地铁站公共区排烟优化设计研究

刘 钧

(株洲市消防支队，湖南 株洲 412000)

地铁站公共区排烟优化设计研究

刘 钧

(株洲市消防支队，湖南 株洲 412000)

结合地铁站公共区设计特点，认为可将镂空吊顶空间作为储烟仓设计，同时研究了不同吊顶镂空率下的蓄烟效果和吊顶内排烟管道上排烟口不同设置情况下的排烟效果。研究结果表明：当吊顶镂空面积不小于吊顶面积的25%时，吊顶空间能够达到较为理想的蓄烟效果；当吊顶内排烟管道上的排烟口开设在排烟管道上方时其排烟效果最好。

地铁站公共区；排烟设计；吊顶空间；镂空率；排烟效果

0 引言

地铁作为一种现代化的交通工具，由于高速、准点、便捷、充分利用城市地下空间等诸多优点，已经逐渐成为城市主要公共交通工具之一。1863年，伦敦建成世界上第一条线路“大都会地区地铁”，至今全球陆续已有100多座城市建成地铁[1]。随着我国经济发展，各大城市都在竞相发展地铁交通，目前，已有北京、天津、上海、广州、南京、西安、武汉、杭州、长沙等10余个城市的轨道交通线路投入商业运营。地铁的发展在为人类生活带来方便的同时，也衍生出一些严重的安全事故，而在这些事故中，火灾事故发生的频率较高[2]，且一旦发生地铁火灾则极有可能造成严重的人员伤亡。

为充分利用城市空间，城市轨道交通车站一般建立在地下，由于地下空间较为封闭，人流密集，疏散条件也有限，因而一旦发生火灾，若烟气不能被及时控制在一定范围内并及时排除，就容易造成惨痛的伤亡结果。国内外研究统计表明，在火灾事故中真正被烧死的人员比例很低，而由于烟气影响死亡的人数占总死亡人数的80%以上[3]，因此地下车站如何控制火灾烟气并有效排除显得尤为重要。

许多学者专家都对地铁站的防排烟进行了相应的研究，这些研究主要集中于防烟分区划分、防排烟模式、不同区域火灾排烟设计等方面[4-7]，未见结合地铁站公共区域建筑设计特点出发的防排烟设计方案优化研究。由于地铁车站管线众多，一般采用吊顶形式设置在屋顶上方，而火灾产生的高温烟气也是先上升到屋顶后再向下沉降，因此，地铁车站公共区可以充分利用这一特点进行排烟优化设计。本文主要结合地铁站公共区吊顶设计特点，从储烟仓设计、吊顶镂空率、排烟口设计三方面提出相应的排烟优化设计方案，以期取得良好的排烟功效，为地铁站的防排烟设计提供相应的参考。

1 储烟仓设计

地铁站设计中，需要布置大量的管道、电线、电缆等设备，通常在公共区顶部设置吊顶，各种管道、电气线缆设置在吊顶中。一般的吊顶空间都在0.5～1.5 m之间，且地铁站公共区面积较大，其吊顶空间也相对较大，因此，可以将地铁站公共区顶部吊顶设置为镂空形式，按照地铁站公共防烟分区的划分方法，将吊顶空间划分不同的防烟分区(可以采用向下凸出的梁作为挡烟垂壁)，各防烟分区即为相应的储烟仓。在利用向下凸出的梁挡烟的同时，还可以在梁的下方安装固定挡烟垂壁，垂壁从梁底一直向下延伸至吊顶，如图1所示。如此设计可将烟气最大限度控制在着火区域顶部空间，避免其大范围蔓延，并通过排烟系统及时排出室外，减小火灾对地铁站公共区的影响，为人员疏散及消防队救援创造一个相对安全的环境。

图1 挡烟垂壁安装示意图

2 吊顶镂空率研究

2.1 模型设计

本研究采用FDS数值模拟软件，整体模型尺寸为82 m×36 m×8 m，建筑吊顶空间为6.5～8.0 m，采用均匀网格尺寸法，网格尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m，火源功率2.0 MW。选择五种不同镂空率进行数值模拟研究，即站厅公共区吊顶镂空面积分别为吊顶面积的10%、20%、25%、30%和40%，对应吊顶镂空面积为295.2 m2、590.4 m2、738 m2、885.6 m2、1 180.8 m2，其数值模拟模型如图2所示。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 吊顶空间内烟粒子浓度变化

以相同火源功率下吊顶空间内的烟粒子浓度作为对比参数，烟粒子浓度越高，则蓄烟效果越好，设计越合理，烟粒子浓度随时间变化情况如图3所示。由图3可以看出，公共区吊顶镂空率从10%增大到20%时蓄烟速度变化最快，从20%增大到25%时蓄烟速度变化相对较小，吊顶镂空率达到25%以后再增加时，其蓄烟速度变化非常小，故临界镂空率为25%左右，即至少应设置占吊顶面积25%的镂空面积才能达到较好的蓄烟效果。

图2 镂空吊顶FDS数值模拟模型

图3 不同镂空率下吊顶内烟粒子浓度随时间变化曲线

2.2.2 吊顶空间内温度变化

由图4可以看出，镂空率越大，顶棚处的温度越高，烟气聚集量大，说明蓄烟效果越好；距离顶棚高度降低时，温度整体呈阶梯形下降趋势。这主要是受烟气层分层的影响，且随着高度的降低，不同镂空率下温度差距逐渐缩小，当高度下降到距离顶棚1.3 m处时，吊顶镂空率大于20%时各种情况下的温度很接近，但与吊顶镂空率10%时的温度相差较为明显。因此，从温度变化可以得出，吊顶镂空率大于20%时的蓄烟效果较好。

图4 不同镂空率下吊顶内温度随时间变化曲线

综合吊顶空间内烟粒子浓度及温度变化规律分析得出，为了达到较为理想的蓄烟效果，地铁站吊顶空间的镂空率不应小于25%。

3 吊顶内排烟口设置

对于排烟管道上排烟口的设置，可以视其吊顶形式有不同的选择。对于设置封闭吊顶的空间，设置在顶棚的排烟口只能在吊顶上开设，因此排烟口只有从排烟管道下壁面引出的面向地面的向下排烟口这一种设置方式。若采用开口较大的镂空吊顶形式，则排烟口除面向地面设计外，还可以选择采用从排烟管道上壁面引出的面向顶棚的向上排烟口或者从排烟管道侧壁引出的侧向排烟口。为了及时排烟和更好地控制室内烟气，本文采用数值模拟方法分别研究了三种不同排烟口设计下的烟气控制效果。

采用镂空率为25%时的模型作为数值模拟基础，模拟了在火源功率、机械排烟量等其他条件均相同的情况下的烟气层高度、能见度及烟气温度，综合分析不同排烟口布置情况下的排烟效果。

3.1 烟气层高度及能见度

烟气层及能见度的模拟结果见图5～图7。

由图5、图6、图7能见度云图可以看出，排烟口开设在排烟管道上部、侧面及下部时，烟气层分别维持在6 m、5.5 m及5 m以上；从能见度等值线可以看出，排烟口位于上部、侧面及下部，其最低能见度分别为6 m、4 m及4 m，但是排烟口位于侧面时火源附近竖向最低能见度比位于下部时位置要高。综上所述可知，在以上三种不同情况下，排烟口位于排烟管道上部时排烟效果最好，位于侧面时次之，位于下部时排烟效果最差。

3.2 烟气层温度

排烟口从排烟管道不同壁面引出时，吊顶空间内的温度变化情况如图8所示。由图8可以看出，排烟口布置在排烟管道上壁面时，吊顶空间内的温度最低；布置在排烟管道侧壁面时的温度次之；布置在排烟管道下壁面时的温度最高。温度反映了顶棚下方的烟气聚集情况，也说明了不同情况下的排烟效果，温度越低，烟气聚集越少，说明排烟效果越好。因此，排烟口布置在排烟管道上壁面时的排烟效果最好，布置在排烟管道侧壁面时的排烟效果次之，布置在排烟管道下壁面时的排烟效果最差。

图5 排烟口位于排烟管道上部

图6 排烟口位于排烟管道侧面

图7 排烟口位于排烟管道下部

通过对吊顶空间内烟气层高度、能见度及温度变化规律分析得出，排烟口的设计对于控烟效果有着较大的影响，排烟口位于排烟管道上部时的控烟效果最好，位于排烟管道侧向控烟效果次之，且两者均优于位于排烟管道下部的控烟效果。因此，建议地铁站公共区吊顶内排烟管道的排烟口选择从排烟管道上壁面引出的向上排烟口这一形式，以达到最佳的排烟效果。

图8 排烟口布置形式对排烟效果的影响

4 结论

本文结合地铁站公共区设计特点，将公共区吊顶设计与排烟设计相结合，提出了将吊顶空间作为一种储烟仓，将吊顶全封闭式改为镂空式，进而研究得出要达到较为理想的蓄烟效果，吊顶镂空率不应小于吊顶面积的25%。对于吊顶内排烟管道上的排烟口设置方式也做了相应的研究，研究结果表明排

烟口开设在排烟管道上部排烟效果最为理想。

[1] 梁亚婷.地铁火灾烟气流动规律的数值模拟研究[D].西安:西安科技大学,2012.

[2] 田娟荣.地铁火灾人员疏散的行为研究及危险性分析[D].广州:广州大学,2006.

[3] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009:86.

[4] 吴炜,彭金龙.地铁地下车站公共区防排烟设计相关探讨[J].都市快轨交通,2011,24(1):94-97.

[5] 赵明桥,彭立敏,彭锦志,等.地铁车站火灾烟气分区控制试验研究[J].铁道科学与工程学报,2011,8(1):91-96.

[6] 高俊霞,史聪灵,钟茂华.深埋地铁防排烟设计研究[J].中国安全生产科学技术,2006,2(6):39-44.

[7] 盛业华,魏进文,吴文辉,等.基于空气幕和排烟系统的地铁车站烟气控制[J].城市轨道交通研究,2014,(10):66-70.

(责任编辑 李 蕾)

On the Optimal Design of Smoke Exhausting for the Public Zone of a Metro Station

LIU Jun

(ZhuzhouMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince412000,China)

Based on the design characteristics of the metro station public zone, this paper suggests that the ceiling cavity can be used as the storage warehouse of smoke. The paper also makes a study of the in-smoking effects under the different hollow out rate of a ceiling cavity and the out-smoking effects under the different smoke vent settings of exhaust pipes in the ceiling cavity. The results show that when the hollow out rate is not less than 25%, the in-smoking effect was comparatively ideal, and when the smoke vent is located in the top of an exhaust pipe, the out-smoking effect is best.

the public zone of metro stations; smoke exhausting design; ceiling cavity; hollow out rate; smoke exhausting effect

2015-10-19

刘钧(1969— )，男，湖南岳阳人，高级工程师。

TU998.1

A

1008-2077(2015)12-0044-04

●火灾预防