地鐵車站火災(zāi)工況站臺層樓扶梯口氣流組織模擬研究

梁艷，唐春華，楊志偉

（1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司；2.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司；3.江西冶金職業(yè)技術(shù)學院）

1 引言

地鐵車站站臺層公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，以往的做法是啟動兩端大系統(tǒng)排煙風機進行排煙，同時為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，打開站臺門首/尾兩端各一道活動門，啟動車站隧道排熱風機（TEF 風機）、區(qū)間隧道風機（TVF風機）輔助排煙。［1-2］但《地鐵設(shè)計防火標準》［3］（GB 51298-2018）已于2018年12月1日實施，其中條文8.1.3-2原文：“當對站臺公共區(qū)進行排煙時，應(yīng)能防止煙氣進入站廳、地下區(qū)間、換乘通道等鄰近區(qū)域”。即當站臺公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，煙氣不能經(jīng)由車站站臺層到達站臺門外側(cè)的區(qū)間隧道，不允許采用以往的開啟站臺門活動門及TVF、TEF風機進行輔助排煙的排煙模式。本文僅就在解決上述問題的過程中，如何在不增加地鐵車站規(guī)模的情況下使站臺層公共區(qū)火災(zāi)煙氣排除，給人員疏散創(chuàng)造有利條件進行研究，以期為類似工程設(shè)計提供借鑒和參考。

2 工程概況

某地鐵車站為地下兩層，車站站廳層公共區(qū)長120m、寬20.4m，有效站臺長186m、寬12m、高5.05m。車站共設(shè)置兩個出入口，尺寸分別為6m×4.8m、6m×4m。共設(shè)置6組自動扶梯、3組踏步樓梯和1組垂直電梯，布置見圖1、圖2。

3 站臺層排煙方案

研究本站站臺層公共區(qū)火災(zāi)排煙方案的前提是站臺安全門不開啟。當站臺層公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，若只開啟車站兩端大系統(tǒng)排煙風機，無法滿足《地鐵設(shè)計防火標準》條文8.2.4-3中“保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流”的風速要求，需增加排煙設(shè)備。擬采取開啟車站兩端排熱風機輔助排煙。具體做法是排熱風機入口端設(shè)排煙風管伸入站臺層公共區(qū)域，并設(shè)置一定數(shù)量的排煙風口。排煙風口的位置范圍從站臺安全門延伸到站臺層中部樓梯處。

圖1 站廳公共區(qū)樓扶梯布置示意圖

圖2 站臺公共區(qū)樓扶梯布置示意圖

車站每端設(shè)置一臺風量為120000m3/h的TEF風機，共2臺；車站每端設(shè)置一臺風量為91700m3/h的大系統(tǒng)排煙風機，共2臺。擬對如下三個排煙方案的氣流組織對比分析，一方面驗證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有≥1.5m/s的向下氣流的要求，另一方面綜合分析三個設(shè)計方案優(yōu)缺點，結(jié)合地鐵車站狀況選擇符合地鐵建設(shè)特點的排煙方案。

模擬方案一：大系統(tǒng)排煙風口分散布置在站臺一側(cè)（escalator1側(cè)）。排熱風機接排煙風管及風口，排煙風口設(shè)置在車站站臺公共區(qū)兩端端頭，靠近安全門。

模擬方案二：大系統(tǒng)布置同方案一。排熱風機接排煙風管及風口，排煙風口向車站中部延伸，集中布置于兩端第一組樓扶梯口附近。

模擬方案三：大系統(tǒng)布置同方案一。排熱風機接排煙風管及風口，排煙風口向車站中部延伸，集中布置于各組樓扶梯口附近，車站中部的樓梯口附近也設(shè)置排煙風口。

圖3 樓梯或扶梯口物理模型

4 CFD模型建立

本站氣流組織模擬目的為查看站臺層公共區(qū)火災(zāi)時樓扶梯口部的氣流情況，站廳層公共區(qū)作為補風空間。CFD物理模型建立過程中對一些構(gòu)件進行了簡化，以減少模型網(wǎng)格劃分，縮短模擬計算 時間。

①將站廳層公共區(qū)簡化為帶進風口的立方體模型。

②柱子及地面小物體與車站大空間相比體積小，對樓扶梯處氣流組織影響有限，忽略不計。

③不考慮人體及其他運動物體對氣流組織的擾動影響。

④只考慮氣流組織的速度場，不考慮熱交換。

⑤車站底板、中板、頂板周圍隔墻的厚度忽略不計。

⑥不考慮鏤空吊頂及風管等管線對空間氣流組織的影響。

本站采用分區(qū)劃分網(wǎng)格，共劃分140個小區(qū)域（站廳層66個，站臺層74個）。因要查看樓扶梯口處的氣流組織速度場，需對進風口、排風口和結(jié)構(gòu)不規(guī)則的樓扶梯網(wǎng)格進行加密處理，在進風口、排風口、樓扶梯及附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，車站共劃分2085453個網(wǎng)格。具體如圖3所示。

圖4 監(jiān)測面位置

5 CFD模型求解計算

由于只考慮氣流組織的速度場，車站內(nèi)空氣流視為不可壓縮低速湍流介質(zhì)，因此數(shù)值模擬考慮修正后的realizable湍流模型，采用壓力基求解器，結(jié)合隱式差分方程，利用SIMPLE算法求解穩(wěn)態(tài)方程組，對流項考慮二階迎風插值格式。經(jīng)計算求解，方案1迭代669步收斂，方案2迭代542步收斂，方案3迭代534步收斂。

6 模擬結(jié)果分析

雖然《地鐵設(shè)計防火標準》提出“保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流”的要求，但規(guī)范及相關(guān)條文中均未明確此處所指的樓梯或扶梯口的具體位置。本次數(shù)值模擬分析在樓梯或扶梯口選取了兩個監(jiān)測面，即最小斷面、站廳與站臺層板有效過風孔洞，見圖4。以最小斷面（監(jiān)測面2）的平均風速為主要評判指標，監(jiān)測面1的平均風速僅供參考對比，各監(jiān)測面面積見表1。站臺公共區(qū)系統(tǒng)氣流穩(wěn)定后，各監(jiān)測面平均風速見表2。

表1 監(jiān)測面面積

根據(jù)表2監(jiān)測結(jié)果，可得到結(jié)論：

①三個方案監(jiān)測面1（最小斷面）處的平均風速均超過1.5m/s，均滿足規(guī)范要求，是排煙方案成立的必備條件。

②三個方案監(jiān)測面2處平均風速均無法達到1.5m/s的風速。

③三個方案同一位置監(jiān)測面的平均風速稍有差別。站臺層僅在一側(cè)安全門設(shè)置大系統(tǒng)排煙風口，此側(cè)監(jiān)測面1、2的平均風速大于另一側(cè)；同一位置監(jiān)測面方案三平均風速最大，最有利，但管線敷設(shè)路徑最遠，最容易和其他管線交叉。

表2 監(jiān)測面平均風速值

7 結(jié)語

本文針對《地鐵設(shè)計防火標準》相關(guān)條文的要求，詳細論述在設(shè)計過程中采取的解決方案，通過對方案的研究，歸納主要結(jié)論如下：

①站臺層公共區(qū)火災(zāi)開啟車站兩端大系統(tǒng)排煙風機+車站兩端排熱風機輔助排煙方案可以滿足設(shè)計要求。

②排熱風機入口端設(shè)排煙風管伸入站臺層公共區(qū)，排煙風口位置可靈活布置，有條件時建議延伸至第一組樓扶 梯處。

③保證站廳到站臺的樓梯或扶梯口處具有不小于1.5m/s的向下氣流，此處的樓梯或扶梯口所指應(yīng)為監(jiān)測面1（最小斷面），其他鏤空面需封閉。