地鐵同站臺高架換乘車站火災人員疏散研究*

李丹辰，鐘茂華，梅 棋，劉 暢，肖 衍

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100068；3.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

地鐵高架車站在火災時的人員疏散方向與一般的地下車站人員疏散方向相反[1]。發(fā)生火災后，地下車站人員疏散的方向為自下方的站臺層疏散至上方的站廳層,而高架車站的人員疏散是從上層站臺層向下層站廳層的自上而下的疏散過程。同站臺換乘一般適用于2條平行交織的線路，站臺形式為島式，由于乘客換乘距離較短，乘客在站內(nèi)的分布較為集中，疏散時客流密度較大的情況下可能造成踩踏、傷亡事故。

人群疏散模擬研究可以準確估算人員安全疏散所需的時間，通過分析疏散模擬結(jié)果可得到有效縮短疏散時間的疏散指揮和引導策略[2]。目前常用的疏散仿真軟件包括Pathfinder，EXODUS，Anylogic，Legion， Agent，STEPS等。何利英[3]使用Legion分析了不同潛在的火災場景下人員疏散的情況，并提出了相應的改進建議；Shi等[4]使用EXODUS建立了考慮行人行為學特征、疏散策略等多因素的人群疏散仿真模型；李意[5]結(jié)合行人恐慌心理和火災煙氣對緊急疏散速度的影響，使用Anylogic分析不同設施處的疏散客流狀態(tài)。

部分學者對普通高架車站火災時的客流疏散和同站臺換乘車站疏散模型進行了研究。王志剛等[6]根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》驗算了亦莊線高架車站在最不利條件下的安全疏散能力；史聰靈等[7]通過火災模擬和人員疏散動力學模擬,得到了高架車站站廳火災時的煙氣蔓延過程和人員疏散過程；齊茂利[8]通過建立同站臺換乘站的微觀疏散仿真模型考察不同情況下?lián)Q乘站的換乘效率。

在對地鐵站火災條件下的疏散模擬研究中，大部分學者在疏散場景中使用的煙氣擴散規(guī)律來自于軟件模擬。張洪娟[9]通過地鐵站臺層火災數(shù)值模擬，得到不同火災場景下煙氣的特征數(shù)據(jù)，提出了控制煙氣擴散的有利通風方式和正確的旅客逃生路徑；劉夢潔[10]以某地鐵車站為背景，建立了FDS火災仿真模型和Pathfinder人員疏散仿真模型，并確定了最危險工況，根據(jù)確定的工況，探究了該車站的人流量和火源功率容納能力。

本文結(jié)合具有同站臺高架換乘形式的某地鐵實體車站全尺寸火災實驗煙氣擴散規(guī)律[11-14]，對比分析站廳中部閘機、站廳樓扶梯入口及站廳出入口附近3處發(fā)生火災的場景，分別研究地鐵車站內(nèi)閘機及柵欄門、自動扶梯、應急出口等設施的運行狀態(tài)對于疏散結(jié)果的影響。研究站臺中部、站臺樓扶梯入口2處發(fā)生火災的場景下，扶梯運行狀態(tài)對于疏散時間的影響。分析設備區(qū)走廊交叉位置、走廊末端區(qū)域及設備房間內(nèi)發(fā)生火災的場景對于設備區(qū)內(nèi)工作人員疏散時間與乘客疏散時間的影響。對比分析4B編組列車車頭、車中及車尾發(fā)生火災的場景下乘客所需的疏散時間。

1 模擬設置

1.1 計算工具

buildingEXODUS是一套為模擬復雜建筑物中大量個體的逃離及行動而設計的工具軟件，通常應用在建筑環(huán)境中，適用于超市、醫(yī)院、劇院、火車站、機場、高層建筑、學校等?？梢杂糜谠u估各種建筑物的疏散能力，以及調(diào)查建筑內(nèi)部的人群移動效率。

通過模擬仿真得到的疏散時間與疏散路徑，可以為發(fā)生緊急情況時的實際疏散提供重要參考依據(jù)。

1.2 車站概況

車站平面示意圖如圖1～ 2所示[11]。車站站廳層全長118 m，寬36 m；乘客可達區(qū)域長48 m，寬36 m。站廳有1號和2號出入口，以及3號和4號應急出口，分別在西北、西南、東北、東南4個方向，其中1號出入口寬6 m，2號出入口寬8 m，3號和4號應急出口寬1.5 m。設備區(qū)與站廳同層，由1個南北向走廊、5個長度不一的東西向走廊和若干設備房間組成，其中南北向走廊長36 m，北1和南1走廊長42 m，北2和南2走廊長24 m，中部走廊長18 m。各個走廊與站廳公共區(qū)和車站外部空間連接處均安裝有防火門。

圖1 車站站廳層示意Fig.1 Schematic diagram of station hall

圖2 車站站臺層示意Fig.2 Schematic diagram of platform in station

車站2層由2個站臺組成，站臺層全長118 m，寬37 m，站臺A和站臺B分別寬10 m。每個站臺設有2組樓扶梯，高8 m，西側(cè)的一組為一上一下2個扶梯，東側(cè)一組為上行扶梯與樓梯，扶梯運行速度為0.5 m/s。每個站臺中央有1個垂直電梯，根據(jù)《地鐵安全疏散規(guī)范》[15]，垂直電梯不計入事故疏散用，因此在模擬中將其作為障礙物來處理，不考慮人員通過垂直電梯疏散的情況。站臺2側(cè)的設備間作為障礙物來處理。

站廳、站臺與設備區(qū)火災場景設置與全尺寸實驗一致[11]，在模擬疏散工況中，火源分別位于站廳中部閘機(火源1)、站廳樓扶梯入口(火源2)、站廳出入口附近(火源3)、站臺中部(火源4)、設備區(qū)走廊交叉位置(火源6)、設備區(qū)走廊末端區(qū)域(火源7)及設備房間內(nèi)(火源8)。

站臺火災場景假設一個火源位于站臺樓扶梯入口(火源5)；列車火災場景假設火源分別位于列車頭部(火源9)、中部(火源10)和列車尾部(火源11)。

1.3 人員特性

經(jīng)過站臺A、站臺B的列車遠期高峰小時客流量分別為11 300，17 200人/h，行車間隔為2.5 min，假設各站臺候車乘客數(shù)量約為高峰小時客流量的5%，計算得出站臺A、站臺B列車乘客分別為471，717人，站臺A、站臺B候車乘客分別為24，36人。

火源位于站廳、站臺或設備區(qū)時，按照最不利原則，假設疏散開始時站內(nèi)乘客全部位于站臺，乘客數(shù)量等于每車人數(shù)與候車人數(shù)之和，設置站臺A乘客為495人，站臺B乘客為753人，站廳站務人員10人，站內(nèi)待疏散人員共1258人；設備區(qū)發(fā)生火災時，額外設置設備區(qū)內(nèi)工作人員10人。

火源位于列車時，設置站臺A列車內(nèi)乘客471人，站臺A候車乘客24人，站臺B考慮該站臺分布候車乘客36人或分布列車乘客與候車乘客共753人這2種情況。乘客在站臺、列車呈均勻分布，考慮到乘客在站臺換乘時的路徑，人員分布如圖3所示。

圖3 乘客在站臺的起始分布Fig.3 Initial distribution of passengers at platform

根據(jù)地鐵問卷調(diào)查結(jié)果，乘客中41%為中青年男士，43%為中青年女士，16%為老人及兒童，各群體的水平行走速度和樓梯下行速度如表1所示[15]。

表1 乘客的比例、數(shù)量和速度Table 1 Proportion, quantity and velocity of passengers

1.4 工況設置

根據(jù)站廳中部閘機、站廳樓扶梯入口及站廳出入口附近3處發(fā)生火災的場景，以及地鐵車站內(nèi)自動扶梯、閘機及柵欄門、應急出口等設施的狀態(tài)，共設置6個工況，如表2所示。工況1，3，5中，上下行扶梯正常運行，閘機及柵欄門關(guān)閉，應急出口關(guān)閉，1，2號出入口開啟；工況2，4，6中，上行扶梯關(guān)閉，閘機及柵欄門打開，應急出口打開。

表2 站廳火災場景下疏散工況設置Table 2 Setting of evacuation conditions in fire scenes of station hall

根據(jù)全尺寸火災實驗的結(jié)果[12]，火源1發(fā)生火災時，火災初期站廳南側(cè)自然風風壓較大，由封閉式吊頂上方沉降的煙氣均向北部擴散；火源2發(fā)生火災時，煙氣在封閉式吊頂下方形成頂棚射流，在站廳東側(cè)封閉端和樓扶梯入口的擋煙垂壁處蓄積，形成較高的煙氣溫度；火源3發(fā)生火災時，在自然風風壓較大的條件下，火源下風向區(qū)域煙氣能夠沉降至地面，人眼高度能見度較低，不利于人群疏散。

根據(jù)站臺中部、站臺樓扶梯入口2處發(fā)生火災的場景，及自動扶梯的運行狀態(tài)，共設置6個工況，如表3所示。工況7，10中上行扶梯保持上行，工況8，11中上行扶梯停止運行，工況9，12中上行扶梯反轉(zhuǎn)方向向下運行。6種工況中，站廳閘機及柵欄門打開，應急出口打開?；鹪?[13]發(fā)生火災時，起火站臺火源附近煙氣層高度較高，隨縱向距離的增加而下降，未起火站臺火源斷面處煙氣層高度較低，隨縱向距離的增加而升高，整個站臺煙氣層高度較高，不影響乘客疏散。火源5發(fā)生火災時，假設乘客不使用火源附近的樓扶梯進行疏散。

表3 站臺火災場景下疏散工況設置Table 3 Setting of evacuation conditions in fire scenes of platform

根據(jù)設備區(qū)走廊交叉位置、設備區(qū)走廊末端區(qū)域及設備房間內(nèi)3處發(fā)生火災的場景[14]，設置3個工況，如表4所示。火源6發(fā)生火災時，南2走廊與南北向走廊煙氣沉降、溫度較高，不利于人員疏散；火源7發(fā)生火災時，中部走廊不利于人員疏散；火源8發(fā)生火災時，北2走廊溫度較高，不利于人員疏散。3種工況中，站廳閘機及柵欄門打開，應急出口打開，上行扶梯關(guān)閉。

表4 設備區(qū)火災場景下疏散工況設置Table 4 Setting of evacuation conditions in fire scenes of equipment area

根據(jù)列車頭部、中部及尾部3處發(fā)生火災的場景以及站臺B乘客的數(shù)量，共設置6個工況，如表5所示。工況16，17中，乘客通過列車門與其他車廂迅速離開頭部車廂；工況18，19中，乘客在等候從樓扶梯通行期間遠離火源所在的車廂；工況20，21中，乘客在前往東側(cè)樓扶梯時不在休息室北側(cè)通行。6種工況中，站廳閘機及柵欄門打開，應急出口打開，上行扶梯關(guān)閉。

表5 列車火災場景下疏散工況設置Table 5 Setting of evacuation conditions in fire scenes of train

2 疏散分析

2.1 判定安全的條件

在疏散模擬分析中，如果人員疏散到安全地點所需要的時間RSET(Required Safety Egress Time)小于通過判斷火場人員疏散耐受條件得出的可用疏散時間ASET(Available Safety Egress Time)，則可認為人員疏散是安全的，反之則認為不安全，需要做出改進。

火源位于站廳、設備區(qū)時，安全地點為車站；火源位于站臺、列車內(nèi)時，安全地點為站廳。RSET為乘客到達安全地點的時間與1 min的乘客預反應時間之和。

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》[16]，站臺、站廳事故疏散時間應不大于6 min，因此本文采用ASET=6 min作為安全判定條件。

2.2 站廳火災

表6為站廳火災模擬仿真工況下的安全疏散時間。由表6可以看出，工況1，3，5中，工況3僅有1個下行扶梯可使用情況下的RSET最長，其次是工況1火源位于中部閘機附近。工況2，4，6中，樓扶梯的運行狀態(tài)對于疏散時間的影響最大，其次是出入口的影響。同一火災場景下，上行扶梯關(guān)閉，閘機及柵欄門打開，應急出口打開后RSET明顯降低，疏散效率分別提高了37%，45%，33%，對于火源位于樓扶梯入口附近的場景，車站設施的狀態(tài)對于疏散時間的影響大于其他火災場景。

表6 站廳火災模擬仿真工況的安全疏散時間Table 6 Results of RSET by simulation of fire in station hall

進一步將乘客離開車站用時分解為乘客離開站臺用時和乘客站廳行走用時，車站各設施的運行狀態(tài)對于前者的影響較大。同一火災場景下，上行扶梯關(guān)閉，閘機及柵欄門打開，應急出口打開后，乘客從站臺疏散至站廳的效率分別提升41%，51%，40%，從站廳疏散至車站外的效率分別提升17%、降低64%、降低8%。

當可使用的樓扶梯數(shù)量不足時，乘客離開站臺的時間增加，樓扶梯成為疏散瓶頸，如圖4所示；可使用的樓扶梯數(shù)量較多時，乘客快速離開站臺后在站廳閘機及柵欄門、出口產(chǎn)生擁堵，增加了乘客疏散至車站出口的時間，如圖5所示。

圖4 火源1不同工況乘客在站臺的分布Fig.4 Distribution of passengers on platform under different conditions of fire source 1

圖5 火源2不同工況乘客在站廳的分布Fig.5 Distribution of passengers in station hall under different conditions of fire source 2

由圖6可以看出，相同時間內(nèi)，工況3，4安全疏散的人數(shù)明顯分別少于工況1，5和工況2，6，樓扶梯的運行狀態(tài)對于疏散時間的影響較大。

圖6 不同工況下人員疏散數(shù)量與疏散時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between quantity of evacuated passengers and evacuation time under different conditions

2.3 站臺火災

表7為站臺火災模擬仿真工況下的安全疏散時間。由表7可以看出，在2種火災場景下，工況7，10的RSET大于同等火源條件下的其他工況，上行扶梯停止運行后乘客離開站臺用時相較于扶梯上行時分別降低41%，35%。上行扶梯反轉(zhuǎn)運行時乘客可以更快地離開站臺，但是相對于上行扶梯停止運行時乘客離開站臺用時分別僅縮短了2.4%，2.3%。

表7 站臺火災模擬仿真工況的安全疏散時間Table 7 Results of RSET by simulation of fire in platform

2.4 設備區(qū)火災

基于文獻[14]中的設備區(qū)內(nèi)發(fā)生火災的3種情況，煙氣僅在設備區(qū)內(nèi)蔓延。設備區(qū)3種火災工況如表8所示，設備區(qū)火災時，由于工作人員數(shù)量相對較少，火災場景對于車站整體疏散時間影響不明顯，設備區(qū)工作人員離開車站的RSET均為1.3 min，乘客離開車站的RSET均為5.5 min。

表8 設備區(qū)火災模擬仿真工況的安全疏散時間Table 8 Results of RSET by simulation of fire at equipment area

以工況13為例，火源位于走廊交叉位置時，南2走廊與南北向走廊煙氣沉降、溫度較高，不利于人員疏散，設備區(qū)內(nèi)的工作人員可以從東西兩側(cè)的出口疏散，20 s后設備區(qū)工作人員離開車站，272 s后所有乘客離開車站，不同時間下站廳人員分布如圖7所示?；鹪次挥谧呃饶┒藭r，中部走廊不利于人員疏散，發(fā)生火災時處于中部走廊及中部走廊兩側(cè)房間內(nèi)的工作人員無法安全疏散?；鹪次挥谠O備房間內(nèi)時，北2走廊溫度較高，不利于人員疏散，火源位置周圍的工作人員無法安全疏散。

圖7 工況13中不同時間下站廳人員分布Fig.7 Distribution of personnel at different time in station hall under condition 13

2.5 列車火災

表9為列車火災模擬仿真工況下的安全疏散時間。由表9可以看出，工況16、18、20中乘客離開站臺的時間幾乎相同，當站臺B候車乘客較多時，乘客離開站臺的時間主要受站臺B乘客數(shù)量的影響。工況17、19、21中，工況17與工況21下乘客離開站臺的時間相近，略小于工況19，發(fā)生列車火災時，如果火源在列車上的位置接近樓扶梯，影響乘客對于樓扶梯的使用，該火災場景對于疏散時間的影響大于其他火災場景。如圖8所示，工況17中，乘客通過列車門與其他車廂迅速離開頭部車廂；工況19中，乘客在等候從樓扶梯通行期間遠離火源所在的車廂；工況21中，乘客在前往東側(cè)樓扶梯時不在休息室北側(cè)通行。

表9 列車火災模擬仿真工況的安全疏散時間Table 9 Results of RSET by simulation of train fire

圖8 30 s時，不同火源的列車火災下乘客在站臺的密度分布Fig.8 Density distribution of passengers on platform at 30 s under different fire sources

3 結(jié)論

1)地鐵同站臺高架換乘車站站廳中部閘機、站廳樓扶梯入口及站廳出入口附近3處發(fā)生火災的場景下，關(guān)閉上行扶梯、打開所有閘機及柵欄門、打開應急出口能夠有效減少疏散時間。

2)在站臺中部或站臺樓扶梯入口處的火災場景下，上行扶梯停止運行后乘客疏散時間相較于扶梯上行時分別降低41%，35%，進一步將扶梯反轉(zhuǎn)向下運行后疏散時間分別降低5 s，8 s?？紤]工程實際，反轉(zhuǎn)電梯時可能導致乘客摔倒，且需要車站工作人員現(xiàn)場核實扶梯狀態(tài)并手動控制，因此不宜采用將上行電梯直接反轉(zhuǎn)的模式。

3)設備區(qū)發(fā)生火災時，火源位于走廊交叉位置時設備區(qū)內(nèi)的工作人員可以從東西兩側(cè)安全出口疏散，火源位于走廊末端或設備房間內(nèi)時，火源位置周圍的工作人員無法安全疏散。由于工作人員數(shù)量相對較少，設備區(qū)火災對于車站整體疏散時間影響不明顯。

4)4B編組列車發(fā)生火災時，火源的位置對于乘客疏散時間的影響較小，火源在列車上的位置接近樓扶梯時對于乘客疏散時間的影響相對較大。發(fā)生火災的列車停靠在站臺后，應當盡快引導乘客從列車上疏散至車站內(nèi)，然后將列車駛離站臺，以避免乘客在站臺疏散時受到高溫和煙氣的影響。