李炎鋒,常琳,林欣欣,張亦昕,趙剛

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

半封閉公交樞紐火災(zāi)安全研究

李炎鋒,常琳,林欣欣,張亦昕,趙剛

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

針對綜合交通樞紐中的半封閉公交樞紐部分出入口少、車輛與人員混雜產(chǎn)生火災(zāi)風(fēng)險問題，以某實(shí)際半地下公交樞紐為研究對象，研究極端火災(zāi)場景即樞紐中心處公交發(fā)生火災(zāi)時煙氣擴(kuò)散情況。采用現(xiàn)場出入口實(shí)測數(shù)據(jù)作為邊界條件，選擇快速t2火且最大功率為30MW模擬公交車輛火災(zāi)場景。采用大渦模擬軟件FDS分析開啟排煙風(fēng)機(jī)和不開啟風(fēng)機(jī)工況下樞紐內(nèi)煙氣擴(kuò)散情況。研究表明：樞紐的中心處發(fā)生公交車輛火災(zāi)時，開啟樞紐內(nèi)的防排煙系統(tǒng)能夠在6min中內(nèi)保證人員的安全疏散?？紤]樞紐高度對煙氣層沉降的影響，半封閉高大空間公交樞紐防排煙系統(tǒng)設(shè)計可以參考國內(nèi)地下車庫的防排煙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計規(guī)范。

公交樞紐；火災(zāi)分析；數(shù)值模擬；煙氣；疏散；安全；通風(fēng)

為了方便與地鐵換乘，綜合交通樞紐中的公交樞紐往往設(shè)計為半地下或者半封閉空間形式。該類公交樞紐的主要特點(diǎn)有：1) 與外界基本上處于隔離狀態(tài)，與外界聯(lián)系僅為幾個出入口；2)樞紐內(nèi)公交車流和人流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通地下車庫，且高峰期和低谷期情況下樞紐內(nèi)人流密度和車流密度變化大；3)公交樞紐高度一般在5 m以上，遠(yuǎn)大于地下車庫高度?；馂?zāi)是綜合交通樞紐需考慮的最主要的災(zāi)害模式[1]。由于缺乏針對這類公交樞紐的通風(fēng)防排煙系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，一般按照《汽車庫、停車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范》(GB50067-97)進(jìn)行設(shè)計，但這類公交樞紐與地下車庫相比有其特殊性，因此需要對其火災(zāi)工況安全進(jìn)行研究。國內(nèi)關(guān)于半封閉空間包括地下車庫[2]、城市交通隧道[3-4]、地鐵[5]方面火災(zāi)煙氣擴(kuò)散開展的研究比較多，取得了大量的研究成果。關(guān)于車輛火災(zāi)，部分學(xué)者開展了公交車輛的火災(zāi)發(fā)展特性研究[6-7]。國內(nèi)外部分學(xué)者在地上多層公交樞紐火災(zāi)方面也開展了研究[8-10]。但對于這類半地下、半封閉公交樞紐內(nèi)的火災(zāi)工況缺乏系統(tǒng)深入研究。

本文以北京某半地下公交樞紐(與地鐵換乘站相連)為研究對象，以現(xiàn)場調(diào)研的車輛情況、人員分布以及出入口溫度和速度結(jié)果為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬手段研究發(fā)生火災(zāi)情況下的煙氣擴(kuò)散規(guī)律以及對人員疏散的影響，并對樞紐的通風(fēng)防排煙系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行評估。

1 公交樞紐計算模型及火災(zāi)場景設(shè)置

1.1 物理模型分析與描述

選擇北京某綜合交通樞紐的公交樞紐部分為研究對象，該樞紐包括市區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊等眾多公交流線，?？抗卉囆鸵云蛙嚍橹?。樞紐南北方向154 m，東西方向166 m，占地面積共25 564 m2。樞紐為7.3 m高的單層結(jié)構(gòu)，公交樞紐內(nèi)包括附屬用房及設(shè)備間等，整個樞紐公共空間設(shè)置成一個防火分區(qū)。公交樞紐共5個出入口，其中一個為公交緊急出入口，一個為公交出入口，一個市內(nèi)公交與人流共用出入口，2個人流出入口，同時還包括集散大廳與公交樞紐結(jié)合處連通通道。

樞紐通風(fēng)主要采用柱底送風(fēng)即下送風(fēng)，平時柱底排風(fēng)與上排風(fēng)相結(jié)合，下送風(fēng)口與下排風(fēng)口尺寸均為3 m×1 m，安裝高度為下底距地面3 m，上排風(fēng)兼排煙口尺寸為3 m×1 m，安裝高度為7 m，設(shè)置送風(fēng)機(jī)14臺，其中上排煙兼排風(fēng)機(jī)11臺，下排風(fēng)機(jī)19臺?；馂?zāi)情況下上排煙，風(fēng)機(jī)為雙速風(fēng)機(jī)，送排風(fēng)量分為47 005/89 879 m3/h兩檔，平時送排風(fēng)低速運(yùn)行，火災(zāi)送風(fēng)低速運(yùn)行，排風(fēng)高速運(yùn)行，集散大廳與公交樞紐結(jié)合處采用防火卷簾進(jìn)行防火分隔。

1.2 數(shù)值模擬方法

考慮到公交樞紐現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)用昂貴以及對交通運(yùn)行產(chǎn)生影響，采用數(shù)值模擬分析樞紐發(fā)生火災(zāi)的煙氣擴(kuò)散規(guī)律是合理有效的研究手段。

本文采用FDS5.0軟件對樞紐內(nèi)公交車輛發(fā)生火災(zāi)煙氣擴(kuò)散進(jìn)行研究。它是美國NIST(National Institute of Standards and Technology)研發(fā)，該軟件采用的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過了大量的工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并得到國際火災(zāi)工程界的認(rèn)可[11]。FDS對湍流亞網(wǎng)格模型采用的修正的Smagorinsky模型。在亞格子模型中，流體的導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)表示為：

(1)

(2)

式中：Sc為流體的施密特數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，Cp為流體定壓比熱。FDS中的Smagorinsky亞網(wǎng)格模型對湍流粘性的考慮為

(3)

式中，CS是Smagorinsky常數(shù)，Δ值為(δxδyδz)1/3，而

(4)

式中：CS取值范圍在0.1～0.25，結(jié)合文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果,Cs取0.18，Pr取0.2。

1.3 邊界條件

初始條件下各出入口的參數(shù)(溫度、速度、壓力等)由測量結(jié)果得到，見表1。其中流出樞紐的部分出口設(shè)置為自由邊界條件。由于發(fā)生火災(zāi)時，與地鐵相連的通道(出口1)會用防火卷簾封掉，所以該進(jìn)口設(shè)置為在風(fēng)機(jī)啟動后(延遲60s)設(shè)置為壁面。其他墻體邊界設(shè)置為無滑移熱惰性邊界，采用壁面函數(shù)法求解壁面附件流場參數(shù)。送風(fēng)口和排風(fēng)口按設(shè)計排煙量設(shè)置風(fēng)量。

關(guān)于公交車輛的著火過程模擬，依據(jù)文獻(xiàn)[13]，公共汽車燃燒功率為30MW，為了考慮最大危險狀況采用t2超快速火，420 s達(dá)到最大值然后維持這個最大值。FDS設(shè)置參數(shù)時將燃燒物質(zhì)分子式設(shè)為C8H18，燃燒產(chǎn)物建議值Yco=0.043，YS=0.13，smokeyield設(shè)為燃料值的8%。

表1 冬季高峰期樞紐各出入口的氣流參數(shù)測試值

1.4 網(wǎng)格的劃分

由于計算公交樞紐區(qū)域空間大，需對重點(diǎn)區(qū)域如火源附近區(qū)域的計算網(wǎng)格進(jìn)行加密。研究表明：火災(zāi)特征直徑D*與網(wǎng)格尺寸的大小有很大關(guān)系[14]?；馂?zāi)特征直徑D*表達(dá)式如下:

(5)

研究表明，在火災(zāi)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比中，當(dāng)FDS模型的網(wǎng)格尺寸d=0.1D*，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合[11,14]。按火源功率為30MW計算，火災(zāi)特征尺寸D*約為2.4m。計算中火源面積取2.5m×15m，風(fēng)口處網(wǎng)格大小為0.25m×0.25m×0.25m其他區(qū)域采用0.5m×0.5m×0.5m的網(wǎng)格。根據(jù)公交樞紐的建筑特點(diǎn)，送風(fēng)口和火源區(qū)域位于下部0～3m區(qū)域，排煙口位于6～7m區(qū)域，詳細(xì)劃分見表2。關(guān)于網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證采用火源上方溫度值進(jìn)行不同網(wǎng)格尺寸(整場1.0m, 整場5m和表2網(wǎng)格)模擬[15]，綜合考慮計算的結(jié)果以及計算機(jī)的性能,采用表1給出網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計算。

表2 區(qū)域網(wǎng)格劃分列表

1.5 模擬場景的設(shè)置

研究考慮最危險火災(zāi)場景，即火源位置位于樞紐中部(圖1(a)的位置的D)，場景1防排煙系統(tǒng)風(fēng)機(jī)沒有開啟，噴淋系統(tǒng)失效。場景2防排煙系統(tǒng)風(fēng)機(jī)在起火60s后開啟，噴淋系統(tǒng)失效。計算時間選取10min，重點(diǎn)觀察6min內(nèi)人員疏散情況。主要是參考《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》(GB50490-2009)第7.3.2條規(guī)定：當(dāng)發(fā)生事故或?yàn)?zāi)難時，應(yīng)保證將一列進(jìn)站列車的預(yù)測最大載客量以及站臺上的候車乘客在6min內(nèi)全部撤離到安全區(qū)。

(a) 計算樞紐模型平面圖

(b) FDS模擬模型圖圖1 計算模型圖Fig. 1 Computing model diagram

2 計算結(jié)果分析與討論

火災(zāi)工程學(xué)中臨界安全高度HC定義為

HC=1.6+0.1H

(6)

式中：H為建筑層高，m。由于公交樞紐的高度H=7m，臨界安全高度HC為2.3m。

疏散人員不可承受的狀態(tài)主要判據(jù)包括：1)上部煙氣層溫度180℃；2)人體直接接觸空氣溫度60℃；3)能見度大空間內(nèi)10m。

圖2給出2種場景下2.3m高度上每隔150s的煙氣擴(kuò)散情況，其中(a)～(d)對應(yīng)場景1即風(fēng)機(jī)沒有開啟，(e)～(h)對應(yīng)場景2，即60s后開啟風(fēng)機(jī)?？梢钥吹剑?dāng)樞紐中部發(fā)生火災(zāi)時煙氣向4個方向均勻擴(kuò)散，風(fēng)機(jī)不開啟時，300s時煙氣擴(kuò)散到了出口1、2，450s時煙氣已經(jīng)完全覆蓋了整個樞紐和各個出口處；當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟時，450s時煙氣擴(kuò)散到出口1、2，在600s時煙氣擴(kuò)散到整個區(qū)域和各個出口，表明風(fēng)機(jī)的開啟降低了煙氣擴(kuò)散的速度，增加了人員可利用的安全疏散時間。

圖3給出2種場景下2.3m高度上每隔150s的溫度場。其中(a)～(d)對應(yīng)場景1即風(fēng)機(jī)沒有開啟，(e)～(h)對應(yīng)場景2。由于樞紐高度為7m，在2.3m處煙氣的溫度已經(jīng)降低很多。除了火源附近區(qū)域外，樞紐的其他區(qū)域在600s內(nèi),即使風(fēng)機(jī)不開啟時,溫度維持在30℃左右，而風(fēng)機(jī)開啟時大部分溫度維持在25℃以下，整體溫度均沒有達(dá)到60℃，人員所處的溫度環(huán)境是安全的。

圖2 樞紐內(nèi)不同火災(zāi)場景下2.3 m高度處煙氣擴(kuò)散情況

圖3 樞紐內(nèi)不同火災(zāi)場景下 2.3 m高度處的溫度場

圖4 樞紐內(nèi)不同火災(zāi)場景下2.3 m高度處的能見度

圖4給出兩種場景下2.3 m 高度上每隔150 s的能見度分布圖。其中(a)～(d)對應(yīng)場景1，可以看出當(dāng)風(fēng)機(jī)不開啟時，300 s時樞紐內(nèi)部能見度在30 m左右，而出口1位置處能見度下降到12 m左右，原因是煙氣遇見墻體發(fā)生沉降，影響了人員對出口1的辨識，增加人員的恐懼感，450 s時各出口處能見度處于12 m左右，樞紐內(nèi)部大部分區(qū)域能見度下降到10 m，600 s時整個樞紐能見度均下降到10 m以下，達(dá)到人員不可承受的狀態(tài)。圖4(e)～(h)對應(yīng)場景2，當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟時, 450 s時出口1、2處均降到12 m左右，而樞紐內(nèi)部大部分區(qū)域能見度在30 m，同樣影響人員對出口1、2的辨識，600 s時樞紐大部分區(qū)域能見度在18 m以上，各個出口處能見度下降到12 m左右。結(jié)果表明風(fēng)機(jī)的開啟能夠降低煙氣沉降速度，但是煙氣首先在個別出口處沉降應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計者的注意。

3 人員疏散分析

人員疏散采用VTT開發(fā)的疏散計算模型即 “FDS+Evac”模擬[16]。氣體毒性采用Fractional Effective Dose(FED)來表示，當(dāng)FED值超過統(tǒng)一設(shè)定的值時即認(rèn)為人員喪失活動能力。依據(jù)文獻(xiàn)[16]，設(shè)定當(dāng)人員所受到的FED值超過0.1時該場景被認(rèn)為是不安全。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，高峰時期的候車人員數(shù)量和運(yùn)行車輛數(shù)為22輛，該樞紐高峰期發(fā)生火災(zāi)疏散總?cè)藬?shù)為1 662人[15]。

圖5 場景2火災(zāi)煙氣擴(kuò)散和人員疏散圖Fig. 5 Smoke diffusion and personnel evacuation in case 2 fire scenario

圖6 場景2人員疏散受到的最大的FED值Fig. 6 FED maximum value evacuation suffered in case 2

圖5給出了場景2人員疏散和火災(zāi)煙氣擴(kuò)散情況。結(jié)果表明，1 662人都可以在230 s內(nèi)從樞紐中安全疏散。圖6給出了人員受到最大的FED情況。人員高度處的FED值在150 s左右時達(dá)到最大，然后在很長時間內(nèi)保持不變，在175 s后，人員高度處的FED值開始有減小的趨勢，原因是風(fēng)機(jī)的正常開啟和大量人員已經(jīng)安全疏散出樞紐，6 min內(nèi)FED值始終沒有達(dá)到人員無法承受的極限。由于該公交樞紐屬于大空間建筑，且站臺停留人員相對較少，合理的排煙量的控制能夠使6 min內(nèi)煙氣影響到人員健康前進(jìn)行撤離。

從圖2～5給出的模擬結(jié)果可以看出，該樞紐防排煙系統(tǒng)運(yùn)行能夠保證6 min內(nèi)人員安全疏散。因此，對于高大空間半封閉公交樞紐，理想情況下按照地下車庫防排煙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)能夠保證樞紐內(nèi)的短時期內(nèi)人員疏散要求。但應(yīng)考慮實(shí)際樞紐內(nèi)乘客并不是平均分布，一旦發(fā)生火災(zāi)后不能迅速判斷火災(zāi)情況，容易耽誤逃生時間，因此發(fā)生火災(zāi)需要有效的疏散指揮。此外，由于其與地鐵出口相連，發(fā)生火災(zāi)需要及時關(guān)閉與地鐵出口相連的卷簾門以防止地鐵客流涌入樞紐。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬手段對半封閉公交樞紐的防排煙系統(tǒng)效果進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

1)對于公交樞紐，當(dāng)樞紐中部發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)開始時各個出口都可以作為人員疏散出口，但是由于火災(zāi)向四個方向均勻擴(kuò)散，在較短的時間內(nèi)煙氣擴(kuò)散到各個出口，人員的疏散選擇路經(jīng)多，但可利用的疏散時間短。

2)對于公交樞紐發(fā)生火災(zāi)時，開啟風(fēng)機(jī)能夠有效地控制煙氣的擴(kuò)散和沉降，且保證 6 min內(nèi)人員疏散承受FED值在安全范圍，所以公交樞紐在發(fā)生火災(zāi)時必須及時開啟防排煙系統(tǒng)。

3)通過對煙氣擴(kuò)散特性分析，半封閉高大空間公交樞紐防排煙系統(tǒng)設(shè)計可以參考國內(nèi)地下車庫的防排煙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計規(guī)范。

[1]李炎鋒, 王超, 樊洪明. 城市地下綜合交通樞紐火災(zāi)控制研究[J]. 建筑科學(xué), 2011, 27(1): 39-44. LI Yanfeng, WANG Chao, FAN Hongming. Study on fire prevention of underground urban comprehensive transportation hub[J]. Building Science, 2011, 27(1): 39-44.

[2]TILLEY N, DECKERS X, MERCI B. CFD study of relation between ventilation velocity and smoke backlayering distance in large closed car parks[J]. Fire Safety Journal, 2012, 48: 11-20.

[3]ZHONG Wei, LV Jinjin, LI Zhaozhou, et al. A study of bifurcation flow of fire smoke in tunnel with longitudinal ventilation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 67: 829-835.

[4]劉海燕, 于年灝, 徐志勝. 城市地下車道縱向通風(fēng)條件下火災(zāi)蔓延規(guī)律研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2011, 30(7): 577-579. LIU Haiyan, YU Nianhao, XU Zhisheng. Study on fire spreading rule in longitudinal ventilation road below street level[J]. Fire Science and Technology, 2011, 30(7): 577-579.

[5]楊立中, 鄒蘭. 地鐵火災(zāi)研究綜述[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計, 2005 (11): 8-12. YANG Lizhong, ZOU Lan. Summary of subway fire[J]. Engineering Construction and Design, 2005(11): 8-12.

[6]ZHANG Xiaonan, WANG Xishi, ZHOU Yang. Numerical simulation study on bus fire[C]//Proceedings of the 2011 International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering (RSETE). Nanjing, 2011: 511-515.

[7]BI Kun, QIU Rong, JIANG Yong, et al. Reconstruction of a bus fire based on numerical simulation[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2010, 40(4): 387-394.

[8]ALEXEJ G, ARMIN W. Case study: A hybrid approach to wind and fire modeling in a naturally ventilated transit station[C]//12th Americas Conference on Wind Engineering (ACWE) 2013. Seattle, USA, 2013: 1848-1856.

[9]DOMINGO J, BARBERO R, IRANZO A, et al. Analysis and optimization of ventilation systems for an underground transport interchange building under regular and emergency scenarios[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2011, 26(1): 179-188.

[10]姚浩偉, 梁棟, 趙哲. 地下公交站火災(zāi)煙氣運(yùn)動數(shù)值模擬[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2011, 30(1): 23-25. YAO Haowei, LIANG Dong, ZHAO Zhe. Numerical simulation of smoke control in underground bus station[J]. Fire Science and Technology, 2011, 30(1): 23-25.

[11]MCGRATTAN K, HOSTIKKA S, FLOYD J, et al. Fire dynamics simulator (version 5) technical reference guide[M]. Washington, DC: National Institute of Standards and Technology, 2005:50-65.

[12]HU L H, HUO R, YANG D. Large eddy simulation of fire-induced buoyancy driven plume dispersion in an urban street canyon under perpendicular wind flow[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(1): 394-406.

[13]MAEVSKI I Y. Design fires in road tunnels[M]. Washington, DC: Transportation Research Board, 2011:200-255.

[14]張會冰. 不同壁面邊界條件對隧道火災(zāi)模擬結(jié)果的影響[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2007. ZHANG Huibing. The influence to tunnel fires simulation with different wall boundary condition[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2007.

[15]林欣欣. 城市交通樞紐中運(yùn)營環(huán)境控制及人員疏散研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2013: 25-50. LIN Xinxin. Study on the operating environment control and evacuation in the city public transport interchange[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2013: 25-50.

[16]KORHONEN T, HOSTIKKA S. Fire dynamics simulator with evacuation: FDS+Evac technical reference and user’s guide[M]. VTT Working Papers 119, 2010:45-85.

Study on fire safety of a semi-closed public transportation hub

LI Yanfeng, CHANG Lin, LIN Xinxin, ZHANG Yixin, ZHAO Gang

(College of Architectural and Civil Engineering, Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Fire safety of a semi-enclosed public transportation hub in a comprehensive transportation center was analyzed. Smoke propagation under an extreme fire scenario where fire occurred at the center of the hub was studied. On-site measured data at portals were set to the boundary conditions in a numerical simulation. A quickt2firemodelwithamaximumheatreleaserateof30MWwasusedtosimulateabusfire.Largeeddysimulationtechnologywasusedtopredictsmokepropagationundertwofirescenarios,wheresmokeexhaustfansoperatedornot.Resultsshowthatoperationofasmokecontrolsystemcouldprovidesafeevacuationwithinsixminuteswhenafireoccurredinthecenterofthehub.Givensuchresults,domesticundergroundgaragesmokecontrolsystemdesignspecificationsshouldbeconsideredforsemi-enclosedspacessuchastransithubs.

transportation hub; fire safety analysis; numerical simulation; smoke; evacuation;safety; ventilation

2014-05-15.

時間：2015-07-28.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378040).

李炎鋒(1971-)，男，教授，博士.

李炎鋒，E-mail: liyanfeng@bjut.edu.cn.

10.3969/jheu.201405041

TG661

A

1006-7043(2015)09-1194-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150728.1406.002.html