火災(zāi)煙霧對(duì)城市軌道交通安全疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響研究

胡曉 周華杰 楊凡

摘 要：本文探討了火災(zāi)煙霧對(duì)城市軌道交通安全疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。以雙層島式地鐵車站作為模擬對(duì)象，使用PyroSim作為模擬工具，在地下二層的站臺(tái)層設(shè)置面積為1m2的正方形火源，討論增加通風(fēng)口的必要性。模擬結(jié)果表明，在有通風(fēng)口的情況下，地鐵火災(zāi)煙氣擴(kuò)散速度大大降低，為乘客爭(zhēng)取了更多的逃生時(shí)間。

關(guān)鍵詞：火災(zāi);煙霧;城市軌道交通;疏散

中圖分類號(hào)：U231.96文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）11-0102-03

Abstract： This paper discussed the impact of fire smoke on the design of urban rail transit safety evacuation systems. Taking a double-decked island subway station as a simulation object， using PyroSim as a simulation tool， a square fire source with an area of ??1m2 was set on the platform floor of the second basement to discuss the necessity of adding vents. The simulation results showed that in the case of vents， the subway fire smoke diffusion rate was greatly reduced， and more escape time was obtained for passengers.

Keywords： fire;smoke;urban rail transit;evacuation

1 研究背景和研究方法

1.1 研究背景

地鐵是目前世界上解決大中型城市人們出行的最為便捷、經(jīng)濟(jì)和高效的交通工具。我國的第一條地鐵始建于1965年7月。地鐵的發(fā)展程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。

地鐵由于具有運(yùn)量大、速度快、無污染、準(zhǔn)時(shí)、方便、舒適等優(yōu)點(diǎn)而備受人們的青睞，發(fā)展迅速[1]。但是，與此同時(shí)，地鐵的安全問題也開始受到普遍關(guān)注，特別是地鐵成為人流密集的公共場(chǎng)所，一旦發(fā)生毒氣、爆炸、火災(zāi)等突發(fā)事件，影響十分巨大。

1.2 研究方法

本文著重研究地鐵發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)人員的疏散問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，地鐵火災(zāi)造成傷亡的主要原因是煙氣和高溫。因此，在本次設(shè)計(jì)中，應(yīng)用PyroSim軟件模擬火源位置6min內(nèi)煙氣的擴(kuò)散狀況和離地面高度為1.7m處的溫度變化情況。PyroSim，全名Thunderhead Engineering PyroSim，是一款用于消防模擬的軟件，可以對(duì)火災(zāi)中煙氣的運(yùn)動(dòng)、溫度和毒氣濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析。

2 地鐵消防中防煙排煙與事故通風(fēng)的規(guī)定

火災(zāi)煙氣造成的嚴(yán)重危害主要表現(xiàn)在毒害性和減光性。地鐵車體、地鐵隧道、地鐵車站都是環(huán)境相對(duì)封閉的地方，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧不容易自動(dòng)散開，濃煙的積聚使能見度降低，乘客在一個(gè)不熟悉的環(huán)境中很難分辨方向，而且煙氣中含有對(duì)人體有刺激性作用的氣體，如SO2、H2S、HCl、Cl2和NO2等，使人眼流淚，不易睜開，從而給人員的安全疏散造成很大困難[2]。

防排煙工程的目的是防止火災(zāi)產(chǎn)生大量的煙氣，阻止煙氣的迅速蔓延，確保人員的安全疏散和改善撲救條件。為達(dá)到上述目的，現(xiàn)代防排煙技術(shù)及方法主要有設(shè)置機(jī)械排煙、送風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)械排煙或正壓送風(fēng)防煙;對(duì)建筑進(jìn)行防煙分隔或建立防煙封閉避難區(qū);設(shè)計(jì)自然通風(fēng)口，利用煙氣的熱浮力特性，采用自然排煙;對(duì)建材和家具進(jìn)行阻燃、消煙處理;利用噴灑化學(xué)消煙劑或水霧等消除煙氣中有毒成份及煙塵粒子，提高能見度[3]。

3 模擬地鐵火災(zāi)煙氣擴(kuò)散及溫度變化

3.1 地鐵車站模型的建立

本次模擬選取了雙層島式地鐵車站作為研究對(duì)象。第一層為站廳層，有效長(zhǎng)度為80m，寬度為18m，高度為4.5m，兩側(cè)各有兩個(gè)人行出入口與地面相連，每個(gè)出入口寬6m;地下二層為站臺(tái)層，有效長(zhǎng)度為120m，寬度為10m，高度為4.5m，共有4個(gè)送風(fēng)口與4個(gè)排氣口，風(fēng)速為3m/s，每個(gè)開口寬2m，高1.5m。站廳層與站臺(tái)層之間依靠2個(gè)寬均為6m的樓梯連接，樓梯水平開口長(zhǎng)4m，每個(gè)樓梯臺(tái)階寬40cm，高22.5cm。車站各向視圖見圖1至圖3。

3.2 模擬結(jié)果及分析

在本次設(shè)計(jì)中，除了記錄了發(fā)生火災(zāi)后的360s內(nèi)的3D煙霧擴(kuò)散狀況，還記錄了距離地面1.7m的整個(gè)平面的溫度分布情況。這是因?yàn)橄嚓P(guān)數(shù)據(jù)表明，火災(zāi)致死的因素除了煙霧，高溫也是一個(gè)造成重大傷亡的元兇。高溫會(huì)灼傷人的呼吸道，造成人窒息死亡，同時(shí)會(huì)降低人的行動(dòng)能力和判斷能力[4]。距離地面1.7m被認(rèn)為是安全高度，高于1.7m的煙氣和高溫對(duì)人體的傷害可以忽略不計(jì)，但當(dāng)煙霧降到1.7m以下時(shí)，就會(huì)影響人的視線;同時(shí)，1.7m處的溫度也會(huì)影響人的呼吸運(yùn)動(dòng)。

本次設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了兩次火源位置的模擬，都是在地下二層的站臺(tái)層設(shè)置面積為1m2的正方形火源。第一次模擬是為了討論在樓梯口加上高度為30cm的擋煙垂壁對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響;第二次模擬是為了討論火災(zāi)情況下增加通風(fēng)口的必要性。

3.2.1 模型一的計(jì)算結(jié)果及分析。模型一及模型一（增加擋煙垂壁）的火源位置設(shè)置在站臺(tái)層左側(cè)，地鐵車站內(nèi)煙霧擴(kuò)散狀況如圖4至圖6所示。

由圖4至圖6可以看出，著火后120s，煙氣從樓梯口擴(kuò)散到地下一層。煙氣在撞擊站臺(tái)層天花板后迅速向水平方向擴(kuò)散，但左邊有障礙物的阻擋迫使煙霧只能加速向右擴(kuò)張，樓梯口成為站廳層的噴煙口，導(dǎo)致120～360s地下一層煙氣迅速擴(kuò)散。而在地下二層遠(yuǎn)離火源的另一端，空氣中的煙霧含量較低，甚至?xí)陀谕瑫r(shí)期地下一層空氣中的煙霧含量。這是由于火源距離其中一個(gè)樓梯口較近，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣很熱，會(huì)迅速在垂直方向向上擴(kuò)散，而在水平方向上，通常是向上方向受阻后才水平擴(kuò)張。這時(shí)，在火源附近向地下一層疏散時(shí)，雖然選擇離火源比較近的樓梯所用的時(shí)間會(huì)比另一個(gè)樓梯少，但就安全情況來看，更應(yīng)該選擇遠(yuǎn)離火源的樓梯逃生。

圖7至圖9是在模型一的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)樓梯口周圍添加了高度為30cm的擋煙垂壁后，相同火源情況下煙霧擴(kuò)散狀況的模擬記錄。通過比較加擋煙垂壁前后煙氣擴(kuò)散的狀況，可以看出擋煙垂壁對(duì)煙氣的擴(kuò)散確實(shí)有一定的作用，但不是非常明顯。如果想要達(dá)到更好的效果，必須增高擋煙垂壁的高度。但是，為了保證乘客在上下樓梯時(shí)不受擋煙垂壁影響，又必須增大樓梯口的長(zhǎng)度。

3.2.2 模型二計(jì)算的結(jié)果及分析。模型二和模型二（增加通風(fēng)口）的火源位置設(shè)置在站臺(tái)層左側(cè)樓梯入口處，地鐵車站內(nèi)煙霧擴(kuò)散狀況如圖10至圖12所示。

大火封堵了一個(gè)樓梯口，乘客只能由另外一個(gè)樓梯口逃往站廳層。在站臺(tái)層最左邊的乘客還必須越過火災(zāi)產(chǎn)生的濃厚的煙霧向站臺(tái)層右側(cè)的樓梯前進(jìn)，而且這些乘客距離安全樓梯的距離最遠(yuǎn)，疏散所用的時(shí)間也最長(zhǎng)。由于火源位置正在樓梯口處，煙霧順著樓梯快速擴(kuò)散到站廳層，使左側(cè)的樓梯口成為站廳層的噴煙口。

圖13至圖15是在模型的基礎(chǔ)上，在樓梯口正上方的站廳層天花板上添加了風(fēng)速為9m/s的機(jī)械通風(fēng)口后相同火源點(diǎn)的煙霧擴(kuò)散狀況。通過和模型二的模擬結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械通風(fēng)對(duì)火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散具有非常大的影響。

4 結(jié)語

在兩個(gè)模型中，雖然火源點(diǎn)在地下二層的不同位置，但大火產(chǎn)生的煙氣都在120s內(nèi)擴(kuò)散至地下一層，樓梯口都成為地下一層的噴煙口。地下二層的乘客必須經(jīng)過兩個(gè)樓梯疏散至地下一層，乘客疏散方向與煙霧擴(kuò)散方向一致，給乘客的安全疏散造成很大困擾?；诖?，可以在樓梯口周圍設(shè)置擋煙垂壁，用來延長(zhǎng)煙霧擴(kuò)散至地下一層的時(shí)間;也可以通過機(jī)械通風(fēng)的方法延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間。此外，建議通過機(jī)械通風(fēng)的方法使樓梯口保持向下的空氣壓力來控制煙霧從樓梯口擴(kuò)散的速度。相較于增加擋煙垂壁，機(jī)械通風(fēng)在抑制煙氣向站廳層擴(kuò)散效果更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜寶玲.國外地鐵火災(zāi)事故案例統(tǒng)計(jì)分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2007（2）：214-217.

[2]簡(jiǎn)琪，關(guān)輝，高博.建筑防排煙方法對(duì)火災(zāi)時(shí)期人員逃生的影響[J].建筑與設(shè)備，2013（3）：43-44.

[3]蘭彬，錢建民.國內(nèi)外防排煙技術(shù)研究的現(xiàn)狀和研究方向[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2001（2）：17-18.

[4]王學(xué)謙，劉萬臣.建筑防火設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.