劉新蕾 沈 斌 宋曉陽 吳良猛

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

近年來，隨著城市交通量不斷增長，地鐵的建造與使用已經(jīng)成為城市交通發(fā)展的一種趨勢，地鐵的發(fā)展在為人類帶來便捷的同時也存在著一些事故發(fā)生，其中火災(zāi)事故發(fā)生頻率較高，形勢十分嚴(yán)峻[1,2]。研究地鐵火災(zāi)，有助于提升人員應(yīng)對能力，減少人員傷害和財產(chǎn)損失。FDS(Fire Dynamics Simulator)技術(shù)因其較好的預(yù)測精準(zhǔn)性，成為了眾多學(xué)者研究地鐵火災(zāi)煙氣流動的重要研究手段[3,4]。張文斌[5]利用FDS軟件對地下軌道交通車站的火災(zāi)效果進(jìn)行模擬研究，充分考察了該軟件在實際工程中的模擬需求，并根據(jù)模擬結(jié)果提出了優(yōu)化方法。鐘帥等[6]以FDS模擬軟件為技術(shù)手段，將排煙模式考慮在內(nèi)，對分離島式車站的火源情況進(jìn)行了模擬，得出煙氣溫度、CO濃度及煙氣流動的變化情況。以上研究為地鐵火災(zāi)研究提供了參考，然而對于地鐵排煙系統(tǒng)的相關(guān)研究尚未開展。

通常地鐵車站為封閉的地下空間，合理的機(jī)械排煙方式能夠有效抑制地鐵火災(zāi)中的煙氣蔓延，從而為人員疏散提供更多的時間。鑒于此，為了得出地鐵站排煙方式的影響，本文以哈爾濱某島式地鐵站站廳火災(zāi)為例，采用FDS軟件模擬研究火災(zāi)在站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉、半開、全開三種工況下的煙氣擴(kuò)散狀況。

1 計算模型及場景設(shè)定

1.1 計算模型

哈爾濱市某地鐵車站共為兩層，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，總建筑面積為15 151.37 m2，上下層均有通風(fēng)系統(tǒng)，其中進(jìn)風(fēng)口共有48個，排風(fēng)口24個，側(cè)邊機(jī)械排煙措施設(shè)置在站廳東西兩端，簡化模型如圖1所示。本次模擬以1∶1的比例建立物理模型，共設(shè)置了105 600個25 mm的網(wǎng)格，站廳部分的長為95 m，寬為24 m，站廳層與外部空間連接有4個出入口，此區(qū)域的頂部有12個排風(fēng)口和24個進(jìn)風(fēng)口，通風(fēng)面積為12.96 m2。該站廳總面積為2 280 m2，根據(jù)GB 50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定，計算出站廳層的總排煙量為1.36×105m3/h，考慮實際情況中存有設(shè)備故障漏風(fēng)現(xiàn)象，設(shè)置每個排風(fēng)口的風(fēng)量為8 m/s，兩側(cè)機(jī)械排煙的排風(fēng)量各為20 m3/s。由于該站廳設(shè)備管理房經(jīng)常關(guān)閉，除站內(nèi)工作人員外不可進(jìn)入，火災(zāi)較難發(fā)生，樓梯處不設(shè)擋煙垂壁，本文僅對不同排煙方式進(jìn)行研究。

1.2 火災(zāi)場景設(shè)定

火災(zāi)場景的設(shè)定決定著站內(nèi)火勢的發(fā)展，本著保守和最不利的原則，即考慮火災(zāi)最嚴(yán)重的發(fā)生及后果來進(jìn)行設(shè)定[7]。根據(jù)某地鐵站站廳火災(zāi)的排煙系統(tǒng)開閉與半開閉狀態(tài)，選取離機(jī)械排煙口較遠(yuǎn)的站廳中心位置設(shè)為火源，分為三種不同工況：1)排煙系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)，通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械排煙均關(guān)閉；2)排煙系統(tǒng)半開狀態(tài)，通風(fēng)系統(tǒng)開啟，但機(jī)械排煙口關(guān)閉；3)排煙系統(tǒng)全開狀態(tài)，通風(fēng)系統(tǒng)與機(jī)械排煙都開啟。站廳有火災(zāi)時，打開站臺進(jìn)風(fēng)和站廳排風(fēng)，關(guān)閉站廳進(jìn)風(fēng)和站臺排風(fēng)，以促進(jìn)站廳中煙氣的流動。站廳中最主要的可燃物是電梯設(shè)備維修或者人員攜帶易燃易爆物品，火源發(fā)展系數(shù)為0.046 9 kW/s2，在FDS仿真中將熱釋放速率設(shè)定為3 MW/m2。

根據(jù)火源的不同位置，模型中設(shè)置了溫度、煙氣濃度、能見度的監(jiān)測切片，切片的位置在出入口1,3和2,4之間Y=27 m處和站廳1.6 m高的Z=11.6 m處，并在4個出入口的附近設(shè)置監(jiān)測點，分別測定出入口處溫度，CO濃度，能見度情況。根據(jù)GB 50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范中的火災(zāi)發(fā)生所需最長疏散時間為6 min的要求，設(shè)置本次模擬的時間。取疏散人員的平均身高為1.6 m，將人員的安全疏散時間約束為三個條件：1)煙氣溫度不高于60 ℃；2)一氧化碳濃度不高于225 ppm；3)能見度不低于10 m。對各疏散情景結(jié)果進(jìn)行安全判定并分析人員的安全疏散，模擬效果取計算機(jī)模擬結(jié)束為止。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度分析

在觀察火源從開始到結(jié)束的溫度變化后，設(shè)置黑色區(qū)域為溫度極限值60 ℃，本次模擬中站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉、半開和全開三種工況的Y=27 m切片，如圖2所示。

根據(jù)圖2中的溫度切片變化，可以看出，三種火災(zāi)工況下，站廳中間部分的溫度首先達(dá)到最高，普遍在60 ℃以上，高溫?zé)煔怆S著火災(zāi)發(fā)生，先垂直上升，到達(dá)站廳頂部后向左右兩側(cè)逐漸擴(kuò)散，造成了站廳兩側(cè)高溫對稱狀分布。根據(jù)在站廳安全出入口附近的監(jiān)測點數(shù)據(jù)得出三種工況溫度變化圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，工況一：站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉條件下，安全出入口1,2,3,4處的溫度達(dá)到60 ℃的時間分別為132 s,133 s,123 s,125 s；工況二：站廳排煙系統(tǒng)半開條件下，安全出入口1,2,3,4處的溫度在360 s內(nèi)，溫度較高但始終未達(dá)到60 ℃；工況三：站廳排煙系統(tǒng)全開條件下，安全出入口1,2,3,4處的溫度在360 s內(nèi)同樣未能達(dá)到60 ℃，且溫度低于40 ℃，對人員疏散不構(gòu)成威脅。通過分析可知，高溫?zé)煔庠谡緩d中呈對稱分布，高溫隨煙氣的擴(kuò)散首先會在站廳中心靠近火源位置的上方，后隨著頂部的墻壁向兩側(cè)蔓延，工況一、工況二、工況三中兩側(cè)墻壁處的溫度達(dá)到60 ℃的時間分別為60 s,120 s,180 s。

2.2 CO濃度分布

本研究取黑色區(qū)域為CO濃度極限值225 ppm，選取Y=27平面的站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉、半開和全開三種工況的CO濃度切片圖，如圖4所示。

根據(jù)圖4中的CO濃度切片分布得出， CO氣體會隨著煙氣流動，呈扇形狀向四周擴(kuò)散，在工況一和工況二中，CO氣體濃度在模擬結(jié)束時充滿整個切片，且兩側(cè)靠墻位置的情況比較嚴(yán)重；而工況三中，CO氣體向站廳外排出很多，始終未能達(dá)到全覆蓋。根據(jù)在安全出入口附近的監(jiān)測點數(shù)據(jù)得出三種工況下CO氣體濃度變化圖如圖5所示。

從圖5可以看出，工況一：站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉條件下，安全出入口1，2，3，4處的CO濃度達(dá)到225 ppm的時間分別為60 s，63 s，67 s，61 s；工況二：站廳排煙系統(tǒng)半開條件下，安全出入口1，2，3，4處的CO濃度達(dá)到225 ppm的時間分別為85 s，80 s，85 s，89 s，相比于工況一的時間平均增加了22 s；工況三：站廳排煙系統(tǒng)全開條件下，安全出入口1，2，3，4處的CO濃度普遍低于220 ppm，對站廳疏散人員威脅較輕。通過分析得知，CO氣體由于本身較輕，會隨著空氣流動或火災(zāi)發(fā)展而向四周快速蔓延，在火源燃燒一定時間后，濃度趨于飽和，此時頂部分布較多，因此人員在疏散時應(yīng)盡量俯身低頭前行。

2.3 能見度分布

站廳底部的高度為10 m，人員眼睛高度取1.6 m。本研究以黑色區(qū)域為能見度極限值10 m，得出站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉、半開和全開三種工況的Z=11.6 m切片圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，切片能見度隨兩側(cè)墻壁向中心逐漸下降，工況一的安全出口處能見度達(dá)到極限值最早，360 s時工況一、工況二的可見范圍大小相近，有機(jī)械排煙口的工況三切片可見范圍較大。為了能夠更清楚地表示不同出口處的煙氣濃度變化，本次模擬還得出了各個出入口能見度監(jiān)測點的變化圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，工況一：站廳排煙系統(tǒng)關(guān)閉條件下，安全出入口1，2，3，4處的極限時間分別為79 s，67 s，68 s，66 s；工況二：站廳排煙系統(tǒng)半開條件下，安全出入口1，2，3，4處的極限時間分別為111 s，134 s，150 s，104 s；工況三：站廳排煙系統(tǒng)全開條件下，安全出入口1，2，3，4處的極限時間分別為226 s，188 s，190 s，226 s，相比于工況二的時間又平均增加了82 s，可以看出站廳有機(jī)械排煙的能見度效果較以上兩種好一些。由于煙氣的四周擴(kuò)散，能見度不足10 m的煙氣在四周墻壁處的能見度較低，十分不利于人員的逃生。

2.4 安全疏散時間確定

安全疏散時間(ASET)作為人員安全疏散分析中的一項性能化判定標(biāo)準(zhǔn)。筆者結(jié)合各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)，得出該車站站廳的安全疏散表，如表1所示。

表1 安全疏散時間統(tǒng)計表 s

從表1中可以看出：當(dāng)火災(zāi)后人員最好在1 min之內(nèi)完成疏散，并且對比不同工況，發(fā)現(xiàn)地鐵站廳有機(jī)械排煙時，最長逃生時間可以達(dá)到226 s，效果要好于僅有通風(fēng)系統(tǒng)和無排煙系統(tǒng)兩種工況，平均增加安全疏散時間為125 s和220 s。

3 結(jié)論

本文以某地鐵站為例，采用FDS軟件建立了地鐵站的物理模型，運用數(shù)值模擬法，以火災(zāi)發(fā)生過程中的環(huán)境溫度、CO濃度、能見度為指標(biāo)，研究了哈爾濱某地鐵站站廳內(nèi)不同火源位置的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散狀況，結(jié)果表明：

1)分析站廳火災(zāi)煙氣蔓延趨勢，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散速率一般由大到小，一般會先豎直向上到頂部后，再沿著站廳頂部墻壁向兩邊擴(kuò)散，最終呈對稱性分布，兩側(cè)墻壁處的危害性較大。通過對比三種工況的數(shù)據(jù)變化圖，發(fā)現(xiàn)四個出入口處的溫度、CO濃度、能見度具有不同的飽和值，隨著時間的增長，三種危害因素會有一定減小的趨勢。

2)通過對比三種工況下四個安全出口的安全疏散時間，發(fā)現(xiàn)機(jī)械排煙設(shè)備開啟情況下，可以有效抑制火災(zāi)發(fā)生時溫度、CO濃度及環(huán)境可見度的影響，平均增加安全疏散時間為125 s和220 s，對地鐵站發(fā)生火災(zāi)時的人員疏散具有極大的幫助。