基于FDS的地鐵車站火災數值模擬分析

鐘帥 苗作華 余璨 冉康 劉聰

摘要：地鐵火災監管在地鐵安全運營管理過程中占據重要位置，地鐵火災的發生、發展機理與其它類型火災相比有很大差異。以武漢市地鐵2號線某四層分離島式站點為研究對象，以FDS火災模擬軟件為技術手段，對該地鐵站點發生火災時的煙氣蔓延過程、溫度分布以及CO濃度分布規律進行數值模擬，通過對模擬結果的分析，研究上述分布規律對人員安全疏散的影響。實驗研究表明，當該地鐵站點發生火災時，CO濃度和溫度的變化與火源距離呈正相關，通過及時開啟相應的火災處理排煙風機系統以控制煙氣蔓延，此時在風機影響區域的上風CO濃度、 溫度偏低，下風側偏高，其它區域的CO濃度、溫度則變化不大。

關鍵詞關鍵詞：地鐵火災；分離島式車站；煙氣蔓延；數值模擬

DOIDOI：10.11907/rjdk.161277

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007013704

0引言

隨著城市經濟的快速發展，地鐵在城市軌道交通中占據了越來越重要的地位，地鐵修建、運營發展迅速，而針對地鐵災害、尤其是火災的研究則相對滯后。地鐵火災的發生、發展機理與其它類型火災相比有很大差異，首先地鐵列車裝備了大量的通訊、電力電纜及車輛裝飾材料，加上乘客攜帶的隨身物品，很容易引起或加速地鐵火災的蔓延；其次地鐵運行區間相對狹長、封閉，其通風環境較差，導致火災發生時的煙氣擴展不夠及時、迅速和充分。

充分利用現代計算機技術對地鐵火災發生時影響人員安全疏散因素的變化規律進行事前模擬研究，對地鐵安全運營、風險防范具有重要意義。已有學者開展了相關研究并取得了諸多研究成果：陶平等采用FDS軟件對西安地鐵2號線某島式站臺端部火災工況進行了數值模擬研究；朱偉等對地鐵車站出入口火災煙氣的CO質量分數變化規律進行了模擬研究；龔偉、游偉等對天津地鐵某車站火災發生時煙氣溫度與能見度分布情況進行了數值模擬；朱常琳等探討了自然通風模式下隧道區間火災人員疏散微環境中的煙氣溫度、能見度和CO濃度分布規律；趙明橋等針對不同通風方式下區間隧道火災高溫及煙氣控制效果的差異性進行了研究。當前國內研究主要集中在雙層島式車站方面，關于四層分離島式站點火災煙氣溫度、流速、能見度和CO濃度的研究還較少。鑒于此，本文以流體力學、燃燒學和傳熱傳質學的相關原理為理論基礎，以武漢市地鐵2號線某四層分離島式車站為研究對象，采用FDS軟件（Fire Dynamics Simulator）對該地鐵站點站臺火災、站廳火災發生時的煙氣擴散、溫度分布以及CO濃度分布規律進行數值模擬，并結合實驗對不同火災條件下影響人員安全疏散的各特征指標進行分析，為地鐵火災安全防范提供支持。

1數值模擬計算理論與方法

FDS是由美國國家標準和技術研究院（NIST）開發的以場模擬計算為原理、以火災流體運動為建模對象的計算流體動力學軟件。速度、溫度、各組分濃度等火災狀態參數的分布情況即為場，場模擬是以對火場的各種狀態參數在空間、時間上的變化情況進行計算機軟件模擬；質量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學反應定律等是場模擬的理論依據，由于地鐵火災各狀態參數的變化也遵循這些規律，因此可以用場模擬方法來模擬火災的產生、發展變化過程。FDS通過大渦模型（LES，Large Eddy Simulator）對連續方程、動量方程、能量方程以及壓力收斂方程進行求解，從而得到火災溫度、壓力、氣體成分等狀態參數的空間分布情況。1.1模擬對象數字建模

首先要對模擬對象進行網格劃分，建立數字模擬模型。通常網格尺寸越小對模擬對象的表達越精細，模擬結果也越準確，但計算效率則可能較低下。因此，需要根據研究對象、研究目的選擇合理的網格劃分方法以及網格單元大小實現模擬精度和計算效能之間的平衡。根據已有學者的研究經驗，本文對模擬對象采用多分區法進行非均勻網格劃分以建立數字模擬模型，根據火源距離對火災的火源區域、站臺、站廳分別設置不同尺寸的Mesh區域和網格單元。1.2火源功率增長方式

火災變化過程是火源的熱釋放過程，常用熱源釋放速率、增長速率等參數來描述該過程，在設計地鐵站點火災模擬場景時需根據實際情況確定火源功率的相關參數。熱釋放速率（Qc）是表達火災發展、危害的主要參數，也是選擇消防措施的重要依據，指單位時間內火源放出的熱量，一般以kw為單位，通常研究以t2模型為初始階段增長火，隨時間推移火源發展為穩定功率燃燒[8]。

式（1）中，α為熱源增長速率（kws），t為火災熱源燃燒時間，t0為火災起始時間，為研究方便，通常設該參數為零，則熱釋放速率（Qc）求解公式可簡化為：

當地鐵火災發生時，易燃物體被點火引燃，產生維持火源繼續燃燒的能量，理論而言熱源釋放速率會隨著易燃物體被點燃數量的增多不斷增大。但是，現實生活中當火災發生時會有相應的救援措施啟動，如地鐵的自動噴淋系統、排煙風機系統等，并且人員安全疏散的黃金時間是在火災發生后的幾分鐘，研究中通常對火源功率增長方式進行簡化，火災發生后以一定的熱源速率增長，隨時間推移穩定在某個固定值。1.3人員安全疏散時間指標

地鐵發生火災時，人員能否安全疏散涉及到兩個重要的時間參數，即安全疏散所需時間和可用時間（見圖1）。在本文中定義安全疏散所需時間為RSET、安全疏散可用時間為ASET，人員能安全疏散則必須滿足ASET>RSET。根據《地鐵設計規范》（GB50157-2013）中規定：當地鐵火災發生時，應保證在現有排煙系統設計方案下，能夠滿足不小于360s的疏散時間要求。

1.4人員安全疏散CO指標

火災發生時會產生大量能造成人員死亡的有毒氣體，其中CO能削弱血液中血紅蛋白與O2的結合，造成受害者缺氧，最終導致死亡。研究表明，死于CO中毒的人員數量在火災事故受害者中約占一半以上。人在不同CO濃度及暴露時間中所產生的病理癥狀如表1所示。

2.1站點數字模型建模

本文研究所選擇的地鐵站點位于湖北省武漢市武珞路和珞獅南路路口，該站點周邊以公共事業用地、居住用地、商業用地和教育用地為主。該車站為地下四層分離島式車站，有效站臺長度為186m，每側站臺寬度為6m，車站建筑結構為四層五跨箱型框架，該站臺數字模型如圖2示所示。

2.2實驗參數設置

在上述分析基礎上，結合該地鐵站點實際情況，本文主要針對該地鐵站點的站廳、站臺進行火災模擬分析。在FDS軟件中設置的相關參數如表2所示。

本文分別對該地鐵站點站廳層的煙氣蔓延過程（見圖3）、溫度分布（見圖4）、CO濃度分布隨時間的演變情況（見圖5）進行模擬實驗研究。

經模擬結果分析可知，當站廳層一側站臺中間著火時，煙氣向站臺兩側擴散，再通過中間的橫向通道擴散到對側。煙氣隨著火源功率的增大不斷向站臺上部空間及兩端蔓延，并通過開啟的站廳排煙風機排放，360s內會有少許煙氣進入站廳層對側站臺，樓梯口上方煙氣流動穩定，2m位置處煙氣稀薄，有利于人員逃生，煙氣未蔓延至負一層和站臺層。

經模擬結果分析可知，站廳層的高溫區域主要集中在火源附近的頂部區域，離屋頂縱向5m范圍內溫度升高較大，站廳層2m位置處溫度變化不大，火源正上方半徑1m范圍內，600s溫度可到達300℃，絕大部分區域為常溫20℃。

經模擬結果分析可知，高濃度CO主要集中火源內區域，火源附近CO濃度最高達200ppm以上；隨著火災發生時間的推移，CO的濃度與火源呈距離衰減模式，隨著距離增大，CO濃度顯著降低；在站廳2m位置處，CO濃度在45ppm以下，其濃度可滿足人員安全疏散的規范要求；當煙氣徑向蔓延到左右兩邊出入口時，受外界風的影響，局部滯留累積，發生煙氣卷吸現象，導致這兩處CO濃度相對較高。2.4站臺層火災模擬結果與分析

本文分別對該地鐵站點站臺層的煙氣蔓延過程（見圖6）、溫度分布（見圖7）、CO濃度分布（見圖8）情況進行模擬實驗研究。

經模擬結果分析可知，當站臺層一側的站臺中間著火時，煙氣首先向該側站臺兩側蔓延擴散，然后會通過中間橫向通道蔓延擴散到站臺對側，在模擬實驗進行到360s時，有少量煙氣進入站臺層對側站臺，同時煙氣會隨著火源功率的增大不斷向站臺上部及兩端蔓延，通過開啟的站廳排煙風機系統排放，經模擬實驗發現在站臺層2m位置處火災產生的煙氣稀薄，煙氣沒有蔓延至站廳層，有利于人員的安全疏散。

經模擬結果分析可知，隨著時間的推移，站臺樓梯截面溫度逐漸升高并向兩端蔓延，至473s火源達到最大功率并趨于穩定；本次實驗設置的著火源由于靠近樓梯3臺階口，樓梯向下風流將高溫煙氣截斷，使煙氣繞道進入橫向通道及右側站臺區；在360s時人員可安全疏散，在600s時站臺層高度2m的位置，著火源附近小區域內最高溫度為208℃左右，絕大部分區域為20℃左右，站臺層其它區域溫度控制在35℃以下。

經模擬結果分析可知，隨著火災時間的推移，CO濃度逐漸升高，至473s時趨于穩定，此時火災煙氣主要集中在火源附近站臺頂板區域；360s時CO濃度在30～150ppm，站廳層CO濃度幾乎為0，有利于人員安全疏散；在站臺層2m高度的位置，CO濃度也都控制在300ppm以下。3結語

本文借助FDS軟件、以武漢市地鐵2號線某四層分離島式車站為研究對象，按最不利工況條件對該地鐵站點進行火災安全性模擬分析，主要結論如下：

（1）當站廳火災發生時，首先應及時啟動站廳排煙系統以有效控制煙氣、阻止煙氣向設備層和站臺層蔓延。模擬實驗表明，以著火源為中心、5m為半徑的范圍內溫度最高，火源正上方2m位置處溫度最高；CO濃度隨距離的變化較大，火源附近10～25m處的站廳頂部CO濃度偏高，隨著離火源距離增大，CO濃度則逐漸降低，在站廳層下方的區域濃度偏低；CO濃度隨時間的變化不明顯；在模擬實驗進行到360s時，各主要指標可滿足人員安全疏散的規范要求；站廳層的最大可用安全疏散時間約為600s。

（2）當站臺火災發生時，首先應及時開啟站臺的排煙排熱系統，同時在軌頂排熱風機及隧道排煙風機的協助下進行排煙。模擬實驗表明，煙氣主要集中在火源附近站臺頂板區域以及樓梯2和樓梯4之間的區域，在2m高度處火源附近小范圍內最高溫度為208℃，絕大部分為20℃；站臺層其它區域溫度都控制在35℃以下；2m高度處CO濃度控制在300ppm以下；在模擬實驗進行到360s時，各主要指標可滿足人員安全疏散的規范要求；站臺層的最大可用安全疏散時間約為360s。

本文結合武漢市軌道交通線路實際情況，采用FDS軟件對典型車站火災條件下的火災蔓延、煙氣擴散過程進行計算機模擬分析，進而分析地鐵運營期間站臺的消防安全，為消防力量的調配和撲救提供便利，也為后續消防設計提供參考。

參考文獻：

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