基于FDS的地铁车站火灾数值模拟分析

钟帅 苗作华 余璨 冉康 刘聪

摘要：地铁火灾监管在地铁安全运营管理过程中占据重要位置，地铁火灾的发生、发展机理与其它类型火灾相比有很大差异。以武汉市地铁2号线某四层分离岛式站点为研究对象，以FDS火灾模拟软件为技术手段，对该地铁站点发生火灾时的烟气蔓延过程、温度分布以及CO浓度分布规律进行数值模拟，通过对模拟结果的分析，研究上述分布规律对人员安全疏散的影响。实验研究表明，当该地铁站点发生火灾时，CO浓度和温度的变化与火源距离呈正相关，通过及时开启相应的火灾处理排烟风机系统以控制烟气蔓延，此时在风机影响区域的上风CO浓度、 温度偏低，下风侧偏高，其它区域的CO浓度、温度则变化不大。

关键词关键词：地铁火灾；分离岛式车站；烟气蔓延；数值模拟

DOIDOI：10.11907/rjdk.161277

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007013704

0引言

随着城市经济的快速发展，地铁在城市轨道交通中占据了越来越重要的地位，地铁修建、运营发展迅速，而针对地铁灾害、尤其是火灾的研究则相对滞后。地铁火灾的发生、发展机理与其它类型火灾相比有很大差异，首先地铁列车装备了大量的通讯、电力电缆及车辆装饰材料，加上乘客携带的随身物品，很容易引起或加速地铁火灾的蔓延；其次地铁运行区间相对狭长、封闭，其通风环境较差，导致火灾发生时的烟气扩展不够及时、迅速和充分。

充分利用现代计算机技术对地铁火灾发生时影响人员安全疏散因素的变化规律进行事前模拟研究，对地铁安全运营、风险防范具有重要意义。已有学者开展了相关研究并取得了诸多研究成果：陶平等采用FDS软件对西安地铁2号线某岛式站台端部火灾工况进行了数值模拟研究；朱伟等对地铁车站出入口火灾烟气的CO质量分数变化规律进行了模拟研究；龚伟、游伟等对天津地铁某车站火灾发生时烟气温度与能见度分布情况进行了数值模拟；朱常琳等探讨了自然通风模式下隧道区间火灾人员疏散微环境中的烟气温度、能见度和CO浓度分布规律；赵明桥等针对不同通风方式下区间隧道火灾高温及烟气控制效果的差异性进行了研究。当前国内研究主要集中在双层岛式车站方面，关于四层分离岛式站点火灾烟气温度、流速、能见度和CO浓度的研究还较少。鉴于此，本文以流体力学、燃烧学和传热传质学的相关原理为理论基础，以武汉市地铁2号线某四层分离岛式车站为研究对象，采用FDS软件（Fire Dynamics Simulator）对该地铁站点站台火灾、站厅火灾发生时的烟气扩散、温度分布以及CO浓度分布规律进行数值模拟，并结合实验对不同火灾条件下影响人员安全疏散的各特征指标进行分析，为地铁火灾安全防范提供支持。

1数值模拟计算理论与方法

FDS是由美国国家标准和技术研究院（NIST）开发的以场模拟计算为原理、以火灾流体运动为建模对象的计算流体动力学软件。速度、温度、各组分浓度等火灾状态参数的分布情况即为场，场模拟是以对火场的各种状态参数在空间、时间上的变化情况进行计算机软件模拟；质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应定律等是场模拟的理论依据，由于地铁火灾各状态参数的变化也遵循这些规律，因此可以用场模拟方法来模拟火灾的产生、发展变化过程。FDS通过大涡模型（LES，Large Eddy Simulator）对连续方程、动量方程、能量方程以及压力收敛方程进行求解，从而得到火灾温度、压力、气体成分等状态参数的空间分布情况。1.1模拟对象数字建模

首先要对模拟对象进行网格划分，建立数字模拟模型。通常网格尺寸越小对模拟对象的表达越精细，模拟结果也越准确，但计算效率则可能较低下。因此，需要根据研究对象、研究目的选择合理的网格划分方法以及网格单元大小实现模拟精度和计算效能之间的平衡。根据已有学者的研究经验，本文对模拟对象采用多分区法进行非均匀网格划分以建立数字模拟模型，根据火源距离对火灾的火源区域、站台、站厅分别设置不同尺寸的Mesh区域和网格单元。1.2火源功率增长方式

火灾变化过程是火源的热释放过程，常用热源释放速率、增长速率等参数来描述该过程，在设计地铁站点火灾模拟场景时需根据实际情况确定火源功率的相关参数。热释放速率（Qc）是表达火灾发展、危害的主要参数，也是选择消防措施的重要依据，指单位时间内火源放出的热量，一般以kw为单位，通常研究以t2模型为初始阶段增长火，随时间推移火源发展为稳定功率燃烧[8]。

式（1）中，α为热源增长速率（kws），t为火灾热源燃烧时间，t0为火灾起始时间，为研究方便，通常设该参数为零，则热释放速率（Qc）求解公式可简化为：

当地铁火灾发生时，易燃物体被点火引燃，产生维持火源继续燃烧的能量，理论而言热源释放速率会随着易燃物体被点燃数量的增多不断增大。但是，现实生活中当火灾发生时会有相应的救援措施启动，如地铁的自动喷淋系统、排烟风机系统等，并且人员安全疏散的黄金时间是在火灾发生后的几分钟，研究中通常对火源功率增长方式进行简化，火灾发生后以一定的热源速率增长，随时间推移稳定在某个固定值。1.3人员安全疏散时间指标

地铁发生火灾时，人员能否安全疏散涉及到两个重要的时间参数，即安全疏散所需时间和可用时间（见图1）。在本文中定义安全疏散所需时间为RSET、安全疏散可用时间为ASET，人员能安全疏散则必须满足ASET>RSET。根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）中规定：当地铁火灾发生时，应保证在现有排烟系统设计方案下，能够满足不小于360s的疏散时间要求。

1.4人员安全疏散CO指标

火灾发生时会产生大量能造成人员死亡的有毒气体，其中CO能削弱血液中血红蛋白与O2的结合，造成受害者缺氧，最终导致死亡。研究表明，死于CO中毒的人员数量在火灾事故受害者中约占一半以上。人在不同CO浓度及暴露时间中所产生的病理症状如表1所示。

2.1站点数字模型建模

本文研究所选择的地铁站点位于湖北省武汉市武珞路和珞狮南路路口，该站点周边以公共事业用地、居住用地、商业用地和教育用地为主。该车站为地下四层分离岛式车站，有效站台长度为186m，每侧站台宽度为6m，车站建筑结构为四层五跨箱型框架，该站台数字模型如图2示所示。

2.2实验参数设置

在上述分析基础上，结合该地铁站点实际情况，本文主要针对该地铁站点的站厅、站台进行火灾模拟分析。在FDS软件中设置的相关参数如表2所示。

本文分别对该地铁站点站厅层的烟气蔓延过程（见图3）、温度分布（见图4）、CO浓度分布随时间的演变情况（见图5）进行模拟实验研究。

经模拟结果分析可知，当站厅层一侧站台中间着火时，烟气向站台两侧扩散，再通过中间的横向通道扩散到对侧。烟气随着火源功率的增大不断向站台上部空间及两端蔓延，并通过开启的站厅排烟风机排放，360s内会有少许烟气进入站厅层对侧站台，楼梯口上方烟气流动稳定，2m位置处烟气稀薄，有利于人员逃生，烟气未蔓延至负一层和站台层。

经模拟结果分析可知，站厅层的高温区域主要集中在火源附近的顶部区域，离屋顶纵向5m范围内温度升高较大，站厅层2m位置处温度变化不大，火源正上方半径1m范围内，600s温度可到达300℃，绝大部分区域为常温20℃。

经模拟结果分析可知，高浓度CO主要集中火源内区域，火源附近CO浓度最高达200ppm以上；随着火灾发生时间的推移，CO的浓度与火源呈距离衰减模式，随着距离增大，CO浓度显著降低；在站厅2m位置处，CO浓度在45ppm以下，其浓度可满足人员安全疏散的规范要求；当烟气径向蔓延到左右两边出入口时，受外界风的影响，局部滞留累积，发生烟气卷吸现象，导致这两处CO浓度相对较高。2.4站台层火灾模拟结果与分析

本文分别对该地铁站点站台层的烟气蔓延过程（见图6）、温度分布（见图7）、CO浓度分布（见图8）情况进行模拟实验研究。

经模拟结果分析可知，当站台层一侧的站台中间着火时，烟气首先向该侧站台两侧蔓延扩散，然后会通过中间横向通道蔓延扩散到站台对侧，在模拟实验进行到360s时，有少量烟气进入站台层对侧站台，同时烟气会随着火源功率的增大不断向站台上部及两端蔓延，通过开启的站厅排烟风机系统排放，经模拟实验发现在站台层2m位置处火灾产生的烟气稀薄，烟气没有蔓延至站厅层，有利于人员的安全疏散。

经模拟结果分析可知，随着时间的推移，站台楼梯截面温度逐渐升高并向两端蔓延，至473s火源达到最大功率并趋于稳定；本次实验设置的着火源由于靠近楼梯3台阶口，楼梯向下风流将高温烟气截断，使烟气绕道进入横向通道及右侧站台区；在360s时人员可安全疏散，在600s时站台层高度2m的位置，着火源附近小区域内最高温度为208℃左右，绝大部分区域为20℃左右，站台层其它区域温度控制在35℃以下。

经模拟结果分析可知，随着火灾时间的推移，CO浓度逐渐升高，至473s时趋于稳定，此时火灾烟气主要集中在火源附近站台顶板区域；360s时CO浓度在30～150ppm，站厅层CO浓度几乎为0，有利于人员安全疏散；在站台层2m高度的位置，CO浓度也都控制在300ppm以下。3结语

本文借助FDS软件、以武汉市地铁2号线某四层分离岛式车站为研究对象，按最不利工况条件对该地铁站点进行火灾安全性模拟分析，主要结论如下：

（1）当站厅火灾发生时，首先应及时启动站厅排烟系统以有效控制烟气、阻止烟气向设备层和站台层蔓延。模拟实验表明，以着火源为中心、5m为半径的范围内温度最高，火源正上方2m位置处温度最高；CO浓度随距离的变化较大，火源附近10～25m处的站厅顶部CO浓度偏高，随着离火源距离增大，CO浓度则逐渐降低，在站厅层下方的区域浓度偏低；CO浓度随时间的变化不明显；在模拟实验进行到360s时，各主要指标可满足人员安全疏散的规范要求；站厅层的最大可用安全疏散时间约为600s。

（2）当站台火灾发生时，首先应及时开启站台的排烟排热系统，同时在轨顶排热风机及隧道排烟风机的协助下进行排烟。模拟实验表明，烟气主要集中在火源附近站台顶板区域以及楼梯2和楼梯4之间的区域，在2m高度处火源附近小范围内最高温度为208℃，绝大部分为20℃；站台层其它区域温度都控制在35℃以下；2m高度处CO浓度控制在300ppm以下；在模拟实验进行到360s时，各主要指标可满足人员安全疏散的规范要求；站台层的最大可用安全疏散时间约为360s。

本文结合武汉市轨道交通线路实际情况，采用FDS软件对典型车站火灾条件下的火灾蔓延、烟气扩散过程进行计算机模拟分析，进而分析地铁运营期间站台的消防安全，为消防力量的调配和扑救提供便利，也为后续消防设计提供参考。

参考文献：

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