轨道交通地下停车场防排烟设计探讨

陈 霖，闫树龙，叶 雷

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

引言

地铁停车场及车辆段作为列车停放和检修的区域，其建设需占据大量城市用地。为减少土地资源的占用及对城市整体规划的影响，往往结合地面物业开发，将轨道交通停车场按全地下模式进行设计，如成都、深圳、武汉等地区[1-4]。现已建设完成的轨道交通地下停车场有成都崔家店停车场、武汉中山北路停车场、深圳笔架山停车场、南宁新村停车场、青岛灵山卫停车场、深圳中心公园停车场等工程。

防排烟系统作为建筑消防设计必不可少的部分，可为火灾早期人员疏散创造安全的环境。然而，轨道交通停车场不同于商业办公楼、地铁车站公共区等其他场所，其火灾危险性等级及人员规模均较小，且场内人员对工作环境熟悉，无论是自救还是等待消防救援均有更好的条件。

目前，关于轨道交通地下停车场防排烟系统设计原则无明确统一的规定，普遍采用消防性能化评估方法进行设计合理性评价[5-7]。在GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》[8]及GB 51298—2018《地铁设计防火标准》[9]颁布前后，各地区做法也不尽相同[10-13]。因此，有必要针对地下停车场防排烟系统设计的相关问题进行探讨，以便后续更好地开展类似工程设计。

1 工程概况

以某地铁地下停车场为对象，分析各区域防排烟系统设计。该停车场为地下两层，上盖业态为市政绿化公园，主要承担地铁列车停放、检修、清洗及定期消毒等日常保养工作，可同时停放16列车。总建筑面积约6万m2，其中，停车、列检库区域建筑面积约1.8万m2，咽喉轨行区面积约0.52万m2，洗车线轨行区面积约0.23万m2，地下生产配套用房区建筑面积约1.45万m2，消防车道等其他区域面积约2万m2。空间位置关系如图1所示。

图1 地下双层停车场建筑空间分布示意

停车场车库按戊类厂房设计，地下部分建筑耐火等级为一级，内部装修材料的耐火等级均为A级，建筑内设置有室内消火栓、灭火器、自动喷淋系统、防火分隔水幕系统、气体灭火系统、防排烟系统、应急照明系统、疏散指示系统、火灾自动报警以及消防联动控制系统等消防设施。

2 环形消防车道设计

本项目停车场地下二层库区四周设置环形消防车道，如图2所示。东西两端均设消防车出入口，坡度8%；消防车道宽6 m(局部位置宽4.5 m)，净高6.6 m，距顶板净高15.5 m，距地面19.5 m。库房四周消防车道正上方均匀布置自然采光通风井，最大尺寸为26.5 m×5 m，最小尺寸为17.5 m× 2.5 m，风井中心间距≯42.5 m，通风井总开孔面积占消防车道总面积的33.6%，车道内任一点距最近的通风井不超过30 m。当车道相邻防火分区发生火灾且失控时，烟气蔓延至消防车道后可迅速排出地面。

图2 环形消防车道示意

针对环形消防车道，建筑设计参照下沉式广场的做法，用于防火分隔。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[14]规定，下沉式广场本身就被定义为室外开敞空间，且停车场建筑设计已经满足其相关要求：

(1)消防车道顶部开口均匀布置，且开口面积达33.6%，大于25%；

(2)该区域内不存在其他可能导致火灾蔓延的设施或可燃物；

(3)环形消防车道内设置11部直通地面的疏散楼梯。

另外，环形消防车道已进行消防加强措施设计，如配置喷淋系统。在消防性能化评审时，专家也一致认可该区域为安全空间，可作为人员疏散通道。显然，消防车道设计无论从规范角度还是实际安全性能方面而言，均满足室外安全空间条件。

为减少地面风井数量，机械加压送风系统、排烟补风系统等可从消防车道取风，且采光通风井可兼做其他区域排烟系统的排烟口或排风口，但不能直接向环形消防车道内排烟。为避免火灾时串烟，进排风口设计应满足以下要求：

(1)取风口位置尽量靠近通风天井投影底部；

(2)一处通风天井不应同时作为排烟口和进风口；

(3)各区域排烟管对外部分应延伸至车道顶部自然通风风井处；

(4)任一进风口与排烟风井水平间距应保持20 m以上。

当部分区域无法满足以上条件时，其排烟井应单出地面设置。

3 库区防排烟系统设计

停车列检库空间净高为6.6～7.7 m，共划分8个防火分区，每个防火分区面积为2 218 m2，同时作业人员不超过20人。其主要火灾特点如下。

(1)库房按戊类厂房设计，火灾荷载主要为地铁列车，车辆部位基本无可燃物，且不存在人为纵火，火灾危险性很小。

(2)库区内设置自动喷淋系统，可有效灭火或降低列车火灾热释放速率。

(3)人员密度小且对工作场所熟悉，疏散所需时间短；同时，蓄烟空间较一般场所大，疏散路径安全环境更容易保证。

GB 51298—2018《地铁设计防火标准》规定[9]，“地下车辆基地库房等场所应设置排烟系统”，但未明确给出防烟分区划分原则以及排烟量计算方法。鉴于其特点，库区防排烟系统应结合土建规模、控制模式复杂程度、安全疏散条件等因素进行合理设计。

3.1 防烟分区划分

GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》虽已规定工业建筑防烟分区划分面积及长边要求[8]，但也明确了汽车库防烟分区的划分及其排烟量应符合现行国家规范GB 50067—2014《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》的相关规定[15]。与汽车库相比，地铁停车场有相同之处，但其发生火灾的概率反而较小，主要表现为：汽车库内的车辆有自燃的可能，且公共停车场还存在人为纵火的风险。考虑到汽车停车场一般设置喷淋系统，场内人员仅在进出车库期间短暂停留，即使发生火灾，对人员造成的危害也较小，所以汽车库防烟分区划分及排烟量要求较其他公共场所低。显然，轨道交通地下停车场防排烟设计标准不应明显高于汽车库场所。

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》及GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》均未明确戊类厂房应设置排烟设施，若地铁停车场库房直接套用GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》关于防烟分区长边的规定，相当于提高了设计标准，不符合工程经济建设要求。考虑到地铁列车一般为6辆或8辆编组，一列车贯穿整个防火分区，且任一车厢均有可能发生火灾，控制防烟分区长边已无意义，建议按一列车长划分防烟分区。实际上，库区内火灾主要发生在车厢内部，仅部分烟气从列车疏散门及车窗(高温破裂后)蔓延至库房内，剩余烟气仍在车厢内纵向蔓延，火源分布及烟气扩散具有纵向特征，防烟分区划分为狭长型是合理的。

本项目停车场规模较小，单个防火分区仅包含2股轨道，可直接划分为1个防烟分区，宽度为11.2 m，面积约2 200 m2。根据GB 51298—2018《地铁设计防火标准》第4.5.4条规定[9]，“当设置自动灭火系统时，每个防火分区的最大允许建筑面积不限”。对于建筑防火分区内包含3股及以上轨道的情况，结构专业纵向设计的下翻梁(凸出高度约1.2 m)将自然形成挡烟作用，建议结合工艺布置及土建专业特点，防烟分区面积按≯2 500 m2进行控制，相应的防烟分区宽度约12 m。

当库区高度<9 m时，防烟分区之间应设置挡烟设施(超过9 m，可不设)。建议充分利用库区蓄烟空间高大特点，适当提高储烟仓高度，即挡烟垂壁向下凸出高度不宜<2 m(工艺受限时不应<1.5 m)，且应优先利用结构下翻梁进行防烟分隔，高度不足部分可采用防火板、防火玻璃及刷防火涂料的钢板等作为挡烟设施。

3.2 排烟量计算

石家庄某地铁停车场库房防烟分区排烟量按6次/h的换气次数计算[10]，其主要参考早期地下汽车库的普遍做法进行设计。

成都崔家店停车场库区排烟量按照防烟分区面积乘以60 m3/(h·m2)进行计算[11]，该计算方法是参考车站公共区等区域的常规做法作为设计依据。

南宁新村停车场按照GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》中烟羽流公式计算结果及表4.6.3规定[8]，“取二者最大值作为库区防烟分区排烟量的计算依据”。

DB11/995—2013《城市轨道交通工程设计规范》第24.4.11条规定[16]，“车辆综合基地的戊类厂房设置机械排烟系统时，最小机械排烟量应根据一个防烟分区的建筑面积按0.5 m3/(min·m2)计算”，福州竹岐停车场库房区域排烟量设计参照了该规定[13]。

显然，关于轨道交通停车场库区排烟量的计算，以上做法均有参考依据，但是设计标准并不完全统一，需进一步讨论。

GB 51298—2018《地铁设计防火标准》第8.2.4条已经明确[9]，防烟分区包含轨道区且采用管道排烟时，排烟系统的排烟量应基于列车火灾规模和发生地的空间特点来确定，但国内目前无直接可用的公式，而给出了日本提出的一种方法供参考，其排烟量的计算公式如下

Cs=21[1-e(-Ve·t/V)]/Ve

(1)

V=20(A0-Av)

(2)

Cs≤0.1

(3)

式中，Cs为空间内允许的烟气浓度，m-1；Ve为火源区段排烟设备的排烟量，m3/min；V为火源区段的有效容积，m3；t为疏散结束时间，min；A0为垂直线路方向的有效面积(扣除柱子、楼梯或扶梯等)，m2；Av为列车横断面积，m2。

表1列出了停车库区域防烟分区分别按照DB11/995—2013《城市轨道交通工程设计规范》及日本公式两种不同方法计算得出的排烟量结果。从表1可以看出，参考日本公式得出的结果小于DB11/995—2013《城市轨道交通工程设计规范》计算结果，且随着蓄烟空间的增大差异越明显。

表1 停车库排烟量计算结果

日本提出的计算方法主要是针对小规模火灾，即排烟量计算与热释放速率无关。火源区段(20 m范围)排烟量通过对空间内允许烟气浓度(减光系数)的规定来进行确定，而整个防烟分区的排烟量需根据其长度按火源区段排烟量进行等比计算，火源区段的排烟量还应同时满足≮83.3 m3/min的要求。该方法是基于疏散时间控制在7 min以内得出的，强调总排烟量与疏散时间、火源段蓄烟空间体积、疏散路径烟气浓度、防烟分区长度有关，这种理念是合理的。GB 51298—2018《地铁设计防火标准》作为轨道交通行业标准，已给出排烟量参考公式，结合公式背景及地铁停车库火灾早期热释放速率较小的特点，为体现不同蓄烟空间排烟差异，建议地铁停车库排烟量参考日本公式计算。

3.3 排烟机房及风管布置

为减小土建规模、充分利用建筑既有空间，在地下一层库区周边靠通风天井处设置夹层排烟机房，各防烟分区独立设置排烟风机。对外排烟风管延伸至顶部通风天井处，对内排烟风管布置于库区中部正上方。采用自然补风方式，补风口靠近天井投影底部，如图3所示。

图3 车库排烟机房、风管及补风口布置示意(单位：m)

4 咽喉区、洗车线轨行区排烟问题

GB 51298—2018《地铁设计防火标准》第8.2.7条规定[9]，“车辆基地的地下停车库、列检库、停车库、运用库、联合检修库、镟轮库、工程车库等场所应设置排烟系统”，并未明确咽喉区、洗车线是否必须设置排烟系统。结合条文解释，“除停车库、列检库等大面积场所外，其他库外以轨行区为主的交通区域基本无可燃物，亦非人员长期居留场所，且空间高大，因此未要求设排烟设施”。考虑到咽喉区及洗车线并没有划分防火分区，基本无可燃物且无人员长期停留，同时满足空间高大要求，从经济建设角度出发，该区域可不设置排烟系统。

5 生产配套区防排烟系统设计

生产配套区共划分20个防火分区，全部位于地下。主要包括弱电设备、变配电、会议室、检修班组、司机休息室、消防控制室等用房，其建筑特点及房间功能与地下车站设备区相似。但除电气房间外，各区域均设置自动喷淋系统，其火灾危险性低于车站设备区。因此，建议生产配套用房区域防排烟系统按GB 50157—2013《地铁设计规范》[17]及GB 51298—2018《地铁设计防火标准》要求执行，未明确部分参考GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》相关规定开展设计。

设备区共划分为25个防烟分区，采用机械排烟、自然补风方式，对外排烟口及补风口优先利用环形消防车道自然通风井。由于整个设备区域房间布置较分散，为减少风管长度，避免过多管线交叉，排烟专用机房尽量布置于两个防火分区中部，如图4所示。

图4 设备区排烟机房、风管及补风口布置示意

6 火灾数值模拟分析

为验证停车库区域采用日本公式计算排烟量的合理性，进一步采用数值模拟方法，建立三维火灾场景，对火灾烟气扩散以及人员疏散可利用安全时间进行分析。

6.1 人员安全疏散时间

根据GB 51298—2018《地铁设计防火标准》第5.5.4条规定[9]，“库区内最远一点至最近安全口的疏散距离按≯60 m进行设计”。未考虑列车中部火灾且人员刚好处于两列车之间的极端情况，如图5所示。从图5可以看出，人员疏散至安全区域的最长距离为97.5 m。参考GB 50016—2014《建筑设计防火规范》关于厂房疏散设计原则[14]，疏散速度取1 m/s(人正常行走速度)，求得库内行走所需疏散时间为97.5 s。考虑火灾报警、人员反应、安全裕量等时间，保守确定人员必需疏散时间为200 s。

图5 疏散设计示意

6.2 模型建立及参数设置

(1)模型建立

选取净高为6.6 m的车库，长195 m，宽11.2 m，按单个车库内同时停放两列车，建立1∶1的物理模型，如图6所示。车库中间顶部布置排烟风管，纵向均匀布置排烟口，共计8个，单个风口排烟量7 285 m3/h，排烟风速约5 m/s，补风从消防车道自然引风，补风口风速≯3 m/s。

图6 车库三维模型示意

(2)参数设置

按最不利火灾场景考虑，火源位于列车中部。根据GB 51298—2018《地铁设计防火标准》给出的参考值[9]，忽略喷淋系统对热释放速率的影响，火灾峰值取7.5 MW。火灾发展过程中，热释放速率与时间的平方成正比，保守按快速火灾考虑，即火灾增长系数取0.046 9[18]。火灾发生90 s后，启动机械排烟系统。

计算软件为STAR-CCM+，采用多面体网格进行模型划分，网格总数约80万个。图7为相关研究[19]给出的试验数据与软件计算结果对比。由图7可见，模拟结果与试验数据吻合得较好，表明该软件用于火灾烟气扩散特性以及温度分布模拟可行。

图7 试验数据与模拟结果对比

(3)火灾安全控制指标

火灾发生后，一般需将人员高度处能见度(烟气浓度)、烟气温度等参数控制在一定的标准范围内。由于列车火灾实际燃烧过程极其复杂，且关于有害气体标准缺乏可靠数据参考，对烟气浓度及车库内的能见度进行定量模拟意义不大，这里仅对烟气温度进行控制。实际上除火源位置外，火灾早期烟气温度高的地方浓度必然也高。在借鉴国外标准[18-20]的基础上，考虑一定安全余量，对烟气温度确定以下控制指标：

①疏散路径人员高度(距疏散地面2.4 m)烟气温度不超过60 ℃；

②火源区段以外对应的烟气层最高温度不超过180 ℃。

另外，车库所在防火分区两端采用水幕分隔，当烟气蔓延至分隔处，受水幕阻挡及降温作用，烟气会迅速下沉，从而影响人员疏散。因此，工作人员在车库内疏散过程中，还需同时确保烟气不蔓延至防火水幕分隔处。

6.3 模拟结果分析

不同模拟时刻，车库内烟气浓度及温度三维分布见图8～图11。

图8 120 s时刻烟气浓度三维分布示意

图9 230 s时刻烟气浓度三维分布示意

图10 120 s时刻烟气温度三维分布示意

图11 230 s时刻烟气温度三维分布示意

由图8～图11可见，库区着火后，当工作人员未有效实施灭火时，烟气将集中沿纵向扩散(人员疏散方向)，并不断卷吸冷空气，在接近230 s时刻时蔓延至防火水幕分隔处。显然，在火灾早期，库房内烟气浓度及烟气温度并不高，且烟气分层明显，应迅速组织救援。

图12、图13为疏散路径烟气温度分布情况，由图12、图13可知，在最不利火灾场景下，当烟气从火源区段扩散至车库两端的防火分隔处期间，库内人员高度处温度及烟气层最高温度均满足安全控制要求。

图12 人员高度处烟气温度分布

图13 烟气层最高温度分布

综上所述，人员疏散环境危险来临时刻为230 s，大于必需安全疏散时间200 s。在疏散过程中，库内人员始终是处于安全的环境，表明库区设计排烟量是合理的。

7 结论

通过规范对比，采用理论分析及三维数值模拟方法，对某轨道交通地下双层停车场防排烟设计进行了探讨，相关结论及建议如下。

(1)当环形消防车道采用自然通风时，停车场内防排烟系统的进、排风口应优先利用车道上方天井设置，但设计应避免出现串烟问题，确保排烟口高于进风口、水平间距保持20m以上。

(2)咽喉轨行区、洗车线区域基本无可燃物且无人员长期停留，可不设置排烟设施。

(3)库区火源分布以及烟气扩散具有纵向特征，建议按1列车长控制防烟分区长边长度，且防烟分区面积不宜>2 500 m2。

(4)库房区域火灾时，人员必需疏散时间短，所需排烟量参考GB 51298-2018《地铁设计防火标准》给出的日本公式计算结果可行。

轨道交通地下停车场库区空间高大，火灾危险性较小，有其自身特点，探讨思路及分析结论可为类似工程的防排烟系统设计提供参考。建议后续设计充分理解规范原理以及建筑消防设计特点，从工程经济建设角度出发，合理开展防排烟系统设计。