上盖开发式车辆段射流通风与消防排烟研究进展★

胡 睿,董海广,杨 林,许淑惠

(1.北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心，北京建筑大学,北京 100044；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

0 引言

随着城市经济的迅速发展，城市交通网络也日益发达，传统轨道交通建造中将地上与地下空间分割利用的模式已无法应对城市日渐匮乏的土地资源。上盖开发是指在轨道交通途经的地区的上方或邻近周边进行民用建筑开发建设的土地开发方式。其以轨道交通为先导促进城市发展，围绕交通为城市提供配套服务，是一种新兴的城市轨道交通模式。这种模式既可以提高土地使用效率、缓解日趋紧张的城市土地资源，又能够密切轨道交通与上盖物业的联系，使市民出行更加便捷。开发上盖物业可以让交通企业和周边物业形成造血机制，走良性发展和可持续发展道路。

在我国，许多较发达的地区和城市已开始大规模开发上盖项目。2012年，宁波市轨道交通1号线一期启用天童庄车辆段与综合基地，其上盖物业区不仅囊括了车辆基地人员培训中心、员工宿舍、员工活动中心等综合基地建筑，还包含了商业中心、房地产开发项目等多元化物业类型。其盖下区域则修建了检修主厂房、运用库、物资总库、维修车间等单体建筑。图1为此项目盖下运用库区域施工中期和完成时的现场。

南京市青龙车辆段启用于2015年7月，作为南京市4号线的配套车辆段，由于其上盖开发的特性，大力地带动了周边村镇的发展，并成功开发“南京青龙地铁小镇”等产业园区[1]。图2为此项目盖下运用库的车辆停放现场。

上盖开发模式固然为经济发展带来了巨大的效益。然而在上盖开发设施中，消防安全是一个难以解决的问题。由于不同类别的建筑叠加建造，目前还没有现行规范来规定指导此类建筑的消防设计，这方面的设计目前也少有成功的案例可以借鉴[2]。因此，上盖开发式地下车辆段建筑的消防通风及防排烟设计是目前急需解决的问题。

盖下车辆段主要包含运用库、联合检修库和综合楼等设施，其中运用库是列车车辆停放、检修、保养以及维护的重要基地。在列车运用库中停放和检修的过程中，存在着诸多引起火灾的隐患，如果火势没有及时得到控制，还将极有可能引发盖上物业建筑的火灾。然而目前针对于盖下运用库的消防及防排烟方案较单一，而且大多数不能快速进行消防应对，这对正在蓬勃发展的上盖式轨道交通的开发无疑是巨大的安全隐患之一。

由于盖下运用库处于地下，一旦发生火灾，难以像地上建筑一样及时得到外界的消防救援，所以运用库依靠自身的机械通排风能力来协同防排烟是值得探究的课题。盖下运用库在正常的工作状态中，通风系统保持运转来确保库中的空气质量达标，如果在火灾来临时，将通风系统完全关闭，单靠防火卷帘、挡烟垂壁等阻隔火势和烟气的设备来应对火灾，那么效果是有限的。此时，如果通风系统可以通过快速的转变协同防排烟，那么会对防排烟产生很大的积极作用。将盖下运用库的通风与排烟系统进行协同设计，不仅能提高防排烟效率，还能避免许多后期针对盖下建筑防排烟系统的整改，在消防效率和建设成本控制方面都有着巨大的优势。

上盖开发式车辆段的火灾、排烟、通风、消防和救援措施等研究案例，将国内外研究现状分为六个部分。

1 火灾特性及数值模拟研究

1.1 火灾危险性研究

对于火灾的危险性，首当其冲的要考虑引发火灾的原因和材料。经曹会[3]统计，国内火灾案例中大约80%属于电气火灾，而由电缆短路引发的火灾又占电气火灾的50%以上。对于地铁火灾，亦是电气原因所导致的火灾发生概率最大[4]。而列车检修库中的线缆往往更换周期较长，故易出现电缆老化的情况，在检修过程中的电压急剧变化可能会引起线缆局部出现短路。

目前，我国大多数电缆的绝缘保护层使用聚氯乙烯或交联聚乙烯等材料，这些物质燃烧时释放的热量高达19 000 kJ/kg～46 000 kJ/kg，而聚氯乙烯的燃点却仅为120 ℃[5]。且聚氯乙烯在燃烧过程中会产生大量的一氧化碳、氯化氢等有害气体。

对于地下大空间建筑，火灾的危险性尤其突出。许林峰[6]根据当前地下建筑空间火灾事故实施灭火救援过程中存在的问题，总结了地下建筑空间火灾事故特点：地下建筑空间密闭，高温和浓烟会导致扑救困难；在火灾中性面下移的影响下，环境温度会明显上升，短时间内事故现场温度可达800 ℃～900 ℃，并且着火点附近的温度会更高，给消防救援以及人员疏散工作都会造成极大的负面影响。

1.2 火灾载荷研究

由于缺乏适合的测量手段，以及火灾实验本身具有极大的危险性，进行一套完整的火灾实验需要的准备条件要求极高，因此按照实际比例建立的大功率火灾模型实验非常稀少，因此对于火灾载荷的研究数据和成果还需参考各类消防规范。相关规范[7]中，说明了国内地铁列车的设计火灾规模通常取用7.5 MW～10.5 MW。

列车的火灾载荷与列车内部和外部环境因素都有关系。姚小林[8]对列车内部影响火灾载荷的因素进行了总结和FDS软件数值模拟研究，计算得出在不考虑旅客行李和逃生窗关闭的情况下，一等座车厢火灾热释放速率最大值为4.34 MW，餐车车厢最大值为4.22 MW。

对于运动中的列车，马纪军等[9]以某高速列车为研究对象，对列车运行速度为40 km/h时不同火源功率对列车火灾发展的影响进行了数值模拟分析。计算结果表明整个列车火灾热释放速率最大可达20 MW，且热释放率在10 MW～20 MW之间变化时，对列车内的温度和烟气浓度分布影响不大。

而对于列车外部的因素，则除了文献外需要考虑各类规范的经验数据和消防设计约束。相关地铁防火规范说明了国内地铁列车的设计火灾规模通常取用7.5 MW～10.5 MW，但此规范并未给出具体的环境条件和计算要求。而建筑防排烟相关规范则针对各类建筑制订了相应的火灾载荷计算方法，并对计算式中各参数的取值作了详细的说明。

对于列车停靠于建筑中发生火灾的情况，朱中通过锥形量热仪实验和FDS数值模拟方法对某城市地铁列车的热释放速率进行研究，得出在火源位于列车中部的情况下，列车停于隧道中静止状态下燃烧时的热释放速率大小约为7 MW。

1.3 火灾数值模拟研究

由于列车的燃烧实验不仅花费巨大，还存在各项参数难以精确测试的情况。更重要的，火灾实验的危险性高，为了不威胁实验人员的安全，大多高校和科研机构已大量减少此类实验。

数值模拟是目前对于火灾实验较理想的研究方法。将各模拟软件的应用范围和特点整理于表1。

表1 各数值模拟软件的应用范围和特点

由表1可看出，目前可对火灾环境内烟气流动情况、温度分布和有害气体分布以及可燃材料燃烧热释放速率进行较为准确的计算的软件为FDS(Fire Dynamic Simulation)，且FDS可对可燃材料和燃烧产物进行定义和化学式分析，其准确性也经过了大量火灾实验的验证。

火灾数值模拟可分为场模拟和区域模拟。场模拟主要应用于计算火灾时的温度分布、烟气流动情况、有毒气体分布等，仅少量软件可计算可燃材料燃烧的热释放速率。区域模拟则主要应用于计算烟气的流动情况和温度分布，也很少应用于热释放速率的计算。

刘雪[15]通过与中国科学技术大学所做火灾实验结果对比，对实验的建筑物建立数值模型进行计算，通过实验数据和模拟数据的对比分析，结果表明FDS软件可用于地下车库的火灾模拟。

对于大空间内的火灾模拟，霍然等[16]分析了烟气在大空间建筑内的充填情况，得到了不同火源热释放速率下的烟气填充计算模型，并在大空间实验厅内进行了全尺寸油池火对比试验。试验结果表明，烟气在大空间内的温度并不高，但烟气层沉降速度很快。且计算结果和试验结果对比表明，在大空间建筑内仍可利用火灾区域模拟方法计算烟气的运动。

在地下建筑消防中，火焰射流温度也是极其重要的参数，顶棚射流温度的增幅是隧道等相对封闭地下空间火灾安全的关键参数。Fei Tang等[17]研究了在隧道中使用顶棚排烟时，由不同高宽比燃烧器的矩形火源引起的顶棚射流温度的增幅，结果表明，高宽比越小的燃烧器引起的顶棚射流温度增幅越大。

对于地铁车厢的火灾发展过程，张金[18]结合地铁车厢结构特点，对地铁车厢内的火灾荷载进行了调研分析，然后以此为基础，对影响地铁火灾安全的指标因素进行了总结归纳，并运用数值模拟软件分析了火源热释放速率、温度分布特征、火焰及烟气的蔓延过程以及轰燃现象。研究结果表明：在不启用任何消防设备和设施的情况下，车厢内火焰流将沿顶棚下方迅速蔓延，且整个车厢在短时间内即被高温烟气所笼罩，此时车厢内发生明显轰燃现象。

在列车火灾中，对于火源热释放速率和产烟量的联系，钟委[19]通过火灾数值模拟得出了站厅正压送风时挡烟临界风速的预测模型，结果表明，当火源功率增大到一定值后，临界风速将达到一个最大临界值。且论文所建立的模型预测结果与全尺寸试验结果的计算值较为符合。

2 通风及排烟系统研究

2.1 通风系统研究

由于本研究的通风方案主要使用射流排风进行盖下运用库通风状态下的排风，需通过文献整理对多种通风方式进行对比分析。

无风管诱导通风尚属于较创新的通风方式。对于诱导通风系统的使用，国内目前还处于尝试阶段，但已有研究表明诱导通风比传统风管更适用于地下大空间结构。田利伟等[20]采用库内干球温度、湿黑球温度、通风量、换气效率与能量利用系数等环境与热环境评价指标，计算分析了运用库内不同热源强度下诱导通风系统的排热效果，结果表明，诱导通风系统可有效排除库内余热以及改善各作业面的热环境参数，使工作车间更宜于人体舒适度。李茜[21]对中国成都市某地下车库采用无风管诱导通风时的气流组织使用CFD软件进行模拟分析，通过改变送排风口的相对位置、喷嘴的射流角度、送排风机压差引起的气流和诱导风机射流气流的相对关系等，总结了无风管诱导通风系统的运行规律，并证明了无风管诱导通风系统能达到理想的通风效果。

对于无风管诱导通风系统的射流理论，常琳[22]对此进行了汇总分析，并进行风机阵列排布的流场测试，通过测试单台风机和两台风机并联的流场分布，验证了射流理论在地下空间的适用性。且在实际地下车库中进行了热烟实验测试射流风机用于辅助排烟的效果，研究结果表明所采用的射流模型是正确的。

对于上盖开发的地铁车辆段运用库通风的主要通风方案，曾雯[23]将之总结为四个：方案一为机械排烟兼风管通风系统(共用风机和风管)外加壁挂式风扇；方案二为机械排烟兼风管通风系统(共用风机和风管)外加大型工业吊扇；方案三为机械排烟兼风管通风系统(分设风机和风管)外加壁挂式风扇；方案四为诱导通风系统外加壁式强力排风机。不论使用何种通风方式，运用库的库内热环境对于工作人员的健康和安全是必须要考虑的因素。不同季节下的库内热环境各不相同，邹磊等[24]通过对夏热冬冷地区长沙的两个运用库内的通风量、通风形式和库内热环境测试数据进行对比分析，结果显示采用蒸发冷却下送风系统的库内热舒适性更好，库内湿球黑球温度达标率为90%。

在使用数值模拟法对通风状态进行各类参数的计算时，可能会产生结果偏差。李斯文等[25]对地下大空间通风系统的气流组织进行了研究，并选取一典型地下水电站主厂房发电机层为研究对象。研究表明，在模拟结果出现偏差时，应优先考虑改善各风口风量数据和与模拟研究区域相通的大尺寸通风口、隧道等，且参数设置需要与实测数据相结合，合理描述其边界条件以提高计算准确度。

对于火灾等紧急情况下的通风系统的应变研究，是目前较为缺少的研究内容。Kubinyecz Vladimir等[26]提出，目前大多数研究侧重于确定一些火灾相关参数(通风时空气临界速度、烟气层距离、烟层最高温度或烟气和污染物最大浓度等)的具体数值，因此缺乏应急模式下与通风系统配套的排烟模式的高效利用研究，而这也是本研究侧重的对象之一。

2.2 排烟系统研究

对于上盖开发式建筑的防排烟研究案例，还需结合一些典型大空间建筑的研究案例，以全面地对防排烟研究现状进行分析总结。

首先从建筑内的防排烟设施入手，分析整理各类防排烟设施的布置与运行方案对排烟效果的影响。

针对徐州市轨道交通1号线杏山子车辆段项目E地块的盖下建筑，李志明等采用FDS数值模拟的方法对项目方案在发生火灾时的火焰蔓延、温度分布及烟气流动等现象变化规律进行了分析，通过评估运用库、检修库等盖下建筑的消防安全性，针对消防系统管理提出了建议：机械排烟系统常闭排烟口应满足现场手动开启、联动开启以及远程开启功能，以确保火灾发生时机械排烟系统的及时有效启用。在大型的厂房或地下建筑中，自动喷淋系统在防排烟中也起着很关键的作用，RuoJun Wang等[27]利用FDS模拟软件对地铁车站防火安全系统运行情况进行了计算分析，通过分析烟气流动特性及温度、一氧化碳浓度和能见度分布，得出在自动喷水灭火系统和防排烟系统同时运行下，烟气蔓延未达到对人体产生重大威胁的程度。

对于机械排烟系统，排烟口位置的不同会导致排烟效果的巨大差异。刘雪通过FDS模拟分析得出，在同一时刻，相同位置处侧排烟时的烟气温度和烟气浓度要小于下排烟的情况，而能见度要大于下排烟的情况。且当建筑物的排烟系统不作改变时，补风量的改变对排烟效果的影响比较小，补风系统可以为着火空间内的疏散人群补充氧气以及稀释有毒气体的浓度，且不会延长着火空间内的危险时间作用。排烟位置和方式还会对顶棚最高温度和温层产生很大的影响。Yuantao Zhu等[28]在8∶1的 缩尺寸模型隧道中进行了排烟口最佳长宽比的实验研究，结果表明，侧向排烟系统主要影响烟层横向温度分布，且横向温度分布曲线呈现出良好的分层现象，烟层最大温度点还会随着侧向排烟系统移动向侧向排烟口方向偏移。

长距离隧道中的排烟与车辆段盖下检修库很类似，其都属于相对封闭的大空间，且一般纵深较长。胡隆华[29]依据所开展的全尺寸模拟试验和现场试验，提出隧道横向排烟系统中设置火灾机械排烟和补风系统时，总体上应遵循“远端补风、近端排烟”的策略，若补风口和排烟口的位置太近，排烟形成的风压将与补风口形成局部“短路”效应，导致排烟效率降低。李建[30]以国内某一在建地铁区间隧道的送风机布置方案为研究案例，研究表明，当火源附近足够数量的送风风机开启后，额外增加距离火源较远的送风风机并不会显著提升系统排烟效率，且即使开启风机台数一致，开启火源所在区段两端的风机排烟效果明显好于开启其他风机。

针对排烟形式的选择，Lyubomirov等[31]采用基于计算流体动力学(CFD)软件火灾动力学模拟器(FDS)进行研究，对自然排烟、静态排烟和动态排烟在一个大的中庭进行了模拟，并将计算结果与全尺寸燃烧试验结果进行了对比。结果说明，静态排烟是大功率火源火灾的较好选择，而动态系统对于小功率火灾最好，并提出了一种可持续的新型动静排烟混合设计，可在排烟中实现较低的烟温和较高的烟层界面高度。

对于烟气在建筑中的逆流，抑制烟气逆流的诱导气流组织是评价排烟系统控烟效果的重要参数，Xuepeng Jiang等[32]通过缩小尺寸隧道模型试验，针对不同热释放速率的隧道火灾，提出了诱导气流速度和烟气逆流长度的拟合公式并进行了实验证明。结果表明，当烟气无量纲逆流长度大于4时，排烟口面积对诱导气流的速度和烟气逆流长度的影响很小，且烟层逆流长度与诱导气流速度的关系受火源热释放速率的影响较大。

对于上盖开发式建筑，在进行防烟分区划分时，需要考虑到厂房内自然通风和盖下作业区域对盖上物业开发区域的影响。刘正清[33]提出，带有上盖物业开发的车辆段通风排烟设计要结合上盖物业开发要求，并利用自然通风井最大限度地改善盖下环境。并且车辆段的运用库采用机械排烟时，要合理划分防烟分区，使每个防烟分区都要有可满足排烟量要求的机械排烟设施。

2.3 通风与排烟联合研究

利用数值模拟分析，对通风系统与排烟联合系统进行研究，通过对通风系统的射流排风机进行风量、风速、射流方向与风机开启阵列的控制，以及具体的控制方案进行研究，使通风系统既可独立完成运用库的通风要求，也能联合排烟系统进行火灾防排烟，其在设计思路上具有极大的创新性。

目前大部分研究将上盖式建筑盖下区域排烟系统与其他非应急条件下的工作系统联动设计的想法仅停留在理论阶段。于斌[34]提出，现今的地下车库消防设计中，排风和排烟共用一套系统是现阶段消防安全设计中较为高效的一种系统模式。将排烟与排风装置同时投入运行，能够最大程度上提高系统工作的稳定性，也能减少多余的试运行步骤。

李莉莉[35]提出，当计算排风量大于计算排烟量时，为节省车库的竖向利用层高，合用管道系统，此时风机应按各自风量分别设置；当计算排风量与计算排烟量相近时，为考虑节能，应在设计时将排风和排烟分别设置风机；而在排风量远小于排烟量的情况下，应考虑选择双速耐高温排烟风机，低速时可作排风用，高速时作排烟用。

当一个单体建筑存在多种排烟方式时，不同的排烟方式互相存在影响。Hua Yang等[36]对某在建高铁站地下站台进行改造时，采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对机械式排烟系统、移动式排烟系统以及两者结合的三种烟气控制系统进行了计算分析，发现在机械防烟系统有效启动的情况下，如果移动排烟系统使用不当，会使烟气扩散到邻近的室内区域。故在机械排烟系统有效启动的情况下，排烟应主要依靠机械排烟系统。而在恰当使用移动式排烟系统时，机械排烟系统有效启动的情况下，可在机械排烟有效的同时对烟气进行控制。

3 人员疏散研究

阎卫东等[37]利用 Pathfinder 软件对沈阳建筑大学图书馆进行疏散仿真研究，模拟人员疏散情况，分析火灾时人员疏散行为特征、楼梯利用率及堵塞情况、疏散出口通过率以及人员安全疏散时间。

李宝玉等[38]以轨道交通地下站为例，构建了地铁站建筑结构以及人员特性仿真环境，用FDS模拟软件对不同条疏散通道、疏散出口、楼梯口下的地铁站进行疏散模拟分析，进而疏散模拟结果分析，总结出影响人员疏散的关键因素，为地铁站火灾应急管理提供基础。

汪志雷等[39]通过FDS+EVAC软件模拟地铁列车在区间隧道发生火灾的情况下，列车进站疏散和就地疏散两种方式的疏散情况。通过对比相同时间点上车厢内CO，CO2含量及温度的分布情况，分析两种疏散方式在特定情况下的疏散效果，明确影响疏散的限制条件。

目前研究主要针对人员安全疏散中的疏散时间、疏散路径、疏散影响因素及疏散行为等方面，而关于火灾情况下列车检修库疏散研究较少。在此通过FDS火灾数值模拟软件对检修库火灾的发生、发展过程进行数值模拟，通过Pathfinder人员疏散模拟软件对检修库火灾时期人员安全疏散过程进行模拟分析，将火灾数值模拟结果与人员疏散模拟进行耦合分析，对所研究的检修库的人员疏散是否合理进行分析。

4 目前研究中存在问题及解决思考

1)由于上盖开发式车辆段建设成本高，技术也相对复杂，目前在车辆段完成的成熟消防设计案例并不多。且上盖物业开发是将车辆段、汽车停车库、商业建筑和住宅等叠加建造，车辆段属于工业用房，汽车停车库和商住宅等属于民用建筑，多种类型的建筑需要依照不同的消防规范进行消防建设。虽然地铁、动车等轨道交通维护检修设施的消防设计规范已日趋完善，各类检修厂房也有相应的消防设计准则，但由于上盖式建筑的特殊性，上盖物业开发性质与盖下工业用房性质存在一定的消防设计上的矛盾，以致目前还没有完善的整体规范指导。

2)在车辆段上盖物业开发与盖下车辆段的设计中一般存在完全独立的两个消防系统，互不干扰，通过结构楼板进行了上下消防分割，且结构梁、板、柱均要求满足规范要求耐火时限[40]。但火势的蔓延也会令防火隔温层难以长时间隔绝火灾。这体现出目前上盖物业区域与盖下工业区域消防设计的不契合，仅有防火分隔设计难以达到理想的消防效果。

3)对于盖下区域的消防设计，目前主要沿用传统的排烟系统和通风系统分离设计的方式，然而传统的机械排烟系统在应用于地下长大空间时效果十分有限。对于通风系统的设计，目前主要使用传统风管进行送排风[41]，而风管系统不仅改造维护成本高，也难以在消防方面起到作用。

4)要防止盖下区域的火灾对上盖物业产生影响，目前只能从提高盖下区域的防火排烟效果入手，而启用无风管诱导排风系统，并使之可用于协同排烟，是一种极富创新且潜力极大的新型消防设计。

5)根据规范[42]，室内净高大于8 m时，应按无喷淋场所对待，对于此类盖下区域来讲，可通过改变库内射流风机的射流角度，并联合无风管诱导排烟系统，使射流风机协同机械排烟系统实现对烟气扩散的控制，以及对机械排烟系统排烟效率的提升。