閆淑霞，吳喜平

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200092）

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2003）[1]19.1.39條規(guī)定：當(dāng)車站站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)保證站廳到站臺(tái)的樓梯和扶梯口處具有不小于1.5m／s的向下氣流。在《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50045—95）8.3.2[2]條和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2006）9.3.2[3]條有類似的規(guī)定：防煙樓梯間門開啟時(shí)，通過(guò)門的風(fēng)速不應(yīng)小于0.70m／s。地鐵規(guī)范正是借鑒于地面建筑相關(guān)規(guī)范，出發(fā)點(diǎn)是利用氣流阻擋火災(zāi)煙氣從站臺(tái)向站廳蔓延，為人們安全疏散提供無(wú)煙通道。由于地鐵車站作為地下建筑，不同于地面建筑的水平方向防煙，進(jìn)行的是垂直方向防煙，而有效防煙的氣流速度與煙氣流動(dòng)特性有關(guān)。因此，對(duì)向下氣流防煙作用有效性進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式具有一定意義。

樓梯口風(fēng)速對(duì)煙氣控制效果的影響因素較復(fù)雜。顧正洪等[4]通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究得出樓梯口臨界風(fēng)速與火災(zāi)負(fù)荷和樓梯口寬度成正比，與樓梯口處擋煙垂壁高度成反比。閻麗萍和施明恒[5]采用CFD方法，對(duì)采用不同樓梯結(jié)構(gòu)的站臺(tái)層煙氣擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，比較樓梯結(jié)構(gòu)對(duì)防排煙模式的影響。結(jié)果表明：擋煙垂壁和樓梯口向下氣流使得火災(zāi)時(shí)防煙分區(qū)效果較為明顯，對(duì)煙氣在整個(gè)站臺(tái)層內(nèi)的擴(kuò)散起到了很好的阻礙作用。針對(duì)增加樓梯口處風(fēng)速的措施，羅艷萍等[6]提出綜合利用車站所安裝的風(fēng)機(jī)設(shè)備協(xié)助排煙的策略，不同排煙模式下煙霧彈對(duì)比試驗(yàn)表明采用系統(tǒng)綜合協(xié)助排煙模式較僅靠車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排煙，所需排煙時(shí)間短，可有效控制煙氣蔓延。

根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)證明，煙氣沿樓梯、豎向管井的垂直擴(kuò)散速度為3～4m／s[7]，防止煙氣向上蔓延的理論風(fēng)速比規(guī)范要求的1.5m／s高，文獻(xiàn)[8]指出當(dāng)車站站臺(tái)著火時(shí)，站廳流向站臺(tái)的氣流速度應(yīng)大于3m／s[8]。過(guò)強(qiáng)的氣流是否會(huì)造成煙氣分層的破壞需要研究論證，同時(shí)由于煙氣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，樓梯口結(jié)構(gòu)、形式、建筑幾何尺寸對(duì)煙氣的蔓延都有一定影響，從而樓梯口所需的向下氣流速度有差異。本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析影響樓梯口風(fēng)速的因素，采用FDS[9－11]火災(zāi)模擬軟件，研究不同樓梯口風(fēng)速下的煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定地鐵車站站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)合理的防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式。

1 樓梯口風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

樓梯口風(fēng)速一方面與參與運(yùn)行的風(fēng)機(jī)容量有關(guān)，另一方面與屏蔽門開啟和防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式有關(guān)。出于正常通風(fēng)，事故／火災(zāi)通風(fēng)等功能的需要，地鐵車站內(nèi)設(shè)置通風(fēng)及排煙系統(tǒng)，以上海軌道交通一號(hào)線某車站為例，主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 車站防排煙系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)表

地鐵車站站臺(tái)公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，站臺(tái)排煙，站廳送風(fēng)，可選擇的運(yùn)行方式如表2所示：

表2 車站防排煙系統(tǒng)運(yùn)行模式

其中，模式1是設(shè)計(jì)模式，模式2、模式3是可采取的增大排煙量的運(yùn)行模式。很明顯運(yùn)行模式的不同將影響到站廳到站臺(tái)樓梯口風(fēng)速的大小。試驗(yàn)在表2中的3種模式下，采用SQF多點(diǎn)數(shù)字熱線風(fēng)速儀每10s記錄1次站廳至站臺(tái)向下氣流風(fēng)速值，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)平面布置圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

模式1、模式2順序運(yùn)行，樓梯口風(fēng)速測(cè)量結(jié)果如圖2所示。首先運(yùn)行模式1，只開啟公共區(qū)相關(guān)設(shè)備，站廳至站臺(tái)樓梯口處平均風(fēng)速0.25m／s，加開站臺(tái)隧道上排熱風(fēng)機(jī)，站廳至站臺(tái)樓梯口處平均風(fēng)速達(dá)到0.73m／s。模式1、2只開啟了站臺(tái)一端的相關(guān)設(shè)備，開啟兩端設(shè)備風(fēng)速理論上是圖中值的2倍。因此站臺(tái)公共區(qū)著火，只開啟站臺(tái)排風(fēng)和站廳送風(fēng)無(wú)法滿足地鐵規(guī)范要求的不小于1.5m／s風(fēng)速的要求，開啟站臺(tái)上排熱風(fēng)機(jī)可以使風(fēng)速增加，接近規(guī)范要求值。

圖2 模式1、模式2樓梯口風(fēng)速測(cè)量值

圖3是運(yùn)行模式3的測(cè)量結(jié)果，車站兩端設(shè)備均運(yùn)行。從風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開始記錄風(fēng)速值，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)50s后風(fēng)速增加到穩(wěn)定值，站廳至站臺(tái)風(fēng)速的穩(wěn)定平均值為1.76m／s。1點(diǎn)即樓梯邊緣測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速低于樓梯中心測(cè)點(diǎn)2、3中的較大值。模式3風(fēng)速最大值2.5m／s，滿足規(guī)范要求。

圖3 模式3樓梯口風(fēng)速測(cè)量值

1.3 實(shí)測(cè)值不等于設(shè)計(jì)值的原因分析

運(yùn)行模式1，風(fēng)速不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主要原因有：設(shè)計(jì)條件與實(shí)際存在差異[12]，設(shè)計(jì)中主要是用樓扶梯開口面積的總和去除站臺(tái)層的排煙量進(jìn)行校核，但各樓梯開口面積不一致，因此風(fēng)速不一致；車站兩端由于管道特性的問(wèn)題，可造成風(fēng)量分配不均勻，進(jìn)而造成樓扶梯口氣流分布不均勻，小的一端可能造成風(fēng)速低于規(guī)范值；屏蔽門的泄漏量不容忽視；地鐵車站空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地鐵出入口、活塞風(fēng)井等的影響并未在設(shè)計(jì)中考慮。

因此，針對(duì)本測(cè)試車站，目前通常的單參數(shù)設(shè)計(jì)方法，不能保證在實(shí)際工程中達(dá)到規(guī)范要求值，必要時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可一定程度上反映站內(nèi)流場(chǎng)情況。

2 數(shù)值模型建立

2.1 FDS模型介紹

FDS是模擬火災(zāi)湍流流動(dòng)過(guò)程的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。采用大渦模擬（LES）數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過(guò)程，燃燒模型采用混合百分比模型[9]。

2.2 幾何模型

根據(jù)測(cè)試車站及目前地鐵站現(xiàn)狀，模型計(jì)算幾何尺寸確定為180m×20m×10m，共有3個(gè)出入口，車站分站臺(tái)、站廳2層，島式站臺(tái)。站臺(tái)通往站廳的樓梯共4個(gè)，沿長(zhǎng)度方向依次編號(hào)，樓梯口尺寸3.2m×4.4m。原點(diǎn)設(shè)在站臺(tái)平面中心處。模型及坐標(biāo)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 車站幾何模型圖

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

2.3.1 邊界條件 站廳層出入口、隧道口取壓力出口邊界條件，初始為1個(gè)大氣壓，車站初始溫度25℃。

2.3.2 火源參數(shù) 站臺(tái)區(qū)域火災(zāi)固定荷載包括裝飾材料、頂棚可燃材料等；動(dòng)荷載包括人員攜帶的行李等，由于站臺(tái)一般有候車人員，發(fā)生著火現(xiàn)象會(huì)較快發(fā)現(xiàn)，電氣火災(zāi)在一定條件下的快速蔓延和人為縱火形成的高強(qiáng)度火源。而隨著人們對(duì)火災(zāi)防范的重視，日常維護(hù)管理的提高，電氣火災(zāi)發(fā)生的幾率可以隨之降低，人為縱火成為相對(duì)不容易防范危險(xiǎn)源。本文研究將火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置為由于人為縱火潑灑汽油造成火災(zāi)。史聰靈等對(duì)潑灑燃料總量為5kg汽油的故意縱火的火災(zāi)功率等進(jìn)行分析結(jié)果為[13]：汽油密度0.722kg／L，5kg汽油體積大約為6.9L，假設(shè)汽油瞬間全部倒出，其在地面上的浸鋪厚度為3mm，地板浸鋪直徑為1.7m，火災(zāi)形成的穩(wěn)定熱釋放速率大約為1.4MW。其他相關(guān)文獻(xiàn)[4、14－15]認(rèn)為車站公共區(qū)火災(zāi)規(guī)模不超過(guò)2MV。

數(shù)值模擬穩(wěn)定熱釋放率參數(shù)取2MW。結(jié)合FDS軟件燃燒模型設(shè)置特點(diǎn)[9]，火源區(qū)域?yàn)?m×1.5m，單位面積熱釋放速率為667kW／m2。

2.3.3 排煙系統(tǒng)參數(shù) 排煙系統(tǒng)以中軸線x軸劃分為2個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)送／排風(fēng)管以y軸為對(duì)稱軸分為2支，單根風(fēng)管布置24個(gè)風(fēng)口。模擬時(shí)考慮到管道水力特性等因素引起的送／排風(fēng)不均勻性及節(jié)省計(jì)算存儲(chǔ)量，將單根風(fēng)管上風(fēng)口抽象為3個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口風(fēng)速及尺寸如表3所示。系統(tǒng)運(yùn)行模式如表2中所示，其中由于目前車站是否安裝屏蔽門并不統(tǒng)一，同時(shí)為清晰對(duì)比3種模式排煙效果，車站模型選擇為無(wú)屏蔽門形式。

表3 風(fēng)口風(fēng)速表

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 站內(nèi)風(fēng)速分布

分別對(duì)站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)和正常情況進(jìn)數(shù)值計(jì)算，無(wú)火源樓梯口風(fēng)速隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。3種模式下樓梯口風(fēng)速與1.2節(jié)實(shí)測(cè)結(jié)果比較，總體變化趨勢(shì)吻合，實(shí)測(cè)風(fēng)速平均值與相應(yīng)數(shù)值計(jì)算得到的風(fēng)速值對(duì)比結(jié)果如表4所示，二者偏差在25%范圍內(nèi)，因此，采用FDS在上述設(shè)定條件下可以較好的反映車站氣流場(chǎng)的真實(shí)情況。有火源樓梯口風(fēng)速隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。從圖5、圖6可以得出如下結(jié)論：

1）同種運(yùn)行模式下有無(wú)火源的風(fēng)速對(duì)比可得出，3種運(yùn)行模式下，有火源時(shí)的風(fēng)速均大于無(wú)火源的風(fēng)速。這是由于火災(zāi)形成的熱羽流對(duì)周圍空氣的卷吸作用，以及站內(nèi)溫度、壓力等參數(shù)變化的綜合作用，使站內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生復(fù)雜變化，樓梯口風(fēng)速也隨之改變，而常規(guī)設(shè)計(jì)采用樓梯開口面積的總和去除站臺(tái)層的排煙量進(jìn)行校核計(jì)算，沒(méi)有考慮火源對(duì)站內(nèi)流場(chǎng)的影響，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5 無(wú)火源樓梯口速度分布圖

表4 實(shí)測(cè)風(fēng)速值與模擬值對(duì)比表

2）同一種運(yùn)行模式下，車站內(nèi)不同位置的樓梯口風(fēng)速存在差異。這主要是受火源距離，樓梯口與防排煙風(fēng)口距離、車站出入口位置等影響。從圖4可以看出在有火源的3種運(yùn)行模式下，近火源樓梯口的風(fēng)速小于遠(yuǎn)離火源樓梯口風(fēng)速。有火源3種模式各樓梯口風(fēng)速差別明顯；無(wú)火源時(shí)排風(fēng)強(qiáng)度最大的模式3，各樓梯口風(fēng)速差異減小。這可能是因?yàn)槟Ｊ?下各樓梯口風(fēng)速差值占風(fēng)速絕對(duì)值比例較小造成的。

3）模式3樓梯口風(fēng)速變化幅度最大，不均性最差。有火源時(shí)運(yùn)行模式2，近火源樓梯口風(fēng)速較低，其他3個(gè)樓梯口風(fēng)速較一致。

4）3種運(yùn)行模式下樓梯口風(fēng)速總體趨勢(shì)符合理論狀態(tài)，風(fēng)速?gòu)拇蟮叫∫来螢槟Ｊ?、模式2、模式1。

因此，從風(fēng)速大小角度講，第3種模式最優(yōu)。從均勻性比較，第2種模式較好。樓梯口風(fēng)速是多因素共同作用的產(chǎn)物，受到火源大小，樓梯口位置，站內(nèi)防排煙系統(tǒng)布置性能等影響，對(duì)于樓梯口風(fēng)速的校核不能單純從無(wú)火源狀態(tài)下的風(fēng)速進(jìn)行評(píng)價(jià)，而應(yīng)當(dāng)考慮到真實(shí)的火災(zāi)場(chǎng)景影響。

圖6 有火源樓梯口速度分布圖

3.2 站內(nèi)煙氣流動(dòng)

地鐵車站中央縱斷面（y＝0），火災(zāi)初期t＝100s和結(jié)束階段t＝295s時(shí)的煙氣分布如圖7、圖8所示。

圖7 y＝0，t＝100s站內(nèi)煙氣分布圖

圖8 y＝0，t＝295s站內(nèi)煙氣分布圖

由圖7可以看出火災(zāi)初期，在3種運(yùn)行模式下均存在煙氣通過(guò)火源近處樓梯向站廳擴(kuò)散的情況。這是由于火災(zāi)初期，煙氣蔓延已達(dá)到一定速度，但是樓梯口還未產(chǎn)生足夠向下氣流。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也可以看到風(fēng)機(jī)50s后才達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定，再考慮到發(fā)生火災(zāi)的響應(yīng)時(shí)間等因素，發(fā)生在站臺(tái)樓梯口附近的火災(zāi)煙氣存在向站廳蔓延的可能性。3種運(yùn)行模式比較，由于模式3樓梯口風(fēng)速大，抑制煙氣向站廳蔓延的效果最好，模式1最差。因此增大樓梯口風(fēng)速能阻止煙氣向站廳蔓延。

由圖7和圖8對(duì)比發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行模式1，火災(zāi)初期煙氣層界面較明顯，且未沉降到人活動(dòng)區(qū)域，利于人員疏散。但是如果火沒(méi)有被及時(shí)撲滅，煙氣蔓延至車站端部回流并不斷聚集，則排煙容量小將對(duì)人員疏散造成威脅；模式3站臺(tái)內(nèi)煙氣分布空間更廣，隧道內(nèi)排煙量大，使站內(nèi)煙氣擴(kuò)散度大，但站廳層煙氣少。由圖7可以看到，火還沒(méi)熄滅，站廳層已經(jīng)沒(méi)有煙氣，這一方面是因?yàn)檎九_(tái)排煙量大，另一方面樓梯口的風(fēng)速也有效地抑制了煙氣向站廳層蔓延。

模式2、模式3由于增開隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)能使站內(nèi)煙氣更快被排除，但同時(shí)也形成了對(duì)煙氣分層的破壞。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)站廳至站臺(tái)樓梯口風(fēng)速不能滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)此問(wèn)題分析了樓梯口風(fēng)速的影響因素，建立模型，模擬研究不同風(fēng)速下站內(nèi)煙氣的排除情況。結(jié)果表明通過(guò)采用增開隧道風(fēng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。從而為以后的設(shè)計(jì)提供可行建議。

增大地鐵站站廳至站臺(tái)樓梯口風(fēng)速可以起到控制地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣向站廳蔓延的作用。但單純?yōu)樵龃髽翘菘陲L(fēng)速，而采取模式2、模式3，有可能破壞站內(nèi)煙氣分層，干擾煙氣流動(dòng)，同時(shí)室外新風(fēng)的增加可能使燃燒更劇烈。因此在防排煙工程中對(duì)火災(zāi)煙氣流的組織，比單純的數(shù)量指標(biāo)更重要。

考慮影響樓梯口風(fēng)速的各種因素，，在設(shè)計(jì)階段可對(duì)計(jì)算所確定的防排煙系統(tǒng)通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行進(jìn)一步校核，降低在地鐵站這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中采用單參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理性。

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