基于BIM的地铁火灾屏蔽门开启方式研究

徐伟 赵喜祥

摘 要：  利用BIM技术建立三维物理模型，模拟在2.5MW火源功率下的地铁站台中部火灾，探讨三种通风模式下，屏蔽门开启方式对烟气在站台层的蔓延、有毒气体浓度、站台温度的影响.研究结果表明：在自然通风模式下，选择屏蔽门关闭最优;站台主风机开启模式，选择屏蔽门全部关闭或全部打开可以较好地控制站台烟气扩散;在辅助风机模式下，选择屏蔽门单侧开启既可以满足降低站台温度的要求，也可满足CO体积分数和能见度的分布要求.

关键词： BIM技术;火灾模拟;地铁车站;屏蔽门开启方式

[中图分类号]TP392   [文献标志码]A

Research on Opening Mode of Subway Fire Screening Door Based on BIM

XU Wei， ZHAO Xi-xiang

（School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

Abstract： In this paper， a three-dimensional physical model is built using BIM technology to simulate the fire in the middle of a platform under a 2.5 MW fire source power. With the three ventilation modes， the method of opening the screen door to the flue gas at the platform layer， the concentration of toxic gases， The effect of station temperature. The results show that in the natural ventilation mode， the selection of the shielding door is optimal， the main fan of the platform is turned on， and the selection of the shielding door is completely closed or fully opened to better control the smoke diffusion at the platform. Selecting the single-side opening of the shielding door in the auxiliary fan mode can meet the requirements for reducing the platform temperature while satisfying the distribution requirements of CO volume fraction and visibility.

Key words： BIM technology; fire simulation; subway station; screen door opening method

随着国家城市化进程的加快，城市轨道交通以其环保、便捷等优势迅速获得人们的青睐，发展势头十分迅猛.目前国内已有43座城市获批建设轨道交通，投资额高达万亿，每年投资额超过3 500亿元.城市轨道交通由于其特殊的运行环境和特点，火灾事故后果可怕.如1987年伦敦国王十字地铁车站大火，2003年韩国大邱地铁火灾，无不造成惨重伤亡.

近年来，国内外学者对地铁火灾的研究主要集中在以下方面：地铁站火灾发生时控制通风排烟模式、增加挡烟垂幕的高度以及地铁楼扶梯的结构倾斜角度等因素对车站内烟气流动情况的影响.美国学者Teodosiu C L， Ilie V， Dumitru R G，对紧急情况下的列车火灾通风效率进行了研究，利用流体动力学方法（CFD）建模，隧道风机系统、机械通风站和末端站风机系统一使用，处理火灾产生的热量、CO和CO 2，得出靠近站台附近的疏散过程不受高处空气速度、高温、CO或CO 2体积分数的干扰.[1] 韩国学者Yoo， Ji-Oh;Kim， Doo-Young对平台起火情况下，地铁通风系统的CO气体和烟气流进行了三维数值分析，发现在紧急情况下，当所有排烟系统都启动并且只打开起火侧屏蔽门时，检测到烟气流量传播范围减小.当所有排烟系统都启动并且关闭起火侧屏闭门时，没有烟气再循环，是疏散环境中最有效的通风模式.[2]

国内学者丁伟、史聪灵、钟茂华等人运用FDS软件对地铁站台进行数值仿真计算，分析不同端门开闭模式下，火灾烟气的温度、扩散区域、沉降高度、在楼扶梯开口处的流速及可用安全疏散时间等特征参数，发现端门开启模式下，在站台两端区域及楼扶梯开口处火灾烟气均沉降至危险高度，不利于人员安全疏散;端门开启模式使烟气加速向站台两端纵向流动，但不能及时排出，导致烟气在站台两端区域加速混合与沉降.[3]周洋、林准等人通过数值模拟模型对细水雾幕和排烟系统作用下楼扶梯开口处的挡烟效果进行了模拟研究，提出当仅设置挡烟垂壁时，挡烟垂壁有一定的蓄烟作用，但仍有大量煙气通过楼扶梯开口从站台层蔓延至站厅层;设置细水雾幕可在一定程度上阻止烟气通过楼扶梯开口从站台层蔓延至站厅层，有效降低烟气温度.[4]于滨对国内目前消防安全问题现状分析后，提出了对高层建筑火灾独特见解.[5]周凤、杨辉等人提出了一套基于嵌入式平台、结合了数字图像处理技术自动监测火灾的实时报警系统.[6]

笔者利用Revit建立物理模型，通过PYROSIM将其转化为地铁火灾模型，研究地铁站台发生火灾时，在不同通风模式下，屏蔽门开启方式对火灾烟气的扩散规律、气流组织以及站台温度场的影响.

1 地铁车站数值模拟

1.1 物理模型的建立

研究选取黑龙江省哈尔滨市学府路站为实例模型.该站位于哈尔滨市道里区学府路和西大直街交叉口，为地下二层11 m岛式站台.车站总长180 m，标准段20.1 m，车站共设4个出入口，两组风亭.通过CAD图纸建立BIM三维物理模型，再合理简化模型，最后以DXF格式导出，实现与

Pyrosim的数据对接，进而完成火灾模型的建立.车站的物理模型和火灾模型如图1所示.

1.2 火灾场景的模拟

研究目的为三种通风模式下屏蔽门不同开启方式的排烟效果，比较不同通风模式下，保证人员逆风流方向撤离的同时，达到最好的烟气控制效果.详见表1.

1.3 边界条件和参数设置

（1）本文遵循最不利保守原则，选取火源功率为5 MW，火势按t2快速火发展.

（2）根据地铁设计规范中的6 min撤离，模拟时间设为360 s.[7]

（3）火灾模型的网格划分为0.5*0.5*0.5，总网格数为57 120个，在单台计算机模拟时间约为5 h.

（4）根据防火规范中防烟分区要具有1 m3/min以上的排烟能力，本文防烟分区的面积为1 418 m2，根据排烟口的截面尺寸，计算主风机排烟速度约为2.9 m/s，辅助风机排烟速度为2 m/s.

2 模拟结果分析

在站台中心发生火灾工况下，选定主风机排烟、隧道辅助风机一推一拉进行排烟、自然排烟三种模式，分析火源位置附近温度场、扶梯口速度场、能见度及CO体积分数变化等特征参数，研究屏蔽门不同的开启方式对排烟效果的影响，以延缓烟气扩散，增加人员逃生时间，得出合适的屏蔽门开启方式.

2.1 站台温度场分析

在火源位置±20 m、高1.8 m处设置多处热电偶，监测火灾发生时站台温度场的变化，结果见图2.

自然排烟模式下，屏蔽门关闭状态时，站台温度在火灾初期上升迅速，在150 s时达到约53 ℃.开启单侧屏蔽门后，火灾初期站台温度的上升有所下降，但到达火灾稳定阶段温度一直维持在55 ℃左右，如图2（a）所示.结果表明，在自然排风模式下，开启单侧屏蔽门对站台温度的降低效果并不明显.屏蔽门全部开启时，由于站台两侧活塞风产生对流风速加快，站台温度在火灾初期上升至35 ℃后，不再继续上升，排热效果较好.屏蔽门单侧开启温度较全部开启升高27%，较屏蔽门全部关闭温度升高4%.

开启主风机排烟模式下，三种屏蔽门开启方式对站台温度影响变化不大，单侧屏蔽门开启站台温度上升最快，最终维持45 ℃左右不再上升.屏蔽门全部开启和全部关闭情况下，站台温度上升至35 ℃后不再上升.如图2（b）所示.屏蔽门单侧开启较屏蔽门全部开启站台温度升高9%，较屏蔽门全部关闭温度升高4%.在开启主风机排烟基础上，增加隧道辅助风机，采用一推一拉模式进行排烟，三种屏蔽门开启方式对站台火灾影响趋势基本一致，最终站台温度维持在30～40℃.如图2（c）所示.单侧屏蔽门开启较两侧均开启温度升高9%，较屏蔽门全部关闭温度降低11%.

由此可知，在自然排烟模式下，开启两侧屏蔽门排热效果最好;在主风机模式下，不应选择打开单侧屏蔽门的方案;在辅助风机也开启模式下，三种选择排热效果都满足要求.具体选择哪种方案，要兼顾其他参数.

2.2 站台能见度分析

在距离火源位置±2 m，±4 m，直到±20 m，高1.8 m处分别设置能见度监测设备，监测当站台发生火灾时站台的能见度，变化见图3.

当采用自然排烟模式时，屏蔽门全部开启和单侧开启时的能见度分别为100 s和225 s;降低到10 m以下，屏蔽门关闭状态275 s时，才降低到10 m以下.见图3（a），原因是屏蔽门的开启增加了站台区域流场的速度，对热量和烟气产生了更快的稀释作用，加快了烟气的蔓延速度.在主风机排烟模式和采取辅助风机一推一拉模式下，屏蔽门单侧开启能见度集中在20～30 m，效果最好.屏蔽门全部开启时站台能见度集中在10～25 m.见图3（b）和图3（c）.屏蔽门关闭时，站台能见度在50 s左右已经下降到10 m以下.故在辅助风机排烟模式下，选择屏蔽门单侧开启排烟效果最好.

2.3 CO体积分数分析

在站台高1.8 m处设置CO体积分数监测点，辅助风机一推一拉模式在屏蔽门全部开启情况下，360 s时，CO站台左侧体积分数大于右侧，一号扶梯处CO体积分数已经超过人体极限，二号扶梯则可供安全逃生.在屏蔽门关闭状态，CO体积分数在站台左侧较大，一号扶梯也已经无法逃生，中心火源地带CO体积分数已经高达687 mg/m2. 在屏蔽门单侧开启时，站台的CO体积分数整体低于前两种模式，但一号扶梯处CO体积分数超过人体承受极限，只能从二号楼梯处逃生.

3 结论

本文研究了地铁站台火灾情况下，不同通风模式屏蔽门的开启方式对站台温度场、能见度和有毒气体体积分数分布的影响，得出以下两点结论：

结论1   在自然通风模式下，选择屏蔽门关闭为最优;站台主风机开启模式，选择屏蔽门全部关闭或全部打开，均可以较好地控制站台烟气扩散.在辅助风机模式下，选择屏蔽门单侧开启，既可以满足降低站台温度的要求，也可以满足CO体积分数和能见度分布要求，为最合适的选择.

结论2  在辅助风机和站台主风机共同工作状态，屏蔽门单侧开启较屏蔽门全部关闭状态站台温度下降11%，能见度提高85%，较屏蔽门全部开启温度上升9%，能见度提高1.5%.

参考文献

[1]  Teodosiu C L， Ilie V， Dumitru R G， et al. Assessment of ventilation efficiency for emergency situations in subway systems by CFD modeling[J]. Building Simulation， 2016， 9（3）：319-334.

[2]  Yoo， Ji-Oh; Kim， Doo-Young.A study on the optimal ventilation and smoke exhaust systems in case of fire in subway stations installed with PSD[J].Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association，2018， 20（2）：527-539.

[3]  丁伟，史聪灵，钟茂华，等.地铁车站站台火灾时端门开启模式研究[J].安全与环境学报，2016，16（3）：75-79.

[4]  周洋，林准，张笑男，等.地铁站细水雾幕挡烟效果的数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（8）：75-80.

[5]  于濱. 高层建筑消防安全存在的问题及对策[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2009（2）：79-80.

[6]  周凤， 杨辉， 王利. 火灾自动监测技术研究[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2016（3）：26-28.

[7]  GB 50157-2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.