地鐵車站站臺火災影響分析與人員疏散研究

王永飛

【摘 要】本文基于地鐵車站火災危害性分析，結合Pyrosim仿真軟件針對站臺火災發(fā)展及影響因素展開研究。主要考慮火災過程中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仿真模型，分析了火源熱釋放速率、數(shù)量及位置和通風系統(tǒng)排煙速率對火災發(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，研究了不同通風排煙措施對人員疏散的影響。

【關鍵詞】地鐵車站站臺；火災影響；人員疏散

一、站臺火災危害分析

地鐵站臺是乘客大量聚集候車、到達離開的場所，一旦發(fā)生火災將直接威脅大量乘客的安全。根據(jù)統(tǒng)計，火災中80%以上遇難者是因高溫煙氣以及有毒氣體致死的，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。

火災煙氣層高度低于人眼特征高度時，溫度超過100℃，高溫煙氣將直接灼燒人體呼吸道和表皮；隨著地鐵系統(tǒng)建設對阻燃材料和環(huán)保材料的要求，火災發(fā)生后主要的有毒氣體為缺氧狀態(tài)下產生的Co，當其濃度超過0.2%時將對人員構成傷害；站臺空間封閉狹小，發(fā)生火災將消耗大量氧氣，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、站臺火災仿真模型構建

1.計算流體動力學模型

火災發(fā)展過程可采用計算流體動力學進行分析，通過計算機和數(shù)值方法求解流體力學控制方程，對流動、換熱等相關物理現(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。計算流體動力學在分析火災煙氣流動規(guī)律時須遵循質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等物理定律。本文應用基于計算流動動力學的Pyrosim火災仿真軟件進行站臺火災發(fā)展因素研究。

2.火災煙氣擴散規(guī)律分析

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

經過研究，一般是站臺火災開始一段時間后，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)量和通風系統(tǒng)的排煙速率對火災發(fā)展的影響。

1.熱釋放速率。

地鐵車站站臺火災的熱釋放速率范圍通常在1.5～2.5MW。本文設置熱釋放速率為1.5MW、2.0MW、2.5MW、5.0MW的4個站臺中央火災場景，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。

仿真結果：火災熱釋放速率的增大導致同一時間點的火災危害程度加劇。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時段內對人員產生危害。熱釋放速率為5.0MW的場景中，火災開始不到200s時Co濃度超過臨界值，而可見度在120s時降低到13m以下。站臺火災發(fā)生后控制其燃燒強度和規(guī)模對確保人員安全至關重要。

2.火源數(shù)量與位置。

火源數(shù)量和位置對火災發(fā)展和人員疏散產生影響。本文設置單火源（站臺中央）、單火源（站臺一側，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）場景中，各危害因素的惡化趨勢最慢。在仿真時段500s內，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）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）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，站臺火災發(fā)生后應控制其數(shù)量并結合火災位置特點制定人員疏散策略。

3.通風排煙速率。

已有研究表明：站臺通風排煙系統(tǒng)可有效減輕火災煙氣對人員的危害。結合《地鐵設計規(guī)范（GB50157-2013）》和《建筑設計防火規(guī)范（GB50016-2014）》，本文設置站臺排煙系統(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，分析通風排煙速率對4個危害因素的影響。

仿真結果：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、結束語

掌握地鐵車站站臺火災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的基礎上，結合Pyrosim仿真軟件構建地鐵車站站臺火災仿真模型。分析了站臺內火災煙氣的擴散規(guī)律，并在此基礎上根據(jù)熱釋放速率、火源數(shù)量及位置，以及排煙速率的不同設計火災場景，探索這些因素變化對火災發(fā)展的影響，并結合通風策略對人員疏散時間和速度進行比較分析。所得研究結論為站臺火災發(fā)生時的應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.地鐵車站火災疏散仿真分析[J].科學技術與工程，2017，17（16）：333-337.

[2]田鑫.地鐵車站火災疏散研究[D].西南交通大學，2017.