地鐵站公共區排煙優化設計研究

劉 鈞

(株洲市消防支隊，湖南 株洲 412000)

地鐵站公共區排煙優化設計研究

劉 鈞

(株洲市消防支隊，湖南 株洲 412000)

結合地鐵站公共區設計特點，認為可將鏤空吊頂空間作為儲煙倉設計，同時研究了不同吊頂鏤空率下的蓄煙效果和吊頂內排煙管道上排煙口不同設置情況下的排煙效果。研究結果表明：當吊頂鏤空面積不小于吊頂面積的25%時，吊頂空間能夠達到較為理想的蓄煙效果；當吊頂內排煙管道上的排煙口開設在排煙管道上方時其排煙效果最好。

地鐵站公共區；排煙設計；吊頂空間；鏤空率；排煙效果

0 引言

地鐵作為一種現代化的交通工具，由于高速、準點、便捷、充分利用城市地下空間等諸多優點，已經逐漸成為城市主要公共交通工具之一。1863年，倫敦建成世界上第一條線路“大都會地區地鐵”，至今全球陸續已有100多座城市建成地鐵[1]。隨著我國經濟發展，各大城市都在競相發展地鐵交通，目前，已有北京、天津、上海、廣州、南京、西安、武漢、杭州、長沙等10余個城市的軌道交通線路投入商業運營。地鐵的發展在為人類生活帶來方便的同時，也衍生出一些嚴重的安全事故，而在這些事故中，火災事故發生的頻率較高[2]，且一旦發生地鐵火災則極有可能造成嚴重的人員傷亡。

為充分利用城市空間，城市軌道交通車站一般建立在地下，由于地下空間較為封閉，人流密集，疏散條件也有限，因而一旦發生火災，若煙氣不能被及時控制在一定范圍內并及時排除，就容易造成慘痛的傷亡結果。國內外研究統計表明，在火災事故中真正被燒死的人員比例很低，而由于煙氣影響死亡的人數占總死亡人數的80%以上[3]，因此地下車站如何控制火災煙氣并有效排除顯得尤為重要。

許多學者專家都對地鐵站的防排煙進行了相應的研究，這些研究主要集中于防煙分區劃分、防排煙模式、不同區域火災排煙設計等方面[4-7]，未見結合地鐵站公共區域建筑設計特點出發的防排煙設計方案優化研究。由于地鐵車站管線眾多，一般采用吊頂形式設置在屋頂上方，而火災產生的高溫煙氣也是先上升到屋頂后再向下沉降，因此，地鐵車站公共區可以充分利用這一特點進行排煙優化設計。本文主要結合地鐵站公共區吊頂設計特點，從儲煙倉設計、吊頂鏤空率、排煙口設計三方面提出相應的排煙優化設計方案，以期取得良好的排煙功效，為地鐵站的防排煙設計提供相應的參考。

1 儲煙倉設計

地鐵站設計中，需要布置大量的管道、電線、電纜等設備，通常在公共區頂部設置吊頂，各種管道、電氣線纜設置在吊頂中。一般的吊頂空間都在0.5～1.5 m之間，且地鐵站公共區面積較大，其吊頂空間也相對較大，因此，可以將地鐵站公共區頂部吊頂設置為鏤空形式，按照地鐵站公共防煙分區的劃分方法，將吊頂空間劃分不同的防煙分區(可以采用向下凸出的梁作為擋煙垂壁)，各防煙分區即為相應的儲煙倉。在利用向下凸出的梁擋煙的同時，還可以在梁的下方安裝固定擋煙垂壁，垂壁從梁底一直向下延伸至吊頂，如圖1所示。如此設計可將煙氣最大限度控制在著火區域頂部空間，避免其大范圍蔓延，并通過排煙系統及時排出室外，減小火災對地鐵站公共區的影響，為人員疏散及消防隊救援創造一個相對安全的環境。

圖1 擋煙垂壁安裝示意圖

2 吊頂鏤空率研究

2.1 模型設計

本研究采用FDS數值模擬軟件，整體模型尺寸為82 m×36 m×8 m，建筑吊頂空間為6.5～8.0 m，采用均勻網格尺寸法，網格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，火源功率2.0 MW。選擇五種不同鏤空率進行數值模擬研究，即站廳公共區吊頂鏤空面積分別為吊頂面積的10%、20%、25%、30%和40%，對應吊頂鏤空面積為295.2 m2、590.4 m2、738 m2、885.6 m2、1 180.8 m2，其數值模擬模型如圖2所示。

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 吊頂空間內煙粒子濃度變化

以相同火源功率下吊頂空間內的煙粒子濃度作為對比參數，煙粒子濃度越高，則蓄煙效果越好，設計越合理，煙粒子濃度隨時間變化情況如圖3所示。由圖3可以看出，公共區吊頂鏤空率從10%增大到20%時蓄煙速度變化最快，從20%增大到25%時蓄煙速度變化相對較小，吊頂鏤空率達到25%以后再增加時，其蓄煙速度變化非常小，故臨界鏤空率為25%左右，即至少應設置占吊頂面積25%的鏤空面積才能達到較好的蓄煙效果。

圖2 鏤空吊頂FDS數值模擬模型

圖3 不同鏤空率下吊頂內煙粒子濃度隨時間變化曲線

2.2.2 吊頂空間內溫度變化

由圖4可以看出，鏤空率越大，頂棚處的溫度越高，煙氣聚集量大，說明蓄煙效果越好；距離頂棚高度降低時，溫度整體呈階梯形下降趨勢。這主要是受煙氣層分層的影響，且隨著高度的降低，不同鏤空率下溫度差距逐漸縮小，當高度下降到距離頂棚1.3 m處時，吊頂鏤空率大于20%時各種情況下的溫度很接近，但與吊頂鏤空率10%時的溫度相差較為明顯。因此，從溫度變化可以得出，吊頂鏤空率大于20%時的蓄煙效果較好。

圖4 不同鏤空率下吊頂內溫度隨時間變化曲線

綜合吊頂空間內煙粒子濃度及溫度變化規律分析得出，為了達到較為理想的蓄煙效果，地鐵站吊頂空間的鏤空率不應小于25%。

3 吊頂內排煙口設置

對于排煙管道上排煙口的設置，可以視其吊頂形式有不同的選擇。對于設置封閉吊頂的空間，設置在頂棚的排煙口只能在吊頂上開設，因此排煙口只有從排煙管道下壁面引出的面向地面的向下排煙口這一種設置方式。若采用開口較大的鏤空吊頂形式，則排煙口除面向地面設計外，還可以選擇采用從排煙管道上壁面引出的面向頂棚的向上排煙口或者從排煙管道側壁引出的側向排煙口。為了及時排煙和更好地控制室內煙氣，本文采用數值模擬方法分別研究了三種不同排煙口設計下的煙氣控制效果。

采用鏤空率為25%時的模型作為數值模擬基礎，模擬了在火源功率、機械排煙量等其他條件均相同的情況下的煙氣層高度、能見度及煙氣溫度，綜合分析不同排煙口布置情況下的排煙效果。

3.1 煙氣層高度及能見度

煙氣層及能見度的模擬結果見圖5～圖7。

由圖5、圖6、圖7能見度云圖可以看出，排煙口開設在排煙管道上部、側面及下部時，煙氣層分別維持在6 m、5.5 m及5 m以上；從能見度等值線可以看出，排煙口位于上部、側面及下部，其最低能見度分別為6 m、4 m及4 m，但是排煙口位于側面時火源附近豎向最低能見度比位于下部時位置要高。綜上所述可知，在以上三種不同情況下，排煙口位于排煙管道上部時排煙效果最好，位于側面時次之，位于下部時排煙效果最差。

3.2 煙氣層溫度

排煙口從排煙管道不同壁面引出時，吊頂空間內的溫度變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，排煙口布置在排煙管道上壁面時，吊頂空間內的溫度最低；布置在排煙管道側壁面時的溫度次之；布置在排煙管道下壁面時的溫度最高。溫度反映了頂棚下方的煙氣聚集情況，也說明了不同情況下的排煙效果，溫度越低，煙氣聚集越少，說明排煙效果越好。因此，排煙口布置在排煙管道上壁面時的排煙效果最好，布置在排煙管道側壁面時的排煙效果次之，布置在排煙管道下壁面時的排煙效果最差。

圖5 排煙口位于排煙管道上部

圖6 排煙口位于排煙管道側面

圖7 排煙口位于排煙管道下部

通過對吊頂空間內煙氣層高度、能見度及溫度變化規律分析得出，排煙口的設計對于控煙效果有著較大的影響，排煙口位于排煙管道上部時的控煙效果最好，位于排煙管道側向控煙效果次之，且兩者均優于位于排煙管道下部的控煙效果。因此，建議地鐵站公共區吊頂內排煙管道的排煙口選擇從排煙管道上壁面引出的向上排煙口這一形式，以達到最佳的排煙效果。

圖8 排煙口布置形式對排煙效果的影響

4 結論

本文結合地鐵站公共區設計特點，將公共區吊頂設計與排煙設計相結合，提出了將吊頂空間作為一種儲煙倉，將吊頂全封閉式改為鏤空式，進而研究得出要達到較為理想的蓄煙效果，吊頂鏤空率不應小于吊頂面積的25%。對于吊頂內排煙管道上的排煙口設置方式也做了相應的研究，研究結果表明排

煙口開設在排煙管道上部排煙效果最為理想。

[1] 梁亞婷.地鐵火災煙氣流動規律的數值模擬研究[D].西安:西安科技大學,2012.

[2] 田娟榮.地鐵火災人員疏散的行為研究及危險性分析[D].廣州:廣州大學,2006.

[3] 霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2009:86.

[4] 吳煒,彭金龍.地鐵地下車站公共區防排煙設計相關探討[J].都市快軌交通,2011,24(1):94-97.

[5] 趙明橋,彭立敏,彭錦志,等.地鐵車站火災煙氣分區控制試驗研究[J].鐵道科學與工程學報,2011,8(1):91-96.

[6] 高俊霞,史聰靈,鐘茂華.深埋地鐵防排煙設計研究[J].中國安全生產科學技術,2006,2(6):39-44.

[7] 盛業華,魏進文,吳文輝,等.基于空氣幕和排煙系統的地鐵車站煙氣控制[J].城市軌道交通研究,2014,(10):66-70.

(責任編輯 李 蕾)

On the Optimal Design of Smoke Exhausting for the Public Zone of a Metro Station

LIU Jun

(ZhuzhouMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince412000,China)

Based on the design characteristics of the metro station public zone, this paper suggests that the ceiling cavity can be used as the storage warehouse of smoke. The paper also makes a study of the in-smoking effects under the different hollow out rate of a ceiling cavity and the out-smoking effects under the different smoke vent settings of exhaust pipes in the ceiling cavity. The results show that when the hollow out rate is not less than 25%, the in-smoking effect was comparatively ideal, and when the smoke vent is located in the top of an exhaust pipe, the out-smoking effect is best.

the public zone of metro stations; smoke exhausting design; ceiling cavity; hollow out rate; smoke exhausting effect

2015-10-19

劉鈞(1969— )，男，湖南岳陽人，高級工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2015)12-0044-04

●火災預防