基于實時關鍵性指標驗證的地鐵站火災人員安全疏散研究

羅佳程 錢雪軍

(同濟大學電子與信息工程學院, 201804, 上海)

隨著計算機技術的發展和疏散模型研究的深入,應用火災模擬軟件和人員疏散仿真軟件,對地鐵站火災人員疏散進行仿真能夠快速獲得比較好的仿真效果,對于地鐵車站應急疏散和安全管理具有很好的指導性作用。文獻[1]結合PyroSim仿真軟件對站臺火災發展及影響因素進行研究。文獻[2]利用Pathfinder軟件對地鐵車站不同條件下的人員疏散特點進行分析。文獻[3]通過地鐵站Pathfinder人員疏散仿真,得出總疏散時間受多種因素的影響。文獻[4]建立了基于FDS(火災動態模擬器)和Pathfinder的地鐵車站人員疏散模型,從人員逃生率和安全疏散可用時間利用率等方面進行分析。

現有研究在判斷人員能否安全疏散時基本是通過比較各關鍵位置可用安全疏散時間(ASET)和必需安全疏散時間(RSET)來確定的。由于目前的人員疏散仿真軟件,如Pathfinder中人員的移動和決策是不能隨著火災過程中的溫度和CO體積分數等關鍵數據動態變化的[5],所以其規劃出的路線可能會引導人員走進危險區域。為更準確判斷地鐵站火災人員能否安全疏散,及時發現并避免人員走進危險區域,本文在綜合分析可用安全疏散時間和必需安全疏散時間的基礎上,通過將火災模擬輸出結果加入到人員疏散仿真中,測量選定人員在整個疏散過程中自身位置實時的溫度、能見度和有效劑量分數(fractional effective dose,FED)3個關鍵性指標,并基于此對人員安全疏散提供指導性的建議。

1 關鍵性指標與研究方法

1.1 關鍵性指標

1) 溫度。當地鐵站發生火災時,過高的溫度會灼傷人體表面皮膚,高溫氣體的吸入也會導致人體不適,嚴重時甚至會威脅人員生命安全。

2) 能見度。火災產生的煙氣具有遮光性,煙氣擴散,能見度的降低會直接導致疏散阻礙的增加,威脅人員的安全疏散。

3) FED。火災產生的煙氣中存在多種毒害氣體,吸收過量會導致人員中毒。FED是一種常用的衡量人體吸收毒害氣體程度的指標[6],可用IFED表示,有:

IFED=IFED_COHCO2+IFED_O2

(1)

式中:

IFED——有害氣體的有效劑量分數;

IFED_CO——CO的有效劑量分數;

HCO2——CO2引起過度換氣的倍增因子;

IFED_O2——O2的有效劑量分數。

(2)

式中:

CCO——CO的體積分數;

A——乘客每分鐘呼吸的空氣量,在輕活動水平(步行逃生)下取25 L/min;

te——暴露時間,單位min;

D——碳氧血紅蛋白百分比,在輕活動水平下取30%。

(3)

式中:

CCO2——CO2的體積分數。

CCO2高于5%時,CO2沒有毒性作用,但會刺激呼吸,從而增加CO的吸收速率。

(4)

式中:

CO2——O2的體積分數。

當O2體積分數高于閾值時,低缺氧不會導致IFED的累積,據此,默認只有當O2體積分數小于19.5%時,才會控制IFED_O2項對于IFED累積的貢獻。

FED在人員穿越燃燒建筑物的過程中會持續積累,若FED大于0.1則說明煙氣影響人員疏散,若FED大于0.8則說明人員面臨嚴重傷亡威脅。

參照文獻[6]的人體耐受極限相關指標,以及NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems的要求,人員關鍵性指標的約束條件可歸結為3點:①溫度不超過60 °C;②能見度不低于10 m;③FED不超過0.8。

1.2 研究方法

基于地鐵站火災人員疏散相關的研究成果,采用PyroSim和Pathfinder仿真軟件對地鐵站火災與人員疏散進行仿真,并將火災模擬結果與人員疏散仿真相結合進行分析,具體的研究思路如圖1所示。

圖1 地鐵站火災人員安全疏散研究思路

2 地鐵站建模與火災模擬仿真分析

2.1 地鐵站建模

采用PyroSim火災模擬仿真軟件對上海軌道交通15號線某站進行建模。該地鐵站為雙層島式地鐵站。站臺層公共區面積約為1 620.0 m2,有效長度為135.0 m,寬度為12.0 m,共設置3組樓扶梯和1部無障礙電梯。站廳層公共區面積約為1 995.3 m2,有效長度為101.8 m,寬度為19.6 m,設有4個對外出口。建立該站的PyroSim仿真模型如圖2所示。

圖2 某站的PyroSim仿真模型

乘客行李及衣物的主要化學成分通常為聚氨酯,易引起火災。因此,在PyroSim仿真模型中,將乘客行李及衣物的燃燒反應設定為聚氨酯燃燒[7]。此外,火災增長類型設定為快速t2增長型[8],火災發展系數為0.046 9 kW/s2。根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》,火災模擬運行時間設定為360 s。在各關鍵位置即樓梯口和出口距離地面上方1.6 m處分別設置溫度、CO體積分數和能見度檢測器。為模擬較不利的火災工況,火源熱釋放速率設置為1 250 kW/m2;火源大小為2 m×2 m;火源位置設置在站臺層樓梯1入口處。

2.2 火災模擬仿真分析

在火災模擬仿真分析中,采用溫度、CO體積分數和能見度作為火災到達危險狀態的判據,三者達到安全閾值的用時最小值即為安全疏散可用時間。根據NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems,火災模擬仿真設定:①距地面高度h=1.6 m處溫度不超過60 °C;②h=1.6 m處CO體積分數不超過500×10-6;③h=1.6 m處能見度不低于10 m。

通過火災模擬仿真得到,各關鍵位置的關鍵性指標時程曲線如圖3所示。按各關鍵性指標的閾值,進一步分析得到可用安全疏散時間如表1所示。

表1 按關鍵性指標閾值計算得到的ASET

a) 溫度

3 人員疏散仿真建模與分析

3.1 人員疏散仿真的建模

在PyroSim仿真模型的基礎上,采用Pathfinder軟件構建Pathfinder仿真模型,進行人員疏散仿真。站臺層兩側的樓梯組均由2部有效寬度為1.0 m的自動扶梯和1部有效寬度為1.8 m的T型樓梯組成。T型樓梯位于站臺中部,其下梯段有效寬度為2.4 m,上梯段有效寬度為4.6 m。與4個出入口對應設置了4個閘機組,每個閘機組均有6條閘機通道,閘機機箱寬度為0.18 m,閘機通道寬度為0.52 m。地鐵站Pathfinder仿真模型如圖4所示。

a) 站廳層

高峰時期的客運量預測為13 581人次/h,高峰時期列車的發車間隔一般為220 s,即每列列車到站時的乘客數量約為830人。綜合考慮部分乘客等待、逗留等情況,本次人員疏散仿真的疏散人數按每列車到站的乘客數量乘以1.5倍綜合系數來計算,即可估算高峰時期該站內需疏散人數為1 245人。仿真中的人員特征參數設定如表2所示。

表2 Pathfinder仿真模型中的人員特征參數

3.2 人員疏散仿真的分析

人員疏散仿真分析采用最后一名人員離開疏散區域所用的時間作為各關鍵位置的必需安全疏散時間。人員安全疏散成功的判定標準指人員在各關鍵疏散位置火災到達危險狀態前從該區域全部撤離,即必需安全疏散時間小于可用安全疏散時間。在此基礎上,通過測量在整個人員疏散過程中人員位置實時的溫度、能見度和FED三個關鍵性指標來驗證各火災工況下人員安全疏散情況,并基于此對人員安全疏散提出指導性的建議。

由于火源位置在站臺層樓梯1入口處,故在人員疏散仿真中設置樓梯1狀態為不可通行,其他樓梯狀態為正常通行。通過人員疏散仿真,得到樓梯口2、樓梯口3、1號口、2號口、3號口和4號口的必需安全疏散時間分別為139 s、137 s、172 s、172 s、37 s、172 s,均不超過各關鍵位置的可用安全疏散時間,由此初步判斷人員可以安全疏散。

為更準確判斷人員能否安全疏散,本研究選擇疏散時間相對最長,且最后一名從各出口逃生的人員為對象,測量其所在位置的關鍵性指標。由于3號口的必需安全疏散時間僅為37 s,故可認為從3號口疏散的人員在整個疏散過程中是安全的。通過人員疏散仿真結果可知,從1號口、2號口及4號口疏散的最后一名人員分別是22號人員、956號人員及720號人員,其疏散用時均為172 s。仿真計算這3名人員所在位置的關鍵性指標時程曲線,如圖5所示。

a) 22號人員

由圖5可知,在整個疏散過程中,22號和720號人員位置處溫度基本保持為20 °C(室溫),能見度保持為30 m,FED遠小于0.8。由此可判斷,在整個疏散過程中22號人員和720號人員都是十分安全的。

由圖5還可看出:在起火后疏散時間t=132 s后,956號人員所處位置的溫度和FED均開始上升,能見度開始迅速下降;最高溫度升至30 °C左右,FED最終為8.4×10-4,均未達到危險值;能見度波動較大。在t=146 s時,能見度降至8.5 m左右,且此次能見度低于臨界值(10.0 m)的時長約為1 s;之后,能見度回升至10.0 m以上;疏散時間達161 s后,能見度再次降至10.0 m以下,并持續到172 s疏散完成后。

956號人員在不同t下的周圍環境及能見度模擬情況截圖如圖6所示。由圖6 a)可見,t=146 s時,956號人員位于2號閘機組前的位置。此時,能見度第一次降到10.0 m以下,這是因為煙氣從站臺層樓梯1入口處的火源位置沿著樓梯1向站廳層蔓延。盡管這次能見度低于10.0 m的狀況只持續了1 s左右,但周圍煙氣已經積聚。

a) t=146 s時人員情況

由圖6 b)可知,t=161 s時,956號人員位于2號閘機組與2號口之間。此時能見度已經到達臨界值(10.0 m)。由仿真結果可知,其能見度在之后的疏散過程中會越來越低。這表明從2號口疏散的部分人員在整個疏散過程中并不是完全安全的,會存在能見度過低的危險情況。

3.3 人員安全疏散措施建議

1) 由火災模擬與關鍵性指標時程曲線可知,能見度的下降對于人員安全疏散速度的影響最大。因此,應在樓梯口、出口及關鍵路段增設應急照明燈具和安全疏散標志,確保人員在能見度較低的情況下仍能找到逃生方向。

2) 在t=146 s時,956號人員往2號閘機組逃生過程中出現了短暫的能見度過低情況;在t=161 s之后,2號閘機通向2號口的通道能見度低于臨界值(10.0 m),不能再安全疏散人員。因此,在起火146 s之后,應安排專業人員通過廣播或其他方式來引導滯后的需疏散人員前往1號口和4號口疏散。

3) 分析人員疏散全過程可以發現:火災發生之初,火勢發展較為緩慢,故站臺層人員都能基本不受影響地到達樓梯入口處;當疏散人數過多時,往往會在樓梯口堵塞很久,影響人員疏散效率。因此,可在火災發生時設置自動扶梯向上運行,并在樓梯口處增設引導人員有序引流,以提高人員疏散效率。

4 結語

本文采用PyroSim軟件和Pathfinder仿真軟件建立了上海軌道交通15號線某地鐵站火災人員疏散模型。通過模型仿真計算得到,地鐵站各關鍵位置必需安全疏散時間均不超過可用安全疏散時間,由此初步判斷站內人員均能安全疏散。

通過對選定人員實時關鍵性指標的測量和分析發現,從2號口疏散的部分人員在整個疏散過程中并不是完全安全的,會存在能見度過低的危險情況。基于該結果并結合人員的整個疏散過程,對地鐵站火災人員安全疏散提出了指導性的措施建議。