本文摘要：摘要:地鐵的結構復雜、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)生火災時極易造成重大的人員傷亡及經濟損失。為了優(yōu)化地鐵火災時站內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:地鐵的結構復雜、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)生火災時極易造成重大的人員傷亡及經濟損失。為了優(yōu)化地鐵火災時站內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)軟件模擬火災時站廳內有、無噴淋系統(tǒng)兩種工況下煙氣的蔓延情況。通過對數值模擬結果進行分析得出: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)化了火災場景內的各項環(huán)境參數從而延長了疏散時間。
關鍵詞:島式地鐵，F(xiàn)DS，數值模擬，噴淋系統(tǒng)，安全疏散
0引言
隨著科學技術的日益發(fā)展，地鐵已經成為社會日常運轉以及人們日常生活中不可或缺的一部分，在其給人類生活帶來便利的同時也很大程度上復雜化了人們日常生活的安全環(huán)境。根據地鐵事故統(tǒng)計可以看出，地鐵火災事故居多且地鐵火災引起的傷亡人數往往較多[1，2]。
因此研究地鐵火災對地鐵火災防治和降低火災時的人員傷亡及經濟損失具有重要意義。噴淋系統(tǒng)反應迅速能實現(xiàn)主動滅火，是十分有效的防火措施。我國有不少學者對噴淋系統(tǒng)在地鐵火災防治中的作用進行了研究，例如張巨龍[3]結合了地鐵車站火災的特殊性，通過對比自動噴淋系統(tǒng)的優(yōu)缺點，分析設置自動噴淋系統(tǒng)的必要性以及適用性;劉曉峰[4]對地鐵水消防系統(tǒng)的設計進行了探討，對地鐵站內是否有必要設置噴淋系統(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環(huán)境的改變情況;以上研究均對噴淋系統(tǒng)在地鐵火災防治中的作用進行了研究，但均為利用相關模擬軟件單純針對噴淋系統(tǒng)的作用效果進行實際的數值模擬驗證，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，對其是否應在地鐵站內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，利用數值模擬軟件對噴淋系統(tǒng)作用下的火災發(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，為火災的動力學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為例，采用FDS軟件模擬研究噴淋系統(tǒng)對地鐵站廳內發(fā)生火災時的煙氣流動以及環(huán)境參數所產生的影響。
1計算模型及場景設定
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，在不影響模擬結果情況下，為簡化模擬過程提高軟件數值模擬效率，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)設置火源:目前，站廳內部裝修主要采用阻燃或不燃材料，因此考慮主要火災載荷為乘客隨身攜帶的行李物品，對于該類物品引發(fā)的火災結合相關文獻研究[7]取火源熱釋放速率為3MW，熱釋放速率可用式(1)表達。結合人員的流動特點及地鐵站內主要電氣設備位置，將火源設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火災場景設定
火災場景的設置直接影響著火災發(fā)生時煙氣的蔓延情況，也決定了我們對火災發(fā)生時環(huán)境參數的監(jiān)測方式;研究中分別分析了兩種工況下的火災煙氣蔓延情況和環(huán)境參數變化情況，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)境參數主要有:CO濃度、能見度、溫度，通過切片觀察各項參數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在某一指定點處各項參數隨時間的變化情況，其給出了各環(huán)境參數在對應點處隨時間變化的具體數值。
模型中設置了溫度、煙氣濃度、能見度切片，各切片的設置主要根據人的平均眼高、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置了溫度探測器和CO濃度探測器。根據GB50157—2013地鐵設計規(guī)范中的火災發(fā)生所需最長疏散時間為6min的要求，設置本次模擬的時間。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束為止。
2結果與分析
2.1溫度分析
1)由溫度切片Z=11.6m的對比結果也可以看出，在無任何消防設施的工況下，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的對比結果也可以看出，在無任何消防設施的工況下，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; 3)由溫度切片Y=38m的對比結果也可以看出，在無任何消防設施的工況下，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號安全出口側的整層空間任何位置均未達到危險值。
從中各熱電偶的數值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災時，站廳內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)生火災時，站廳內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值隨時間的變化情況可以看出，在無任何消防設施的工況下，地鐵站廳中部發(fā)生火災時，站廳內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)生火災時，站廳內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軟件對站廳火災進行數值模擬，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發(fā)生后環(huán)境參數的變化情況，討論了人員安全疏散時間，結果表明:
1)對于火災發(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)化了火災場景內的各項環(huán)境參數，尤其是溫度這一環(huán)境參數，在噴淋系統(tǒng)的作用下，水對火災場景起到了一個很好的降溫作用，使得整個火災過程中站廳內的環(huán)境溫度在除火源附近以外的區(qū)域內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)生火災后的安全性。
參考文獻：
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[2]劉雙慶，尤秋菊，張世杰.基于事故統(tǒng)計分析的地鐵運營安全管理研究[J].安全，2019，40(307):68-72.
[3]張巨龍.地鐵車站設置自動噴淋系統(tǒng)應用研究[J].鐵道建筑技術，2018(7):107-110.
[4]劉曉峰.地鐵水消防系統(tǒng)設計探討[J].建筑工程技術與設計，2020(27):3418-3419.
[5]馬金梅.水噴淋作用下地鐵站火災煙氣控制研究[D].成都:四川師范大學，2019.
作者：劉新蕾1，2吳良猛1沈斌1，2
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