地铁车站火灾和人员疏散仿真模拟技术发展分析

刘鑫

摘要：随着当前我国地铁建设的进一步发展，各大城市的地铁车站纷纷投入使用，方便了人们的生活和工作。但是地铁车站作为人员聚集的区域，一旦发生火灾所带来的后果是比较严重的，为了避免火灾发生造成损失，以及最大程度降低人员伤亡，通过仿真模拟技术的应用对人员疏散状况进行分析，可以为实际地铁车站火灾以及人员疏散的优化应对提供依据。本文首先对地铁车站火灾发生的特征以及对人员疏散的影响进行分析，然后就火灾和人员疏散仿真模拟技术的发展详细探究，希望能从理论层面就地铁车站火灾以及人员疏散仿真模拟技术的应用研究，进一步深化了解仿真模拟技术的应用价值。

关键词：地铁车站;人员疏散;仿真模拟技术

1 引言

地铁车站是人流量大，密集度高的区域，是城市基础设施中比较重要的内容，当前的各大城市地铁的客流量比地面公共汽车高几倍。从人流量大以及作为重要的中转站的角度进行分析来看，一旦出现火灾很容易造成人员伤亡，所以人员疏散效率的提高就显得比较重要，需要通过仿真模拟技术加以科学运用，对人员疏散的状况进行阐释。

2 地铁车站火灾发生的特征以及对人员疏散的影响

2.1地铁车站火灾发生的特征

地铁车站火灾发生有着鲜明的特征，地铁是城市交通比较重要的人员输送力量，地铁的内部空间比较大，但只有较少的通风井和车站出入口与外界连接，疏散的通道也比较狭长，并且出入口的布局都比较类似，这就使得火灾一旦发生，蔓延速度极快，这对人员的疏散也会增加很大的难度[1]。地铁事故中火灾的发生率比较高，所造成的事故灾害也是最为严重的，从其火灾发生的特点来看体现在几点：

其一，烟大，温高，易扩散。由于地铁的空间特殊性，通风口比较少，火灾发生后大量的烟气以及热量不能有效扩散，这样就比较容易在短期内充满整个地下空间，烟气的扩散方向也会和人员的疏散方向一致，增加了人员疏散的难度。

其二，火势蔓延速度快。地下空间中的氧含量是不足的，所以在发生火灾的时候会存在不完全燃烧，空间中的一氧化碳在高温下随着烟气扩大，新的空气在补进之后就容易出现新的燃烧，所以在火势方面容易发生扩大以及蔓延[2]。火灾发生后，在车厢中的火灾温度上升的速度极快，有限空间的体积容易发生膨胀的状况，压强在增加的时候就容易出现轰燃。

其三，灭火救援比较有难度。由于地铁的空间是相对封闭的，所以在进行灭火救援的时候就会存在很大的难度。火灾发生产生的浓烟对起火点的确定会存在很大的难度，工作人员在火灾救援的时候有着诸多不便。高温以及热辐射会使得救援人员很难进入到起火点的范围，造成了火灾救援时间长以及效率低的问题。

2.2地铁车站火灾对人员疏散的影响分析

近些年我国地铁建设的速度加快，地铁在运营过程中火灾的事件也偶有发生，这对乘车人员的安全造成了很大的威胁，地铁车站火灾发生后对人员疏散产生的影响是比较大的。在正常的情况下人员所使用的平均疏散时间比火灾下用的时间长，人员的速度是重要的影响因素，每个人都想要及早的脱离危险的环境，这就使得前进的速度加快，火灾没有达到危险状态的时候，对人员的疏散影响是不明显的，其他设施管理都正常的时候，车站在正常状况下疏散相应数量人员需要的时间，能够作为火灾下疏散相同数量人员需要时间的参考[3]。火源的强度不同对疏散产生的影响也是不同的，火灾发生速率需要对可燃物以及材料和墙等进行充分的考虑，地铁的火灾场景当中采用的大多是5-50MW火灾热释放的速度，地铁列车内起火通常是采取10MW，可移动的是采用5MW，火源的强度在达到10MW的时候需要疏散的时间就要比5MW需要的时间长，火势越大对人员的疏散产生的不利影響也是越大的，需要的疏散时间就相对比较长。除此之外，地铁中的楼梯宽度因素也会影响人员的疏散效果，以及出口条件因素也会影响人员的疏散，自动检票闸机对人员疏散的影响也比较大[4]。

3 地铁车站火灾和人员疏散仿真模拟技术发展

3.1仿真模拟技术发展

地铁车站火灾和人员疏散仿真模拟技术的研究愈来愈深入，当前在地铁车站火灾烟气流动的规律以及控制研究的方法上有①现场试验;②CFD数值模拟;③比例模型试验。相关的研究都有利于地铁车站以及区间设计参考。现场的试验以及比例模型的试验就地铁车站火灾有着化学反应等模拟，就要比较多的人力物力的投入，并且也只能进行局部的测定，不能对整体建筑火灾过程进行再现。通过CFD火灾数值模拟技术的应用和数值分析以及传热学等诸多的理论进行结合起来运用，可以对火灾科学研究起到积极作用。

火灾烟气流动计算模拟的方法是多样的，其中的①区域模拟;②网络模拟;③场模拟是比较重要的类型，每个模拟的方法都对应着不同场合。区域模拟是对单房间的诸多参数均匀控制体，求解方程的方式获得控制体参数随时间变化，计算量实际比较小，显然对地铁车站这一狭长建筑是不适合的[5]。而对于网络模拟的方法应用是把整个建筑为一系统，每个房间是控制体，这样的方法应用精度相对比较低，能够就多房间以及计算距离起火房间远区域状况。最后场模拟的方法应用主要是通过对区间划分控制体的计算，对内部参数变化进行计算，对于建筑类型多以及实用性强的比较适合。对于地铁车站火灾发生不同火灾的烟气流动计算模拟方法所对应的CFD模拟软件，主要有以下的内容，如下表1所示。

表1 不同火灾烟气流动数值模拟软件类型

3.2仿真模拟建模的不足

从仿真模拟建模的不足之处来看，主要是由在近似算计软件技术的应用发展下，相应软件的应用不足之处愈来愈突出。如FDS火灾模拟的软件应用过程中，整体效果不强，对于建筑模型当中每个房间都要明确输入模型三维数据，而地铁车站的内部结构比较多，有着诸多层次，属于多层的建筑，在不断重复输入XYZ数据的频繁度比较大，而楼梯台阶层级多的模型，要多次坐标输入，在这一软件的模型构建图形方面有着一定的限制，方便性方面不是很好。建模按钮数量以及形状因素的影响下使得建模的不便利愈来愈突出[6]。

另外，仿真模拟建模中在应用人员疏散软件的时候，采用Pathfinder的软件应用也同样存在着一些不便之处。界面当中的工具图标，构造建筑模型方式上面多边形以及长方形数量少，缺乏坐标以及交点拾取功能，使得建筑模型的不同部位就容易出现缝隙。Z轴方向以层为单位输入高度参数才能有助于多层的构建，而在单层当中有不同标高建筑的时候，就要进行再次的确定坐标才能重复构建模型，所以在便利性方面也受到了很大的影响。

3.3仿真模拟软件的创新应用

地铁车站火灾和人员疏散仿真技术的应用中，通过Revit建模软件以及火灾和人员疏散软件的结合应用下，就能有助于提高仿真模拟的应用效果。建筑信息模型在2004年进入我国，将三维数字技术作为基础，集成建筑工程各数据，通过计算机三维软件的运用，将各工程项目的信息包含的比较全面，建立数字模型提供了便利。模型的构建当中，项目所有信息都能采用数字参数设定以及修改，通过立体图形形式呈现有助于三维协同设计的质量控制，这样就能有效避免不同单位间的信息对接出现误差的问题[7]。运用Revit软件和火灾人员疏散软件的结合也是这样，Revit软件的应用中通过三维建模软件的科学运用，将虚拟模型构建的工具加以科学运用下，就能充分发挥软件中的各种功能作用，如其中的墙体材料以及热传导率等都能进行设置。通过该软件的运用绘制三维立体图形保存成DWG等格式，就能直接导入FDS、Pathfinder相应软件当中，模型导入的时候对于信息的安全性可以保证。通过仿真模拟的方式研究地铁车站火灾和人员疏散的情况有一定弊端，由于不同年龄以及性别和人员身体形态差异，步行速度不同，也有的是残障人士使用地铁，所以无法准确反映每个人疏散中行为特征，这就需要对焦点集中人员模型优化上，能够在心理学的角度方面对人员彼此容忍度以及拥挤造成的躁动不安等方面的内容展开研究，避免采用单一化的思路。

4 结语

总而言之，地铁车站火灾和人员的疏散仿真模拟技术的发展将随着各类仿真软件的出现以及理论研究的进一步深化，获得更大的进步。地铁车站发生火灾人员疏散是比较突出的难题，在各因素的影响下建筑物结构设计以及火源点和数量位置等方面因素相互作用影響，并有随机性，技术的实际应用方面要多方面考虑优化。

参考文献：

[1] 张颖，张彪，侯佳丽.地铁区间列车中部火灾人员疏散受烟气影响分析[J].现代城市轨道交通，2020（02）：65-68.

[2] 姜学鹏，张帆，陈欣格.地铁隧道火灾人员疏散可靠度研究[J].消防科学与技术，2020，39（01）：9-13.

[3] 钟茂华，刘畅，史聪灵.地铁火灾全尺寸实验研究进展综述[J].中国安全科学学报，2019，29（10）：51-63.

[4] 李丹辰，钟茂华，梅棋，刘畅，肖衍.地铁同站台高架换乘车站火灾人员疏散研究[J].中国安全生产科学技术，2019，15（06）：5-11.

[5] 吕希奎，白娇娇，陈瑶.基于建筑信息模型与Pyrosim软件的地铁车站火灾模拟仿真方法[J].城市轨道交通研究，2019，22（06）：147-151.

[6] 王建国，刘颖，苏俊凯，殷雄.地铁火灾人员疏散行为影响因素研究[J].消防科学与技术，2019，38（05）：706-709.

[7] 邢志祥，张莹，钱辉，张淑淑，汪李金，顾凰琳.地铁车站火灾和人员疏散仿真模拟技术发展的新思路[J].安全与环境工程，2018，25（03）：130-135.