刘新蕾 沈 斌 宋晓阳 吴良猛

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学 瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引言

近年来，随着城市交通量不断增长，地铁的建造与使用已经成为城市交通发展的一种趋势，地铁的发展在为人类带来便捷的同时也存在着一些事故发生，其中火灾事故发生频率较高，形势十分严峻[1,2]。研究地铁火灾，有助于提升人员应对能力，减少人员伤害和财产损失。FDS(Fire Dynamics Simulator)技术因其较好的预测精准性，成为了众多学者研究地铁火灾烟气流动的重要研究手段[3,4]。张文斌[5]利用FDS软件对地下轨道交通车站的火灾效果进行模拟研究，充分考察了该软件在实际工程中的模拟需求，并根据模拟结果提出了优化方法。钟帅等[6]以FDS模拟软件为技术手段，将排烟模式考虑在内，对分离岛式车站的火源情况进行了模拟，得出烟气温度、CO浓度及烟气流动的变化情况。以上研究为地铁火灾研究提供了参考，然而对于地铁排烟系统的相关研究尚未开展。

通常地铁车站为封闭的地下空间，合理的机械排烟方式能够有效抑制地铁火灾中的烟气蔓延，从而为人员疏散提供更多的时间。鉴于此，为了得出地铁站排烟方式的影响，本文以哈尔滨某岛式地铁站站厅火灾为例，采用FDS软件模拟研究火灾在站厅排烟系统关闭、半开、全开三种工况下的烟气扩散状况。

1 计算模型及场景设定

1.1 计算模型

哈尔滨市某地铁车站共为两层，地下1层为站厅层，地下2层为站台层，总建筑面积为15 151.37 m2，上下层均有通风系统，其中进风口共有48个，排风口24个，侧边机械排烟措施设置在站厅东西两端，简化模型如图1所示。本次模拟以1∶1的比例建立物理模型，共设置了105 600个25 mm的网格，站厅部分的长为95 m，宽为24 m，站厅层与外部空间连接有4个出入口，此区域的顶部有12个排风口和24个进风口，通风面积为12.96 m2。该站厅总面积为2 280 m2，根据GB 50157—2013地铁设计规范规定，计算出站厅层的总排烟量为1.36×105m3/h，考虑实际情况中存有设备故障漏风现象，设置每个排风口的风量为8 m/s，两侧机械排烟的排风量各为20 m3/s。由于该站厅设备管理房经常关闭，除站内工作人员外不可进入，火灾较难发生，楼梯处不设挡烟垂壁，本文仅对不同排烟方式进行研究。

1.2 火灾场景设定

火灾场景的设定决定着站内火势的发展，本着保守和最不利的原则，即考虑火灾最严重的发生及后果来进行设定[7]。根据某地铁站站厅火灾的排烟系统开闭与半开闭状态，选取离机械排烟口较远的站厅中心位置设为火源，分为三种不同工况：1)排烟系统关闭状态，通风系统和机械排烟均关闭；2)排烟系统半开状态，通风系统开启，但机械排烟口关闭；3)排烟系统全开状态，通风系统与机械排烟都开启。站厅有火灾时，打开站台进风和站厅排风，关闭站厅进风和站台排风，以促进站厅中烟气的流动。站厅中最主要的可燃物是电梯设备维修或者人员携带易燃易爆物品，火源发展系数为0.046 9 kW/s2，在FDS仿真中将热释放速率设定为3 MW/m2。

根据火源的不同位置，模型中设置了温度、烟气浓度、能见度的监测切片，切片的位置在出入口1,3和2,4之间Y=27 m处和站厅1.6 m高的Z=11.6 m处，并在4个出入口的附近设置监测点，分别测定出入口处温度，CO浓度，能见度情况。根据GB 50157—2013地铁设计规范中的火灾发生所需最长疏散时间为6 min的要求，设置本次模拟的时间。取疏散人员的平均身高为1.6 m，将人员的安全疏散时间约束为三个条件：1)烟气温度不高于60 ℃；2)一氧化碳浓度不高于225 ppm；3)能见度不低于10 m。对各疏散情景结果进行安全判定并分析人员的安全疏散，模拟效果取计算机模拟结束为止。

2 结果与分析

2.1 温度分析

在观察火源从开始到结束的温度变化后，设置黑色区域为温度极限值60 ℃，本次模拟中站厅排烟系统关闭、半开和全开三种工况的Y=27 m切片，如图2所示。

根据图2中的温度切片变化，可以看出，三种火灾工况下，站厅中间部分的温度首先达到最高，普遍在60 ℃以上，高温烟气随着火灾发生，先垂直上升，到达站厅顶部后向左右两侧逐渐扩散，造成了站厅两侧高温对称状分布。根据在站厅安全出入口附近的监测点数据得出三种工况温度变化图，如图3所示。

从图3中可以看出，工况一：站厅排烟系统关闭条件下，安全出入口1,2,3,4处的温度达到60 ℃的时间分别为132 s,133 s,123 s,125 s；工况二：站厅排烟系统半开条件下，安全出入口1,2,3,4处的温度在360 s内，温度较高但始终未达到60 ℃；工况三：站厅排烟系统全开条件下，安全出入口1,2,3,4处的温度在360 s内同样未能达到60 ℃，且温度低于40 ℃，对人员疏散不构成威胁。通过分析可知，高温烟气在站厅中呈对称分布，高温随烟气的扩散首先会在站厅中心靠近火源位置的上方，后随着顶部的墙壁向两侧蔓延，工况一、工况二、工况三中两侧墙壁处的温度达到60 ℃的时间分别为60 s,120 s,180 s。

2.2 CO浓度分布

本研究取黑色区域为CO浓度极限值225 ppm，选取Y=27平面的站厅排烟系统关闭、半开和全开三种工况的CO浓度切片图，如图4所示。

根据图4中的CO浓度切片分布得出， CO气体会随着烟气流动，呈扇形状向四周扩散，在工况一和工况二中，CO气体浓度在模拟结束时充满整个切片，且两侧靠墙位置的情况比较严重；而工况三中，CO气体向站厅外排出很多，始终未能达到全覆盖。根据在安全出入口附近的监测点数据得出三种工况下CO气体浓度变化图如图5所示。

从图5可以看出，工况一：站厅排烟系统关闭条件下，安全出入口1，2，3，4处的CO浓度达到225 ppm的时间分别为60 s，63 s，67 s，61 s；工况二：站厅排烟系统半开条件下，安全出入口1，2，3，4处的CO浓度达到225 ppm的时间分别为85 s，80 s，85 s，89 s，相比于工况一的时间平均增加了22 s；工况三：站厅排烟系统全开条件下，安全出入口1，2，3，4处的CO浓度普遍低于220 ppm，对站厅疏散人员威胁较轻。通过分析得知，CO气体由于本身较轻，会随着空气流动或火灾发展而向四周快速蔓延，在火源燃烧一定时间后，浓度趋于饱和，此时顶部分布较多，因此人员在疏散时应尽量俯身低头前行。

2.3 能见度分布

站厅底部的高度为10 m，人员眼睛高度取1.6 m。本研究以黑色区域为能见度极限值10 m，得出站厅排烟系统关闭、半开和全开三种工况的Z=11.6 m切片图，如图6所示。

从图6可以看出，切片能见度随两侧墙壁向中心逐渐下降，工况一的安全出口处能见度达到极限值最早，360 s时工况一、工况二的可见范围大小相近，有机械排烟口的工况三切片可见范围较大。为了能够更清楚地表示不同出口处的烟气浓度变化，本次模拟还得出了各个出入口能见度监测点的变化图，如图7所示。

从图7可以看出，工况一：站厅排烟系统关闭条件下，安全出入口1，2，3，4处的极限时间分别为79 s，67 s，68 s，66 s；工况二：站厅排烟系统半开条件下，安全出入口1，2，3，4处的极限时间分别为111 s，134 s，150 s，104 s；工况三：站厅排烟系统全开条件下，安全出入口1，2，3，4处的极限时间分别为226 s，188 s，190 s，226 s，相比于工况二的时间又平均增加了82 s，可以看出站厅有机械排烟的能见度效果较以上两种好一些。由于烟气的四周扩散，能见度不足10 m的烟气在四周墙壁处的能见度较低，十分不利于人员的逃生。

2.4 安全疏散时间确定

安全疏散时间(ASET)作为人员安全疏散分析中的一项性能化判定标准。笔者结合各个指标的数据，得出该车站站厅的安全疏散表，如表1所示。

表1 安全疏散时间统计表 s

从表1中可以看出：当火灾后人员最好在1 min之内完成疏散，并且对比不同工况，发现地铁站厅有机械排烟时，最长逃生时间可以达到226 s，效果要好于仅有通风系统和无排烟系统两种工况，平均增加安全疏散时间为125 s和220 s。

3 结论

本文以某地铁站为例，采用FDS软件建立了地铁站的物理模型，运用数值模拟法，以火灾发生过程中的环境温度、CO浓度、能见度为指标，研究了哈尔滨某地铁站站厅内不同火源位置的火灾烟气扩散状况，结果表明：

1)分析站厅火灾烟气蔓延趋势，发现火灾烟气扩散速率一般由大到小，一般会先竖直向上到顶部后，再沿着站厅顶部墙壁向两边扩散，最终呈对称性分布，两侧墙壁处的危害性较大。通过对比三种工况的数据变化图，发现四个出入口处的温度、CO浓度、能见度具有不同的饱和值，随着时间的增长，三种危害因素会有一定减小的趋势。

2)通过对比三种工况下四个安全出口的安全疏散时间，发现机械排烟设备开启情况下，可以有效抑制火灾发生时温度、CO浓度及环境可见度的影响，平均增加安全疏散时间为125 s和220 s，对地铁站发生火灾时的人员疏散具有极大的帮助。