地铁车站站台火灾影响分析与人员疏散研究
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【摘 要】本文基于地铁车站火灾危害性分析，结合Pyrosim仿真软件针对站台火灾发展及影响因素展开研究。主要考虑火灾过程中Co浓度、O2浓度、温度及可见度4种主要危害因素，以西直门地铁站2号线站台为例建立火灾仿真模型，分析了火源热释放速率、数量及位置和通风系统排烟速率对火灾发展过程主要危害因素的影响；并对烟气毒性和可见度建立了基于FED的疏散仿真模型，研究了不同通风排烟措施对人员疏散的影响。
【关键词】地铁车站站台；火灾影响；人员疏散
一、站台火灾危害分析
地铁站台是乘客大量聚集候车、到达离开的场所，一旦发生火灾将直接威胁大量乘客的安全。根据统计，火灾中80%以上遇难者是因高温烟气以及有毒气体致死的，其危害性主要体现在高温危害、烟气毒性、缺氧，以及可见度降低等方面。
火灾烟气层高度低于人眼特征高度时，温度超过100℃，高温烟气将直接灼烧人体呼吸道和表皮；随着地铁系统建设对阻燃材料和环保材料的要求，火灾发生后主要的有毒气体为缺氧状态下产生的Co，当其浓度超过0.2%时将对人员构成伤害；站台空间封闭狭小，发生火灾将消耗大量氧气，当氧气浓度低于10%时，人的运动能力基本丧失；火灾烟气中存在大量悬浮固体和液体颗粒，造成附近空间的可见度下降，对建筑物不熟悉时需保证至少13米的可见度。
二、站台火灾仿真模型构建
1.计算流体动力学模型
火灾发展过程可采用计算流体动力学进行分析，通过计算机和数值方法求解流体力学控制方程，对流动、换热等相关物理现象进行模拟，其基本思想为：用一系列离散点上的变量值来代替时间域和空间域上的连续物理量场，通过一定的原则和方式建立反映这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。计算流体动力学在分析火灾烟气流动规律时须遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等物理定律。本文应用基于计算流动动力学的Pyrosim火灾仿真软件进行站台火灾发展因素研究。
2.火灾烟气扩散规律分析
火灾过程中烟气随着时间推移在空间范围内扩散变化，通过模拟站台不同位置在火灾过程中的Co和O2浓度、温度，以及可见度的变化规律，可掌握火灾烟气扩散规律，为控制火灾发展及制定人员疏散策略提供支持。
经过研究，一般是站台火灾开始一段时间后，Co浓度和烟气温度呈现较稳定的增长趋势，O2和可见度呈现出持续降低的趋势。具体分析如下：
（1）距离火源越远，Co和O2的浓度越早由稳定状态产生增长或降低的趋势。例如，距离火源5m处，Co和O2的浓度在火灾发生后200s时分别呈现增长和降低的趋势；距离火源30m处，则在130s时出现类似变化趋势。
（2）距离火源越近，烟气温度越早开始出现小幅度增加后保持平稳的态势，随后快速增长一段时间后趋缓；可见度则越早出现下降趋势。例如，距离火源5m处，火灾发生60s后烟气温度明显升高后保持平稳；200s时开始快速增长，增长趋势随时间逐渐减缓。
进一步分析，与火源距离超过5m后上述各指标受空间距离影响较小。例如，距离火源5m和30m处，火灾发生500s时，O2的浓度分别降低到20.15%和20%，可见度分别降低至8m和7m。显然，火灾发生一段时间后各危害因素在时间上的变化比空间位置的改变更显著。因此，站台发生火灾后要充分利用好初期近200s的时间尽快疏散人员。
三、站台火灾发展影响因素仿真分析
本文以北京地铁西直门站2号线站台为例，分析火源热释放速率、火源位置与数量和通风系统的排烟速率对火灾发展的影响。
1.热释放速率。
地铁车站站台火灾的热释放速率范围通常在1.5～2.5MW。本文设置热释放速率为1.5MW、2.0MW、2.5MW、5.0MW的4个站台中央火灾场景，对站台最远端处Co和O2浓度、烟气温度，以及可见度随时间变化规律进行分析。
仿真结果：火灾热释放速率的增大导致同一时间点的火灾危害程度加剧。Co和O2浓度，以及烟气温度随热释放速率的增加呈现急剧变化，例如热释放速率为5.0MW的场景，上述3个危害因素较其他3个场景急剧恶化；而可见度变化趋势不同，火灾开始100s后，热释放速率为5.0MW的场景可见度开始且下降速度较快，300s后趋缓且与其他场景可见度差距缩小。
4个场景中，Co浓度和可见度均接近或超过表1中的临界值，在500s时段内对人员产生危害。热释放速率为5.0MW的场景中，火灾开始不到200s时Co浓度超过临界值，而可见度在120s时降低到13m以下。站台火灾发生后控制其燃烧强度和规模对确保人员安全至关重要。
2.火源数量与位置。
火源数量和位置对火灾发展和人员疏散产生影响。本文设置单火源（站台中央）、单火源（站台一侧，距站台一端14站台长度处）和双火源（分别位于距站台两端14站台长度处）3个场景，分析站台远端处4个危害因素随时间的变化规律。仿真结果：双火源场景中，各危害因素的恶化趋势较单火源场景迅速得多；单火源（站台一侧）场景中，各危害因素的恶化趋势最慢。在仿真时段500s内，3个场景的可见度均下降至临界值以下，其中双火源场景约在200s时达到临界值以下；双火源和单火源（站台一侧）场景的Co浓度也下降至临界值以下，前者约在280s时达到临界值以下。显然，多火源对人员的危害显著，处于火源间的人员疏散存在较大困难；单火源（站台一侧）场景时，远离火源一端的人员危害较小，具有较好的疏散条件。因此，站台火灾发生后应控制其数量并结合火灾位置特点制定人员疏散策略。
3.通风排烟速率。
已有研究表明：站台通风排烟系统可有效减轻火灾烟气对人员的危害。结合《地铁设计规范（GB50157-2013）》和《建筑设计防火规范（GB50016-2014）》，本文设置站台排烟系统排烟速率分别为3m/s、6m/s和9m/s的3个场景，与无排烟场景对比，分析通风排烟速率对4个危害因素的影响。
仿真结果：排烟系统的使用可有效降低各危害因素的危害程度。例如，只有無排烟场景的Co浓度超过了临界值，无排烟和排烟速率为3m/s的2个场景的可见度降至13m以下。随着排烟速率的增大，烟气危害程度也明显下降。例如，排烟速率为9m/s的场景中，烟气温度可控制在30℃以下，可见度可控制在20m以上，Co浓度也远低于0.2%的临界值。但是，排烟系统会对烟气流动产生扰动，排烟速率越大，各危害因素的变化趋势波动程度越大。
四、结束语
掌握地铁车站站台火灾对人员的危害性及其发展规律是确保安全运营和人员高效疏散的前提。本文在计算流体动力学的基础上，结合Pyrosim仿真软件构建地铁车站站台火灾仿真模型。分析了站台内火灾烟气的扩散规律，并在此基础上根据热释放速率、火源数量及位置，以及排烟速率的不同设计火灾场景，探索这些因素变化对火灾发展的影响，并结合通风策略对人员疏散时间和速度进行比较分析。所得研究结论为站台火灾发生时的应急措施和人员疏散提供依据。
【参考文献】
[1]田鑫，苏燕辰，李冬，席亚军.地铁车站火灾疏散仿真分析[J].科学技术与工程，2017，17（16）：333-337.
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