地铁车站火灾排烟模式仿真研究

成琳娜 徐华菁 张梓峰 刘� B

摘 要：基于对地铁车站火灾产物影响的分析，以广州地铁 13 号线白江站为研究对象，使用PyroSim 软件构建地铁车站火灾排烟模式仿真模型，对地铁车站火灾烟气扩散特性、火灾产物发展趋势等进行仿真分析。在此基础上，提出以加快烟气消散速度、减缓温度上升速度和增加能见度距离为优化目标的 6 种优化方案，并进行仿真对比分析。结果表明：当火源位于站台中部时，在站台加设排风机可有效提升火灾排烟效率，同时在部分区域设置有效高度的挡烟垂壁可对烟气控制起到有效的辅助作用。

关键词：地铁车站;火灾事故;排烟模式;仿真研究

中图分类号：U298.4

1 研究背景

随着我国城镇化的不断发展，城市交通问题日益严重，地铁以其安全、快捷、舒适、能耗低等优点成为改善交通结构、解决交通拥堵难题的最佳方案。与此同时，地铁的建设和运营也带来一些亟待解决的系统安全问题，根据国内外相关统计，在所调查的地铁灾害事故中，火灾次数最多，约占30%[1]，其对人员的最大危害来源于烟气影响，因此如何对火灾烟气进行有效控制是值得深入研究的课题，对于提升地铁系统安全性和可靠性具有重要意义。

目前，国内外学者在研究火灾控制问题时主要使用实地实验和软件仿真等方法。文献[2]对深圳地铁1号线岗厦站进行了热烟实验，分析开启隧道风机对站台排烟的作用，得到烟气流动特性;文献[3]利用冷烟、小木垛及烟饼进行实地实验，模拟3种工况下防烟分区的划分效果及排烟功能，提出改进排烟系统的措施;文献[4]对某地铁站进行实体火灾烟气实验，对该地铁站的防灾系统、通风系统进行整体测试;文献[5-7]分别建立不同缩尺的车站模型，分析火灾过程中车站内的气流情况、烟气蔓延过程以及向邻近空间的蔓延特点，以探究烟气的蔓延及控制规律;文献[8]构建了一个地下狭长受限空间的实验平台，使用柴油和汽油进行燃烧实验，得到这2种燃料的热释放速率和烟气温度的实测数据。

国内外对于火灾控制的研究已取得一定成果，但针对地铁车站火灾烟气控制方法比选的研究仍有不足。因此本文以广州地铁13号线白江站为研究背景，利用PyroSim软件构建仿真模型，分析地铁站火灾烟气控制现状，针对不同影响因素，提出6种烟气控制方案，通过仿真对比研究各方案的有效性。

2 火灾产物影响

地铁车站发生火灾时，所产生的烟气、高温、热辐射、对流热、毒性等会严重威胁人员的生命与财产安全[9]。人体可承受的温度界限值如表1所示，现有研究表明，人体处于50℃高温中时，血压会急剧下降，循环系统会出现衰竭;吸入超过70℃的气体时，会灼伤气管和支气管的内黏膜，令毛细血管破裂、组织坏死，严重时会破坏脑神经中枢;人接触烟气的温度不应超过65℃，否则将难以存活[10]。因此本文将65℃定义为可安全疏散的参考温度值。

人体可承受的能见度界限值如表2所示。现有研究表明，建筑材料燃烧除了会产生有毒气体之外，还会产生一些固体颗粒，这些颗粒会随着气流向四周扩散，吸收光、散射光，降低火场的能见度，从而对人员判断位置及寻找逃生路线十分不利，降低逃生的速度。此外，能見度的降低容易令人们陷入慌乱、不安与恐怖的情绪，导致现场的混乱及踩踏事件的发生[11]。中国建筑科学研究院建筑防火研究所规定：火灾中安全区域的能见度不能低于10m[12]，因此，本文将能见度10m作为可安全疏散的参考值。

3 构建地铁车站火灾排烟仿真模型

3.1 地铁车站空间结构仿真环境

本文以广州地铁13号线白江站为研究背景，该车站是一个双层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，车站尺寸如表3所示。站厅层有4个通往地面的出入口，对称分布于车站两侧，每个出入口宽6.5m，站厅层设计如图1所示。站台层与站厅层之间由2对双向自动扶梯、1个单向自动扶梯、1个电梯、4个楼梯相连接，其中2个楼梯位于非公共区，楼梯与扶梯的水平开口长度从左到右依次为11.75 m、17 m、17 m、11.75 m，宽度依次为4.6 m、4.95 m、6.2 m、4.8 m，站台层设计如图2所示。

3.2 仿真参数设置

（1）车站建筑材料。该仿真模型所运用的材料及其厚度如表4所示。

（2）建立反应边界。根据仿真需要，建立长×宽×

高分别为24m×15m×8m、21m×145m×8m、39m×

63m×8m、57m×223m×5m的4组网格，每组网格内部由若干个边长为1m的单元格组成，坐标如表5所示。

（3）设置排烟通风设备及消防灭火设备。参照白江站管线图设置风机和喷水装置，将风机排烟功率设定为8 m3 / s，并开启排烟模式。

（4） 设置探测设备。本文选取火灾烟气影响下的温度和能见度变化值作为探测要素，根据人员在烟气中活动所受影响，将探测点设置在离地面1.5 m处，分别在站厅层和站台层每隔10 m设置1个探测点，并对其进行标号，站台层为负数序号，站厅层为正数序号。

综上所述，得到地铁站火灾烟气仿真环境如图3所示。

4 仿真结果分析

根据地铁站内进站客流和出站客流的流线变化，将火源位置设置在站台中部，并从设置的所有探测点中选择客流路径上火势强、易拥堵的7个探测点位置，其中站厅层3个、站台层4个，探测点序号分别为：10、12、07、014、-7、-9、-011，所选探测点位置分布如表6所示。

4.1 烟气扩散过程

根据仿真结果动态展示可知，火灾发生在站台中部时，火源上方的空气受热后形成高温烟气，且热烟气温度高于周围环境温度，受到热浮力的作用向上运动，同时不断吸卷周围的新鲜空气，从而形成烟气羽流。烟气撞击顶棚后会形成顶棚射流，在火源两侧沿着顶棚向远离火源的方向蔓延。部分时间节点及其烟气扩散状态如表7所示。

4.2 温度变化过程

进行不同探测点位置的温度变化对比分析，得到各探测点位置温度变化如图4所示：起火50s内，探测点-011的温度值已超过安全参考值，此探测点位于火源半径5 m内的楼梯附近，因此，起火后50 s内将有一处楼梯不能被用于逃生;起火后150 s，探测点10的温度值超过安全参考值，该点位于站厅层的楼梯出口通往站台层楼梯的通道上，人员通过这2个楼梯时将面临生命危险，因此，站台层的人员必须在150 s内离开;起火后200 s，探测点07的温度值超过安全参考值，站厅层付费区内的人员将很难通过此处的闸机离开至站外;起火后360 s，站台层楼梯的温度值超过安全参考值，至此所有的公共区内楼梯均处于危险状态。

4.3 能见度变化过程

进行不同探测点位置的能见度变化对比分析，得到各探测点位置能见度变化如图5所示：起火50 s内，能够保持10 m以上能见度的仅有探测点07;起火100s内站台层所有探测点的能见度均不能满足安全参考值的要求;起火后300 s内车站所有探测点的能见度测得值均为0，车站各处充满烟气。因此，站台层的人员必须在起火后50s内到达站厅层，站厅层的人员也必须在100 s内离开，否则将会受到生命安全威胁。

综上所述，人员必须在50 s内撤离站台层，100 s内撤离站厅层才能保证安全逃生需要，但是从车站的人流量以及逃生通道现状来看，实现难度较大。因此，本文从加强火灾产物控制的角度出发，通过改进地铁站排烟模式，加快烟气消散速率，缩短地铁站内环境恢复的所需时间，为人员的安全逃生争取更多的可用时间。

5 地铁车站火灾排烟模式优化

5.1 优化方案设计

根据地铁站火灾烟气仿真结果分析，结合烟气控制理论，本文从挡烟和排烟2个角度出发，通过站厅正压送风、站台正压送风、设置挡烟垂壁等方式设计了6个优化方案，具体如表8所示。

5.2 优化仿真结果分析

5.2.1 烟气扩散过程

以优化前烟气扩散过程中各个狀态描述作为参照，各优化方案设计条件下的烟气扩散过程如表9所示。

由表9可知，优化效果主要体现在以下几方面。

（1）烟气上升至站厅层天花板（状态B）的所需时间。大部分优化方案都有明显效果，其中方案4优化效果最为显著，将所需时间延长了34%，但方案5的用时反倒缩短，这是因为挡烟垂壁的存在令烟气无法蔓延至其他区域，仅能在车站右侧扩散，由此大量的烟气只能从右侧的楼梯孔洞上升至站厅层。

（2）烟气从站厅层中间向外扩散（状态C）的所需时间。各优化方案均具有明显效果，其中方案4的优化效果最为显著，说明在烟气从站台层上升至站厅层之前排出，可以有效阻止烟气扩散。

（3）烟气充满站台层走客区（状态E）和烟气充满站厅层走客区（状态F）的所需时间。各优化方案均具有明显效果，其中方案4的效果最为显著，达到状态F的用时是原方案的3倍多，且至软件运行结束时，烟气仍未充满整个站台层。

综上所述，优化方案4在整体上表现出相对较好的优化效果。

5.2.2 温度变化过程

通过在不同优化方案条件下对7个探测点的温度变化进行动态监控，可以得出以下仿真分析结果。

（1）对于探测点10，方案6在120 s后进入危险值;方案1在190 s后进入危险值;方案2、方案3在240 s后反复于危险值上下;方案4、方案5始终低于安全温度参考值，表现出较好的优化效果。

（2）对于探测点12，方案5在20 s后进入危险值;方案6在60 s后进入危险值;方案2在180 s后反复于危险值上下;方案1、方案3在240 s后进入危险值;方案 4始终低于安全温度参考值，表现出较好的优化效果。

（3）对于探测点07，方案1在200 s后反复于危险值上下;方案3在240 s后保持接近危险值;方案2、方案4、方案5、方案6始终低于安全温度参考值，表现出较好的优化效果。

（4）对于探测点014，方案6在180 s后保持接近危险值;方案1在290 s后反复于危险值上下;方案2在360 s后保持接近危险值;方案3、方案4、方案5始终低于安全温度参考值，表现出较好的优化效果。

（5）对于探测点-7，所有方案始终低于安全温度参考值，其中方案4、方案5表现出更好的优化效果。

（6）对于探测点-9，方案2在140 s后反复于危险值上下;方案1、方案6在220 s后进入危险值;方案3、方案4、方案5始终低于安全温度参考值，表现出较好的优化效果。

（7）对于探测点-11，方案1、方案2、方案3、方案5、方案6在20 s后陆续进入危险值;方案4在60 s后保持接近危险值。

综上所述，综合分析7个探测点的温度变化情况可知，优化方案4在整体上表现出相对较好的优化效果，其中在探测点014、-011表现最为明显，具体变化过程如图6所示。

5.2.3 能见度变化过程

通过在不同优化方案条件下对7个探测点的能见度变化进行动态监控，可以得出以下仿真分析结果。

（1）对于探测点10，所有方案在60 s后能见度低于安全参考值。

（2）对于探测点12，方案4在100 s后能见度低于安全参考值;剩余方案在40 s后能见度低于安全参考值。

（3）对于探测点07，所有方案在60 s后能见度低于安全参考值。

（4）对于探测点014，方案4在120 s后能见度低于安全参考值;方案1、方案3在70 s后能见度低于安全参考值;方案5在40 s后能见度低于安全参考值。

（5）对于探测点-7，所有方案在60 s后能见度低于安全参考值。

（6）对于探测点-9，所有方案在40 s后能见度低于安全参考值。

（7）对于探测点-11，所有方案在30 s后能见度低于安全参考值。

综合分析7个探测点的能见度变化情况可知，所有方案均未能有效增加能见度距离，但相比较原方案而言，优化方案4在整体上对于能见度的提升效果较好，其中在探测点12、探测点014表现最为明显，具体变化过程如图7所示。

5.3 小结

通过对7个典型探测点的仿真数据进行对比分析可知，当火源位于站台中部时，在站台两侧设置排风机可将烟气快速排出，有效阻止其上升至站厅层;挡烟垂壁可控制烟气流动方向，但需要控制有效高度，挡烟垂壁过长会使烟气大量聚积在单个分隔区内无法溢出，使得该区域的人员危险性增大或由于积攒过多烟气而增加爆炸的可能性，挡烟垂壁过短而小于烟气层厚度时，无法有效控制烟气的流动方向。

6 结论

本文以广州地铁13号线白江站为研究背景，根据对地铁站火灾产物影响的分析，使用PyroSim软件对地铁站火灾排烟现状进行仿真分析。在此基础上，提出以加快烟气消散速度、减缓温度上升速度和增加能见度距离为优化目标的6种优化方案，并通过仿真对比得出，当火源位于站台中部时，在站台加设排风机可有效提升火灾排烟效率，同时在部分区域设置有效高度的挡烟垂壁可对烟气控制起到有效的辅助作用。但是在本次研究过程中未考虑到主观因素对地铁站火灾烟气控制的影响，这也是后续的研究方向。

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收稿日期 2020-01-20

责任编辑 胡姬

Simulation study on smoke exhaust mode of

subway station fire

Cheng Linna， Xu Huajing， Zhang Zifeng， et al.

Abstract： Based on the analysis of the influence of the fire products of the subway station， taking Baijiang station of Guangzhou metro line 13 as the study case， this paper uses PyroSim software to establish the simulation model of the fire smoke exhaust mode of the subway station， and carries on the simulation analysis of the fire smoke diffusion characteristics and the development trend of the fire products of the subway station. On this basis， it proposes six optimization schemes to accelerate the smoke dissipation speed， slow down the temperature rise speed and increase the visibility distance. The results show that when the fire source is located in the middle of the platform， adding exhaust fan in the platform effectively improves the efficiency of fire smoke extraction， and at the same time， setting the effective height of smoke baffle wall in some areas plays an effective auxiliary role in smoke control.

Keywords： subway station， fire accident， smoke exhaust mode， simulation research