器均不能超過已設定的臨界值。第二階段要求在TASET2時刻內，4個疏散口的溫度傳感器、煙氣可見度探測器以及CO濃度探測器均不能超過已設定的臨界值。根據關于溫度、可見度以及CO濃度的分析結果，取TASET1=204s，TASET2=304s。也就是說第一階段撤離的可用安全疏散時間是204s，第二階段撤離的可用安全疏散時間是304s。在接下來的實驗中，只有保證TRSET1＜204s且TRSET2＜304s，才能認為本次撤離是安全的。

3.3" 疏散人員仿真及案例設置

模擬人員屬性是疏散人員仿真的重要環節，參考王莉[10]關于人員組成部分的劃分，根據實際情況本文將人員分為少年兒童、青年、中壯年和老年4個組成部分，人員組成占比分別為15%、40%、30%、15%。行走速度在某個速度范圍內呈正態分布，分別是1.5～2.0m/s、2.0～2.5m/s、1.6～2.2m/s和1.0～1.5m/s。取大、中、小三種典型的規模和人流量參數，將低、中、高峰期的人員數量分別設置為1000人、2000人以及3000人。

3.4" 人員疏散安全性分析

低、中、高峰期的第一階段疏散時間和第二階段疏散時間（總疏散時間）及安全性分析見表1。第一階段疏散時間是指位于站臺層的人員通過設備層的3個通道（兩組自動扶梯和一個三段式樓梯）全部撤離至站廳層所花費的時間。第二階段疏散時間是指在第一階段完成撤離所花費時間的基礎上，站廳層的剩余人員全部通過4個疏散口所花費的時間。

根據式（1）分別計算每個峰期的TRSET1和TRSET2，并與TASET1和TASET2進行比較，得到的每個階段安全性以及總過程安全性。低峰期和中峰期的TRSET1＜TASET1，TRSET2＜TASET2，因此是安全的。高峰期TRSET1＞TASET1且TRSET2＞TASET2，存在較為嚴重的安全隱患，需要進行改進。

4 人員疏散優化

4.1" 問題分析

針對高峰期TRSET1＞TASET1且TRSET2＞TASET2的問題，從4個疏散口的撤離人數及人流量方面入手進行分析，見圖8、圖9。

從圖8可知，疏散口1、2撤離的人員數量最多，分別是964和957人；從疏散口4撤離的人數較多，是827人；從疏散口3撤離的人數最少，是252人。疏散口4在大約230s之后就沒有人員再使用了，使用率只有73%左右。從圖9可知，疏散口3的流量是最低的，平均每秒只能通過1人；疏散口4的流量最高，在中、高峰期平均每秒能夠通過5～6人；疏散口1、2的流量相當，一直處于滿負荷狀態。由于疏散口4在230s后沒有人員撤離了，流量會降為0。

經過分析發現有以下兩個問題：第一，關于部分疏散口負荷量過大而另一部分疏散口使用率較低的問題。根據模擬情況可以得知，疏散口4在人員撤離時的人流量是很高的，但是使用率較低。經過觀察后發現，是由于疏散口4離大部分人員的距離較遠，人員在從下層到達最上層后，往往會選擇離自己最近的疏散口進行撤離，而不會去選擇哪個疏散口更容易撤離。而這樣的后果可能會導致其他疏散口非常擁堵，而尚有疏散能力的通道卻無人使用。第二，關于部分疏散口效率太低的問題。疏散口3實際上只有一臺自動扶梯，寬度不能容納兩人并排前行，可以考慮對疏散口3進行限流，把多余的人員分散到其他3個疏散口去。

4.2" 方案改進及實驗結果

針對以上發現的問題，方案的改進主要有以下兩點：第一，對狹窄的疏散口3進行限流，將多余的人員引導到其余3個疏散能力更強的疏散口。第二，提高疏散口4的利用率，引導一部分乘客往疏散口4撤離。

進行方案改進后，兩階段疏散時間與各疏散口疏散人數的前后對比見表2。

從表2可知，在改進疏散方案后，高峰期的第一階段疏散時間和總疏散時間與之前相比都有顯著下降，第一階段疏散時間縮短了19.0s，總疏散時間縮短37.5s，并且已經滿足TRSET1＜TASET1，TRSET2＜TASET2，因此，改進后的高峰期疏散是安全的。除此之外，改進后的方案對中峰期的總疏散時間也有顯著影響，下降了49.0s。不過，改進后方案對低峰期幾乎沒有影響。在各疏散口疏散人數的變化方面，疏散口1、2、3的總疏散人數都會相對減少，疏散口4的疏散人數會顯著增加。

5 結論

本文以深圳某地鐵站7號線為原型，構建多層復雜地鐵站模型，開展了全面的火災仿真，并對該火情下的三種客流場景進行了兩階段的人員疏散模擬，發現該地鐵站在火災疏散過程中存在一定的安全隱患。進行方案優化后提高了疏散效率，縮短了疏散時間，最終達到人員撤離的安全性要求，通過實驗總結出以下結論：

1）模擬實驗表明，中、高峰期人員疏散存在較為嚴重的擁擠現象，造成這種現象的原因是：人員傾向于通過離自己更近的疏散口（如疏散口1、2）進行撤離，但這顯然超出這部分疏散口的承載能力，人員大量擁擠在疏散口附近，浪費了疏散時間；而尚有撤離能力的疏散口（如疏散口4）卻無人使用。這樣的問題在低、中峰期得以掩蓋，因為它們的必需安全撤離時間都小于可用安全撤離時間，而在高峰期就暴露無遺，第一階段和第二階段的必需安全撤離時間都小于可用安全撤離時間，安全性都不達標。

2）優化疏散策略后，通過對狹窄的疏散口（如疏散口3）進行限流，同時提高疏散能力強的疏散口（如疏散口4）的使用率等措施，緩解了擁擠現象，對中、高峰期而言，中峰期的總疏散時間縮短了49s，高峰期的第一階段和總疏散時間縮短了19.0s、37.5s。很大程度上有效縮短了疏散時間，提高了疏散效率。

3）地鐵站處于低峰期時，由于人員數量少，疏散口幾乎不會產生擁擠現象，因此，無論人員是否前往離自己最近的疏散口撤離幾乎不影響總的撤離時間。

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