王永飛

【摘 要】本文基于地鐵車站火災(zāi)危害性分析，結(jié)合Pyrosim仿真軟件針對站臺火災(zāi)發(fā)展及影響因素展開研究。主要考慮火災(zāi)過程中Co濃度、O2濃度、溫度及可見度4種主要危害因素，以西直門地鐵站2號線站臺為例建立火災(zāi)仿真模型，分析了火源熱釋放速率、數(shù)量及位置和通風(fēng)系統(tǒng)排煙速率對火災(zāi)發(fā)展過程主要危害因素的影響；并對煙氣毒性和可見度建立了基于FED的疏散仿真模型，研究了不同通風(fēng)排煙措施對人員疏散的影響。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站站臺；火災(zāi)影響；人員疏散

一、站臺火災(zāi)危害分析

地鐵站臺是乘客大量聚集候車、到達離開的場所，一旦發(fā)生火災(zāi)將直接威脅大量乘客的安全。根據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中80%以上遇難者是因高溫?zé)煔庖约坝卸練怏w致死的，其危害性主要體現(xiàn)在高溫危害、煙氣毒性、缺氧，以及可見度降低等方面。

火災(zāi)煙氣層高度低于人眼特征高度時，溫度超過100℃，高溫?zé)煔鈱⒅苯幼茻梭w呼吸道和表皮；隨著地鐵系統(tǒng)建設(shè)對阻燃材料和環(huán)保材料的要求，火災(zāi)發(fā)生后主要的有毒氣體為缺氧狀態(tài)下產(chǎn)生的Co，當其濃度超過0.2%時將對人員構(gòu)成傷害；站臺空間封閉狹小，發(fā)生火災(zāi)將消耗大量氧氣，當氧氣濃度低于10%時，人的運動能力基本喪失；火災(zāi)煙氣中存在大量懸浮固體和液體顆粒，造成附近空間的可見度下降，對建筑物不熟悉時需保證至少13米的可見度。

二、站臺火災(zāi)仿真模型構(gòu)建

1.計算流體動力學(xué)模型

火災(zāi)發(fā)展過程可采用計算流體動力學(xué)進行分析，通過計算機和數(shù)值方法求解流體力學(xué)控制方程，對流動、換熱等相關(guān)物理現(xiàn)象進行模擬，其基本思想為：用一系列離散點上的變量值來代替時間域和空間域上的連續(xù)物理量場，通過一定的原則和方式建立反映這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。計算流體動力學(xué)在分析火災(zāi)煙氣流動規(guī)律時須遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等物理定律。本文應(yīng)用基于計算流動動力學(xué)的Pyrosim火災(zāi)仿真軟件進行站臺火災(zāi)發(fā)展因素研究。

2.火災(zāi)煙氣擴散規(guī)律分析

火災(zāi)過程中煙氣隨著時間推移在空間范圍內(nèi)擴散變化，通過模擬站臺不同位置在火災(zāi)過程中的Co和O2濃度、溫度，以及可見度的變化規(guī)律，可掌握火災(zāi)煙氣擴散規(guī)律，為控制火災(zāi)發(fā)展及制定人員疏散策略提供支持。

經(jīng)過研究，一般是站臺火災(zāi)開始一段時間后，Co濃度和煙氣溫度呈現(xiàn)較穩(wěn)定的增長趨勢，O2和可見度呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢。具體分析如下：

（1）距離火源越遠，Co和O2的濃度越早由穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生增長或降低的趨勢。例如，距離火源5m處，Co和O2的濃度在火災(zāi)發(fā)生后200s時分別呈現(xiàn)增長和降低的趨勢；距離火源30m處，則在130s時出現(xiàn)類似變化趨勢。

（2）距離火源越近，煙氣溫度越早開始出現(xiàn)小幅度增加后保持平穩(wěn)的態(tài)勢，隨后快速增長一段時間后趨緩；可見度則越早出現(xiàn)下降趨勢。例如，距離火源5m處，火災(zāi)發(fā)生60s后煙氣溫度明顯升高后保持平穩(wěn)；200s時開始快速增長，增長趨勢隨時間逐漸減緩。

進一步分析，與火源距離超過5m后上述各指標受空間距離影響較小。例如，距離火源5m和30m處，火災(zāi)發(fā)生500s時，O2的濃度分別降低到20.15%和20%，可見度分別降低至8m和7m。顯然，火災(zāi)發(fā)生一段時間后各危害因素在時間上的變化比空間位置的改變更顯著。因此，站臺發(fā)生火災(zāi)后要充分利用好初期近200s的時間盡快疏散人員。

三、站臺火災(zāi)發(fā)展影響因素仿真分析

本文以北京地鐵西直門站2號線站臺為例，分析火源熱釋放速率、火源位置與數(shù)量和通風(fēng)系統(tǒng)的排煙速率對火災(zāi)發(fā)展的影響。

1.熱釋放速率。

地鐵車站站臺火災(zāi)的熱釋放速率范圍通常在1.5～2.5MW。本文設(shè)置熱釋放速率為1.5MW、2.0MW、2.5MW、5.0MW的4個站臺中央火災(zāi)場景，對站臺最遠端處Co和O2濃度、煙氣溫度，以及可見度隨時間變化規(guī)律進行分析。

仿真結(jié)果：火災(zāi)熱釋放速率的增大導(dǎo)致同一時間點的火災(zāi)危害程度加劇。Co和O2濃度，以及煙氣溫度隨熱釋放速率的增加呈現(xiàn)急劇變化，例如熱釋放速率為5.0MW的場景，上述3個危害因素較其他3個場景急劇惡化；而可見度變化趨勢不同，火災(zāi)開始100s后，熱釋放速率為5.0MW的場景可見度開始且下降速度較快，300s后趨緩且與其他場景可見度差距縮小。

4個場景中，Co濃度和可見度均接近或超過表1中的臨界值，在500s時段內(nèi)對人員產(chǎn)生危害。熱釋放速率為5.0MW的場景中，火災(zāi)開始不到200s時Co濃度超過臨界值，而可見度在120s時降低到13m以下。站臺火災(zāi)發(fā)生后控制其燃燒強度和規(guī)模對確保人員安全至關(guān)重要。

2.火源數(shù)量與位置。

火源數(shù)量和位置對火災(zāi)發(fā)展和人員疏散產(chǎn)生影響。本文設(shè)置單火源（站臺中央）、單火源（站臺一側(cè)，距站臺一端14站臺長度處）和雙火源（分別位于距站臺兩端14站臺長度處）3個場景，分析站臺遠端處4個危害因素隨時間的變化規(guī)律。仿真結(jié)果：雙火源場景中，各危害因素的惡化趨勢較單火源場景迅速得多；單火源（站臺一側(cè)）場景中，各危害因素的惡化趨勢最慢。在仿真時段500s內(nèi)，3個場景的可見度均下降至臨界值以下，其中雙火源場景約在200s時達到臨界值以下；雙火源和單火源（站臺一側(cè)）場景的Co濃度也下降至臨界值以下，前者約在280s時達到臨界值以下。顯然，多火源對人員的危害顯著，處于火源間的人員疏散存在較大困難；單火源（站臺一側(cè)）場景時，遠離火源一端的人員危害較小，具有較好的疏散條件。因此，站臺火災(zāi)發(fā)生后應(yīng)控制其數(shù)量并結(jié)合火災(zāi)位置特點制定人員疏散策略。

3.通風(fēng)排煙速率。

已有研究表明：站臺通風(fēng)排煙系統(tǒng)可有效減輕火災(zāi)煙氣對人員的危害。結(jié)合《地鐵設(shè)計規(guī)范（GB50157-2013）》和《建筑設(shè)計防火規(guī)范（GB50016-2014）》，本文設(shè)置站臺排煙系統(tǒng)排煙速率分別為3m/s、6m/s和9m/s的3個場景，與無排煙場景對比，分析通風(fēng)排煙速率對4個危害因素的影響。

仿真結(jié)果：排煙系統(tǒng)的使用可有效降低各危害因素的危害程度。例如，只有無排煙場景的Co濃度超過了臨界值，無排煙和排煙速率為3m/s的2個場景的可見度降至13m以下。隨著排煙速率的增大，煙氣危害程度也明顯下降。例如，排煙速率為9m/s的場景中，煙氣溫度可控制在30℃以下，可見度可控制在20m以上，Co濃度也遠低于0.2%的臨界值。但是，排煙系統(tǒng)會對煙氣流動產(chǎn)生擾動，排煙速率越大，各危害因素的變化趨勢波動程度越大。

四、結(jié)束語

掌握地鐵車站站臺火災(zāi)對人員的危害性及其發(fā)展規(guī)律是確保安全運營和人員高效疏散的前提。本文在計算流體動力學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Pyrosim仿真軟件構(gòu)建地鐵車站站臺火災(zāi)仿真模型。分析了站臺內(nèi)火災(zāi)煙氣的擴散規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)熱釋放速率、火源數(shù)量及位置，以及排煙速率的不同設(shè)計火災(zāi)場景，探索這些因素變化對火災(zāi)發(fā)展的影響，并結(jié)合通風(fēng)策略對人員疏散時間和速度進行比較分析。所得研究結(jié)論為站臺火災(zāi)發(fā)生時的應(yīng)急措施和人員疏散提供依據(jù)。

【參考文獻】

[1]田鑫，蘇燕辰，李冬，席亞軍.地鐵車站火災(zāi)疏散仿真分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（16）：333-337.

[2]田鑫.地鐵車站火災(zāi)疏散研究[D].西南交通大學(xué)，2017.