中庭式拱顶多层地铁车站排烟系统设计及模拟分析

中铁上海设计院集团有限公司 曾 惜

0 引言

随着我国城市轨道交通的快速发展，位于城市重要地理位置的车站时常需承担公共交通以外的一些功能，车站内部空间的功能越来越多元化，中庭车站、高大空间车站应运而生。特殊车站内部空间更为复杂，加剧了防排烟的复杂性。本文对某中庭式拱顶多层地铁车站站厅排烟进行计算分析。

1 车站概况

该车站为全高站台门制式的地下3层车站，如图1所示，地下1层、2层为站厅层并设中庭，地下3层站台层为标准6A制式站台。地下1层(回廊层)总长度约210 m，地下2层总长度约180 m，共开3个长度分别为22、66、66 m的中庭孔洞，孔洞之间设宽9 m的连廊将中庭两侧的回廊连通，回廊及连廊组成地下1层的人行通道，并与相邻商业区连通，车站与商业区之间采用防火隔断分隔。A1、A2、C出入口均与回廊层、站厅层直接连通，B出入口仅与回廊层连通。火灾时，回廊层通过4个出入口疏散人员，站厅层疏散路径包含两部分：第一部分为通过A1、A2、C 3个出入口直出地面；第二部分为通过中庭两端通往回廊层的楼扶梯经回廊层后由4个出入口出地面。车站宽度18.7 m，中庭孔洞宽度12.7 m，地下1层净高5.35 m，地下2层净高5.4 m，中庭净高11.35 m。车站公共区平面、剖面图见图1。

图1 车站公共区平面、剖面示意图

2 火灾控制指标

结合美国NFPA130的规定及参考文献[1-3]，以火灾发生后6 min内为烟气控制时间，本文采用的控制标准如下。

1) 温度：疏散高度以下(本文疏散高度取2 m)，烟气温度不超过60 ℃。

2) 可见度：疏散高度以下，可见度不应低于13 m。

3) 烟气层高度：不低于最小清晰高度。

4) 有毒气体浓度：CO体积分数极限值不得高于1 150×10-6。

3 车站模型

根据车站物理尺寸建立如图2所示的车站模型，车站共有4个出入口，分别为A、B、C、D，其中A出入口仅能进入地下1层，B、C、D出入口地下1、2层均能进入。

图2 车站模型

3.1 火源参数

参考国内外地铁火灾研究采用的参数[1，3-6]，假定火灾为稳态过程。根据对地铁火灾事故的调查分析，站内火灾主要为行李火灾，行李火灾规模一般不会超过2 MW，本文计算火灾规模确定为2 MW。

3.2 网格尺寸

计算采用FDS软件，根据美国国家标准局(NIST)的试验验证结果——当网格尺寸为火源特征直径的1/10时，模拟计算结果最接近实测结果。火源特征直径计算式如下：

(1)

式中D*为火源特征直径，m；Q为火源热释放率，kW；ρ0为空气密度，kg/m3；cp为比定压热容，kJ/(kg·℃)；t0为空气温度，℃；g为自由落体加速度，9.81 m/s2。

据此，网格尺寸确定为0.2 m×0.2 m×0.2 m(长×宽×高)，网格总数约170万。

3.3 边界条件

设置车站出入口为“Open”条件；排烟口为“Exhaust”条件，风量根据排烟量确定；环境初始温度为25 ℃。

4 排烟系统设计

排烟系统的设计与建筑的构造息息相关，建筑内部构造的不同对烟气的流动产生不同的影响。本文研究的车站主要包含以下3个重要特征：站厅为2层且开设大中庭；高大空间；车站顶部为拱形顶部。上述3个特征对防烟分区的划分、排烟量的确定、排烟口的布置形式产生重要影响。下面就这3个问题进行研究分析，并根据研究结果确定排烟系统设计方案。

4.1 防烟分区的划分

许琪娟[4]、李小坤[7]、沈亮峰[8]、朱建霆等人[9]对站厅-站台设中庭车站的排烟系统设计进行了探讨，探讨的中庭相对公共区投影面积的开孔率在10%～30%之间，主要划分原则为中庭单独1个防烟分区，站厅层除中庭外的区域按规范要求划分防烟分区，站台层除中庭外两端一般各有1个面积不超200 m2的区域划分为2个防烟分区。

本文研究车站中庭相对公共区投影面积的开孔率达到约50%，地下2层的开孔率更是达到约60%，此时，是否可将中庭连通的上下2层作为1层空间考虑进行防烟分区的划分？下面从中庭回廊宽度对排烟效果的影响、中庭下层独立防烟分区的排烟效果进行分析。

4.1.1回廊宽度对排烟效果的影响

当回廊下着火时，如图3所示，回廊对烟气的上升起到阻挡作用，烟气上升至回廊板后沿着板扩散至回廊边缘后方上升至顶板。

图3 回廊下着火烟气流动示意图

烟气顺着回廊板流动的过程中不断与周边冷空气混合并逐步下沉，随着回廊宽度的增大，烟气下沉更加明显。分别对不同回廊宽度(5～30 m，每5 m为一工况)情况进行模拟分析，根据火灾控制指标，监测回廊下的温度、可见度、CO浓度，测点布置如图4所示。

图4 监测点布置示意图

计算结果显示：疏散高度内CO浓度均能满足要求；温度和可见度在火灾最初的4 min内变化不大，4 min后，不同回廊宽度下开始出现差异，如图5、6所示，随着回廊宽度的增大，回廊板下温度升高；当烟气沿回廊板扩散并上升至顶板后，由于排烟系统并不能完全排除火灾产生的烟气，导致烟气沿车站顶板往两端扩散，扩散过程中与周围冷空气混合并下沉，下沉到一定高度后烟气随着出入口补入新风往火源回流，回流过程中不断与新风混合，烟气温度下降，因此在火灾发展到4 min后火源附近测点高度上出现了温度与测点距火源距离成反比的现象；当回廊宽度增至15 m，可见度开始下降，当回廊宽度达到30 m时，回廊边缘附近可见度降低至13 m以下。

4.1.2中庭下层独立防烟分区的排烟效果

如前所述，参考既有工程案例[7-8]，一般将站厅-站台设中庭的车站站台层除中庭外的站台两端划分为独立的防烟分区，这2个防烟分区分别设置排烟系统，火灾时开启排烟系统的同时开启隧道通风系统进行辅助排烟，以保证中庭往站台端头防烟分区形成1.5 m/s的风速，该方案能有效控制烟气扩散。对于本文研究的车站，因中庭设在2层站厅内，无法通过隧道通风系统辅助排烟，故本节对板下区域独立划分防烟分区且无隧道通风辅助排烟时的控烟效果进行分析，以确定板下区域排烟设计方案。建立如图7所示模型，通过挡烟垂壁将板下区域与中庭区域分隔，板下区域形成独立的防烟分区，排烟系统独立设置，排烟量按规范[10-12]计算。板下前后左右每隔5 m布置一组监测点，同时监测全区域的烟气层高度。

图7 计算模型

计算结果显示：疏散高度内CO浓度变化不大；如图8所示，回廊下1.5 m高处温度低于30 ℃，2.0 m高处温度低于40 ℃，能满足控制指标要求；可见度在180 s后开始急剧下降，基本维持在10～15 m左右；烟气层高度监测结果如图9所示，在90 s左右烟气开始从回廊下扩散至中庭，快速升至顶板，沿顶板往两边扩散，回廊上烟气层厚度逐步增大，在约180 s后回廊上烟气层下降至距地2 m以下。

图8 回廊下温度、可见度计算结果

图9 烟气层高度统计结果

4.2 排烟量的确定

现阶段，地铁排烟系统设计主要依据为3本规范[10-12]，其中，GB 51298—2018《地铁设计防火标准》(以下简称《火标》)、GB 50157—2013《地铁设计规范》要求按防烟分区建筑面积不小于60 m3/(m2·h)计算排烟量，GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》(以下简称《烟标》)对于净高不大于6 m的场所，排烟量计算方法与《火标》相同，对于净高大于6 m的场所要求按规范中公式进行计算。一般车站单层净高小于6 m，对于排烟量的确定无影响，但本文车站净高11.35 m，按照规范每个防烟分区面积不超2 000 m2的要求，本站站厅划分为2个防烟分区，每个面积1 965 m2，按照2种算法得到的排烟量分别为118 000 m3/h和240 000m3/h，两者相差1倍多。因此，本节就2种排烟量的排烟效果进行对比分析。

计算模型如图2所示，地下2层沿车站纵向布置3列测点，2列位于连廊下，1列位于中部，地下1层两侧均布置测点，分别位于车站两侧连廊，高度为2 m。测点按与车站中部电梯的距离编号(左端为负，如-10 m；右端为正，如10 m)，测点间隔10 m。

计算结果如图10、11所示：2种排烟量下，中庭地面的温度、可见度均能满足疏散环境的需求且差异不大；回廊层温度均可满足要求，但《火标》工况温度明显高于《烟标》工况，对于可见度《烟标》工况基本控制在15 m以上，《火标》工况不少区域低于13 m甚至局部区域低至6 m左右；《烟标》工况烟气层高度控制在8 m以上，满足回廊清晰高度的要求，《火标》工况不少区域烟气层高度低于8 m，回廊层清晰高度不满足规范要求。

图10 《烟标》工况排烟量各测点计算结果

图11 《火标》工况排烟量各测点计算结果

4.3 小结

综上，本文研究车站的地下1、2层排烟系统按以下方案设计：

1) 车站两侧回廊宽度为3 m，中间连廊宽度为9 m，地下2层公共区长度基本与中庭宽度相等，两端基本无板下空间，根据第4.1节的计算分析，将中庭连通的2层作为1个空间考虑。

2) 鉴于地铁排烟系统设计依据的3本规范[10-12]均对站厅防烟分区面积有不超过2 000 m2的要求，同时考虑防烟分区划分过大(尤其是地铁属于狭长型建筑)时烟气水平扩散过程会卷吸周围冷空气而沉降，从而影响烟气控制的效果，在站厅中部设置挡烟措施，将站厅划分为2个防烟分区，每个防烟分区面积1 965 m2。

3) 根据第4.2节计算结果，车站各防烟分区的排烟量按文献[12]计算结果为准，为240 000 m3/h。在车站两端各布置2台专用排烟风机(风量72 000 m3/h，风压850 Pa)，其中，SEF-A01、SEF-A02负担A端防烟分区排烟，SEF-B01、SEF-B02负担B端防烟分区排烟。车站着火时，仅开启着火防烟分区的排烟系统，由出入口自然补风，其余与本防烟分区排烟系统无关的系统均关闭。

4) 根据拱形地铁车站火灾烟流模拟研究[6]结论，拱顶处设置排烟的方式能提高排烟效率，结论明确且本站拱顶情况与之相似，因此本文对拱顶排烟口的布置暂不作进一步的分析，借鉴参考既有工程案例及研究结论，车站排烟风口布置在拱顶，分2行布置。

5 排烟系统排烟效果分析

根据前述确定的排烟系统方案，对车站内不同位置的着火情况进行模拟分析，火源位置如图12所示，分别位于连廊下、连廊上、中庭中部、车站端部4个位置。车站模型见图2，测点布置同第4.2节。

图12 火源位置示意图

1) 连廊下火灾工况。

因C、D出入口距离车站中部最近，火灾排烟时，C、D出入口补风量最大，且中庭上下2层均有补风，因此C、D出入口一侧回廊上下温度、可见度条件均最好，车站内最不利位置为A、B出入口一侧回廊所在区域。最不利区域计算结果如图13所示：因火源位于0 m测点附近，且回廊宽度为9 m，烟气经回廊边缘上升至车站顶部，连廊下0、10 m两处测点温升最大，其余位置温升不明显；连廊上火源附近20 m(-10～20 m内测点)内温升明显，可见度降低明显，其余区域温升不大，可见度在15 m以上；烟气层高度显示除-10、10 m距火源最近处烟气层在6 m左右外，其余位置烟气层均在8 m高度以上。

图13 连廊下火灾工况

计算结果显示，除火源附近20 m范围外，其余区域疏散高度内温度未超60 ℃，可见度>13 m，同时烟气层高度大于最小清晰高度，故连廊下火灾时，满足火灾控制指标的要求。

2) 连廊上火灾工况。

与连廊下火灾工况相同，站内最不利区域为A、B出入口一侧回廊所在区域。因火源位于连廊上，烟气直接升至顶部区域，如图14所示，烟气层基本在9.5 m以上，地下2层基本不受烟气影响；回廊层除火源附近的温升较为明显外，其余区域温度变化不大，整个疏散高度内可见度未受影响。

图14 连廊上火灾工况

计算结果显示，疏散高度内温度未超60 ℃，可见度>13 m，同时烟气层高度大于最小清晰高度，故连廊上火灾时，满足火灾控制指标的要求。

3) 中庭中部火灾工况。

同前，站内最不利区域为A、B出入口一侧回廊所在区域，此工况火源位于30 m测点附近。因火源位于中庭内，烟气无任何遮挡物，直接上升至车站顶部，如图15所示，连廊下除火源附近的30 m测点温升较大外，其余区域温度变化不大，整个地下2层区域可见度未受影响；回廊层，30、40 m两处测点温升较大，达到约50 ℃，可见度降低至10 m左右；除火源附近的30 m测点烟气层高度低至4 m外，其余区域烟气层高度均大于8 m。

图15 中庭中部火灾工况

计算结果显示，除火源附近10 m范围外，其余区域疏散高度内温度未超60 ℃，可见度>13 m，同时烟气层高度大于最小清晰高度，故中庭中部火灾时，满足火灾控制指标的要求。

4) 车站端部火灾工况。

同前，站内最不利区域为A、B出入口一侧回廊所在区域，此工况火源位于80 m测点附近。因火源位于车站端部地下1层，烟气往上流动，如图16所示，烟气层在9.5 m以上高度，连廊下区域基本不受烟气影响，回廊层除火源附近80 m测点温升较大，其余区域温度变化不大，整个区域可见度未受影响。

图16 车站端部火灾工况

计算结果显示，疏散高度内温度未超过60 ℃，可见度>13 m，同时烟气层高度大于最小清晰高度，故车站端部发生火灾时，满足火灾控制指标的要求。

综上，排烟系统能满足各处火灾时的控制指标要求，但综合对比可以发现，当火灾发生在地下2层时，站内环境均比地下1层发生火灾时差，主要原因如下：

1) 回廊对烟气的遮挡阻碍作用导致烟气在上升过程中扩散范围更广，影响面积增大。

2) 地下2层火灾时烟气上升高度更高，烟气在上升过程中与周围冷空气混合更充分，烟气的下沉效应更明显，导致烟气层厚度更大，疏散高度上的环境更差。

6 结论

1) 对于采用大中庭的多层站厅，中庭两端回廊下区域面积小，蓄烟仓容积小，蓄烟能力弱，在没有隧道通风系统辅助排烟的情况下，烟气极易扩散，建议在回廊宽度不大于15 m的前提下，将中庭连通的上下2层作为1个空间考虑进行排烟设计。

2) 对于高度超6 m的高大空间公共区，建议排烟量根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》进行计算，若依据GB 51298—2018《地铁设计防火标准》计算排烟量，应核算烟气层厚度，以确定是否满足最小清晰高度的要求及挡烟垂壁的设置高度。

3) 对于中庭开孔率达到50%的情况，将中庭连通的上下2层作为1个空间考虑，同时根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》计算排烟量，在6 min疏散时间内能满足烟气控制标准的要求。

本文仅对中庭车站的排烟系统进行了初步的探讨，关于中庭排烟系统还可从以下两方面进行探索：

1) 当仅在中庭顶部设置排烟系统时，中庭开孔率对排烟效果的影响。

2) 本文分析连廊宽度对连廊下环境的影响时，仅针对本站中庭宽度进行了分析，但中庭与车站的宽度比对回廊下烟气流动也会有影响，需作进一步的研究分析。