地铁车站火灾和人员疏散仿真模拟技术发展的新思路

2018-05-31邢志祥张淑淑汪李金顾凰琳

安全与环境工程 2018年3期

邢志祥，张莹，钱辉，张淑淑，汪李金，顾凰琳

(常州大学环境与安全工程学院，江苏常州 213164)

地铁车站是为满足和配合城市地下轨道交通系统正常运营的地下建筑设施之一。已有数据显示，地铁的客运量比地面公共汽车大7～10倍，而地铁车站作为乘客换乘的中转站，客流量更是惊人，其火灾事故后果不可小觑[1]。国内外对于地铁车站火灾和人员疏散的研究很多，其中以仿真模拟为主要手段的研究成果最为丰富，使用的火灾烟气模拟软件主要有Fluent、FDS等，对于人员疏散的软件有EXITT、Building Exdous等，其研究侧重点也各不相同，如建筑性能化设计、仿真模拟软件开发以及理论验证等，若是能在Revit建模之后进行仿真模拟，会给仿真模拟带来极大的便利，也会使仿真模拟结果更加完善和详实。为此，本文以FDS火灾烟气模拟软件和Pathfinder人员疏散软件为例，概述了将Revit三维建模软件导入仿真模拟软件的可行性及便利性，以为地铁车站火灾和人员疏散仿真模拟技术的发展提供新思路。

1 研究背景及意义

地铁是当代城市交通体系的重要组成部分,在20世纪70年代发展迅速，到20世纪90年代之后受到世界范围内的认同并迅速普及，国内外很多大城市的地铁已经形成了完善的服务网络，全球地铁年均运送乘客量已超过300亿人次。1863年的英国伦敦大都会地铁是世界上最早的地铁，该地铁使用蒸汽机车，干线总长约6.5 km。日本东京的13条地铁路线，几乎能够到达市内任何一个地点；美国纽约建有世界上最长的地铁，总长度达432 km，30多条干线上设立了498个车站；俄罗斯的莫斯科地铁是最繁忙的地铁，日运客量达1 600万人次，占城市总运量的45%[2]。我国的城市轨道交通建设起步较晚，1969年中国第一条地铁——北京地铁建成，打开了我国发展地铁交通系统的先河；1995年我国城市轨道交通运营里程仅43 km，到2008年底，我国内地已经开通轨道交通系统的城市仅10个；到2016年年末，我国已有30个城市建成轨道交通，线路长度3 586 km[3]。

地铁虽然内部空间较大，但其仅靠少量通风井和车站出入口与外界相连，且疏散通道狭长，各个出入口布局相似[4]，给火灾的蔓延提供了便利，给人员的安全疏散带来了困难。全球100多年的统计数据显示，火灾是地铁事故中发生频率最高、事故灾害最严重的事故类型。事实上，20世纪90年代以前，地铁火灾大多是由可燃物燃烧引起的，如隧道内的电线、列车内部的座椅等，这个阶段较少的列车客流量和较慢的行车速度并不会造成较大的事故后果。20世纪90年代以后，虽然地铁站台、隧道结构得到了很好的优化，列车的耐火性能也得到了较大的提高，但是列车客流量迅速膨胀，行车速度也大大提高，导致地铁火灾事故后果的严重程度增加。地铁车站火灾的主要特点如下：

(1) 烟气大、扩散速度快、温度高。地铁轨道交通系统通风口较少，导致火灾产生的大量烟气和热量无法扩散，短时间内充满整个地下空间，且烟气的扩散方向与人员疏散的方向是一致的，这样增加了人员逃生的难度[5-6]。已有数据显示，人在地下隧道中存活的条件是：环境温度小于80℃，空气含氧量大于15%(体积比)，CO及碳氢化合物浓度低于1.5×10-3，氮氧化合物浓度低于1×10-4，CO2含量低于5%(体积比)[7]。而地下建筑发生火灾时温度会很快达到800～1 000℃，烟气浓度也会急剧升高，因此地铁火灾对人身安全的威胁是很大的。如1995年发生在阿塞拜疆首都巴库地铁车站的火灾，这次因电动机车电路故障引发的火灾让558名乘客殒命，而这些乘客多半是窒息死亡。

(2) 火势易蔓延且易发生“轰燃”。地铁属于地下空间，空气中氧含量不足，在火灾发生后易产生不完全燃烧，CO等产物随着高温烟气扩散，而新鲜空气的补入会引发新的燃烧，故火势会不断蔓延和扩大；另外，发生火灾的车厢因温度上升，空气的体积膨胀，压强迅速增加[7]，极易发生“轰燃”。相关测试表明，一般“轰燃”发生在起火后5～7 min，如1987年发生在英国伦敦金十字地铁车站的火灾在起火6 min后就因“沟槽效应”发生了“轰燃”，给灭火带来了极大的困难，事故造成31人殒命、100多人受伤[8]。

近年来，国内许多城市争相进行地铁建设，但是由于我国城市轨道交通建设和运营经验不足，且缺乏应对恐怖袭击、行车事故和火灾等突发事件的应急预案，因此加强地铁火灾防治以提高地铁安全性已经成为城市公共安全领域的专家学者们重点关注的问题，这对于地铁车站的建设和运营管理也具有重要意义。传统的人员疏散演习和火灾烟气试验具有很大的破坏性，有可能造成人员伤害，且无法很好地控制相关参数，也需要花费大量的人力、物力和财力，而计算机仿真模拟技术可以极大地节约成本，合理、准确地控制相关参数，因此该技术在地铁车站火灾和人员疏散方面得到了极大的发展和应用。

2 国内外研究现状

2. 1 地铁火灾的仿真模拟研究

目前对于地铁车站火灾烟气流动规律与控制的研究方法大致分为现场试验、比例模型试验和CFD数值模拟3种[9]，这些研究手段所取得的研究成果对于地铁车站和区间设计具有重要的参考价值。但现场试验和比例模型试验对地铁车站火灾这种包含了传热传质和化学反应、多相流体流动及其相互耦合作用的复杂物理化学过程[10]的模拟，必然会耗费大量的人力和物力，且仅能进行有限局部的测定，无法再现整个建筑的火灾过程。CFD火灾数值模拟技术结合数值分析、传热学和流体力学等多种理论，成为火灾科学研究的重要手段，在火灾烟气发展和通风等分析中取得了大量的实用性的研究成果。火灾烟气流动的计算模拟方法有区域模拟、网络模拟和场模拟3种，每种方法各自对应不同的场合。其中，区域模拟分割单个房间为若干参数均匀的控制体，并求解方程得到每个控制体参数随时间的变化，这种方法计算量小，但不适用于地铁车站这类狭长建筑；网络模拟将整栋建筑视作一个系统，每个房间视作一个控制体，这种方法精度低，但可以计算多个房间或者计算距离起火房间较远区域的情况；场模拟将计算区间划分成几万到几百万个控制体，故可以得出建筑物内细节参数的变化，适合的建筑类型较多，实用性很强[10]。表1给出了不同火灾烟气流动计算模拟方法对应的相关CFD模拟软件。

表1 各种火灾烟气流动的计算模拟方法对应的CFD数值模拟软件Table 1 CFD numerical simulation softwares for simulation of fire smoke

国外学者在地铁火灾数值模拟研究方面起步较早且较为全面。如Simcox等[12]采用数值模拟方法再现了火灾烟气在金十字地铁车站内的流动情况;Abu-Zaid等[13]研究了地铁车站发生火灾时火源位置不同对车站速度场和温度场的影响，并重点研究了机械排烟系统对于乘客安全疏散的重要性；Elias等[14]对比分析了地铁列车在改变网格密度、网格形状和区域网格加密3种情况下的火灾蔓延情况;Park等[15]将地铁车站通风状态下烟气运动规律的数值模拟结果与站台排风口的实测流量进行了对比，验证了模拟结果的正确性；Roh等[16]通过对地铁站台加装屏蔽门系统时烟气蔓延情况的研究，得出屏蔽门系统可以为乘客赢得更多逃生时间的结论；Tsukahara等[17]采用FDS软件对大邱地铁车站火灾烟气扩散情况进行了仿真模拟，分析了逃生楼梯处的有毒气体、烟气、温度的分布情况。

虽然国内对于地铁车站火灾烟气控制的数值模拟起步较晚，但是成果颇丰。如Chen等[18]利用CFD软件模拟了垂向通道对烟气的竞争现象；那艳玲[19]采用Fluent软件模拟了国内某无屏蔽门的地铁岛式车站火灾情况下的温度场和流场，得出在边界条件设置合理的条件下，数值模拟结果具有可靠性的结论；蔡波等[20]采用 FDS 软件对韩国大邱地铁车站强制通风模式下的火灾烟气扩散情况进行了分析；刘红元等[21]利用PHOENICS对某地铁车站火灾模式下通风控制进行了数值模拟，并提出最优通风方式；Yuan等[22]采用AIRPAK模拟了某侧式站台在通风模式改进前后发生火灾时温度、速度等的分布情况，据此对通风模式提出了改进意见，以提高该站台的通风性能；张培红等[23]利用 FDS软件模拟了火灾烟气在不同送风角度空气幕下的蔓延情况，得出了空气幕的最佳送风角度；何利英[24]利用Legion行人仿真模型和FDS两种软件模拟分析了中庭式地铁车站的安全疏散性能；吴显超等[25]根据地铁设计规范计算了中庭式地铁车站的疏散时间，并与数值模拟结果进行了对比分析。

2. 2 人员疏散的仿真模拟研究

在公共安全领域，始于20世纪50年代的人员疏散专项研究是火灾研究的重要组成部分，人员疏散行为统计和计算机仿真技术是该项研究的主要手段[26]。20世纪90年代，对人员疏散的研究越发深入，特别是加拿大Palus[27]指出人员疏散行为是疏散运动和人在紧急状态下的各种行为反应的结合之后，拥有强大计算功能的计算机仿真技术在人员疏散领域得到了广泛的重视和应用。

国外学者在20多年间开发了大约30种成熟的人员疏散模型[28]，其中大部分已经广泛应用于商场、体育馆等大型公共场所。计算机仿真技术作为一种微观模型，与依赖人群疏散观测的经验数据，即将人群看作一个整体进行建模的宏观模型不同，计算机仿真技术更加注重个体差异，该微观模型大致分为连续型仿真模型和离散型仿真模型两种[29]。

连续型仿真模型主要运用热力学和流体力学的理论，将各个变量用运动学方程联系在一起，构建力学方程，在这个模型中个体所处的位置和时间都是连续的。目前，国际上较为经典的连续型仿真模型有：将个体之间及个体与环境之间的相互影响进行结合的社会力模型[30]、适用于多层复杂建筑物的SIMULEX模型[31-32]、对地铁车站及超市等大型建筑物有较高拟真度的Building Exdous模型[33-34]以及Bradley建立的类流体力学方程[35]等。

离散型仿真模型引入库仑定律，将个体和障碍物看作正极，个体移动方向看作负极，整个疏散环境被划分为网格，在等长分割的时间段里，每个网格仅能处于空白或被占据的状态，疏散个体在磁场力作用下依据疏散环境和自身机制选择单元格行进，从而选择较为理想的出口快速逃离。目前较为著名的应用软件为BYPASS[36-37]。

国内关于人员疏散的理论研究大部分都局限于改进国外经典理论或者定性分析火灾、地震等特定应急事件，计算机仿真技术方面的研究则主要集中在模型理论探索或火灾人员疏散模型的开发上。如温丽敏[38]在人员疏散模型中引入人员选择路径与遗传算法;潘刚等[39]、张培红等[40]利用离散系统分析动力学方法，建立了计算机仿真模型，预测了应急疏散时的群集流动状态;路君安等[41]总结了人员拥挤情况下的速度公式，建立了人员运动速度与拥挤程度之间的对数关系；方正等[42]提出了网络网格乘客疏散模型；宋卫国等[43]用社会力模型再现了突发事故中的人员疏散现象，并重点研究了出口条件对疏散时间的影响；朱培根等[44]研究了隧道烟气的产生和扩散，并编写出仿真程序TNFIRE；卢春霞[45]主要研究了控制边界条件、人员初始密度、畸点的设置对于避免事故后人员拥挤的作用；刘文婷[46]应用蚁群算法分析了疏散过程中人群的趋众性和转移性；陶李华等[47]分析了合理分布疏散宽度对人员疏散的重要性，并提出对人员密集场所进行有效安全疏散的方法；马浩博等[48]运用回溯算法和二分搜索算法，求解了通行能力受限且路径整数规划的多出口疏散模型。

2. 3 仿真模拟建模的局限性

不论是CFD火灾仿真模拟软件，还是人员疏散软件，它们的性能都随着计算机软件技术的发展得到了优化，参考价值也在不断提升，但是这些软件都存在建模不方便的缺点，具体表现为：

(1) FDS火灾模拟软件由于缺乏整体性，建筑模型里面的每个房间、每个部分都需要明确输入模型每个点的三维数据，但是像地铁车站这种内部构造丰富、层次较多的大型多层建筑，不断重复输入X、Y、Z三个方向的数据会非常繁琐，而像楼梯这样台阶层数较多的模型，则需要多次输入其坐标，凭借FDS软件中有限的模块构建图形，且在没有方便快速确定方位的定位轴线等辅助功能的情况下逐步构建仿真模型则比较困难。图1为FDS软件界面工具图标，其建模按钮的数量和形状都很有限，给建模带来极大的不便。

图1 FDS软件界面工具图标Fig.1 Tool icons of FDS interface

(2) Pathfinder人员疏散软件与FDS火灾模拟软件存在同样的问题，图2为Pathfinder软件界面工具图标，其中用以构造建筑模型的方式只有最上面的多边形或者长方形，并且Pathfinder软件没有坐标或者交点拾取的功能，连接建筑模型的不同部分容易产生缝隙，而在Z轴方向直接以层为单位输入高度参数才可以建构多层，若是一层当中出现不同标高的建筑，则需要重新确立三维坐标，在构建复杂模型时不够便捷。

图2 Pathfinder软件界面工具图标Fig.2 Tool icons of the Pathfinder interface

2. 4 将Revit建模软件与火灾和人员疏散软件结合

建筑信息模型(Building Information Model,BIM)自2004年进入我国，是以三维数字技术为基础、集成了建筑工程的各项数据、利用计算机三维软件创建的包含工程项目详细信息的完整的数字模型[49]。在这个模型中，关于工程项目的所有信息都可以通过数字参数的设定或修改以立体图形的形式展现出来，实现了三维协同设计，大大减小了不同部门和单位之间信息对接的误差[50]。采用Revit软件与火灾和人员疏散软件结合是同样的思路。Revit三维建模软件是属于BIM的一部分，因此其虚拟模型构建工具非常丰富详尽，包括墙体的材质、热传导率、比热等参数都可以一一设置。图3是Revit软件界面工具图标，其中包括了墙、门、柱等立体建筑构件。Revit软件建模不需要再采用绘制简单的线条、圆弧等元素构成建筑模型的建模方法，而是直接绘制构件并设置相应的参数即可[51]。

图3 Revit软件界面工具图标Fig.3 Tool icons of the Revit software interface

将Revit软件绘制的三维立体图形保存为DWG或者DXF格式，即可以直接导入FDS、Pathfinder等相关软件中，模型在导入的过程中不会丢失任何信息，也不会变形，图4即为在FDS软件中导入的采用Revit软件绘制的建筑模型。即使模型的数据参数需要进行修改，Revit软件也可以根据部分尺寸的变动自动调整其他相关信息，修改后重新导入需要的仿真模拟软件即可[52]。若是对建筑进行性能化的研究，则可以在Revit软件中分别构建建筑模型，然后分别导入FDS进行对比分析即可。

图4 在FDS软件中导入的采用Revit软件绘制的建筑模型Fig.4 Building model imported into FDS by Revit

3 结语

由于Revit软件在国内处于起步阶段，因此目前对Revit软件的二次开发较少。同济大学和中国建筑科学研究院开发的基于ASIM模型的信息转换平台，可以将Revit软件模型导入PKPM进行结构分析；东京天元公司开发的R-StarCAD，可以将Revit软件与模型PKPM数据进行相互转换；北京盈建科软件有限责任公司开发的盈建科建筑结构设计软件系统(YJK)提供了Revit软件模型与PKPM、Etabs、Midas、AutoCAD的数据接口[53]。

目前，众多研究人员已经意识到将BIM信息系统与其他研究结合的益处，将Revit建模软件导入其他模拟软件的观念日益深化，将建模软件与火灾和人员疏散模拟软件结合，可以为仿真模拟带来极大的便捷。未来，在组织运输、设施利用和行人行为三者之间相互制约的情况下，如何将地铁轨道交通系统的“人、组织、环境”三者之间的关系进行协调[54]，找出拥挤堵塞的瓶颈段并提出行之有效的解决方案，是仿真模拟研究的重点之一。BIM的概念还在不断发展，作为BIM理论一部分的Revit软件也会不断完善，相信BIM将可为地铁车站火灾和人员疏散的仿真模拟拓宽研究的范围和思路。

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