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8A编组地铁车站公共区火灾排烟模拟分析论文

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  关键词:车站公共区,火灾,烟气,排烟,疏散

  0引言

8A编组地铁车站公共区火灾排烟模拟分析论文

  地铁是现代城市交通运输的大动脉,是衔接和中转各区域的重要交通工具,可极大缓解城市交通拥堵的状况,缩短出行时间,扩大出行范围。但地铁在为市民带来便利的同时,也会产生部分潜在的安全隐患,如早晚高峰人流量陡增,人员所携带的行李多为易燃物品,一旦发生火灾等突发事件,均可能会对其内乘客出行安全造成严重威胁[1-5]。地铁车站公共区火灾排烟方案是否合理将直接影响人员的疏散[6-8]。奚峰等[9]对地铁地下车站站台公共区排烟方案进行了探讨,提出了建议取消站台火灾时站厅到站台楼梯口不小于1.5 m/s的向下气流的规范要求。王文锋等[10]建立了拱形地铁站厅火灾烟气蔓延区域模型,研究了不同机械排烟量下烟气沉降高度随时间的变化规律。吴进等[11]通过运用PyroSim数值模拟软件和热烟测试分析了烟气温度的传播规律。陈怡桦等[6-8]采用全尺寸热烟测试(Hot Smoke Test)的方法研究了烟气温度及CO2、CO浓度的变化规律。地铁车站在火灾时,除了温度、CO2、CO浓度等影响人员疏散外,烟气的清晰高度也是影响人员疏散的重要因素,且其是在前期设计过程中主要考虑的因素。本文将对车站公共区不同区域火灾、不同排烟量下烟气的清晰高度情况进行数值模拟研究,针对模拟计算结果对地铁车站公共区火灾时的排烟方案提出预案及建议。

  1数值模拟

  1.1物理模型

  本文使用消防火灾烟气模拟软件FDS(Fire Dynam ics Simulator)进行模拟计算,该软件可用于火灾模拟,具有很强的针对性,可以获得详细的物理量的时空分布,并能清晰地反映火灾现象[12]。

  以某8A编组地铁车站进行研究,模型尺寸如图1所示。车站为标准两层车站,站厅层层高5.0 m,站台层层高4.6 m,设置有2个出入口及4台楼扶梯,站厅层设置有排烟口36个,站台层设置有排烟口22个,站台两端各设置集中排烟口2个,站厅公共区中部设置有挡烟垂壁,挡烟垂壁高度为排烟口下500 mm,站厅中部火灾时开启站厅层排烟口,站厅1/4区域火灾时开启对应防烟分区的排烟口,站台公共区火灾时开启集中排烟口及站台排烟口。站厅层网格数量1 652 000个,站台层网格数量1 248 900个。

  1.2火源设置

  实际火灾中火源功率是不断变化的,而且是不稳定的。大体上分为阴燃阶段、缓慢增长阶段、快速发展阶段、稳定然后衰减阶段。火源的增长阶段可以用一个理想化的抛物线方程来表示:Q=at2。式中:a为火源功率增长系数;t为燃烧时间。这种火源功率随时间增长模型按增长系数a的大小,可以将火灾划分划分为:极快、快速、中速、缓慢4种增长速率[13]。车站公共区发生火灾威胁较大的可燃物就是垃圾箱中的垃圾和乘客随身行李。行李中的衣物燃烧属于纤维聚合物燃烧,根据常见衣物纤维燃烧氧气指数表[13]可知,纯棉织物要比人工合成纤维织物更加易燃,但可燃烧性能差别并不大。为了获得更高的安全系数,站台火灾火源增长类型为快速增长,a取值0.046 9[14]。

  英国消防研究所测试了一辆装有多件行李的手推车,最大热释放速率可达1.2 MW。英国研究人员对密集的公共场所火灾火源强度统计结果为2~2.5 MW[15]。美国国家标准与技术局对售票厅全尺寸实验测得的最大火源功率为1.5 MW。本文按照最不利条件考虑,将站台火灾功率设置为2.5 MW。

  1.3疏散时间

  参考文献[16],人员由站台疏散到出入口的时间为340.2 s,人员由站厅疏散到出入口的时间为38 s,为了更好的分析烟气蔓延趋势,地铁车站一般按照6 min人员疏散至安全区域设计,所以本论文对火灾6 min烟气蔓延程度进行分析。

  1.4模拟工况

  (1)排烟量工况

  国内相关规范[17-18]都对公共区计算排烟量进行规定,排烟量计算按照根据一个防烟分区的建筑面积按1 m3/m2·min计算。根据站厅公共区防烟分区计算出的排烟量定义为公共区标准排烟量(以下简称标准排烟量)。为了研究排烟量大小对烟气的影响,本论文分别对标准排烟量及1.2倍标准排烟量进行模拟计算。

  站台火灾时,为了保障站厅到站台楼梯口风速不小于1.5 m/s,除启动公共区排烟风机外在站台设置了集中排烟管道,排烟量为单端40 m3/s。

  (2)火灾及测试点位工况

  图2分别表示车站公共区火灾位置及主要疏散测点分布图,本文将针对站厅中部区域火灾、站厅1/4区域火灾及站台中部区域火灾进行模式计算,对烟气蔓延进行分析。

  2站厅模拟结果分析

  2.1站厅中部火灾疏散区域烟气高度分析

  图3为站厅中部火灾不同排烟量不同测点的烟气高度。对比不同区域的烟气高度可知,烟气在站厅蔓延较快,随着时间的延长,烟气由着火点向车站两端蔓延,烟气在蔓延过程中不断卷入冷空气,烟气高度逐渐降低。根据文献[14]计算可知站厅层的最小清晰高度为2.1 m。车站端部区域(测点1及测点4)烟气高度基本在2.1 m以上基本满足人员疏散要求。车站1/4区域烟气变化较剧烈,烟气量也较端部区域多,但烟气高度(测点2及测点3)大部分能满足最小清晰高度要求。

  对比不同排烟量下烟气高度可知,1.2倍标准排烟量排除的烟气量增多,延缓了烟气蔓延至车站端部的烟气量。1.2倍标准排烟量时车站1/4区域烟气下沉时间(测点2及测点3)较标准排烟量延长,其烟气高度也在一定程度有所改善,但并不明显。1.2倍标准排烟量时车站端部区域烟气波动较标准排烟量剧烈,主要原因是站厅层排烟时补风方案为出入口自然补风,随着排烟量增加出入口进风量增多,进风气流与热烟气混合后造成热烟气温度降低引起烟气下沉。

  2.2站厅1/4区域火灾疏散区域烟气高度分析

  图4为站厅1/4区域火灾不同风速不同测点的烟气高度图,其火灾的蔓延规律基本上和站厅中部区域火灾一致。通过分析可知站厅公共区1/4区域火灾时按照标准排烟量设计疏散区域满足最小清晰高度2.1 m的要求。通过测点3烟气高度可得烟气跨越了挡烟垂壁,由此可知站厅公共区火灾时,开启对应防烟分区的排烟系统是合理的,但同时应设置烟气蔓延至相邻区域,启动对应防烟分区排烟系统的条件。

  对比不同排烟量下烟气高度可知,随着排烟量的增加对测点1处的烟气排除效果不明显,主要原因是烟气蔓延至此处后进行堆积,且存在出入口补风气流的影响,增加的排烟量不足以排除此区域的烟气。随着排烟量的增加对于测点2及测点3处的烟气量减弱效果较明显,增大排烟量后基本上烟气没有蔓延至测点3处。

  通过与站厅中部区域火灾对比可知其烟气平均高度较中部区域火灾烟气平均高度高,主要是火源点在非中间区域后,烟气主要集中在了靠近火源点的车站端部,烟气可以向非火源点的端部有很长的自由蔓延路径,同时站厅公共区中间设置挡烟垂壁后烟气蔓延至相邻防烟分区能力减弱。

  3站台模拟结果分析

  图5为站台中部区域火灾不同排烟量下不同测点烟气高度。从图中可知站台层1/4区域烟气(测点2及测点3)下降迅速且高度较低,分析其主要原因是站台两端设置有集中排烟口,集中排烟口风量较大,其在控制站厅到站台楼梯口风速的同时也造成站厅层气流进入站台,造成站台烟气下沉。从图中可知站台层端部区域烟气(测点1及测点2)基本被排出,其主要原因是集中排烟口加大了站台层的排烟量,所以此区域烟气基本被排出。在标准排烟量时烟气下沉后测点2及测点3的烟气平均高度分别为1.74 m及1.86 m,按照文献[14]计算的站台层的最小清晰高度为2.06 m,可见站台层1/4区域烟气在一定程度上影响人员疏散。测点2及测点3烟气下沉时间分别为143 s及169 s,由此可知站台火灾时人员疏散的时间建议控制在140 s以内。运营人员在组织人员疏散时,初期可以利用4部楼扶梯进行疏散,后期尽量组织人员由端部2部楼扶梯进行疏散。

  对比不同排烟量下的烟气高度可知,随着排烟量的增加测点2及测点3的烟气高度、下沉时间及烟气波动并没有明显改善,其主要原因是站台层的总排烟量已经很大,增加部分排烟量排除效果不明显。随着排烟量增加测点2及测点3烟气下沉时间反而提前,其主要原因为增加排烟量引起站厅到站台补风量增加,站厅到站台的气流破坏了站台层烟气的稳定性,造成烟气下沉时间提前。

  4结束语

  本文采用FDS对车站公共区不同区域火灾、不同排烟量下的烟气情况进行了数值模拟研究,其结论如下。

  (1)站厅及站台在标准排烟量下烟气在可控范围内,在6 min内基本满足人员疏散需求。

  (2)站厅层适当增大排烟量可在一定程度上延缓烟气的蔓延,在同时间下缩短烟气蔓延的距离,但并没有显著整体提升烟气的平均高度;站台层增大排烟量反而不利于烟气的控制。

  (3)站厅公共区中部火灾及1/4区域火灾时均出现

  了烟气向蔓延的情况,按照规范要求的排烟口下500 mm设置挡烟垂壁并没有完全阻挡烟气蔓延,所以在排烟方案中应考虑此工况烟气蔓延至相邻防烟分区的排烟方案。

  (4)站台层火灾时人员疏散的时间建议控制在140 s以内,初期可以利用4部楼扶梯进行疏散,后期尽量组织人员由端部2部楼扶梯进行疏散。

  (5)本文考虑了2.5 MW火灾规模以及快速增长形,在6 min内烟气基本可控,所以控制火灾的大范围燃烧及人员的前期疏散尤为重要,运营单位的消防应急预案应做相应分析。

  (6)站台层火灾时站厅到站台的楼梯口风速造成站台层1/4区域烟气下沉迅速且高度较低,可见其在控制站台层烟气向站厅蔓延的同时也对站台层烟气产生影响,后续建议对该风速的合理区间进行研究。

  参考文献:

  [1]王江维,罗宏森.我国地铁应急疏散研究热点主题探析[J].河北科技大学学报(社会科学版),2022,22(1):63-72.

  [2]YANG X X,ZHANG R,LI Y X,et al.Passenger evacuation path planning in subway station under multiple fires based on multi objective robust optimization[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2022,23(11):21915-21931.

  [3]YU H,WANG Y M,QIU PY,et al.Analysis of natural and man-made accidents happened in subway stations and trains:based on statistics of accident cases[C]∥EDP Sciences.2018 Interna‐tional Conference on Functional Materials and Chemical Engi‐neering.Paris:EDP Sciences,2019:01031.

  [4]陈阳光.基于BIM的地铁车站火灾疏散研究[D].成都:西南交通大学,2023.

  [5]王胜闯.突发火灾下地铁站内人群疏散模型与仿真研究[D].沈阳:沈阳大学,2022.

  [6]张岚.地铁车站火灾事故分析及应急救援[D].北京:北京交通大学,2006.

  [7]陈晓林.地铁火灾事故的疏散逃生[J].城市轨道交通研究,2012,15(12):21-23,44.

  [8]刘树.CFD技术与热烟试验在地铁火灾研究中的应用[J].铁道工程学报,2016(6):99-103.

  [9]奚峰,王海港,宋洁.典型地铁地下车站站台公共区排烟方案探讨[J].暖通空调,2022,52(2):63-66.

  [10]王文锋,付海明,姚胜旺,等.防排烟系统对拱形地铁站厅烟气蔓延的影响[J].地下空间与工程学报,2022,18(4):1383-1400.

  [11]吴进,吴子科,蔡治勇,等.双层岛式地铁站站厅全尺寸烟气温度传播规律研究[J].中国安全生产科学技术,2021,17(11):165-171.

  [12]江荷,朱常琳,李胜涛,等.排烟口对地铁隧道火灾机械排烟效果影响研究[J].建筑热能通风空调,2020,39(3):73-77.

  [13]张军,纪奎江,夏延致.聚合物燃烧与阻燃技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

  [14]建筑防烟排烟系统技术标准:GB51251—2017[S].北京:中国计划出版社,2017.

  [15]HANSELL G O,MORGAN H P.Design approaches for smoke control in atrium building[J].Building Reseach Establishment,UK,1994.

  [16]谢灼利,张建文,魏利军,等.地铁车站站台火灾中人员的安全疏散[J].中国安全科学学报,2004,14(7):21-25.

  [17]地铁设计规范:GB50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

  [18]地铁设计防火标准:GB51298—2018[S].北京:中国计划出版社,2018.

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