本文摘要：摘要:地鐵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密集度高、疏散路線長等特點給人們的日常出行帶來了巨大的隱患，使其在發(fā)生火災(zāi)時極易造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟損失。為了優(yōu)化地鐵火災(zāi)時站內(nèi)人員的疏散方案以更好的確保人們的出行安全，以哈爾濱市某島式地鐵站為例，采用FDS(Fire
摘要:地鐵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密集度高、疏散路線長等特點給人們的日常出行帶來了巨大的隱患，使其在發(fā)生火災(zāi)時極易造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟損失。為了優(yōu)化地鐵火災(zāi)時站內(nèi)人員的疏散方案以更好的確保人們的出行安全，以哈爾濱市某島式地鐵站為例，采用FDS(FireDynamicsSimulator)軟件模擬火災(zāi)時站廳內(nèi)有、無噴淋系統(tǒng)兩種工況下煙氣的蔓延情況。通過對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析得出:兩種工況下人員的最長安全疏散時間分別為70s，188s;噴淋系統(tǒng)在一定程度上優(yōu)化了火災(zāi)場景內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)從而延長了疏散時間。
關(guān)鍵詞:島式地鐵，F(xiàn)DS，數(shù)值模擬，噴淋系統(tǒng)，安全疏散
0引言
隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為社會日常運轉(zhuǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠�，在其給人類生活帶來便利的同時也很大程度上復(fù)雜化了人們?nèi)粘Ｉ畹陌踩h(huán)境。根據(jù)地鐵事故統(tǒng)計可以看出，地鐵火災(zāi)事故居多且地鐵火災(zāi)引起的傷亡人數(shù)往往較多[1，2]。
因此研究地鐵火災(zāi)對地鐵火災(zāi)防治和降低火災(zāi)時的人員傷亡及經(jīng)濟損失具有重要意義。噴淋系統(tǒng)反應(yīng)迅速能實現(xiàn)主動滅火，是十分有效的防火措施。我國有不少學(xué)者對噴淋系統(tǒng)在地鐵火災(zāi)防治中的作用進行了研究，例如張巨龍[3]結(jié)合了地鐵車站火災(zāi)的特殊性，通過對比自動噴淋系統(tǒng)的優(yōu)缺點，分析設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)的必要性以及適用性;劉曉峰[4]對地鐵水消防系統(tǒng)的設(shè)計進行了探討，對地鐵站內(nèi)是否有必要設(shè)置噴淋系統(tǒng)進行了探討;馬金梅[5]對噴淋系統(tǒng)作用下地鐵火災(zāi)煙氣的控制進行了研究，說明了在噴淋系統(tǒng)作用下不同排煙方式對火災(zāi)環(huán)境的改變情況;以上研究均對噴淋系統(tǒng)在地鐵火災(zāi)防治中的作用進行了研究，但均為利用相關(guān)模擬軟件單純針對噴淋系統(tǒng)的作用效果進行實際的數(shù)值模擬驗證，其主要原因在于對于地鐵而言，噴淋系統(tǒng)不具有普遍適用性，對其是否應(yīng)在地鐵站內(nèi)使用仍存在一定的爭論[4]。
但是對于適用噴淋系統(tǒng)的地鐵站而言，利用數(shù)值模擬軟件對噴淋系統(tǒng)作用下的火災(zāi)發(fā)展情況進行研究仍具有十分重要的意義。FDS作為一款場模擬軟件，為火災(zāi)的動力學(xué)研究提供了大量的有效工具[6]，因此，本文以哈爾濱某島式地鐵站站廳火災(zāi)為例，采用FDS軟件模擬研究噴淋系統(tǒng)對地鐵站廳內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的煙氣流動以及環(huán)境參數(shù)所產(chǎn)生的影響。
1計算模型及場景設(shè)定
1.1計算模型
1)物理模型:哈爾濱市某地鐵車站共為2層，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，總建筑面積15151.37m2。本次研究針對于站廳層火災(zāi)，在不影響模擬結(jié)果情況下，為簡化模擬過程提高軟件數(shù)值模擬效率，主要建立站廳層的1∶1物理模型，站廳部分的長為95m，寬為24m，站廳層與外部空間連接有4個出入口。2)設(shè)置火源:目前，站廳內(nèi)部裝修主要采用阻燃或不燃材料，因此考慮主要火災(zāi)載荷為乘客隨身攜帶的行李物品，對于該類物品引發(fā)的火災(zāi)結(jié)合相關(guān)文獻研究[7]取火源熱釋放速率為3MW，熱釋放速率可用式(1)表達。結(jié)合人員的流動特點及地鐵站內(nèi)主要電氣設(shè)備位置，將火源設(shè)置在人員流動較為密集的扶梯附近，即站廳中部區(qū)域。
1.2火災(zāi)場景設(shè)定
火災(zāi)場景的設(shè)置直接影響著火災(zāi)發(fā)生時煙氣的蔓延情況，也決定了我們對火災(zāi)發(fā)生時環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測方式;研究中分別分析了兩種工況下的火災(zāi)煙氣蔓延情況和環(huán)境參數(shù)變化情況，這兩種工況分別是:有噴淋系統(tǒng)、無噴淋系統(tǒng)，監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)主要有:CO濃度、能見度、溫度，通過切片觀察各項參數(shù)在某一指定平面上的變化情況以確定危險區(qū)域的大小變化情況，通過探測器觀察各參數(shù)在某一指定點處各項參數(shù)隨時間的變化情況，其給出了各環(huán)境參數(shù)在對應(yīng)點處隨時間變化的具體數(shù)值。
模型中設(shè)置了溫度、煙氣濃度、能見度切片，各切片的設(shè)置主要根據(jù)人的平均眼高、樓梯口的位置、安全出口的位置而定，模型中在Z=11.6m，Y=17m以及Y=38m處同時設(shè)置了溫度、CO濃度和能見度切片;在站廳的四個出口處分別設(shè)置了溫度探測器和CO濃度探測器。根據(jù)GB50157—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6min的要求，設(shè)置本次模擬的時間。取疏散人員的平均身高為1.6m，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225ppm;3)能見度不低于10m。對各疏散情景結(jié)果進行安全判定并分析人員的安全疏散，模擬效果取計算機模擬結(jié)束為止。
2結(jié)果與分析
2.1溫度分析
1)由溫度切片Z=11.6m的對比結(jié)果也可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，在站廳中部著火117s時站廳大部分區(qū)域的溫度達到60℃以上，在安裝自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火360s后仍只有火源周圍小部分區(qū)域的溫度達到60℃以上;2)由溫度切片Y=17m的對比結(jié)果也可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，在站廳中部著火95s時站廳3號、4號安全出口處大部分區(qū)域達到60℃及以上，在安裝自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火360s后站廳火源周圍豎向空間溫度超過了60℃，但3號、4號安全出口處的溫度值仍處于安全范圍內(nèi); 3)由溫度切片Y=38m的對比結(jié)果也可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，在站廳中部著火106s時站廳1號、2號安全出口處大部分區(qū)域達到60℃及以上，在安裝自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火360s后站廳1號、2號安全出口側(cè)的整層空間任何位置均未達到危險值。
從中各熱電偶的數(shù)值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6m處的溫度變化趨勢基本相同，相較而言，3號、4號安全出口Z=11.6m處溫度在T=126s時幾乎同時達到60℃，1號安全出口Z=11.6m處溫度在T=131s時達到60℃，2號安全出口Z=11.6m處溫度在T=140s時達到60℃;在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6m處的溫度變化趨勢基本相同，相較而言，3號、4號安全出口在Z=11.6m處的溫度在T=70s后基本維持在一個相同的水平，并在該水平上下波動著，且始終位置在21℃附近遠低于60℃這一危險值，對于1號、2號安全出口，在火災(zāi)發(fā)生100s后，它們在Z=11.6m處的溫度不再出現(xiàn)變化，而是維持在20℃這一室溫水平。
2.2能見度分析
1)由能見度切片Z=11.6m可以看出，在無任何消防設(shè)施時，在站廳中部著火173s時站廳大部分區(qū)域的能見度不足10m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火236s時站廳所有區(qū)域的能見度不足10m;2)由能見度切片Y=17m可以看出，在無任何消防設(shè)施時，在站廳中部著火146s時，站廳3號、4號安全出口處大部分區(qū)域能見度不足10m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火162s后站廳3號、4號安全出口一側(cè)的上層空間的能見度全部處于不足10m的狀態(tài)并淹沒3號、4號安全出口全部區(qū)域;3)由能見度切片Y=38m可以看出，在無任何消防設(shè)施時，在站廳中部著火142s時，站廳1號、2號安全出口處大部分區(qū)域能見度不足10m，在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，在站廳中部著火239s后站廳1號、2號安全出口一側(cè)的上層空間的能見度全部處于不足10m的狀態(tài)并淹沒1號、2號安全出口全部區(qū)域。
從中各能見度探測器的數(shù)值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設(shè)施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6m處的能見度變化趨勢具有較為明顯的差異，其中3號、4號安全出口處能見度變化情況較為一致，1號、2號安全出口處能見度變化趨勢較為一致，相較而言，3號、4號安全出口Z=11.6m處能見度最早降低至10m這一危險臨界值，大約在T=60s時刻，1號、2號安全出口Z=11.6m處能見度在火災(zāi)發(fā)生了一段時間后才降低至危險臨界值，大約在T=200s時刻，1號安全出口Z=11.6m處能見度比2號安全出口處稍早數(shù)秒降低至危險值;在站廳層安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災(zāi)時，站廳內(nèi)1號、2號、3號、4號安全出口在Z=11.6m處的能見度變化趨勢基本相同;四個安全出口處的環(huán)境能見度幾乎在同一時間降低至危險臨界值，大都在60s～80s之間。
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3結(jié)語
本文以哈爾濱某島式地鐵站為例，采用FDS軟件對站廳火災(zāi)進行數(shù)值模擬，分別研究了在有、無噴淋系統(tǒng)兩種工況下的煙氣蔓延情況與火災(zāi)發(fā)生后環(huán)境參數(shù)的變化情況，討論了人員安全疏散時間，結(jié)果表明:
1)對于火災(zāi)發(fā)生后煙氣的蔓延情況，煙氣首先豎直向上快速蔓延充滿整個站廳層的上層空間，再逐漸向下層空間蔓延，這使得邊墻附近危險程度較大;相對于無噴淋系統(tǒng)工況，有噴淋系統(tǒng)時，由于受到水射流的影響，煙氣的蔓延進程明顯減緩;從豎直方向的切片來看，兩種工況下危險區(qū)域的擴大過程基本一致，但在有噴淋系統(tǒng)工況下，這一過程得到了顯著的減緩，從水平方向上的切片來看，兩種工況下危險區(qū)域的擴大情況出現(xiàn)較大的區(qū)別，在無噴淋系統(tǒng)的工況下，指定水平面的危險區(qū)域由邊墻快速向內(nèi)擴散，而在有噴淋系統(tǒng)的工況下，由于水射流的影響，危險區(qū)域則以較為緩慢的速度由著火點逐漸向四周擴散;從1號，2號，3號，4號安全出口處的探測器來看，受煙氣蔓延過程的影響，各出口處的溫度、CO濃度、能見度隨時間的變化情況均有一定的差異，這一差異影響著人員在逃生時對安全出口的選擇。
2)通過對比兩種工況，發(fā)現(xiàn)噴淋系統(tǒng)較大程度上優(yōu)化了火災(zāi)場景內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)，尤其是溫度這一環(huán)境參數(shù)，在噴淋系統(tǒng)的作用下，水對火災(zāi)場景起到了一個很好的降溫作用，使得整個火災(zāi)過程中站廳內(nèi)的環(huán)境溫度在除火源附近以外的區(qū)域內(nèi)始終維持在一個安全的水平，水射流一定程度上干擾了煙氣的蔓延過程，使得低能見度(<10m)和高CO濃度(225ppm)區(qū)域的擴大過程也得到了明顯的減緩，由此大幅度延長了人員的安全疏散時間，由70s延長至188s，很大程度提高了人員在發(fā)生火災(zāi)后的安全性。
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作者：劉新蕾1，2吳良猛1沈斌1，2
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