羅佳程 錢雪軍

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 201804, 上海)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和疏散模型研究的深入,應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件和人員疏散仿真軟件,對(duì)地鐵站火災(zāi)人員疏散進(jìn)行仿真能夠快速獲得比較好的仿真效果,對(duì)于地鐵車站應(yīng)急疏散和安全管理具有很好的指導(dǎo)性作用。文獻(xiàn)[1]結(jié)合PyroSim仿真軟件對(duì)站臺(tái)火災(zāi)發(fā)展及影響因素進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]利用Pathfinder軟件對(duì)地鐵車站不同條件下的人員疏散特點(diǎn)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[3]通過(guò)地鐵站Pathfinder人員疏散仿真,得出總疏散時(shí)間受多種因素的影響。文獻(xiàn)[4]建立了基于FDS(火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬器)和Pathfinder的地鐵車站人員疏散模型,從人員逃生率和安全疏散可用時(shí)間利用率等方面進(jìn)行分析。

現(xiàn)有研究在判斷人員能否安全疏散時(shí)基本是通過(guò)比較各關(guān)鍵位置可用安全疏散時(shí)間(ASET)和必需安全疏散時(shí)間(RSET)來(lái)確定的。由于目前的人員疏散仿真軟件,如Pathfinder中人員的移動(dòng)和決策是不能隨著火災(zāi)過(guò)程中的溫度和CO體積分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的[5],所以其規(guī)劃出的路線可能會(huì)引導(dǎo)人員走進(jìn)危險(xiǎn)區(qū)域。為更準(zhǔn)確判斷地鐵站火災(zāi)人員能否安全疏散,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并避免人員走進(jìn)危險(xiǎn)區(qū)域,本文在綜合分析可用安全疏散時(shí)間和必需安全疏散時(shí)間的基礎(chǔ)上,通過(guò)將火災(zāi)模擬輸出結(jié)果加入到人員疏散仿真中,測(cè)量選定人員在整個(gè)疏散過(guò)程中自身位置實(shí)時(shí)的溫度、能見(jiàn)度和有效劑量分?jǐn)?shù)(fractional effective dose,FED)3個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo),并基于此對(duì)人員安全疏散提供指導(dǎo)性的建議。

1 關(guān)鍵性指標(biāo)與研究方法

1.1 關(guān)鍵性指標(biāo)

1) 溫度。當(dāng)?shù)罔F站發(fā)生火災(zāi)時(shí),過(guò)高的溫度會(huì)灼傷人體表面皮膚,高溫氣體的吸入也會(huì)導(dǎo)致人體不適,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){人員生命安全。

2) 能見(jiàn)度?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣具有遮光性,煙氣擴(kuò)散,能見(jiàn)度的降低會(huì)直接導(dǎo)致疏散阻礙的增加,威脅人員的安全疏散。

3) FED?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣中存在多種毒害氣體,吸收過(guò)量會(huì)導(dǎo)致人員中毒。FED是一種常用的衡量人體吸收毒害氣體程度的指標(biāo)[6],可用IFED表示,有:

IFED=IFED_COHCO2+IFED_O2

(1)

式中:

IFED——有害氣體的有效劑量分?jǐn)?shù);

IFED_CO——CO的有效劑量分?jǐn)?shù);

HCO2——CO2引起過(guò)度換氣的倍增因子;

IFED_O2——O2的有效劑量分?jǐn)?shù)。

(2)

式中:

CCO——CO的體積分?jǐn)?shù);

A——乘客每分鐘呼吸的空氣量,在輕活動(dòng)水平(步行逃生)下取25 L/min;

te——暴露時(shí)間,單位min;

D——碳氧血紅蛋白百分比,在輕活動(dòng)水平下取30%。

(3)

式中:

CCO2——CO2的體積分?jǐn)?shù)。

CCO2高于5%時(shí),CO2沒(méi)有毒性作用,但會(huì)刺激呼吸,從而增加CO的吸收速率。

(4)

式中:

CO2——O2的體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)高于閾值時(shí),低缺氧不會(huì)導(dǎo)致IFED的累積,據(jù)此,默認(rèn)只有當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)小于19.5%時(shí),才會(huì)控制IFED_O2項(xiàng)對(duì)于IFED累積的貢獻(xiàn)。

FED在人員穿越燃燒建筑物的過(guò)程中會(huì)持續(xù)積累,若FED大于0.1則說(shuō)明煙氣影響人員疏散,若FED大于0.8則說(shuō)明人員面臨嚴(yán)重傷亡威脅。

參照文獻(xiàn)[6]的人體耐受極限相關(guān)指標(biāo),以及NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems的要求,人員關(guān)鍵性指標(biāo)的約束條件可歸結(jié)為3點(diǎn):①溫度不超過(guò)60 °C;②能見(jiàn)度不低于10 m;③FED不超過(guò)0.8。

1.2 研究方法

基于地鐵站火災(zāi)人員疏散相關(guān)的研究成果,采用PyroSim和Pathfinder仿真軟件對(duì)地鐵站火災(zāi)與人員疏散進(jìn)行仿真,并將火災(zāi)模擬結(jié)果與人員疏散仿真相結(jié)合進(jìn)行分析,具體的研究思路如圖1所示。

圖1 地鐵站火災(zāi)人員安全疏散研究思路

2 地鐵站建模與火災(zāi)模擬仿真分析

2.1 地鐵站建模

采用PyroSim火災(zāi)模擬仿真軟件對(duì)上海軌道交通15號(hào)線某站進(jìn)行建模。該地鐵站為雙層島式地鐵站。站臺(tái)層公共區(qū)面積約為1 620.0 m2,有效長(zhǎng)度為135.0 m,寬度為12.0 m,共設(shè)置3組樓扶梯和1部無(wú)障礙電梯。站廳層公共區(qū)面積約為1 995.3 m2,有效長(zhǎng)度為101.8 m,寬度為19.6 m,設(shè)有4個(gè)對(duì)外出口。建立該站的PyroSim仿真模型如圖2所示。

圖2 某站的PyroSim仿真模型

乘客行李及衣物的主要化學(xué)成分通常為聚氨酯,易引起火災(zāi)。因此,在PyroSim仿真模型中,將乘客行李及衣物的燃燒反應(yīng)設(shè)定為聚氨酯燃燒[7]。此外,火災(zāi)增長(zhǎng)類型設(shè)定為快速t2增長(zhǎng)型[8],火災(zāi)發(fā)展系數(shù)為0.046 9 kW/s2。根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,火災(zāi)模擬運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為360 s。在各關(guān)鍵位置即樓梯口和出口距離地面上方1.6 m處分別設(shè)置溫度、CO體積分?jǐn)?shù)和能見(jiàn)度檢測(cè)器。為模擬較不利的火災(zāi)工況,火源熱釋放速率設(shè)置為1 250 kW/m2;火源大小為2 m×2 m;火源位置設(shè)置在站臺(tái)層樓梯1入口處。

2.2 火災(zāi)模擬仿真分析

在火災(zāi)模擬仿真分析中,采用溫度、CO體積分?jǐn)?shù)和能見(jiàn)度作為火災(zāi)到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的判據(jù),三者達(dá)到安全閾值的用時(shí)最小值即為安全疏散可用時(shí)間。根據(jù)NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems,火災(zāi)模擬仿真設(shè)定:①距地面高度h=1.6 m處溫度不超過(guò)60 °C;②h=1.6 m處CO體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)500×10-6;③h=1.6 m處能見(jiàn)度不低于10 m。

通過(guò)火災(zāi)模擬仿真得到,各關(guān)鍵位置的關(guān)鍵性指標(biāo)時(shí)程曲線如圖3所示。按各關(guān)鍵性指標(biāo)的閾值,進(jìn)一步分析得到可用安全疏散時(shí)間如表1所示。

表1 按關(guān)鍵性指標(biāo)閾值計(jì)算得到的ASET

a) 溫度

3 人員疏散仿真建模與分析

3.1 人員疏散仿真的建模

在PyroSim仿真模型的基礎(chǔ)上,采用Pathfinder軟件構(gòu)建Pathfinder仿真模型,進(jìn)行人員疏散仿真。站臺(tái)層兩側(cè)的樓梯組均由2部有效寬度為1.0 m的自動(dòng)扶梯和1部有效寬度為1.8 m的T型樓梯組成。T型樓梯位于站臺(tái)中部,其下梯段有效寬度為2.4 m,上梯段有效寬度為4.6 m。與4個(gè)出入口對(duì)應(yīng)設(shè)置了4個(gè)閘機(jī)組,每個(gè)閘機(jī)組均有6條閘機(jī)通道,閘機(jī)機(jī)箱寬度為0.18 m,閘機(jī)通道寬度為0.52 m。地鐵站Pathfinder仿真模型如圖4所示。

a) 站廳層

高峰時(shí)期的客運(yùn)量預(yù)測(cè)為13 581人次/h,高峰時(shí)期列車的發(fā)車間隔一般為220 s,即每列列車到站時(shí)的乘客數(shù)量約為830人。綜合考慮部分乘客等待、逗留等情況,本次人員疏散仿真的疏散人數(shù)按每列車到站的乘客數(shù)量乘以1.5倍綜合系數(shù)來(lái)計(jì)算,即可估算高峰時(shí)期該站內(nèi)需疏散人數(shù)為1 245人。仿真中的人員特征參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 Pathfinder仿真模型中的人員特征參數(shù)

3.2 人員疏散仿真的分析

人員疏散仿真分析采用最后一名人員離開(kāi)疏散區(qū)域所用的時(shí)間作為各關(guān)鍵位置的必需安全疏散時(shí)間。人員安全疏散成功的判定標(biāo)準(zhǔn)指人員在各關(guān)鍵疏散位置火災(zāi)到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)前從該區(qū)域全部撤離,即必需安全疏散時(shí)間小于可用安全疏散時(shí)間。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)測(cè)量在整個(gè)人員疏散過(guò)程中人員位置實(shí)時(shí)的溫度、能見(jiàn)度和FED三個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證各火災(zāi)工況下人員安全疏散情況,并基于此對(duì)人員安全疏散提出指導(dǎo)性的建議。

由于火源位置在站臺(tái)層樓梯1入口處,故在人員疏散仿真中設(shè)置樓梯1狀態(tài)為不可通行,其他樓梯狀態(tài)為正常通行。通過(guò)人員疏散仿真,得到樓梯口2、樓梯口3、1號(hào)口、2號(hào)口、3號(hào)口和4號(hào)口的必需安全疏散時(shí)間分別為139 s、137 s、172 s、172 s、37 s、172 s,均不超過(guò)各關(guān)鍵位置的可用安全疏散時(shí)間,由此初步判斷人員可以安全疏散。

為更準(zhǔn)確判斷人員能否安全疏散,本研究選擇疏散時(shí)間相對(duì)最長(zhǎng),且最后一名從各出口逃生的人員為對(duì)象,測(cè)量其所在位置的關(guān)鍵性指標(biāo)。由于3號(hào)口的必需安全疏散時(shí)間僅為37 s,故可認(rèn)為從3號(hào)口疏散的人員在整個(gè)疏散過(guò)程中是安全的。通過(guò)人員疏散仿真結(jié)果可知,從1號(hào)口、2號(hào)口及4號(hào)口疏散的最后一名人員分別是22號(hào)人員、956號(hào)人員及720號(hào)人員,其疏散用時(shí)均為172 s。仿真計(jì)算這3名人員所在位置的關(guān)鍵性指標(biāo)時(shí)程曲線,如圖5所示。

a) 22號(hào)人員

由圖5可知,在整個(gè)疏散過(guò)程中,22號(hào)和720號(hào)人員位置處溫度基本保持為20 °C(室溫),能見(jiàn)度保持為30 m,FED遠(yuǎn)小于0.8。由此可判斷,在整個(gè)疏散過(guò)程中22號(hào)人員和720號(hào)人員都是十分安全的。

由圖5還可看出:在起火后疏散時(shí)間t=132 s后,956號(hào)人員所處位置的溫度和FED均開(kāi)始上升,能見(jiàn)度開(kāi)始迅速下降;最高溫度升至30 °C左右,FED最終為8.4×10-4,均未達(dá)到危險(xiǎn)值;能見(jiàn)度波動(dòng)較大。在t=146 s時(shí),能見(jiàn)度降至8.5 m左右,且此次能見(jiàn)度低于臨界值(10.0 m)的時(shí)長(zhǎng)約為1 s;之后,能見(jiàn)度回升至10.0 m以上;疏散時(shí)間達(dá)161 s后,能見(jiàn)度再次降至10.0 m以下,并持續(xù)到172 s疏散完成后。

956號(hào)人員在不同t下的周圍環(huán)境及能見(jiàn)度模擬情況截圖如圖6所示。由圖6 a)可見(jiàn),t=146 s時(shí),956號(hào)人員位于2號(hào)閘機(jī)組前的位置。此時(shí),能見(jiàn)度第一次降到10.0 m以下,這是因?yàn)闊煔鈴恼九_(tái)層樓梯1入口處的火源位置沿著樓梯1向站廳層蔓延。盡管這次能見(jiàn)度低于10.0 m的狀況只持續(xù)了1 s左右,但周圍煙氣已經(jīng)積聚。

a) t=146 s時(shí)人員情況

由圖6 b)可知,t=161 s時(shí),956號(hào)人員位于2號(hào)閘機(jī)組與2號(hào)口之間。此時(shí)能見(jiàn)度已經(jīng)到達(dá)臨界值(10.0 m)。由仿真結(jié)果可知,其能見(jiàn)度在之后的疏散過(guò)程中會(huì)越來(lái)越低。這表明從2號(hào)口疏散的部分人員在整個(gè)疏散過(guò)程中并不是完全安全的,會(huì)存在能見(jiàn)度過(guò)低的危險(xiǎn)情況。

3.3 人員安全疏散措施建議

1) 由火災(zāi)模擬與關(guān)鍵性指標(biāo)時(shí)程曲線可知,能見(jiàn)度的下降對(duì)于人員安全疏散速度的影響最大。因此,應(yīng)在樓梯口、出口及關(guān)鍵路段增設(shè)應(yīng)急照明燈具和安全疏散標(biāo)志,確保人員在能見(jiàn)度較低的情況下仍能找到逃生方向。

2) 在t=146 s時(shí),956號(hào)人員往2號(hào)閘機(jī)組逃生過(guò)程中出現(xiàn)了短暫的能見(jiàn)度過(guò)低情況;在t=161 s之后,2號(hào)閘機(jī)通向2號(hào)口的通道能見(jiàn)度低于臨界值(10.0 m),不能再安全疏散人員。因此,在起火146 s之后,應(yīng)安排專業(yè)人員通過(guò)廣播或其他方式來(lái)引導(dǎo)滯后的需疏散人員前往1號(hào)口和4號(hào)口疏散。

3) 分析人員疏散全過(guò)程可以發(fā)現(xiàn):火災(zāi)發(fā)生之初,火勢(shì)發(fā)展較為緩慢,故站臺(tái)層人員都能基本不受影響地到達(dá)樓梯入口處;當(dāng)疏散人數(shù)過(guò)多時(shí),往往會(huì)在樓梯口堵塞很久,影響人員疏散效率。因此,可在火災(zāi)發(fā)生時(shí)設(shè)置自動(dòng)扶梯向上運(yùn)行,并在樓梯口處增設(shè)引導(dǎo)人員有序引流,以提高人員疏散效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用PyroSim軟件和Pathfinder仿真軟件建立了上海軌道交通15號(hào)線某地鐵站火災(zāi)人員疏散模型。通過(guò)模型仿真計(jì)算得到,地鐵站各關(guān)鍵位置必需安全疏散時(shí)間均不超過(guò)可用安全疏散時(shí)間,由此初步判斷站內(nèi)人員均能安全疏散。

通過(guò)對(duì)選定人員實(shí)時(shí)關(guān)鍵性指標(biāo)的測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn),從2號(hào)口疏散的部分人員在整個(gè)疏散過(guò)程中并不是完全安全的,會(huì)存在能見(jiàn)度過(guò)低的危險(xiǎn)情況?；谠摻Y(jié)果并結(jié)合人員的整個(gè)疏散過(guò)程,對(duì)地鐵站火災(zāi)人員安全疏散提出了指導(dǎo)性的措施建議。