苏州市某高大空间地铁车站防排烟系统方案研究

郑进龙

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州，510000）

当前，许多城市轨道交通车站为融入城市空间和城市景观，创造宜人的乘客空间，打造城市核心区特色车站，考虑高大空间无柱设计，增加车站空间的通透性，一改传统两层分隔、柱网紧凑、装修空间低矮等毫无辨识度的封闭僵硬的空间视野。

近年来，北京、上海、广州等城市轨道交通车站采用大空间设计方案的案例越来越多，对消防疏散、防排烟系统设计和火灾控制模式等重难点问题提出了不同的有效措施。广州地铁设计院的余珏，郑进龙［1］对中庭地下车站消防疏散策略、防烟分区设置方案及挡烟垂壁设置高度及防排烟系统设计原则进行了深入研究，并采用三维模拟软件验证了原则的可行性。铁四院李小坤［2］从防烟分区划分、排烟系统设计和火灾工况运行控制三方面提出了简化、优化设计思路。上海城市建设设计院余斌、何利英［3］［4］对上海7号线、11号线的中庭车站的防火系统和火灾安全疏散分别进行了性能化模拟分析，提出对中庭设置专用排烟系统和优化疏散路径的措施。中国安全生产科学研究院史聪灵、李建等人［5］针对中庭式地铁车站及半中庭式地铁车站分别提出了简化的火灾控制策略，提高了系统可靠性。

本文针对苏州市某高大空间地铁车站的建筑及装修风格特点，提出了针对性的消防疏散和防排烟系统设计解决方案，并用火灾模拟软件FDS进行性能化分析，验证了方案的可行性，对轨道交通地下车站高大空间消防设计具有较好的参考意义。

1 高大空间地铁车站消防设计存在的问题

高大空间地铁车站把传统的两处楼扶梯洞口联通为一个扩大洞口，使得站厅站台公共区上下贯通，形成视野开阔的超大空间。然而，由此导致站台公共区消防疏散、大空间防排烟系统方案及火灾控制模式与传统车站有很大的不同，同时也是需要解决的重难点问题。

1.1 满足现行规范问题

《地铁设计防火标准》GB51298-2018第8.2.4条第3小条规定：“地下站台的排烟量还应保证站厅到站台的楼梯或扶梯口处具有不小于1.5m•s-1的向下气流”［6］。本站公共区楼扶梯洞口扩大为76 m×12m的大洞口，难于保证1.5m•s-1的向下气流的要求，鉴于此，需要设计其他的安全疏散口来满足规范要求。

1.2 防排烟系统排烟量计算问题

《地铁设计防火标准》GB51298-2018 第8.2.4条第1小条规定：“排烟量因按各防烟分区的建筑 面 积 不 小 于60 m3• (m2• h)-1分 别 计 算”［6］。然而，对于本站高大空间四周不进行防火分隔的情况，该条规范计算的排烟量偏小，按6 min疏散时间内难以控制烟气不外溢到其他防烟分区，从而影响乘客疏散安全。

1.3 火灾控制模式问题

高大空间车站防烟系统控制模式决定了火灾烟气控制的有效性，尤其是站台公共区火灾时在不开启站门的情况下如何迅速排除烟气，控制清晰高度，避免影响乘客安全疏散，是需要本文需解决的一个重点问题。

基于上述高大空间车站三方面的重难点问题，作者提出对应的解决方案。

2 高大空间车站概况

本站为地下两层12m站台岛式车站，总建筑面积为15689.69m2，设4个出入口和2组风亭。

车站位于苏州市工业园区商业核心区，紧邻金鸡湖及摩天轮景区，为融入周边城市空间和城市景观，并创造宜人的乘客空间，同时作为工业园区段核心区的特色车站，车站内部进行高大空间设计，即将站台与站厅公共区上下行楼扶梯开口进行扩大处理，洞口尺寸为76 m×12 m，站台板至顶板高度为12.1m，在洞口范围形成厅台连通的高大空间。

图1 站厅层公共区洞口范围

图2 站台层公共区洞口范围

图3 公共区高大空间横剖面图

3 防排烟系统设计方案

3.1 站台公共区消防疏散设计

由于本站高大空间洞口扩大，在无任何措施的情况下无法保证站厅到站台的楼扶梯口处具有不小于1.5 m•s-1的向下气流，站台到站厅的楼扶梯处无法满足火灾工况下人员安全疏散要求。洞口处楼扶梯疏散安全确实存在一定的风险性，因此在站台两侧另行设置满足要求的封闭楼梯间进行疏散，且其设置位置满足站台内任一点到楼梯口距离不大于50 m。站台层封闭楼梯间布置及地铁车站人员疏散流线如图4所示。

图4 站台公共区疏散封闭楼梯间及疏散流线

为避免站台层烟气进入封闭楼梯间，在楼梯间内按规范要求设置机械加压送风系统。由于场地位置限制，两侧设置的封闭楼梯未直通室外，其固定窗无法靠外墙设置，考虑到固定窗的设置目的是保障救援人员生命安全，及时排除楼梯间内火灾烟气及热量，一般在火灾发生的后期破拆，因此固定窗的破拆不会明显影响站厅内人员的安全疏散。鉴于此情况，可在站厅层疏散楼梯间防火门上方设置固定窗，面积不小于1 m2。

3.2 防烟分区及挡烟垂壁设计

本站公共区内每个防烟分区面积不应超过2000 m2，车站管理和设备用房区的防烟分区面积按不超过750 m2划分。站台、站厅连通处的高大空间划分为一个防烟分区（编号：防烟分区5），面积约1950 m2，空间高度12.1 m；站厅层公共区其余位置空间净高6.6 m，设置2个防烟分区，左侧防烟分区1 面积约580 m2，右侧防烟分区2面积约 400 m2。站台公共区其余位置空间高度4.75 m，划分为2个防烟分区，左侧防烟分区3面积约115 m2，右侧防烟分区4 面积约150 m2，如图5所示。

图5-1 站厅层公共区防烟分区示意图

图5-2 站台层公共区防烟分区示意图

公共区采用格栅镂空吊顶，开孔率不低于50 %。站厅层净高6.6 m，站厅挡烟垂壁在吊顶内高度为3 m；站台层净高4.75 m，站台挡烟垂壁在吊顶内高度为1.75 m，挡烟垂壁在吊顶上方应密封到顶。挡烟垂壁采用燃烧性能为A 级且耐火极限不低于0.5 h 的材料。

3.3 排烟量计算

鉴于本站高大空间的特殊性，公共区各防烟分区排烟系统排烟量按《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017 第4.6.3条计算［7］。

（1）大空间排烟量

防烟分区5为上下联通的高大空间，排烟系统排烟量按空间净高大于6 m 的无喷淋场所计算排烟量，计算排烟量为28×104 m³•h-1，设计排烟量为30×104 m³•h-1。

（2）站台排烟量

站台两端层高小于6 m，单个防烟分区设计排烟量为1.5×104 m³•h-1，同时考虑将轨行区TEF 系统引入站台两端防烟分区内，减少站台端部火灾时烟气向大空间蔓延的可能性，单台TEF 风机风量14.4×104 m³•h-1，站台每端各引入一台TEF 风机辅助排烟。

（3）站厅排烟量

站厅两端层高大于6 m，单个防烟分区设计排烟量为16.5×104 m³•h-1。

3.4 火灾控制模式

《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017 第5.2.4条要求［7］火灾时只对着火防烟分区进行排烟。由此，本站各防烟分区火灾时控制模式如下表所示。

4 火灾模拟论证

4.1 消防安全性指标

（1）参照《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017 第4.6.9条规定［8］，走道、室内空间净高不大于3 m 的区域，其最小清晰高度不宜小于其净高的1/2，其他区域的最小清晰高度计算公式为：

式中，Hq— 最小清晰高度（m）；H—取排烟空间的建筑净高度（m）。

因此，防烟分区1和2最小清晰高度为2.26 m，防烟分区3和4最小清晰高度为2.075 m，防烟分区5的最小清晰高度为3.01 m。

（2）热烟层距地板高度小于2 m（或最小清晰高度以下时），则热烟层的温度不超过60 ℃，且能见度不小于10 m。

（3）热烟层距地板高度小于2 m（或最小清晰高度以下时），CO2浓度不得超过1 %（体积百分比），CO 浓度不超过500 ppm。

（4）热烟层距地板高度大于2 m（或最小清晰高度以上时），热烟层的温度不超过180 ℃。

（5）站台层起火时，站台上的候车乘客和一列进站列车所载乘客能够在4 min 以内疏散离开站台，并应能在6 min 内全部疏散至站厅公共区或其他安全区域。

4.2 火灾分析模拟条件设定

为了客观的对建筑内发生火灾时烟气的蔓延特性和人员疏散情况进行定量分析。

本文采用火灾分析模拟软件FDS模拟计算表1中的3个场景的火灾发展和烟气蔓延特性，从而验证本站防排烟系统设计方案的合理性。

表1 各防烟分区火灾时控制模式

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（1）FDS简介

FDS（Fire Dynamics Simulator）计算时将模型空间划分成许多微元控制体（可能有成千上万个），以微元控制体为基本单位，假设每个微元控制体内各种物理量（温度、压力、速度、密度等）的值是同一的，它们只随时间而变化。模拟计算精度主要与微元控制体的数量有关，而微元控制体的数量又主要受计算机能力的限制。FDS以N-S方程为基础进行数值求解，给出温度、压力、速度、密度、热释放速率、烟雾组分等的分布场。

（2）火灾增长速率及规模

按照应急管理部四川消防研究所的《地铁火灾场景特性研究》结果，站厅公共区最不利火灾场景为自动售检票设备火灾，热释放速率峰值为3 MW。

站台公共区最不利火灾场景为行李火灾，热释放速率峰值为1.5 MW。

车站轨行区最不利火灾场景为列车火灾，热释放速率峰值为10.5 MW。

《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017第4.6.10条［8］定 义了四种标准t2火灾，即慢速火、中等火、快速火和超快速火的火灾增长系数。本文模拟计算时，火灾增长速率均保守按照快速火考虑，火灾增长系数为0.044 kW•（s2）-1。

4.3 火灾分析模拟结果

（1）站厅公共区火灾模拟结果

火源为站厅公共区防烟分区1或2的自动售检票设备，火灾增长速率为0.044 kW•（s2）-1，火灾规模为3 MW。开启站厅防烟分区1或2排烟系统，结果如下：

1）烟气温度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站厅内上层烟气温度为41 ℃，下层烟气温度达到36 ℃。

2）CO2浓度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站厅地面最小清晰高度处CO2浓度为 0.08 %。

3）CO 浓度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站厅地面最小清晰高度处CO浓度为95 ppm。

4）能见度的模拟结果：模拟至（1800 s）时，站厅地面最小清晰高度处能见度降到20 m，未沉降到10 m。

5）从火灾发生到人员疏散到安全地点所用时间为73 s。

上述模拟结果均满足4.1节消防安全指标要求，说明站厅防烟分区1和2的防烟系统方案合理可行。

（2）站台两侧公共区火灾模拟结果

火源为站台公共区防烟分区3或4的行李，火灾 增 长 速 率 为0.044 kW•（s2）-1，火 灾 规 模 为1.5 MW。开启站台防烟分区3或4排烟系统和对应的TEF辅助排烟，防止烟气蔓延至高大空间区域，结果如下：

1）烟气温度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站台内上层烟气温度为40 ℃，下层烟气温度达到32 ℃。

2）CO2浓度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站台地面最小清晰高度处CO2浓度为0.09 %，站厅层未受影响。

3）CO浓度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站台地面最小清晰高度处CO浓度为60 ppm，站厅层未受影响。

4）能见度的模拟结果：模拟至（1800 s）时，站台地面最小清晰高度处能见度降到30 m，站厅层未受影响。

5）从火灾发生到站台人员疏散到安全地点所用时间为248 s。

上述模拟结果均满足4.1节消防安全指标要求，说明站台防烟分区3和4的防烟系统方案合理可行。

（3）站台高大空间公共区火灾模拟结果

火源为高大空间防烟分区5的行李，火灾增长速率为0.044 kW•（s2）-1，火灾规模为1.5 MW。开启站台防烟分区5的排烟系统，结果如下：

1）烟气温度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站厅内上层烟气温度为35 ℃，下层烟气温度达到30 ℃。

2）CO2浓度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站台地面最小清晰高度处CO2浓度为0.12 %，站厅地面最小清晰高度处CO2浓度为0.12 %。

3）CO浓度的模拟结果：模拟结束（1800 s）时，站台地面最小清晰高度处CO浓度为91 ppm，站厅地面最小清晰高度处CO浓度为86 ppm。

4）能见度的模拟结果：模拟至（1800 s）时，站厅地面最小清晰高度处能见度降到20 m，未沉降到10 m。

5）从火灾发生到站台人员疏散到安全地点所用时间为229 s。

上述模拟结果均满足4.1节消防安全指标要求，说明站台防烟分区5的防烟系统方案合理可行。

5 结论与建议

本站采用高大空间建筑设计方案，对其消防疏散和防排烟系统设计重难点问题，提出了针对性的解决方案，经火灾模拟验证，设计方案合理可行，具体结论如下：

（1）站台公共区火灾时，通过设置在站台两侧的专用消防疏散封闭楼梯间，站台上的候车乘客和一列进站列车所载乘客能够在4 min 以内疏散离开站台，并能在6 min 内全部疏散至站厅公共区或其他安全区域。

（2）站厅层火灾时，火灾初期及一定时间内，站厅层烟气可以控制在站厅层，未沉降到站台层，随着时间的增加，站厅层有少量烟气沉降到站台层，但车站内人员能够在烟气发展到人体耐受极限条件之前疏散至安全区域。

（3）站台层起火时，烟气会沿中部扩大孔洞上升到站厅层，站厅层排烟系统动作，可以保证车站内人员能够在烟气发展到人体耐受极限条件之前疏散至安全区域，达到了设定的消防安全设计目标。

本文为高大空间地下车站的消防设计提供了实例借鉴。但为更好践行“以防为主，防消结合”的消防设计原则，建议加强消防系统日常管理、维护和严禁危险品进入车站，同时制定多项应急预案并展开火灾应急演练，时刻警惕火灾的发生。