地鐵站廳至站臺樓梯口風速對火災煙氣運動的影響

閆淑霞，吳喜平

（同濟大學 機械工程學院，上海 200092）

《地鐵設計規范》（GB 50157—2003）[1]19.1.39條規定：當車站站臺發生火災時，應保證站廳到站臺的樓梯和扶梯口處具有不小于1.5m／s的向下氣流。在《高層民用建筑設計防火規范》（GB 50045—95）8.3.2[2]條和《建筑設計防火規范》（GB 50016—2006）9.3.2[3]條有類似的規定：防煙樓梯間門開啟時，通過門的風速不應小于0.70m／s。地鐵規范正是借鑒于地面建筑相關規范，出發點是利用氣流阻擋火災煙氣從站臺向站廳蔓延，為人們安全疏散提供無煙通道。由于地鐵車站作為地下建筑，不同于地面建筑的水平方向防煙，進行的是垂直方向防煙，而有效防煙的氣流速度與煙氣流動特性有關。因此，對向下氣流防煙作用有效性進行研究，進而優化防排煙系統運行模式具有一定意義。

樓梯口風速對煙氣控制效果的影響因素較復雜。顧正洪等[4]通過計算機模擬研究得出樓梯口臨界風速與火災負荷和樓梯口寬度成正比，與樓梯口處擋煙垂壁高度成反比。閻麗萍和施明恒[5]采用CFD方法，對采用不同樓梯結構的站臺層煙氣擴散進行數值模擬，比較樓梯結構對防排煙模式的影響。結果表明：擋煙垂壁和樓梯口向下氣流使得火災時防煙分區效果較為明顯，對煙氣在整個站臺層內的擴散起到了很好的阻礙作用。針對增加樓梯口處風速的措施，羅艷萍等[6]提出綜合利用車站所安裝的風機設備協助排煙的策略，不同排煙模式下煙霧彈對比試驗表明采用系統綜合協助排煙模式較僅靠車站公共區通風空調系統排煙，所需排煙時間短，可有效控制煙氣蔓延。

根據有關試驗證明，煙氣沿樓梯、豎向管井的垂直擴散速度為3～4m／s[7]，防止煙氣向上蔓延的理論風速比規范要求的1.5m／s高，文獻[8]指出當車站站臺著火時，站廳流向站臺的氣流速度應大于3m／s[8]。過強的氣流是否會造成煙氣分層的破壞需要研究論證，同時由于煙氣運動的復雜性，樓梯口結構、形式、建筑幾何尺寸對煙氣的蔓延都有一定影響，從而樓梯口所需的向下氣流速度有差異。本文主要通過現場實測，分析影響樓梯口風速的因素，采用FDS[9－11]火災模擬軟件，研究不同樓梯口風速下的煙氣運動規律，確定地鐵車站站臺層發生火災時合理的防排煙系統運行模式。

1 樓梯口風速現場測試

1.1 試驗設計

樓梯口風速一方面與參與運行的風機容量有關，另一方面與屏蔽門開啟和防排煙系統運行模式有關。出于正常通風，事故／火災通風等功能的需要，地鐵車站內設置通風及排煙系統，以上海軌道交通一號線某車站為例，主要設備參數如表1所示。

表1 車站防排煙系統主要設備參數表

地鐵車站站臺公共區發生火災時，站臺排煙，站廳送風，可選擇的運行方式如表2所示：

表2 車站防排煙系統運行模式

其中，模式1是設計模式，模式2、模式3是可采取的增大排煙量的運行模式。很明顯運行模式的不同將影響到站廳到站臺樓梯口風速的大小。試驗在表2中的3種模式下，采用SQF多點數字熱線風速儀每10s記錄1次站廳至站臺向下氣流風速值，測點布置如圖1所示。

圖1 風速測點平面布置圖

1.2 試驗結果

模式1、模式2順序運行，樓梯口風速測量結果如圖2所示。首先運行模式1，只開啟公共區相關設備，站廳至站臺樓梯口處平均風速0.25m／s，加開站臺隧道上排熱風機，站廳至站臺樓梯口處平均風速達到0.73m／s。模式1、2只開啟了站臺一端的相關設備，開啟兩端設備風速理論上是圖中值的2倍。因此站臺公共區著火，只開啟站臺排風和站廳送風無法滿足地鐵規范要求的不小于1.5m／s風速的要求，開啟站臺上排熱風機可以使風速增加，接近規范要求值。

圖2 模式1、模式2樓梯口風速測量值

圖3是運行模式3的測量結果，車站兩端設備均運行。從風機啟動開始記錄風速值，風機啟動50s后風速增加到穩定值，站廳至站臺風速的穩定平均值為1.76m／s。1點即樓梯邊緣測點的風速低于樓梯中心測點2、3中的較大值。模式3風速最大值2.5m／s，滿足規范要求。

圖3 模式3樓梯口風速測量值

1.3 實測值不等于設計值的原因分析

運行模式1，風速不能達到設計要求。主要原因有：設計條件與實際存在差異[12]，設計中主要是用樓扶梯開口面積的總和去除站臺層的排煙量進行校核，但各樓梯開口面積不一致，因此風速不一致；車站兩端由于管道特性的問題，可造成風量分配不均勻，進而造成樓扶梯口氣流分布不均勻，小的一端可能造成風速低于規范值；屏蔽門的泄漏量不容忽視；地鐵車站空間結構復雜，地鐵出入口、活塞風井等的影響并未在設計中考慮。

因此，針對本測試車站，目前通常的單參數設計方法，不能保證在實際工程中達到規范要求值，必要時對設計系統進行數值模擬，可一定程度上反映站內流場情況。

2 數值模型建立

2.1 FDS模型介紹

FDS是模擬火災湍流流動過程的三維計算流體動力學軟件。采用大渦模擬（LES）數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程，燃燒模型采用混合百分比模型[9]。

2.2 幾何模型

根據測試車站及目前地鐵站現狀，模型計算幾何尺寸確定為180m×20m×10m，共有3個出入口，車站分站臺、站廳2層，島式站臺。站臺通往站廳的樓梯共4個，沿長度方向依次編號，樓梯口尺寸3.2m×4.4m。原點設在站臺平面中心處。模型及坐標系統如圖4所示。

圖4 車站幾何模型圖

2.3 邊界條件及參數設置

2.3.1 邊界條件 站廳層出入口、隧道口取壓力出口邊界條件，初始為1個大氣壓，車站初始溫度25℃。

2.3.2 火源參數 站臺區域火災固定荷載包括裝飾材料、頂棚可燃材料等；動荷載包括人員攜帶的行李等，由于站臺一般有候車人員，發生著火現象會較快發現，電氣火災在一定條件下的快速蔓延和人為縱火形成的高強度火源。而隨著人們對火災防范的重視，日常維護管理的提高，電氣火災發生的幾率可以隨之降低，人為縱火成為相對不容易防范危險源。本文研究將火災場景設置為由于人為縱火潑灑汽油造成火災。史聰靈等對潑灑燃料總量為5kg汽油的故意縱火的火災功率等進行分析結果為[13]：汽油密度0.722kg／L，5kg汽油體積大約為6.9L，假設汽油瞬間全部倒出，其在地面上的浸鋪厚度為3mm，地板浸鋪直徑為1.7m，火災形成的穩定熱釋放速率大約為1.4MW。其他相關文獻[4、14－15]認為車站公共區火災規模不超過2MV。

數值模擬穩定熱釋放率參數取2MW。結合FDS軟件燃燒模型設置特點[9]，火源區域為2m×1.5m，單位面積熱釋放速率為667kW／m2。

2.3.3 排煙系統參數 排煙系統以中軸線x軸劃分為2個獨立系統，單個系統送／排風管以y軸為對稱軸分為2支，單根風管布置24個風口。模擬時考慮到管道水力特性等因素引起的送／排風不均勻性及節省計算存儲量，將單根風管上風口抽象為3個風口，風口風速及尺寸如表3所示。系統運行模式如表2中所示，其中由于目前車站是否安裝屏蔽門并不統一，同時為清晰對比3種模式排煙效果，車站模型選擇為無屏蔽門形式。

表3 風口風速表

3 計算結果及分析

3.1 站內風速分布

分別對站內發生火災和正常情況進數值計算，無火源樓梯口風速隨時間的變化情況如圖5所示。3種模式下樓梯口風速與1.2節實測結果比較，總體變化趨勢吻合，實測風速平均值與相應數值計算得到的風速值對比結果如表4所示，二者偏差在25%范圍內，因此，采用FDS在上述設定條件下可以較好的反映車站氣流場的真實情況。有火源樓梯口風速隨時間的變化情況如圖6所示。從圖5、圖6可以得出如下結論：

1）同種運行模式下有無火源的風速對比可得出，3種運行模式下，有火源時的風速均大于無火源的風速。這是由于火災形成的熱羽流對周圍空氣的卷吸作用，以及站內溫度、壓力等參數變化的綜合作用，使站內流場發生復雜變化，樓梯口風速也隨之改變，而常規設計采用樓梯開口面積的總和去除站臺層的排煙量進行校核計算，沒有考慮火源對站內流場的影響，因此需要進一步改進。

圖5 無火源樓梯口速度分布圖

表4 實測風速值與模擬值對比表

2）同一種運行模式下，車站內不同位置的樓梯口風速存在差異。這主要是受火源距離，樓梯口與防排煙風口距離、車站出入口位置等影響。從圖4可以看出在有火源的3種運行模式下，近火源樓梯口的風速小于遠離火源樓梯口風速。有火源3種模式各樓梯口風速差別明顯；無火源時排風強度最大的模式3，各樓梯口風速差異減小。這可能是因為模式3下各樓梯口風速差值占風速絕對值比例較小造成的。

3）模式3樓梯口風速變化幅度最大，不均性最差。有火源時運行模式2，近火源樓梯口風速較低，其他3個樓梯口風速較一致。

4）3種運行模式下樓梯口風速總體趨勢符合理論狀態，風速從大到小依次為模式3、模式2、模式1。

因此，從風速大小角度講，第3種模式最優。從均勻性比較，第2種模式較好。樓梯口風速是多因素共同作用的產物，受到火源大小，樓梯口位置，站內防排煙系統布置性能等影響，對于樓梯口風速的校核不能單純從無火源狀態下的風速進行評價，而應當考慮到真實的火災場景影響。

圖6 有火源樓梯口速度分布圖

3.2 站內煙氣流動

地鐵車站中央縱斷面（y＝0），火災初期t＝100s和結束階段t＝295s時的煙氣分布如圖7、圖8所示。

圖7 y＝0，t＝100s站內煙氣分布圖

圖8 y＝0，t＝295s站內煙氣分布圖

由圖7可以看出火災初期，在3種運行模式下均存在煙氣通過火源近處樓梯向站廳擴散的情況。這是由于火災初期，煙氣蔓延已達到一定速度，但是樓梯口還未產生足夠向下氣流。由現場實測也可以看到風機50s后才達到運行穩定，再考慮到發生火災的響應時間等因素，發生在站臺樓梯口附近的火災煙氣存在向站廳蔓延的可能性。3種運行模式比較，由于模式3樓梯口風速大，抑制煙氣向站廳蔓延的效果最好，模式1最差。因此增大樓梯口風速能阻止煙氣向站廳蔓延。

由圖7和圖8對比發現，運行模式1，火災初期煙氣層界面較明顯，且未沉降到人活動區域，利于人員疏散。但是如果火沒有被及時撲滅，煙氣蔓延至車站端部回流并不斷聚集，則排煙容量小將對人員疏散造成威脅；模式3站臺內煙氣分布空間更廣，隧道內排煙量大，使站內煙氣擴散度大，但站廳層煙氣少。由圖7可以看到，火還沒熄滅，站廳層已經沒有煙氣，這一方面是因為站臺排煙量大，另一方面樓梯口的風速也有效地抑制了煙氣向站廳層蔓延。

模式2、模式3由于增開隧道內風機能使站內煙氣更快被排除，但同時也形成了對煙氣分層的破壞。

4 結 論

現場測試發現站廳至站臺樓梯口風速不能滿足設計要求。針對此問題分析了樓梯口風速的影響因素，建立模型，模擬研究不同風速下站內煙氣的排除情況。結果表明通過采用增開隧道風機，可以實現設計要求。從而為以后的設計提供可行建議。

增大地鐵站站廳至站臺樓梯口風速可以起到控制地鐵站臺火災煙氣向站廳蔓延的作用。但單純為增大樓梯口風速，而采取模式2、模式3，有可能破壞站內煙氣分層，干擾煙氣流動，同時室外新風的增加可能使燃燒更劇烈。因此在防排煙工程中對火災煙氣流的組織，比單純的數量指標更重要。

考慮影響樓梯口風速的各種因素，，在設計階段可對計算所確定的防排煙系統通過數值模擬進行進一步校核，降低在地鐵站這種復雜結構中采用單參數設計的不合理性。

[1]GB 50157—2003地鐵設計規范 [S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]GB 50045—95高層民用建筑設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[3]GB50016—2006建筑設計防火規范 [S].北京：中國計劃出版社，2006.

[4]顧正洪，程遠平，倪照鵬.地鐵車站火災時事故通風量的研究 [J].消防科學與技術，2005，24（3）：298-300.GU ZHENG-HONG， CHENG YUAN-PING， NI ZHAO-PENG.Study on ventilation volume in subway station fire[J].Fire Science and Technology，2005，24（3）：298-300.

[5]閻麗萍，施明恒.地鐵站臺層樓梯結構對不同排煙模式下排煙效率的影響研究 [J].建筑科學，2009，25（11）：126-131.YAN LI-PING，SHI MING-HENG. Research on smoke exhausting efficiency in different smoke control model of different stair structures in subway station fire[J].Building Science，2009，25（11）：126-131.

[6]羅燕萍，王迪軍，李梅玲.地鐵車站防排煙系統 [J].制冷空調與電力機械，2004，（03）：41-44.LUO YAN-PING，WANG DI-JUN，LI MEI-LING.Smoke exhaust system of underground rail station[J].Refrigeration Air Conditioning ＆Electric Power Machinery，2004，25（3）：41-44.

[7]錢以明.高層建筑空調與節能 [M].上海：同濟大學出版社，1990.

[8]張慶賀，朱合華，莊容，等.地鐵與輕軌 [M].2版.北京：人民交通出版社，2006.

[9]National Institute of Standards and Technology，Gaithersburg，Maryland，USA，and VTT Technical Research Centre of Finland，Espoo，Finland.Fire dynamics simulator，technical reference guide（5th ed）.NIST Special Publication 1018-5（Four volume set）[S]，Gaithersburg：NZST，2007.

[10]MCGRATTAN K，HOSTIKKA S，FLOYD J.Fire Dynamics Simulator（Version 5），User's Guide[S].NIST Special Publication 1019-5，National Institute of Standards and Technology，Gaithersburg，Maryland，2007.

[11]Forney G P.Smokeview（Version 5），A tool for visualizing fire dynamics simulation data，Volume：user's guide NIST Special Publication 1017-1 [S].Gaithersburg， Maryland： National Institute of Standards and Technology，2007.

[12]孫路.帶屏蔽門的地鐵站通風兼排煙系統問題探討[J].鐵道標準設計，2006（7）：95-96 SUN LU.Exploration for the ventilation and smokereleasing system in subway terminals with shielding door[J].Railway Standard Design，2006（7）：95-96

[13]史聰靈，鐘茂華，羅燕萍，等.地鐵車廂汽油火災的模擬計算與分析 [J].中國安全科學學報.2006，16（10）：32-36.SHI CONG-LING，ZHONG MAO-HUA，LUO YANPING，et al.Smiulating calculation and analysis of gasoline arson fires in metro compartment[J].China Safety Science Journal，2006，16（10）：32-36.

[14]鐘委，霍然，王浩波.地鐵火災場景設計的初步研究[J].安全與環境學報，2006，6（3）：32-34.ZHONG WEI， HUO RAN， WANG HAO BO.Preliminary study on f ire scenario's design of subway f ires[J].Journal of Safety and Environment，2006，6（3）：32-34.

[15]胡維擷.地鐵車站火災工況氣流組織研究 [J].地下工程與隧道，2008，（1）：43-45.HU WEI-XIE.A study on air flow organization under fire scenario in metro station [J]. Underground Engineering and Tunnels，2008，（1）：43-45.