陳 霖，閆樹龍，葉 雷

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

引言

地鐵停車場及車輛段作為列車停放和檢修的區(qū)域，其建設(shè)需占據(jù)大量城市用地。為減少土地資源的占用及對城市整體規(guī)劃的影響，往往結(jié)合地面物業(yè)開發(fā)，將軌道交通停車場按全地下模式進行設(shè)計，如成都、深圳、武漢等地區(qū)[1-4]?，F(xiàn)已建設(shè)完成的軌道交通地下停車場有成都崔家店停車場、武漢中山北路停車場、深圳筆架山停車場、南寧新村停車場、青島靈山衛(wèi)停車場、深圳中心公園停車場等工程。

防排煙系統(tǒng)作為建筑消防設(shè)計必不可少的部分，可為火災早期人員疏散創(chuàng)造安全的環(huán)境。然而，軌道交通停車場不同于商業(yè)辦公樓、地鐵車站公共區(qū)等其他場所，其火災危險性等級及人員規(guī)模均較小，且場內(nèi)人員對工作環(huán)境熟悉，無論是自救還是等待消防救援均有更好的條件。

目前，關(guān)于軌道交通地下停車場防排煙系統(tǒng)設(shè)計原則無明確統(tǒng)一的規(guī)定，普遍采用消防性能化評估方法進行設(shè)計合理性評價[5-7]。在GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》[8]及GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》[9]頒布前后，各地區(qū)做法也不盡相同[10-13]。因此，有必要針對地下停車場防排煙系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)問題進行探討，以便后續(xù)更好地開展類似工程設(shè)計。

1 工程概況

以某地鐵地下停車場為對象，分析各區(qū)域防排煙系統(tǒng)設(shè)計。該停車場為地下兩層，上蓋業(yè)態(tài)為市政綠化公園，主要承擔地鐵列車停放、檢修、清洗及定期消毒等日常保養(yǎng)工作，可同時停放16列車?？偨ㄖ娣e約6萬m2，其中，停車、列檢庫區(qū)域建筑面積約1.8萬m2，咽喉軌行區(qū)面積約0.52萬m2，洗車線軌行區(qū)面積約0.23萬m2，地下生產(chǎn)配套用房區(qū)建筑面積約1.45萬m2，消防車道等其他區(qū)域面積約2萬m2。空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地下雙層停車場建筑空間分布示意

停車場車庫按戊類廠房設(shè)計，地下部分建筑耐火等級為一級，內(nèi)部裝修材料的耐火等級均為A級，建筑內(nèi)設(shè)置有室內(nèi)消火栓、滅火器、自動噴淋系統(tǒng)、防火分隔水幕系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、應急照明系統(tǒng)、疏散指示系統(tǒng)、火災自動報警以及消防聯(lián)動控制系統(tǒng)等消防設(shè)施。

2 環(huán)形消防車道設(shè)計

本項目停車場地下二層庫區(qū)四周設(shè)置環(huán)形消防車道，如圖2所示。東西兩端均設(shè)消防車出入口，坡度8%；消防車道寬6 m(局部位置寬4.5 m)，凈高6.6 m，距頂板凈高15.5 m，距地面19.5 m。庫房四周消防車道正上方均勻布置自然采光通風井，最大尺寸為26.5 m×5 m，最小尺寸為17.5 m× 2.5 m，風井中心間距≯42.5 m，通風井總開孔面積占消防車道總面積的33.6%，車道內(nèi)任一點距最近的通風井不超過30 m。當車道相鄰防火分區(qū)發(fā)生火災且失控時，煙氣蔓延至消防車道后可迅速排出地面。

圖2 環(huán)形消防車道示意

針對環(huán)形消防車道，建筑設(shè)計參照下沉式廣場的做法，用于防火分隔。根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[14]規(guī)定，下沉式廣場本身就被定義為室外開敞空間，且停車場建筑設(shè)計已經(jīng)滿足其相關(guān)要求：

(1)消防車道頂部開口均勻布置，且開口面積達33.6%，大于25%；

(2)該區(qū)域內(nèi)不存在其他可能導致火災蔓延的設(shè)施或可燃物；

(3)環(huán)形消防車道內(nèi)設(shè)置11部直通地面的疏散樓梯。

另外，環(huán)形消防車道已進行消防加強措施設(shè)計，如配置噴淋系統(tǒng)。在消防性能化評審時，專家也一致認可該區(qū)域為安全空間，可作為人員疏散通道。顯然，消防車道設(shè)計無論從規(guī)范角度還是實際安全性能方面而言，均滿足室外安全空間條件。

為減少地面風井數(shù)量，機械加壓送風系統(tǒng)、排煙補風系統(tǒng)等可從消防車道取風，且采光通風井可兼做其他區(qū)域排煙系統(tǒng)的排煙口或排風口，但不能直接向環(huán)形消防車道內(nèi)排煙。為避免火災時串煙，進排風口設(shè)計應滿足以下要求：

(1)取風口位置盡量靠近通風天井投影底部；

(2)一處通風天井不應同時作為排煙口和進風口；

(3)各區(qū)域排煙管對外部分應延伸至車道頂部自然通風風井處；

(4)任一進風口與排煙風井水平間距應保持20 m以上。

當部分區(qū)域無法滿足以上條件時，其排煙井應單出地面設(shè)置。

3 庫區(qū)防排煙系統(tǒng)設(shè)計

停車列檢庫空間凈高為6.6～7.7 m，共劃分8個防火分區(qū)，每個防火分區(qū)面積為2 218 m2，同時作業(yè)人員不超過20人。其主要火災特點如下。

(1)庫房按戊類廠房設(shè)計，火災荷載主要為地鐵列車，車輛部位基本無可燃物，且不存在人為縱火，火災危險性很小。

(2)庫區(qū)內(nèi)設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)，可有效滅火或降低列車火災熱釋放速率。

(3)人員密度小且對工作場所熟悉，疏散所需時間短；同時，蓄煙空間較一般場所大，疏散路徑安全環(huán)境更容易保證。

GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》規(guī)定[9]，“地下車輛基地庫房等場所應設(shè)置排煙系統(tǒng)”，但未明確給出防煙分區(qū)劃分原則以及排煙量計算方法。鑒于其特點，庫區(qū)防排煙系統(tǒng)應結(jié)合土建規(guī)模、控制模式復雜程度、安全疏散條件等因素進行合理設(shè)計。

3.1 防煙分區(qū)劃分

GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》雖已規(guī)定工業(yè)建筑防煙分區(qū)劃分面積及長邊要求[8]，但也明確了汽車庫防煙分區(qū)的劃分及其排煙量應符合現(xiàn)行國家規(guī)范GB 50067—2014《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[15]。與汽車庫相比，地鐵停車場有相同之處，但其發(fā)生火災的概率反而較小，主要表現(xiàn)為：汽車庫內(nèi)的車輛有自燃的可能，且公共停車場還存在人為縱火的風險?？紤]到汽車停車場一般設(shè)置噴淋系統(tǒng)，場內(nèi)人員僅在進出車庫期間短暫停留，即使發(fā)生火災，對人員造成的危害也較小，所以汽車庫防煙分區(qū)劃分及排煙量要求較其他公共場所低。顯然，軌道交通地下停車場防排煙設(shè)計標準不應明顯高于汽車庫場所。

GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》及GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》均未明確戊類廠房應設(shè)置排煙設(shè)施，若地鐵停車場庫房直接套用GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》關(guān)于防煙分區(qū)長邊的規(guī)定，相當于提高了設(shè)計標準，不符合工程經(jīng)濟建設(shè)要求?？紤]到地鐵列車一般為6輛或8輛編組，一列車貫穿整個防火分區(qū)，且任一車廂均有可能發(fā)生火災，控制防煙分區(qū)長邊已無意義，建議按一列車長劃分防煙分區(qū)。實際上，庫區(qū)內(nèi)火災主要發(fā)生在車廂內(nèi)部，僅部分煙氣從列車疏散門及車窗(高溫破裂后)蔓延至庫房內(nèi)，剩余煙氣仍在車廂內(nèi)縱向蔓延，火源分布及煙氣擴散具有縱向特征，防煙分區(qū)劃分為狹長型是合理的。

本項目停車場規(guī)模較小，單個防火分區(qū)僅包含2股軌道，可直接劃分為1個防煙分區(qū)，寬度為11.2 m，面積約2 200 m2。根據(jù)GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》第4.5.4條規(guī)定[9]，“當設(shè)置自動滅火系統(tǒng)時，每個防火分區(qū)的最大允許建筑面積不限”。對于建筑防火分區(qū)內(nèi)包含3股及以上軌道的情況，結(jié)構(gòu)專業(yè)縱向設(shè)計的下翻梁(凸出高度約1.2 m)將自然形成擋煙作用，建議結(jié)合工藝布置及土建專業(yè)特點，防煙分區(qū)面積按≯2 500 m2進行控制，相應的防煙分區(qū)寬度約12 m。

當庫區(qū)高度<9 m時，防煙分區(qū)之間應設(shè)置擋煙設(shè)施(超過9 m，可不設(shè))。建議充分利用庫區(qū)蓄煙空間高大特點，適當提高儲煙倉高度，即擋煙垂壁向下凸出高度不宜<2 m(工藝受限時不應<1.5 m)，且應優(yōu)先利用結(jié)構(gòu)下翻梁進行防煙分隔，高度不足部分可采用防火板、防火玻璃及刷防火涂料的鋼板等作為擋煙設(shè)施。

3.2 排煙量計算

石家莊某地鐵停車場庫房防煙分區(qū)排煙量按6次/h的換氣次數(shù)計算[10]，其主要參考早期地下汽車庫的普遍做法進行設(shè)計。

成都崔家店停車場庫區(qū)排煙量按照防煙分區(qū)面積乘以60 m3/(h·m2)進行計算[11]，該計算方法是參考車站公共區(qū)等區(qū)域的常規(guī)做法作為設(shè)計依據(jù)。

南寧新村停車場按照GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》中煙羽流公式計算結(jié)果及表4.6.3規(guī)定[8]，“取二者最大值作為庫區(qū)防煙分區(qū)排煙量的計算依據(jù)”。

DB11/995—2013《城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范》第24.4.11條規(guī)定[16]，“車輛綜合基地的戊類廠房設(shè)置機械排煙系統(tǒng)時，最小機械排煙量應根據(jù)一個防煙分區(qū)的建筑面積按0.5 m3/(min·m2)計算”，福州竹岐停車場庫房區(qū)域排煙量設(shè)計參照了該規(guī)定[13]。

顯然，關(guān)于軌道交通停車場庫區(qū)排煙量的計算，以上做法均有參考依據(jù)，但是設(shè)計標準并不完全統(tǒng)一，需進一步討論。

GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》第8.2.4條已經(jīng)明確[9]，防煙分區(qū)包含軌道區(qū)且采用管道排煙時，排煙系統(tǒng)的排煙量應基于列車火災規(guī)模和發(fā)生地的空間特點來確定，但國內(nèi)目前無直接可用的公式，而給出了日本提出的一種方法供參考，其排煙量的計算公式如下

Cs=21[1-e(-Ve·t/V)]/Ve

(1)

V=20(A0-Av)

(2)

Cs≤0.1

(3)

式中，Cs為空間內(nèi)允許的煙氣濃度，m-1；Ve為火源區(qū)段排煙設(shè)備的排煙量，m3/min；V為火源區(qū)段的有效容積，m3；t為疏散結(jié)束時間，min；A0為垂直線路方向的有效面積(扣除柱子、樓梯或扶梯等)，m2；Av為列車橫斷面積，m2。

表1列出了停車庫區(qū)域防煙分區(qū)分別按照DB11/995—2013《城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范》及日本公式兩種不同方法計算得出的排煙量結(jié)果。從表1可以看出，參考日本公式得出的結(jié)果小于DB11/995—2013《城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范》計算結(jié)果，且隨著蓄煙空間的增大差異越明顯。

表1 停車庫排煙量計算結(jié)果

日本提出的計算方法主要是針對小規(guī)?；馂?，即排煙量計算與熱釋放速率無關(guān)?；鹪磪^(qū)段(20 m范圍)排煙量通過對空間內(nèi)允許煙氣濃度(減光系數(shù))的規(guī)定來進行確定，而整個防煙分區(qū)的排煙量需根據(jù)其長度按火源區(qū)段排煙量進行等比計算，火源區(qū)段的排煙量還應同時滿足≮83.3 m3/min的要求。該方法是基于疏散時間控制在7 min以內(nèi)得出的，強調(diào)總排煙量與疏散時間、火源段蓄煙空間體積、疏散路徑煙氣濃度、防煙分區(qū)長度有關(guān)，這種理念是合理的。GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》作為軌道交通行業(yè)標準，已給出排煙量參考公式，結(jié)合公式背景及地鐵停車庫火災早期熱釋放速率較小的特點，為體現(xiàn)不同蓄煙空間排煙差異，建議地鐵停車庫排煙量參考日本公式計算。

3.3 排煙機房及風管布置

為減小土建規(guī)模、充分利用建筑既有空間，在地下一層庫區(qū)周邊靠通風天井處設(shè)置夾層排煙機房，各防煙分區(qū)獨立設(shè)置排煙風機。對外排煙風管延伸至頂部通風天井處，對內(nèi)排煙風管布置于庫區(qū)中部正上方。采用自然補風方式，補風口靠近天井投影底部，如圖3所示。

圖3 車庫排煙機房、風管及補風口布置示意(單位：m)

4 咽喉區(qū)、洗車線軌行區(qū)排煙問題

GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》第8.2.7條規(guī)定[9]，“車輛基地的地下停車庫、列檢庫、停車庫、運用庫、聯(lián)合檢修庫、鏇輪庫、工程車庫等場所應設(shè)置排煙系統(tǒng)”，并未明確咽喉區(qū)、洗車線是否必須設(shè)置排煙系統(tǒng)。結(jié)合條文解釋，“除停車庫、列檢庫等大面積場所外，其他庫外以軌行區(qū)為主的交通區(qū)域基本無可燃物，亦非人員長期居留場所，且空間高大，因此未要求設(shè)排煙設(shè)施”?？紤]到咽喉區(qū)及洗車線并沒有劃分防火分區(qū)，基本無可燃物且無人員長期停留，同時滿足空間高大要求，從經(jīng)濟建設(shè)角度出發(fā)，該區(qū)域可不設(shè)置排煙系統(tǒng)。

5 生產(chǎn)配套區(qū)防排煙系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)配套區(qū)共劃分20個防火分區(qū)，全部位于地下。主要包括弱電設(shè)備、變配電、會議室、檢修班組、司機休息室、消防控制室等用房，其建筑特點及房間功能與地下車站設(shè)備區(qū)相似。但除電氣房間外，各區(qū)域均設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)，其火災危險性低于車站設(shè)備區(qū)。因此，建議生產(chǎn)配套用房區(qū)域防排煙系統(tǒng)按GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[17]及GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》要求執(zhí)行，未明確部分參考GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》相關(guān)規(guī)定開展設(shè)計。

設(shè)備區(qū)共劃分為25個防煙分區(qū)，采用機械排煙、自然補風方式，對外排煙口及補風口優(yōu)先利用環(huán)形消防車道自然通風井。由于整個設(shè)備區(qū)域房間布置較分散，為減少風管長度，避免過多管線交叉，排煙專用機房盡量布置于兩個防火分區(qū)中部，如圖4所示。

圖4 設(shè)備區(qū)排煙機房、風管及補風口布置示意

6 火災數(shù)值模擬分析

為驗證停車庫區(qū)域采用日本公式計算排煙量的合理性，進一步采用數(shù)值模擬方法，建立三維火災場景，對火災煙氣擴散以及人員疏散可利用安全時間進行分析。

6.1 人員安全疏散時間

根據(jù)GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》第5.5.4條規(guī)定[9]，“庫區(qū)內(nèi)最遠一點至最近安全口的疏散距離按≯60 m進行設(shè)計”。未考慮列車中部火災且人員剛好處于兩列車之間的極端情況，如圖5所示。從圖5可以看出，人員疏散至安全區(qū)域的最長距離為97.5 m。參考GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》關(guān)于廠房疏散設(shè)計原則[14]，疏散速度取1 m/s(人正常行走速度)，求得庫內(nèi)行走所需疏散時間為97.5 s?？紤]火災報警、人員反應、安全裕量等時間，保守確定人員必需疏散時間為200 s。

圖5 疏散設(shè)計示意

6.2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

(1)模型建立

選取凈高為6.6 m的車庫，長195 m，寬11.2 m，按單個車庫內(nèi)同時停放兩列車，建立1∶1的物理模型，如圖6所示。車庫中間頂部布置排煙風管，縱向均勻布置排煙口，共計8個，單個風口排煙量7 285 m3/h，排煙風速約5 m/s，補風從消防車道自然引風，補風口風速≯3 m/s。

圖6 車庫三維模型示意

(2)參數(shù)設(shè)置

按最不利火災場景考慮，火源位于列車中部。根據(jù)GB 51298—2018《地鐵設(shè)計防火標準》給出的參考值[9]，忽略噴淋系統(tǒng)對熱釋放速率的影響，火災峰值取7.5 MW。火災發(fā)展過程中，熱釋放速率與時間的平方成正比，保守按快速火災考慮，即火災增長系數(shù)取0.046 9[18]?；馂陌l(fā)生90 s后，啟動機械排煙系統(tǒng)。

計算軟件為STAR-CCM+，采用多面體網(wǎng)格進行模型劃分，網(wǎng)格總數(shù)約80萬個。圖7為相關(guān)研究[19]給出的試驗數(shù)據(jù)與軟件計算結(jié)果對比。由圖7可見，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合得較好，表明該軟件用于火災煙氣擴散特性以及溫度分布模擬可行。

圖7 試驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比

(3)火災安全控制指標

火災發(fā)生后，一般需將人員高度處能見度(煙氣濃度)、煙氣溫度等參數(shù)控制在一定的標準范圍內(nèi)。由于列車火災實際燃燒過程極其復雜，且關(guān)于有害氣體標準缺乏可靠數(shù)據(jù)參考，對煙氣濃度及車庫內(nèi)的能見度進行定量模擬意義不大，這里僅對煙氣溫度進行控制。實際上除火源位置外，火災早期煙氣溫度高的地方濃度必然也高。在借鑒國外標準[18-20]的基礎(chǔ)上，考慮一定安全余量，對煙氣溫度確定以下控制指標：

①疏散路徑人員高度(距疏散地面2.4 m)煙氣溫度不超過60 ℃；

②火源區(qū)段以外對應的煙氣層最高溫度不超過180 ℃。

另外，車庫所在防火分區(qū)兩端采用水幕分隔，當煙氣蔓延至分隔處，受水幕阻擋及降溫作用，煙氣會迅速下沉，從而影響人員疏散。因此，工作人員在車庫內(nèi)疏散過程中，還需同時確保煙氣不蔓延至防火水幕分隔處。

6.3 模擬結(jié)果分析

不同模擬時刻，車庫內(nèi)煙氣濃度及溫度三維分布見圖8～圖11。

圖8 120 s時刻煙氣濃度三維分布示意

圖9 230 s時刻煙氣濃度三維分布示意

圖10 120 s時刻煙氣溫度三維分布示意

圖11 230 s時刻煙氣溫度三維分布示意

由圖8～圖11可見，庫區(qū)著火后，當工作人員未有效實施滅火時，煙氣將集中沿縱向擴散(人員疏散方向)，并不斷卷吸冷空氣，在接近230 s時刻時蔓延至防火水幕分隔處。顯然，在火災早期，庫房內(nèi)煙氣濃度及煙氣溫度并不高，且煙氣分層明顯，應迅速組織救援。

圖12、圖13為疏散路徑煙氣溫度分布情況，由圖12、圖13可知，在最不利火災場景下，當煙氣從火源區(qū)段擴散至車庫兩端的防火分隔處期間，庫內(nèi)人員高度處溫度及煙氣層最高溫度均滿足安全控制要求。

圖12 人員高度處煙氣溫度分布

圖13 煙氣層最高溫度分布

綜上所述，人員疏散環(huán)境危險來臨時刻為230 s，大于必需安全疏散時間200 s。在疏散過程中，庫內(nèi)人員始終是處于安全的環(huán)境，表明庫區(qū)設(shè)計排煙量是合理的。

7 結(jié)論

通過規(guī)范對比，采用理論分析及三維數(shù)值模擬方法，對某軌道交通地下雙層停車場防排煙設(shè)計進行了探討，相關(guān)結(jié)論及建議如下。

(1)當環(huán)形消防車道采用自然通風時，停車場內(nèi)防排煙系統(tǒng)的進、排風口應優(yōu)先利用車道上方天井設(shè)置，但設(shè)計應避免出現(xiàn)串煙問題，確保排煙口高于進風口、水平間距保持20m以上。

(2)咽喉軌行區(qū)、洗車線區(qū)域基本無可燃物且無人員長期停留，可不設(shè)置排煙設(shè)施。

(3)庫區(qū)火源分布以及煙氣擴散具有縱向特征，建議按1列車長控制防煙分區(qū)長邊長度，且防煙分區(qū)面積不宜>2 500 m2。

(4)庫房區(qū)域火災時，人員必需疏散時間短，所需排煙量參考GB 51298-2018《地鐵設(shè)計防火標準》給出的日本公式計算結(jié)果可行。

軌道交通地下停車場庫區(qū)空間高大，火災危險性較小，有其自身特點，探討思路及分析結(jié)論可為類似工程的防排煙系統(tǒng)設(shè)計提供參考。建議后續(xù)設(shè)計充分理解規(guī)范原理以及建筑消防設(shè)計特點，從工程經(jīng)濟建設(shè)角度出發(fā)，合理開展防排煙系統(tǒng)設(shè)計。