朱常琳，李富淵，張榮國，李夏清

(1.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西省環(huán)境重點 工程實驗室，陜西 西安 710055；3.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧 530029)

隨著世界人口的增加，城市擁堵已成為擺在人類面前的重要難題，地鐵技術(shù)自1863年英國首次應(yīng)用以來，歷經(jīng)一個多世紀的發(fā)展而日趨完善[1]。然而，在帶給人們生活方便的同時，地鐵作為較封閉的地下空間也存在著不容忽視的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計[2-3]，所有地鐵事故中發(fā)生最多的是火災(zāi)事故，占總事故的68%。地鐵車站中一旦發(fā)生火災(zāi)，因為相對密閉的結(jié)構(gòu)，熱量和煙氣很難及時排出，大量煙氣不僅阻擋人員視線，且含有有毒物質(zhì)，眾多火災(zāi)案例研究表明[4-6]煙氣往往是火災(zāi)致死的重要原因。許多學者對地鐵排煙模式及火災(zāi)煙氣的流動特征進行了研究。如Rie等[7]建立了一個1/40的模擬試驗臺，研究了地鐵站內(nèi)機械排煙口開啟模式對排煙的影響；Drysdale等[8]建立了1/15尺度的模型來研究地鐵站中自動扶梯燃燒產(chǎn)生的溝槽效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)溝槽效應(yīng)會產(chǎn)生火焰的加速蔓延現(xiàn)象；周汝等[9]研究了島式和側(cè)式兩種典型結(jié)構(gòu)地鐵站臺發(fā)生火災(zāi)時煙氣的擴散以及控制方法，并對屏蔽門的作用給予肯定，發(fā)現(xiàn)安裝屏蔽門后島式和側(cè)式地鐵站臺排煙效率分別提高了15.8%和10.1%；何開遠等[10]研究了屏蔽門對島側(cè)混合地鐵站臺火災(zāi)的重要性，發(fā)現(xiàn)屏蔽門在島側(cè)混合地鐵站臺中可以阻礙熱量傳遞，阻擋和推遲煙氣蔓延，對人員疏散起到至關(guān)重要的作用。

基于上述研究，本文以西安市某地鐵車站島式站臺層為研究對象，設(shè)計了3種不同吊頂形式(平板式、方形內(nèi)凹式和格柵式)，利用火災(zāi)動力學模擬軟件FDS建立了對應(yīng)的1∶1尺寸的站臺層物理模型，并對各個模型下的煙氣流動特征、吊頂層溫度分布、人眼特征高度層溫度分布、CO濃度分布進行了數(shù)值模擬分析，同時對樓梯口風速進行了監(jiān)測，通過比較得出各種吊頂形式的優(yōu)缺點，以為地鐵設(shè)計、施工以及消防工作提供一定的參考依據(jù)。

1 模型構(gòu)建和火災(zāi)場景設(shè)置

1. 1 地鐵車站概況

圖1 西安某地鐵車站島式站臺層候車區(qū)域平面布置圖Fig.1 Layout plan of the island-type platform and waiting area of a subway station in Xi’an

本文的研究對象為西安市某地鐵車站島式站臺層，其平面布置見圖1。該島式站臺層候車區(qū)域長110 m、寬16 m、層高5 m，吊頂空間厚度為1.5 m，站臺層20根立柱以9 m間距分布兩側(cè)，2個樓梯口對稱分布，距離中間火源20 m，樓梯口處吊頂四周有擋煙垂壁布置成環(huán)形，整個候車區(qū)域分為兩個防排煙分區(qū)，并以擋煙垂壁分隔，每個防排煙分區(qū)設(shè)立2排排煙口，每個排煙分區(qū)排煙量為40 m3/s。該島式站臺層吊頂采用立體感較強的方形內(nèi)凹式吊頂形式，為了對比分析該吊頂形式對地鐵站臺層火災(zāi)排煙效果的影響，本次研究還建立了平板式吊頂和格柵式吊頂兩種吊頂形式的島式站臺層模型。

1. 2 模型建立及網(wǎng)格劃分

圖2 不同吊頂形式的地鐵車站站臺層物理模型的剖面圖Fig.2 Profile of the subway platform model with different ceiling types

利用FDS軟件建立的模型，其網(wǎng)格劃分越精細，計算結(jié)果會越準確，但會增加計算量，降低模擬效率。本次模擬研究中根據(jù)下式劃分模型網(wǎng)格[12]：

D=(QρCPTg1/2)2/5

(1)

式中：D為火源特征直徑(m)；Q為火源熱釋放率(kW)；ρ為空氣密度(kg/m3)；CP為空氣定壓比熱[J/(kg·K)]；T為環(huán)境溫度(K)；g為重力加速度(m/s2)。

根據(jù)公式(1)計算得到D為2 m，即表明添加模型中網(wǎng)格要接近0.1D時，得到的模擬結(jié)果較為準確。根據(jù)研究對象的尺寸以及FDS軟件對網(wǎng)格劃分的要求，將該站臺層網(wǎng)格尺寸定為0.25 m×0.25 m×0.25 m；同時，由于還需要觀察站臺層通過樓梯口向站廳層的煙氣蔓延情況，故在站臺層網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上增加了兩個較為粗放的網(wǎng)格(尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m)，用來模擬站臺層與站廳層相連接部分的煙氣蔓延情況。此外，為了進一步提高模擬效率，根據(jù)模型的對稱特性，利用FDS軟件中的鏡像表面功能，在地鐵站臺模型中部設(shè)鏡像表面，將模型一分為二，取一半為研究對象。實際計算過程中每個模型的網(wǎng)格劃分總數(shù)為294 400個。

1. 3 測點布置

為了充分對比3種不同吊頂形式下地鐵車站站臺層火災(zāi)的排煙效果，本次模擬研究中分別在不同吊頂模型下(距離站臺層地面3.4 m)和人眼特征高度層(距離站臺層地面1.75 m)以1 m的間隔設(shè)置了熱電偶檢測設(shè)備，并考慮到人眼特征高度在衡量人員逃生安全中的重要地位，在該高度層上還另外布置了CO濃度檢測設(shè)備。此外，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》中要求樓梯口應(yīng)具有向下不小于1.5 m/s的風速，在樓梯口處還設(shè)置了風速監(jiān)測設(shè)備。

1. 4 火災(zāi)場景設(shè)置

地鐵車站站臺層候車區(qū)域中心位置發(fā)生火災(zāi)，剛好位于兩個不同排煙分區(qū)交界處，火災(zāi)發(fā)生時，兩個排煙分區(qū)都會彌漫煙氣，若按正常一個排煙分區(qū)排煙，則非排煙區(qū)的煙氣不僅不容易排出，而且中間分隔兩區(qū)的擋煙垂壁反而會阻止非排煙區(qū)的煙氣經(jīng)由排煙區(qū)排走，從而造成非排煙區(qū)煙氣和溫度的累積，不利于人員逃生，對建筑結(jié)構(gòu)也會造成較大破壞。本次模擬研究中，同時開啟兩側(cè)的排煙風機，對站臺層候車區(qū)域進行排煙，每側(cè)排煙量為20 m3/s；此外，關(guān)閉站臺和站廳區(qū)域的送風系統(tǒng)，關(guān)閉站廳層的排風系統(tǒng)，依靠站廳層與外界大氣的連接對地鐵車站進行補風，引導樓梯口處向下的氣流，幫助乘客及工作人員及時逃生；大氣溫度設(shè)定為20℃，不考慮屏蔽門開啟情況，同時忽略屏蔽門傳熱，忽略車站內(nèi)設(shè)備及人員產(chǎn)熱，忽略人員逃生對氣流的影響。

2 模擬結(jié)果與分析

2. 1 安全判斷標準

2.1.1 人眼特征高度層安全評判標準[13-14]

3.加強管理創(chuàng)新、營造良好的科研氛圍。激發(fā)科技人員的積極性和創(chuàng)造性，完善科研考核獎勵辦法，完善技術(shù)創(chuàng)新機制，加大科技獎勵力度，增強創(chuàng)新動力。

當人員直接暴露在環(huán)境溫度為60℃時，會在幾分鐘內(nèi)引起強烈不適感，并隨著時間的增加，不適感加重，影響人員的正常行為能力，會對人體造成損傷，因此以60℃作為人眼特征高度層溫度限值。

地鐵車站位于地下，雖然可借助站廳層與大氣相通，但仍具有相當程度的封閉性和空氣流通滯后性，火災(zāi)燃燒過程中很容易因為氧氣不足而產(chǎn)生CO氣體，當CO的濃度不同時，對人體造成危害的等級也不同。根據(jù)NFPA130標準的規(guī)定，CO濃度不得高于250 ppm。

2.1.2 吊頂層安全評判標準[15-16]

高溫熱輻射對人體造成的灼傷是在相對封閉空間發(fā)生火災(zāi)后造成人員傷亡的一項重要因素。研究表明，當人處在輻射熱量大于 2.5 kW/m2的環(huán)境中時，人體所能忍受的時間極短，熱輻射量將對人體造成致命性損傷。經(jīng)過計算，2.5 kW/m2的輻射熱量對應(yīng)的煙氣溫度范圍在180～200℃之間，故擬定本次研究能滿足人員安全逃生要求的頂棚處溫度安全限值為180℃。

2. 2 煙氣蔓延情況分析

本次模擬研究以平板式吊頂為工況一、方形內(nèi)凹式吊頂為工況二、格柵式吊頂為工況三，當安裝不同吊頂形式的地鐵車站站臺層發(fā)生火災(zāi)時，各工況下煙氣隨時間蔓延情況的模擬結(jié)果，見圖3。

圖3 各工況下煙氣隨時間的蔓延情況Fig.3 Comparison of smoke spread with time under different working conditions

由圖3(a)可見，安裝平板式吊頂和格柵式吊頂?shù)恼九_層發(fā)生火災(zāi)時，煙氣幾乎都在50 s左右蔓延至樓梯口，蔓延速度較為迅速；而安裝方形內(nèi)凹式吊頂?shù)恼九_層發(fā)生火災(zāi)時，50 s后煙氣蔓延距離樓梯口仍有一段距離。由此可見，方形內(nèi)凹式吊頂由于曲折的吊頂面使得煙氣并不能像在平板式吊頂和格柵式吊頂中暢通無阻，再加上其內(nèi)凹構(gòu)造具有一定的蓄煙能力，在火災(zāi)發(fā)生初期可以明顯降低煙氣蔓延速度，減小人員心理恐慌，有利于人員有序逃生。

由圖3(b)可見，安裝平板式吊頂?shù)恼九_層發(fā)生火災(zāi)時，站臺層中煙氣發(fā)生了向站廳層的蔓延，這種對人員安全逃生極為不利的現(xiàn)象說明在該工況下需要其他輔助排煙手段幫助排煙；安裝方形內(nèi)凹式吊頂和格柵式吊頂?shù)恼九_層發(fā)生火災(zāi)時，并沒有發(fā)生站臺層中煙氣向站廳層的蔓延，但煙氣分布有一定區(qū)別，其中方形內(nèi)凹式吊頂站臺層的煙氣在160 s仍主要集中在中間有火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域，樓梯口兩側(cè)聚集的煙氣要比格柵式吊頂站臺層的煙氣少得多，這對人員逃生很有幫助，因為人員疏散主要瓶頸在樓梯口，故而在火災(zāi)發(fā)生后樓梯口處會聚集大量人群，處于工況二中的疏散人群只要在160 s內(nèi)逃離到樓梯口附近，就可以處于一種相對安全的環(huán)境中，而格柵式吊頂站臺層的煙氣很容易穿過格柵進入吊頂層中，使煙氣層上移，給人員移動路線提供一定的安全保障。

由圖3(c)可見，在火災(zāi)發(fā)生360 s時，平板式吊頂站臺層樓梯口雖然有擋煙垂壁阻擋煙氣流入，但其蓄煙能力有限，單依靠站臺層候車區(qū)域排煙系統(tǒng)很難將煙氣及時排出，因此會出現(xiàn)大量脈沖式煙氣流入站廳層；方形內(nèi)凹式吊頂站臺層中間發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的煙氣仍大量聚集，但沒有從樓梯口流入站廳層的跡象，樓梯口兩側(cè)空間煙氣分布相比其他兩種吊頂工況要安全很多；格柵式吊頂站臺層中部火災(zāi)區(qū)域的煙氣層最高，相比其他兩種工況較為安全，樓梯口也沒有煙氣流入站廳層，但樓梯口兩側(cè)則聚集大量煙氣，這是由于煙氣層上移，一部分煙氣層位于排煙口以上，而排煙口朝下排煙，從而使整體排煙過程受到一定的阻礙。

2. 3 吊頂層和人眼特征高度層的溫度分布

平板式吊頂和格柵式吊頂距離站臺層地面高度為3.4 m，方形內(nèi)凹式吊頂由于其內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域吊頂高度大于3.4 m，為了與平板式吊頂和格柵式吊頂火災(zāi)工況進行對比，本次模擬研究中設(shè)定方形內(nèi)凹式吊頂距離站臺層地面高度也為3.4 m。人眼特征高度在火災(zāi)危險性評估中具有重要地位，通常指正常人身高再加上12 cm的高度，本次模擬研究中設(shè)定人眼特征高度為1.75 m。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時，人員要求在360 s內(nèi)安全疏散，故取火災(zāi)發(fā)生后360 s為火災(zāi)工況溫度數(shù)據(jù)采集點。

圖4為安裝3種不同吊頂形式的地鐵車站站臺層發(fā)生火災(zāi)360 s時，吊頂層的溫度分布。

圖4 火災(zāi)發(fā)生360 s時不同工況下吊頂層的溫度分布Fig.4 Distribution of the ceiling layer temperature at 360 s after the fire under different working conditions

由圖4可見，火災(zāi)發(fā)生360 s時，采用平板式吊頂?shù)牡罔F車站站臺層其吊頂層溫度分布規(guī)律是：隨著距離火源距離的增加，吊頂層的溫度逐漸下降，直到距離火源7 m左右，其溫度降到安全標準規(guī)定的180℃以下；格柵式吊頂層溫度分布規(guī)律是：火源中心位置附近，隨著距離火源距離的增加，吊頂層溫度下降十分迅速，到距離火源3 m以外區(qū)域時，其溫度變化較為平穩(wěn)且溫度低于75℃;方形內(nèi)凹式吊頂層溫度分布規(guī)律是：整體上隨著距離火源距離的增加吊頂層溫度下降的同時，局部溫度出現(xiàn)了波動，在距離火源2 m的位置處，吊頂層溫度已經(jīng)低于溫度限值180℃，但當距離火源的距離增加至3 m左右時，吊頂層溫度又超過了溫度限值，且在距離火源11 m的位置處，吊頂層溫度出現(xiàn)了小幅波動。

圖5為安裝3種不同吊頂形式的地鐵車站站臺層發(fā)生火災(zāi)360 s時，人眼特征高度層的溫度分布。

圖5 火災(zāi)發(fā)生360 s時不同工況下人眼特征高度層的溫度分布Fig.5 Distribution of the temperature at the human eye characteristic height layer 360 s after the fire under different working conditions

由圖5可見，3種不同吊頂形式的站臺層發(fā)生火災(zāi)360 s時，人眼特征高度層的溫度分布具有很大相似性：隨著距離火源距離的增加，人眼特征高度層溫度迅速下降，在距離火源2 m左右位置處，其溫度趨于平穩(wěn)，且低于人眼特征高度層溫度限值60℃。

結(jié)合圖6地鐵車站站臺層溫度分布云圖可以發(fā)現(xiàn)：平板式吊頂工況下，站臺層樓梯口處有高溫氣流分布，說明有煙氣流入站廳層；方形內(nèi)凹式吊頂工況下，站臺層溫度分布具有明顯的波動性，而平板式吊頂和格柵式吊頂溫度分布較為平穩(wěn)；格柵式吊頂工況下，站臺層高溫層要高于平板式吊頂和方形內(nèi)凹式吊頂，但樓梯口兩側(cè)區(qū)域在360 s時有80℃溫度層分布，而平板式吊頂和方形內(nèi)凹式吊頂在該處溫度都低于50℃。

圖6 火災(zāi)發(fā)生360 s時不同工況下站臺層的溫度分布云圖Fig.6 Distribution cloud of the platform layer temperature 360 s after the fire under different working conditions

2. 4 人眼特征高度層的CO濃度分布

CO是火災(zāi)主要致死燃燒產(chǎn)物之一，必須對其進行及時、準確的檢測，本次模擬研究主要對人眼特征高度層CO濃度分布進行了數(shù)值模擬分析，其模擬結(jié)果見圖7。

圖7 火災(zāi)發(fā)生360 s時不同工況下人眼特征高度層的 CO濃度分布Fig.7 Distribution of the CO concentration at human eye characteristic height layer 360 s after the fire under different working conditions

由圖7可見，方形內(nèi)凹吊頂工況下，人眼特征高度層CO濃度分布依然出現(xiàn)了類似溫度場中的波動現(xiàn)象，在距離火源9 m位置處出現(xiàn)明顯的波峰，說明方形內(nèi)凹結(jié)構(gòu)對CO的分布也產(chǎn)生了聚集效應(yīng)；平板式吊頂和格柵式吊頂工況下，人眼特征高度層CO濃度分布規(guī)律類似，即從距離火源3 m到12 m的范圍內(nèi)，CO濃度出現(xiàn)不同小幅上升，其原因可能是火源上方的高溫煙氣迅速上升沖向頂板，然后向四周貼壁射流，站臺層地面處較為潔凈空氣被卷向火源附近上部空間，從而使火源臨近區(qū)域CO濃度較低;平板式吊頂和方形內(nèi)凹式吊頂工況下，在距離火源15 m到18 m的范圍內(nèi)，人眼特征高度層CO濃度迅速上升，其原因可能是距離火源18 m位置處為樓梯口的擋煙垂壁，煙氣在該處有一定的累積，造成CO濃度升高。總體上可見，3種工況下距離火源3 m以外區(qū)域，人眼特征高度層CO濃度都在限值250 ppm以下，滿足安全要求。

2. 5 樓梯口處風速監(jiān)測

本次模擬研究在樓梯口處布置了風速監(jiān)測點，其位置詳見圖8，模型為縱剖面模型，2、3號監(jiān)測點實際位置在樓梯口中軸線上，1、4號監(jiān)測點位置位于樓梯口邊緣。樓梯口處風速監(jiān)測點監(jiān)測值自排煙系統(tǒng)開啟之后基本穩(wěn)定，3種不同吊頂形式的站臺層在兩側(cè)同時排煙時，樓梯口處的風速分布規(guī)律基本相似，其風速監(jiān)測值見表1。

圖8 樓梯口處風速監(jiān)測點位置布置圖Fig.8 Location of wind speed measuring points at the stairway

監(jiān)測點編號風速/(m·s-1)平板式吊頂方形內(nèi)凹式吊頂格柵式吊頂10．750．700．7020．720．680．6231．071．010．9441．371．301．23

由表1可見，3、4號監(jiān)測點樓梯口處風速較大，原因在于監(jiān)測點四周較為空曠，稍有障礙物阻擋；1、2號監(jiān)測點樓梯口處風速較小，原因在于距離樓梯面過近，風速受到樓梯面的影響；在兩側(cè)同時排煙的模式下，3種不同吊頂形式的站臺層通向站廳層樓梯口處的風速大小表現(xiàn)為平板式吊頂>方形內(nèi)凹式吊頂>格柵式吊頂；為保證樓梯口處有1.5 m/s的向下風速，需要其他輔助排煙手段，例如開啟屏蔽門利用軌道排熱系統(tǒng)排煙。

2. 6 模型合理性驗證

文獻[10]以北京某地鐵島側(cè)站臺層為研究對象，利用CFD軟件研究了站臺層發(fā)生火災(zāi)時煙氣的運動規(guī)律。該文獻中煙氣流動和火源處溫度分布可與本研究平板式吊頂工況相互參考，其研究結(jié)果都表明：由于浮力羽流作用、火焰羽流上部膨脹作用及下部卷吸作用，火源上部煙氣蔓延速度快、溫度高，至距離火源5 m位置處，溫度層和煙氣層趨于平穩(wěn)，從而驗證了所建模型的合理性。

3 結(jié) 論

通過對平板式、方形內(nèi)凹式和格柵式3種不同吊頂形式的地鐵車站站臺層火災(zāi)的排煙效果進行數(shù)值模擬與對比分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在阻止煙氣蔓延方面，方形內(nèi)凹式吊頂具有很大優(yōu)勢，既可以利用自身結(jié)構(gòu)蓄煙，又可以增加煙氣流動路徑的復(fù)雜性并減小煙氣動能，且在火災(zāi)前期可有效減小煙氣向樓梯口的蔓延速度，中后期也能有效阻止煙氣從火源區(qū)域向樓梯口外側(cè)區(qū)域過渡；格柵式吊頂煙氣蔓延速度與平板式吊頂相似，其蓄煙能力好于平板式吊頂，可以防止煙氣流向站廳層，但由于部分煙氣層高于排煙口，會造成火災(zāi)中后期站臺層煙氣過多積累。

(2) 在地鐵站臺火災(zāi)燃燒區(qū)域附近的溫度和CO濃度控制方面，格柵式吊頂要優(yōu)于另外兩種吊頂結(jié)構(gòu)形式，這是因為格柵式吊頂充分利用了吊頂層空間，使煙氣層整體上移，給人員疏散提供了有力幫助，而方形內(nèi)凹式吊頂由于結(jié)構(gòu)的凹凸性，使溫度分布和CO濃度分布出現(xiàn)波動性。

(3) 3種不同吊頂形式在地鐵站臺層與站廳層相連的樓梯口處風速分布規(guī)律相似，但樓梯口后方空曠區(qū)域風速大于前方樓梯面區(qū)域。

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