典型地铁车站火灾人员疏散模拟与评估

陈立林，罗恩民，刘冠华，夏张琦，刘晓云

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

典型地铁车站火灾人员疏散模拟与评估

陈立林，罗恩民，刘冠华，夏张琦，刘晓云

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

以典型地铁车站火灾为背景，先通过FDS软件分析典型地铁车站不同场景下发生火灾时的烟气蔓延过程，再采用Pathfinder软件建立地铁车站人员疏散模型，模拟与分析12种场景下人员疏散情况，并选择最可能出现的危险场景进行优化分析。结果表明：当站内无列车时，车站的疏散能力都能满足人员逃生要求；当站内有1辆列车，且火源位于2#位置时，人员逃生所需时间为345 s，疏散过程中危险性较大，火源位于其他位置时车站疏散能力满足人员逃生要求；当站内有2辆列车时，仅在楼梯都可用的情况下满足人员逃生要求，其他情况下均不能满足要求；优化分析表明加宽2#楼梯0.5 m并在2#出站检票口增加1个闸机通道的方案可缩短人员逃生时间20 s。

地铁车站火灾；人员疏散；FDS；Pathfinder

近年来，地铁作为减小城市交通压力的主要手段，在国内许多城市快速发展。然而地铁车站由于人流量大、电气设备多等原因易发生火灾事故，同时也是恐怖袭击的重要目标。如2003年2月18日，韩国大邱市地铁中央路站发生火灾，造成198人死亡、146人受伤、298人失踪[1]。2005年7月7日早高峰时段，伦敦地铁发生连环爆炸案，造成52人死亡、100多人受伤。地铁车站在突发情况下，人员疏散能力差，其主要原因如下[2-4]：①地铁一般建在地下15 m左右，有的甚至建在深达30～70 m左右的地下,垂直高度大；②地铁运营环境的特定性决定了供乘客安全逃生途径的单一性,即逃生途径少；③一旦地铁突发火灾事故，乘客由于不熟悉地铁环境和路线等因素会造成逃生距离长，且可能被困或受害；④日本消防部门曾针对地铁火灾事故进行过实验，证明了允许乘客逃生的时间很短，只有5 min左右,另外车内乘客的衣物一旦引燃，火势能在短时间内扩大，且允许逃生的时间则更短。我国《地铁设计规范》规定：出口楼梯和疏散通道的宽度，应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6 min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台[5]。

在国外，自2003年韩国大邱地铁纵火事故以后，研究人员对地铁火灾与人员疏散进行了研究[1,6-7]，结果表明站内设置的检票机会降低火灾过程中人员的疏散速度；2009 年西班牙铁道管理部门在运行速度为130 km/h 的列车上进行了人员疏散演习，并采用自行研制的逃生软件对不同情况的列车人员疏散进行了模拟研究[8]。在国内，刘景敏[9]以FDS+EVAC为平台，对船舶机舱火灾及人员逃生进行了仿真研究；陆君安等[10]对建筑内人员疏散逃生速度模型进行了研究；郭良杰等[11]基于元胞自动机模型对人员疏散行为进行了模拟研究。

本文以典型地铁车站火灾为背景，先通过FDS软件分析不同火源情况下的烟气扩散过程，得到各楼梯在火灾中的使用状态，再采用Pathfinder软件模拟不同场景下的人员疏散情况，并根据模拟结果评估车站的人员疏散能力，进而对车站设计进行优化分析。

1 模拟软件与模型建立

1.1 模拟软件介绍

本研究主要采用FDS软件和Pathfinder软件对典型地铁车站发生火灾时烟气扩散过程和人员疏散情况进行模拟与分析。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美国NIST开发的用于分析工业尺度的火灾模拟软件。它采用大涡模拟方法，可以得到真实的瞬态流场且精度较高、计算工作量小。利用FDS软件对列车进行火灾模拟可以得到温度、烟气及各组分气体的分布信息，并可以对计算结果进行可视化处理。目前FDS软件已经解决了大量消防工程中的火灾问题。

Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的一款基于人员进出和运动的聚集疏散模拟软件。该软件采用人工智能的计算方法，并采用一套完整的三维三角网格设计和独特的参数(最高速度、人员密度、出口的选择等)设定，通过对每个人属性的智能判定，赋予人一定的思维，在灾难发生时，精确地预测人员的路径选择、人员的拥堵等实际的人员思维，自动计算每个人员的疏散路径和逃生时间，以及特定区域人员的疏散时间、特定出口的人员流量等。此外，Pathfinder软件支持简单快速的内部建模功能，且数据可靠，可用于分析人员疏散的最佳时间，从而减少人员伤亡[12]。

Pathfinder软件人员运动模式包括SFPE模式和Steering模式[13]。

SFPE人员运动模式是基于出口人员流量的运动模式，它利用空间密度确定人的运动速度。在Pathfinder软件中，人员疏散的几何导向由三类组成：门、房间和楼梯。房间是疏散人员行走的空旷场地，楼梯作为一种特殊的倾斜房间限制了人员运动的速度，门作为连接房间和楼梯的载体限制了人员流量。当出口门限制了人员流量时，为了避免碰撞，人员出现排队等候现象，这便符合SFPE假设。

Steering人员运动模式即人类运动的行为模式，它使用路径规划、指导机制和碰撞处理相结合来控制人员运动。这种路径生成算法的核心是基于人类行为学原理，如果人员之间的距离和最近点的路径超过某一阀值，这种算法会再生新的路径，调节人员运动的方式。

1.2 模型建立

模拟模型根据典型地铁车站尺寸建立，主要包括站厅层、站台层以及站台层两边轨行区，且建立的模型具有对称性。站台层乘客活动区域长118 m、宽12 m，与站厅层高度差为4.8 m；站厅层总区域长95 m、宽19.3 m；站台层两边轨行区总长118.24 m、宽 3.65 m。建立的典型地铁车站FDS模型和Pathfinder模型见图1和图2。

根据典型地铁车站实际情况，地铁车站Pathfinder模型设置了3处楼梯和2处手扶自动扶梯[见图2(a)]，各楼梯台阶宽为0.3 m、高为0.15 m，自动扶梯有效净宽1.2 m，1#和3#楼梯有效净宽2 m，2#楼梯左右两侧楼梯有效净宽2 m，中间楼梯有效净宽3 m。

站厅层设有4处检票口，分别为1#进站检票口、1#出站检票口、2#进站检票口和2#出站检票口[见图2(b)]，各处检票口均设6个闸机，各闸机的净宽为0.5 m，相邻闸机中心距为0.9 m，闸机通道跨度长1.2 m。

列车总长为118.24 m，其中包含4节长为19 m的普通车厢和带有司机室总长为19.82 m的首、尾车厢，车厢宽均为2.8 m；每节车厢单侧设有4处屏蔽门，屏蔽门宽为1.3 m，两端屏蔽门中心至车体两端距离2.45 m，相邻屏蔽门中心距为4.7 m。

通过预测，站台层乘客人数取400人，站厅层乘客人数取550人，站台层两边轨行区上行车内人数取1 200人，下行车内人数取1 150人。查阅相关资料可知，人的步行速度为0.95～1.55 m/s[10]，计算肩宽为45.58 cm。

站台上发生火灾时，着火一侧屏蔽门开启，排烟风机工作，屏蔽门一侧的排热风机和两端的隧道风机开启。站台内轨行区和隧道中部发生火灾(列车着火)时，着火一侧屏蔽门开启，该侧排热风机工作、两端的隧道风机工作，另一侧屏蔽门关闭。不同火灾场景排烟的具体参数见表1。

表1 不同火灾场景排烟参数

站台火灾时火灾功率为2.5 MW，站台内轨行区火灾和隧道中部火灾时火灾功率为7.5 MW，火灾燃烧材料选择为聚酯。聚酯燃烧形式可以代表大部分塑料和织物，可以较好地反映火灾过程中的烟气释放过程。火灾过程中主要燃烧物为塑料和织物，可燃物释放曲线选择t2增长曲线，火灾类型为快速火，火灾增长系数为0.046 89[14]。

站台火灾时，火源热释放功率在230.8 s时达到最大值2.5 MW，着火面积为2.4×2.4=5.76 m2，平均热释放功率为434.028 kW/m2。站台内轨行区火灾和隧道中部火灾时，火源热释放功率在400 s时达到最大值7.5 MW，燃烧平均分布在1.5列车厢内，着火面积为67.68 m2，平均热释放功率为110.82 kW/m2。

2 站台火灾烟气蔓延规律分析

2.1 1#火源站台火灾烟气扩散过程分析

当地铁车站站台发生火灾，且火源位于1#火源位置时，火灾烟气扩散过程模拟结果见图3。由图3可以看出：火源位于1#火源位置时，由于通过1#楼梯和1#自动扶梯通入站台内的空气向左流动，使得烟气向站台左侧扩散，造成1#楼梯口烟气浓度快速升高，对站台左侧人员的疏散构成较大威胁，因此1#楼梯和1#自动扶梯在火灾情况下不可用于人员疏散；站台右侧烟气没有明显上升，因此2#、3#楼梯可用于人员疏散。

2.2 2#火源站台火灾烟气扩散过程分析

当地铁车站站台发生火灾，且火源位于2#火源位置时，火灾烟气扩散过程模拟结果见图4。由图4可以看出：火源位于2#火源位置时，由于通过2#左侧楼梯通入站台内的空气向左流动，使得烟气向站台左侧扩散，造成左侧的楼梯口烟气浓度快速升高，对左侧人员的疏散构成较大威胁，因此1#楼梯和1#自动扶梯以及2#左侧楼梯在火灾情况下不可用于人员疏散；站台右侧烟气没有明显上升，因此2#右侧楼梯、3#楼梯和3#自动扶梯可用于人员疏散。

2.3 3#火源站台轨行区火灾烟气扩散过程分析

当地铁车站站台轨行区发生火灾，火源位于3#火源位置时，火灾烟气扩散过程模拟结果见图5。由图5可以看出：当站台轨行区发生火灾时，即3#

火源引起的火灾情况下，由于火源位于列车中间，烟气首先通过屏蔽门扩散到站台中间，然后再向两侧扩散，这使得站台中间的烟气浓度快速上升，因此2#楼梯不可用于人员疏散，而两侧烟气浓度则相对较低，其他楼梯和自动扶梯均可用于人员疏散。

3 地铁车站火灾人员疏散方案设计及结果分析

3.1 人员疏散方案设计

3.1.1 楼梯的开启方式

根据FDS模型模拟得到的站台火灾烟气扩散过程，可将人员疏散过程中楼梯的开启方式分为4种：①楼梯和自动扶梯全部可用；②1#火源位置时，1#楼梯和1#自动扶梯不可用，其他楼梯和自动扶梯可用；③2#火源位置时，1#楼梯和1#自动扶梯以及2#左侧楼梯不可用，其他楼梯和自动扶梯可用；④3#火源位置时，2#楼梯不可用，其他楼梯和自动扶梯可用。

3.1.2 站内列车数量

站内列车数量分为无、1辆、2辆三种情况：当站台发生火灾时，车辆在该站不停靠，此时站内无列车；当1辆列车在站内发生火灾时，另一个方向的列车在站内不停靠，因此站内只有1辆列车；而极端情况是，站内同时有2辆列车，且都需要进行人员疏散。

根据4种门的开启方式和3种站内列车数量，人员疏散方案共设计为12种场景，详见表2、表3和表4。

3.2 人员疏散结果分析

3.2.1 站内无列车

当站内无列车时，4种可能的楼梯开启方式下，通过SFPE模式和Steering模式计算，人员逃生所需时间均较短，车站的疏散能力满足人员逃生要求。具体人员逃生所需时间见表2。

表2 站内无列车时人员所需逃生时间

3.2.2 站内有1辆列车

当站内有1辆列车时，根据不同的楼梯可用与不可用的组合，人员逃生所需时间见表3。由表3可见，4个场景中SFPE模式计算得到的人员逃生所需时间都小于Steering模式，因此以下以SFPE模式为主进行讨论。

表3 站内有1辆列车时人员逃生所需时间

当火源位置在2#火源位置时，通过SFPE模式计算得到的人员逃生所需时间最长，为345 s，该时间仅为人员逃生运动所需的时间，不包含探测时间、报警时间、疏散准备时间，非常接近《地铁设计规范》规定可用逃生时间小于360 s的要求，但在逃生过程中人员伤亡的危险较大。

图6为场景7情况下281 s时人员疏散分布图，此时2#楼梯上已没有人员，人员都集中在3#楼梯和3#自动扶梯上。图7为场景7情况下通过各可用楼梯疏散的总人数随时间的变化曲线。由图7可见，到259 s时2#楼梯上人员全部疏散，共疏散582人；到305 s时3#楼梯上人员全部疏散，共疏散623人；到316 s时3#自动扶梯上人员全部疏散，共疏散395人。这表明造成整体人员逃生时间长的原因是2#楼梯没有充分利用；另外到316 s时3#自动扶梯上人员已经全部疏散，但是到345 s时人员才全部疏散出站内，这说明在2#出站检票口处还存在人员滞留的情况。

3.2.3 站内有2辆列车

当站内有2辆列车时，各楼梯开启方式下的人员逃生所需时间见表4。由表4可见，仅当楼梯全部可用时，在SFPE模式下计算得到的人员逃生所需时间小于360 s，满足规范要求，但其他场景下的人员疏散时间均大于360 s，这表明车站的设计不满足2辆列车同时在站内人员疏散的要求。因此，在列车运营中要尽量避免2辆列车同时到站，即使2辆列车同时到站，发生火灾后其中一辆也须尽量开出该站。

表4 站内有2辆列车时人员逃生所需时间

4 场景优化分析

综合以上分析，场景7存在较大的危险性，且出现的概率相对较高，所以选择场景7作为优化分析的对象。

根据场景7情况下2#右侧楼梯未充分利用和2#出站检票口存在人员滞留等问题，提出以下优化方案：①增加2#右侧楼梯口宽度0.5 m；②在2#出站检票口处增加一个闸机通道；③将方案①与方案②同时使用。

通过分析优化方案可知：方案①全部疏散所用时间为332 s，优化后人员逃生所需时间缩短了13 s，通过2#楼梯逃生的人数增加至642人，通过各可用楼梯逃生的人数见图8；方案②全部疏散所用时间为341 s，与优化前相比仅缩短了4 s，其优化效果不明显；方案③全部疏散所用时间为325 s，优化后人员逃生所需时间缩短了20 s，与方案①相比，增加的一个出站检票口主要是为了减轻人员在逃生出口的滞留情况，对楼梯在逃生中的作用没有影响，通过各楼梯逃生的人数与方案①相同。由此可见，通过同时加宽楼梯和增加逃生出口的方法可以比较有效地缩短逃生时间，但是总逃生时间为325 s，与360 s的要求仍较接近，因此在疏散过程中，需要根据实际情况更合理地引导人员分流，从而进一步缩短人员疏散的时间。

5 结 论

本文通过FDS软件模拟典型地铁车站不同场景下发生火灾时的烟气蔓延情况，采用Pathfinder软件建立地铁车站的人员疏散模型，根据不同场景下烟气扩散过程，分析了火灾状态下楼梯的开启状态，并结合车站内可能的列车数量，共建立12种场景对站内人员疏散进行模拟分析，选择最有可能出现的危险状态(场景7)进行优化分析，得到以下主要结论：

(1) 当火源在站内一侧时，在楼梯口气流作用下烟气集中向该侧扩散，人员需向另一侧疏散。

(2) 当站内无列车时，3种火源位置下，车站的疏散能力都能满足人员逃生要求；站内有1辆列车时，当火源位于2#位置，人员逃生运动所需时间为345 s，非常接近360 s的要求，疏散过程中危险性较大，火源位于其他位置时车站疏散能力满足人员逃生要求；站内有2辆列车时，车站仅在楼梯都可用的情况下满足人员逃生要求，其他情况下均不能满足人员逃生要求，因此需要避免2辆列车同时在一个站内疏散的情况。

(3) 通过对站内有1辆列车、火源位于2#位置的场景进行加宽2#楼梯0.5 m和在2#出站检票口处增加1个闸机通道的优化方案分析，当这两种措施同时采用时可缩短人员逃生时间20 s，但在实际人员疏散过程中还需加强工作人员的引导，进一步缩短人员逃生时间，提高该场景下的车站安全性。

(4) 在本模型中当逃生人数多、出口数较少的情况下，SPFE模式计算得到的人员逃生时间更短。

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Stimulation and Evaluation of Safety Evacuation in a Typical Subway Station

CHEN Lilin，LUO Enmin,LIU Guanhua,XIA Zhangqi,LIU Xiaoyun

(CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

With a typical subway station as the background,this paper simulates the smoke spread processes in fires under different scenarios based on the FDS software and applies Pathfinder software to establishing the station evacuation model;and then the paper simulates and analyzes evacuation situation under 12 kinds of scenarios,and selects the scenario that will most likely happen for optimization analysis.The results show that when there is no train in the station,the evacuation ability of the station can meet the requirements;when there is one train in the station and fire originates in 2#combustion source,personnel escape movement takes 345 seconds,indicating a higher evacuation risk,while the evacuation capability can meet the requirements with fire originated in two else combustion sources;when there are two trains in the station,the requirements can be met only in the case that all the stairs are available for escape but not in any other case.Optimization analysis shows that the time to escape can be shortened by 20 seconds by broadening the 2#stairs by 0.5 m and adding a ticket exit in 2#outbound ticket barrier.

subway station fire；safety evacuation；FDS；Pathfinder

1671-1556(2015)04-0123-06

2014-11-14

2015-02-05

武汉科技大学大学生科技创新基金项目(13ZRB144)

陈立林(1992—)，女，本科生，主要研究方向为工业防火安全技术。E-mail:chenlilinchen@gmail.com

X913;U231.4

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.022

刘晓云(1985—)，男，讲师，博士研究生，主要研究方向为工业安全。E-mail：330289846@qq.com