酈翀宇,韓 新,2,叢北華,2

(1.同濟(jì)大學(xué)上海防災(zāi)減災(zāi)研究所,上海 200092;2.同濟(jì)安泰工程防災(zāi)研發(fā)中心,上海 200032)

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步使人們的生活水平得到不斷改善,對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求也越來(lái)越高,國(guó)內(nèi)外許多大中城市紛紛修建軌道交通。地鐵在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來(lái)越重要作用的同時(shí),其安全性便成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),而地鐵車站的消防安全更是成為重中之重。盡管地鐵車站火災(zāi)發(fā)生的概率較低,但一旦發(fā)生火災(zāi)事故,極易導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,并造成極為惡劣的社會(huì)影響。

火災(zāi)發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的煙氣、高溫、缺氧是地鐵車站火災(zāi)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因。此外,火源離疏散出口過(guò)近,使得附近溫度較高,煙氣濃度過(guò)大,從而導(dǎo)致疏散出口不可使用也是一個(gè)重要因素。因此,地鐵車站空間的合理布局顯得尤為重要。目前,對(duì)于地鐵車站火災(zāi)煙氣特性的研究,主要集中在通風(fēng)方式以及排煙口布置等方面,對(duì)售票機(jī)火災(zāi)煙氣特性的研究還比較少。為了分析售票機(jī)空間布局對(duì)火災(zāi)煙氣特性的影響,并為實(shí)際工程提供可參考的依據(jù),本文以某城市在建的地鐵站站廳層為研究對(duì)象,基于FDS數(shù)值模擬方法,較為詳細(xì)分析了售票機(jī)在不同位置情況下,距離疏散出口最近的售票機(jī)起火場(chǎng)景對(duì)溫度、煙氣濃度、能見度等火災(zāi)特性影響,并在此基礎(chǔ)上,提出地鐵車站售票機(jī)和疏散處口之間較為合理的距離。

1 物理模型

1.1 軟件簡(jiǎn)介

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST National Institute of Standards and Technology)建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室(Building and Fire Research Laboratory)開發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件[1],該軟件采用先進(jìn)的大渦模擬技術(shù),得到眾多實(shí)例驗(yàn)證,在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。場(chǎng)模擬也稱物理模擬,是基于火災(zāi)過(guò)程的質(zhì)量、動(dòng)量、能量和化學(xué)反應(yīng)諸方面基本方程的一種高層次的復(fù)雜模擬[3]。

Pyrosim是在FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的前處理軟件,友好的可視化操作界面使得用戶可以輕松的完成建模、邊界條件設(shè)置、火源設(shè)置和燃燒材料設(shè)置等。在Pyrosim中完成建模后直接導(dǎo)出FDS文件,通過(guò)FDS模擬計(jì)算,得出溫度、煙氣濃度、能見度等煙氣特性數(shù)據(jù)。

1.2 幾何條件及火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)定

本文研究對(duì)象是某城市實(shí)際在建地鐵車站站廳層,位于地下一層,面積5 948 m2,層高4 m,排煙系統(tǒng)采用自然排煙方式。由于考慮售票機(jī)的布置方位對(duì)火災(zāi)煙氣特性的影響,因而假定離疏散出口最近的一臺(tái)售票機(jī)起火,即將火源設(shè)置在離疏散出口最近的售票機(jī)處。本文按照售票機(jī)(火源中心)和疏散出口中心B之間距離分別為d=12 m、15 m、18 m、21 m四個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景,其物理模型及火源位置如圖1所示。

圖1 某地鐵車站站廳層物理模型及售票機(jī)火源位置示意圖

由于火災(zāi)早期的發(fā)展與時(shí)間的平方成正比關(guān)系,因此通常稱之為t2火災(zāi),即Qf=αt2。在消防安全工程學(xué)中,這一計(jì)算方法常用于性能化防火設(shè)計(jì)中的火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)。美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 204M《排煙標(biāo)準(zhǔn)(Standard of Smoke and Heat Venting)》(2002年)中根據(jù)α的值定義了四種標(biāo)準(zhǔn)t2火災(zāi),即慢速火、中速火、快速火和超快速火。根據(jù)對(duì)本文計(jì)算對(duì)象內(nèi)可燃物——售票機(jī)的分析,設(shè)定火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)可取為快速火,α=0.047 kW/s2。

火災(zāi)在經(jīng)歷了早期的發(fā)展之后,將進(jìn)入完全燃燒階段,在這個(gè)階段火災(zāi)的熱釋放速率將達(dá)到最大。對(duì)完全燃燒和后期衰減過(guò)程,一般假設(shè)水系統(tǒng)有效控火條件下最大熱釋放速率保持不變。分析售票機(jī)火源特性,保守的取火災(zāi)熱釋放速率峰值為2 MW,對(duì)應(yīng)達(dá)到該最大熱釋放速率峰值的時(shí)間為206 s,火災(zāi)場(chǎng)景模擬時(shí)間為20 min(1 200 s)。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

按照地鐵車站站廳層外形尺寸及內(nèi)部布置情況建立數(shù)值計(jì)算模型,為更好的獲取計(jì)算結(jié)果,在疏散出口與站廳層連接處距地面2 m高的水平面上從左往右依次布置A、B、C三個(gè)測(cè)溫點(diǎn),另外每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)處同時(shí)進(jìn)行煙氣濃度、能見度的測(cè)量,如圖1所示。

2 FDS模擬結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)以上售票機(jī)中心與疏散出口中心距離分別為12 m、15 m、18 m、21 m四種工況的模擬計(jì)算,得出售票機(jī)在不同位置下地鐵車站的煙氣特性。本文截取900 s時(shí)各工況的溫度、煙氣濃度分布及可見度圖,如圖2,圖3,圖4所示?？梢灾庇^的看出售票機(jī)的位置對(duì)地鐵車站站廳層火災(zāi)特性有一定的影響,雖然整個(gè)地鐵車站站廳層溫度、煙氣濃度都尚未達(dá)到人體所能承受的最大限度,但從圖中可以明顯的看出,起火售票機(jī)距離疏散出口越近,在疏散出口附近的溫度越高,煙氣濃度越大,極大的影響了疏散出口的正常使用。對(duì)于可見度,在900 s時(shí),整個(gè)站廳層的可見度大部分已低于10 m,在疏散出口附近同樣是隨著售票機(jī)與疏散出口距離的減少而降低,對(duì)人員安全疏散產(chǎn)生了隱患。

圖2 900 s時(shí)各售票機(jī)火災(zāi)工況的溫度示意圖

圖3 900 s時(shí)各售票機(jī)火災(zāi)工況的CO2濃度示意圖

圖4 900 s時(shí)各售票機(jī)火災(zāi)工況的可見度示意圖

為更好的表達(dá)售票機(jī)和疏散出口距離與地鐵車站煙氣特性的關(guān)系,使得計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)化,在疏散出口附近布置了A、B、C三個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量溫度和煙氣濃度,得出數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 B測(cè)點(diǎn)溫度、煙氣濃度

從以上數(shù)據(jù)分析也可以得出和地鐵車站溫度場(chǎng),煙氣分布圖和可見度圖中相同的結(jié)論,即隨著售票機(jī)和疏散出口距離越近,疏散出口附近的溫度越高,煙氣濃度越大,對(duì)安全疏散影響越大。從B測(cè)點(diǎn)溫度和煙氣濃度表中還可以看出,當(dāng)售票機(jī)和疏散出口距離不小于15 m時(shí),對(duì)疏散出口的影響將相對(duì)減弱。因此,根據(jù)上述分析,本文提出售票機(jī)與疏散出口之間的距離應(yīng)該大于等于15 m為宜,以免售票機(jī)離疏散出口過(guò)近并因?yàn)榫€路故障起火而影響疏散出口的安全使用,造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)論

本文以某城市實(shí)際在建地鐵車站站廳層為研究對(duì)象,假定離疏散出口最近的售票機(jī)因線路故障起火,采用FDS軟件對(duì)不同售票機(jī)位置情況下火災(zāi)特性進(jìn)行模擬計(jì)算,考察不同售票機(jī)位置對(duì)地鐵車站站廳層煙氣特性的影響,通過(guò)分析圖表和數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:

(1)地鐵車站的空間布局對(duì)火災(zāi)煙氣特性影響較大,售票機(jī)是地鐵車站中的必須設(shè)備,容易出現(xiàn)故障而起火,它的擺放位置合理與否將對(duì)人員安全疏散產(chǎn)生重大影響,因而在實(shí)際工程中需對(duì)售票機(jī)的布局經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)論證后得出合理的布置方案。

(2)售票機(jī)離疏散出口越近,售票機(jī)起火后在疏散出口處的溫度越高,煙氣濃度越大,能見度越低,影響疏散出口的正常使用,對(duì)人員安全疏散產(chǎn)生隱患。

(3)模擬結(jié)果表明,當(dāng)售票機(jī)和疏散出口之間的距離大于等于15 m后,離疏散出口最近的售票機(jī)起火對(duì)疏散出口處的煙氣特性影響不大,相應(yīng)位置的溫度和煙氣濃度變化也不是很大,因此,售票機(jī)和疏散出口處的距離以不小于15 m為宜。

[1] Kevin B McGrattan,Howard R Baum,Ronald G Rehm,et al.Fire Dynamics Simulator(Version 3)-Technical Reference Guide[C]//Technical Report NISTIR 6783,national Institute of Stands and Technology Gaithersburg,MD 20899,June 1997.

[2] D Madrzykowski,R L Verrori.Simulation of the dynamics of the Fire at 3144 Cherry Road NE,Washington,DC May 30,1999[C]//Technical Report NISTIR6510,National Institute of Standards and Technology Gaithersburg,MD 20899,April2000.

[3] 叢北華,廖光煊,韋亞星.計(jì)算機(jī)模擬在火災(zāi)科學(xué)與工程研究中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003,23(2):63-69.

[4] 趙聲萍,鄭潔,仝慶貴,等.火源釋熱速率的實(shí)驗(yàn)研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2002(12):35-38.