不同吊顶形式的地铁站台火灾人员疏散环境分析

朱常琳，李富渊，张荣国，李夏清

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2.陕西省环境重点 工程实验室，陕西 西安 710055；3.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁 530029)

随着世界人口的增加，城市拥堵已成为摆在人类面前的重要难题，地铁技术自1863年英国首次应用以来，历经一个多世纪的发展而日趋完善[1]。然而，在带给人们生活方便的同时，地铁作为较封闭的地下空间也存在着不容忽视的安全隐患。据统计[2-3]，所有地铁事故中发生最多的是火灾事故，占总事故的68%。地铁车站中一旦发生火灾，因为相对密闭的结构，热量和烟气很难及时排出，大量烟气不仅阻挡人员视线，且含有有毒物质，众多火灾案例研究表明[4-6]烟气往往是火灾致死的重要原因。许多学者对地铁排烟模式及火灾烟气的流动特征进行了研究。如Rie等[7]建立了一个1/40的模拟试验台，研究了地铁站内机械排烟口开启模式对排烟的影响；Drysdale等[8]建立了1/15尺度的模型来研究地铁站中自动扶梯燃烧产生的沟槽效应，发现沟槽效应会产生火焰的加速蔓延现象；周汝等[9]研究了岛式和侧式两种典型结构地铁站台发生火灾时烟气的扩散以及控制方法，并对屏蔽门的作用给予肯定，发现安装屏蔽门后岛式和侧式地铁站台排烟效率分别提高了15.8%和10.1%；何开远等[10]研究了屏蔽门对岛侧混合地铁站台火灾的重要性，发现屏蔽门在岛侧混合地铁站台中可以阻碍热量传递，阻挡和推迟烟气蔓延，对人员疏散起到至关重要的作用。

基于上述研究，本文以西安市某地铁车站岛式站台层为研究对象，设计了3种不同吊顶形式(平板式、方形内凹式和格栅式)，利用火灾动力学模拟软件FDS建立了对应的1∶1尺寸的站台层物理模型，并对各个模型下的烟气流动特征、吊顶层温度分布、人眼特征高度层温度分布、CO浓度分布进行了数值模拟分析，同时对楼梯口风速进行了监测，通过比较得出各种吊顶形式的优缺点，以为地铁设计、施工以及消防工作提供一定的参考依据。

1 模型构建和火灾场景设置

1. 1 地铁车站概况

图1 西安某地铁车站岛式站台层候车区域平面布置图Fig.1 Layout plan of the island-type platform and waiting area of a subway station in Xi’an

本文的研究对象为西安市某地铁车站岛式站台层，其平面布置见图1。该岛式站台层候车区域长110 m、宽16 m、层高5 m，吊顶空间厚度为1.5 m，站台层20根立柱以9 m间距分布两侧，2个楼梯口对称分布，距离中间火源20 m，楼梯口处吊顶四周有挡烟垂壁布置成环形，整个候车区域分为两个防排烟分区，并以挡烟垂壁分隔，每个防排烟分区设立2排排烟口，每个排烟分区排烟量为40 m3/s。该岛式站台层吊顶采用立体感较强的方形内凹式吊顶形式，为了对比分析该吊顶形式对地铁站台层火灾排烟效果的影响，本次研究还建立了平板式吊顶和格栅式吊顶两种吊顶形式的岛式站台层模型。

1. 2 模型建立及网格划分

图2 不同吊顶形式的地铁车站站台层物理模型的剖面图Fig.2 Profile of the subway platform model with different ceiling types

利用FDS软件建立的模型，其网格划分越精细，计算结果会越准确，但会增加计算量，降低模拟效率。本次模拟研究中根据下式划分模型网格[12]：

D=(QρCPTg1/2)2/5

(1)

式中：D为火源特征直径(m)；Q为火源热释放率(kW)；ρ为空气密度(kg/m3)；CP为空气定压比热[J/(kg·K)]；T为环境温度(K)；g为重力加速度(m/s2)。

根据公式(1)计算得到D为2 m，即表明添加模型中网格要接近0.1D时，得到的模拟结果较为准确。根据研究对象的尺寸以及FDS软件对网格划分的要求，将该站台层网格尺寸定为0.25 m×0.25 m×0.25 m；同时，由于还需要观察站台层通过楼梯口向站厅层的烟气蔓延情况，故在站台层网格划分的基础上增加了两个较为粗放的网格(尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m)，用来模拟站台层与站厅层相连接部分的烟气蔓延情况。此外，为了进一步提高模拟效率，根据模型的对称特性，利用FDS软件中的镜像表面功能，在地铁站台模型中部设镜像表面，将模型一分为二，取一半为研究对象。实际计算过程中每个模型的网格划分总数为294 400个。

1. 3 测点布置

为了充分对比3种不同吊顶形式下地铁车站站台层火灾的排烟效果，本次模拟研究中分别在不同吊顶模型下(距离站台层地面3.4 m)和人眼特征高度层(距离站台层地面1.75 m)以1 m的间隔设置了热电偶检测设备，并考虑到人眼特征高度在衡量人员逃生安全中的重要地位，在该高度层上还另外布置了CO浓度检测设备。此外，根据《地铁设计规范》中要求楼梯口应具有向下不小于1.5 m/s的风速，在楼梯口处还设置了风速监测设备。

1. 4 火灾场景设置

地铁车站站台层候车区域中心位置发生火灾，刚好位于两个不同排烟分区交界处，火灾发生时，两个排烟分区都会弥漫烟气，若按正常一个排烟分区排烟，则非排烟区的烟气不仅不容易排出，而且中间分隔两区的挡烟垂壁反而会阻止非排烟区的烟气经由排烟区排走，从而造成非排烟区烟气和温度的累积，不利于人员逃生，对建筑结构也会造成较大破坏。本次模拟研究中，同时开启两侧的排烟风机，对站台层候车区域进行排烟，每侧排烟量为20 m3/s；此外，关闭站台和站厅区域的送风系统，关闭站厅层的排风系统，依靠站厅层与外界大气的连接对地铁车站进行补风，引导楼梯口处向下的气流，帮助乘客及工作人员及时逃生；大气温度设定为20℃，不考虑屏蔽门开启情况，同时忽略屏蔽门传热，忽略车站内设备及人员产热，忽略人员逃生对气流的影响。

2 模拟结果与分析

2. 1 安全判断标准

2.1.1 人眼特征高度层安全评判标准[13-14]

3.加强管理创新、营造良好的科研氛围。激发科技人员的积极性和创造性，完善科研考核奖励办法，完善技术创新机制，加大科技奖励力度，增强创新动力。

当人员直接暴露在环境温度为60℃时，会在几分钟内引起强烈不适感，并随着时间的增加，不适感加重，影响人员的正常行为能力，会对人体造成损伤，因此以60℃作为人眼特征高度层温度限值。

地铁车站位于地下，虽然可借助站厅层与大气相通，但仍具有相当程度的封闭性和空气流通滞后性，火灾燃烧过程中很容易因为氧气不足而产生CO气体，当CO的浓度不同时，对人体造成危害的等级也不同。根据NFPA130标准的规定，CO浓度不得高于250 ppm。

2.1.2 吊顶层安全评判标准[15-16]

高温热辐射对人体造成的灼伤是在相对封闭空间发生火灾后造成人员伤亡的一项重要因素。研究表明，当人处在辐射热量大于 2.5 kW/m2的环境中时，人体所能忍受的时间极短，热辐射量将对人体造成致命性损伤。经过计算，2.5 kW/m2的辐射热量对应的烟气温度范围在180～200℃之间，故拟定本次研究能满足人员安全逃生要求的顶棚处温度安全限值为180℃。

2. 2 烟气蔓延情况分析

本次模拟研究以平板式吊顶为工况一、方形内凹式吊顶为工况二、格栅式吊顶为工况三，当安装不同吊顶形式的地铁车站站台层发生火灾时，各工况下烟气随时间蔓延情况的模拟结果，见图3。

图3 各工况下烟气随时间的蔓延情况Fig.3 Comparison of smoke spread with time under different working conditions

由图3(a)可见，安装平板式吊顶和格栅式吊顶的站台层发生火灾时，烟气几乎都在50 s左右蔓延至楼梯口，蔓延速度较为迅速；而安装方形内凹式吊顶的站台层发生火灾时，50 s后烟气蔓延距离楼梯口仍有一段距离。由此可见，方形内凹式吊顶由于曲折的吊顶面使得烟气并不能像在平板式吊顶和格栅式吊顶中畅通无阻，再加上其内凹构造具有一定的蓄烟能力，在火灾发生初期可以明显降低烟气蔓延速度，减小人员心理恐慌，有利于人员有序逃生。

由图3(b)可见，安装平板式吊顶的站台层发生火灾时，站台层中烟气发生了向站厅层的蔓延，这种对人员安全逃生极为不利的现象说明在该工况下需要其他辅助排烟手段帮助排烟；安装方形内凹式吊顶和格栅式吊顶的站台层发生火灾时，并没有发生站台层中烟气向站厅层的蔓延，但烟气分布有一定区别，其中方形内凹式吊顶站台层的烟气在160 s仍主要集中在中间有火灾发生的区域，楼梯口两侧聚集的烟气要比格栅式吊顶站台层的烟气少得多，这对人员逃生很有帮助，因为人员疏散主要瓶颈在楼梯口，故而在火灾发生后楼梯口处会聚集大量人群，处于工况二中的疏散人群只要在160 s内逃离到楼梯口附近，就可以处于一种相对安全的环境中，而格栅式吊顶站台层的烟气很容易穿过格栅进入吊顶层中，使烟气层上移，给人员移动路线提供一定的安全保障。

由图3(c)可见，在火灾发生360 s时，平板式吊顶站台层楼梯口虽然有挡烟垂壁阻挡烟气流入，但其蓄烟能力有限，单依靠站台层候车区域排烟系统很难将烟气及时排出，因此会出现大量脉冲式烟气流入站厅层；方形内凹式吊顶站台层中间发生火灾区域的烟气仍大量聚集，但没有从楼梯口流入站厅层的迹象，楼梯口两侧空间烟气分布相比其他两种吊顶工况要安全很多；格栅式吊顶站台层中部火灾区域的烟气层最高，相比其他两种工况较为安全，楼梯口也没有烟气流入站厅层，但楼梯口两侧则聚集大量烟气，这是由于烟气层上移，一部分烟气层位于排烟口以上，而排烟口朝下排烟，从而使整体排烟过程受到一定的阻碍。

2. 3 吊顶层和人眼特征高度层的温度分布

平板式吊顶和格栅式吊顶距离站台层地面高度为3.4 m，方形内凹式吊顶由于其内凹结构，部分区域吊顶高度大于3.4 m，为了与平板式吊顶和格栅式吊顶火灾工况进行对比，本次模拟研究中设定方形内凹式吊顶距离站台层地面高度也为3.4 m。人眼特征高度在火灾危险性评估中具有重要地位，通常指正常人身高再加上12 cm的高度，本次模拟研究中设定人眼特征高度为1.75 m。根据有关规定，地铁车站发生火灾时，人员要求在360 s内安全疏散，故取火灾发生后360 s为火灾工况温度数据采集点。

图4为安装3种不同吊顶形式的地铁车站站台层发生火灾360 s时，吊顶层的温度分布。

图4 火灾发生360 s时不同工况下吊顶层的温度分布Fig.4 Distribution of the ceiling layer temperature at 360 s after the fire under different working conditions

由图4可见，火灾发生360 s时，采用平板式吊顶的地铁车站站台层其吊顶层温度分布规律是：随着距离火源距离的增加，吊顶层的温度逐渐下降，直到距离火源7 m左右，其温度降到安全标准规定的180℃以下；格栅式吊顶层温度分布规律是：火源中心位置附近，随着距离火源距离的增加，吊顶层温度下降十分迅速，到距离火源3 m以外区域时，其温度变化较为平稳且温度低于75℃;方形内凹式吊顶层温度分布规律是：整体上随着距离火源距离的增加吊顶层温度下降的同时，局部温度出现了波动，在距离火源2 m的位置处，吊顶层温度已经低于温度限值180℃，但当距离火源的距离增加至3 m左右时，吊顶层温度又超过了温度限值，且在距离火源11 m的位置处，吊顶层温度出现了小幅波动。

图5为安装3种不同吊顶形式的地铁车站站台层发生火灾360 s时，人眼特征高度层的温度分布。

图5 火灾发生360 s时不同工况下人眼特征高度层的温度分布Fig.5 Distribution of the temperature at the human eye characteristic height layer 360 s after the fire under different working conditions

由图5可见，3种不同吊顶形式的站台层发生火灾360 s时，人眼特征高度层的温度分布具有很大相似性：随着距离火源距离的增加，人眼特征高度层温度迅速下降，在距离火源2 m左右位置处，其温度趋于平稳，且低于人眼特征高度层温度限值60℃。

结合图6地铁车站站台层温度分布云图可以发现：平板式吊顶工况下，站台层楼梯口处有高温气流分布，说明有烟气流入站厅层；方形内凹式吊顶工况下，站台层温度分布具有明显的波动性，而平板式吊顶和格栅式吊顶温度分布较为平稳；格栅式吊顶工况下，站台层高温层要高于平板式吊顶和方形内凹式吊顶，但楼梯口两侧区域在360 s时有80℃温度层分布，而平板式吊顶和方形内凹式吊顶在该处温度都低于50℃。

图6 火灾发生360 s时不同工况下站台层的温度分布云图Fig.6 Distribution cloud of the platform layer temperature 360 s after the fire under different working conditions

2. 4 人眼特征高度层的CO浓度分布

CO是火灾主要致死燃烧产物之一，必须对其进行及时、准确的检测，本次模拟研究主要对人眼特征高度层CO浓度分布进行了数值模拟分析，其模拟结果见图7。

图7 火灾发生360 s时不同工况下人眼特征高度层的 CO浓度分布Fig.7 Distribution of the CO concentration at human eye characteristic height layer 360 s after the fire under different working conditions

由图7可见，方形内凹吊顶工况下，人眼特征高度层CO浓度分布依然出现了类似温度场中的波动现象，在距离火源9 m位置处出现明显的波峰，说明方形内凹结构对CO的分布也产生了聚集效应；平板式吊顶和格栅式吊顶工况下，人眼特征高度层CO浓度分布规律类似，即从距离火源3 m到12 m的范围内，CO浓度出现不同小幅上升，其原因可能是火源上方的高温烟气迅速上升冲向顶板，然后向四周贴壁射流，站台层地面处较为洁净空气被卷向火源附近上部空间，从而使火源临近区域CO浓度较低;平板式吊顶和方形内凹式吊顶工况下，在距离火源15 m到18 m的范围内，人眼特征高度层CO浓度迅速上升，其原因可能是距离火源18 m位置处为楼梯口的挡烟垂壁，烟气在该处有一定的累积，造成CO浓度升高。总体上可见，3种工况下距离火源3 m以外区域，人眼特征高度层CO浓度都在限值250 ppm以下，满足安全要求。

2. 5 楼梯口处风速监测

本次模拟研究在楼梯口处布置了风速监测点，其位置详见图8，模型为纵剖面模型，2、3号监测点实际位置在楼梯口中轴线上，1、4号监测点位置位于楼梯口边缘。楼梯口处风速监测点监测值自排烟系统开启之后基本稳定，3种不同吊顶形式的站台层在两侧同时排烟时，楼梯口处的风速分布规律基本相似，其风速监测值见表1。

图8 楼梯口处风速监测点位置布置图Fig.8 Location of wind speed measuring points at the stairway

监测点编号风速/(m·s-1)平板式吊顶方形内凹式吊顶格栅式吊顶10．750．700．7020．720．680．6231．071．010．9441．371．301．23

由表1可见，3、4号监测点楼梯口处风速较大，原因在于监测点四周较为空旷，稍有障碍物阻挡；1、2号监测点楼梯口处风速较小，原因在于距离楼梯面过近，风速受到楼梯面的影响；在两侧同时排烟的模式下，3种不同吊顶形式的站台层通向站厅层楼梯口处的风速大小表现为平板式吊顶>方形内凹式吊顶>格栅式吊顶；为保证楼梯口处有1.5 m/s的向下风速，需要其他辅助排烟手段，例如开启屏蔽门利用轨道排热系统排烟。

2. 6 模型合理性验证

文献[10]以北京某地铁岛侧站台层为研究对象，利用CFD软件研究了站台层发生火灾时烟气的运动规律。该文献中烟气流动和火源处温度分布可与本研究平板式吊顶工况相互参考，其研究结果都表明：由于浮力羽流作用、火焰羽流上部膨胀作用及下部卷吸作用，火源上部烟气蔓延速度快、温度高，至距离火源5 m位置处，温度层和烟气层趋于平稳，从而验证了所建模型的合理性。

3 结 论

通过对平板式、方形内凹式和格栅式3种不同吊顶形式的地铁车站站台层火灾的排烟效果进行数值模拟与对比分析，得出以下结论：

(1) 在阻止烟气蔓延方面，方形内凹式吊顶具有很大优势，既可以利用自身结构蓄烟，又可以增加烟气流动路径的复杂性并减小烟气动能，且在火灾前期可有效减小烟气向楼梯口的蔓延速度，中后期也能有效阻止烟气从火源区域向楼梯口外侧区域过渡；格栅式吊顶烟气蔓延速度与平板式吊顶相似，其蓄烟能力好于平板式吊顶，可以防止烟气流向站厅层，但由于部分烟气层高于排烟口，会造成火灾中后期站台层烟气过多积累。

(2) 在地铁站台火灾燃烧区域附近的温度和CO浓度控制方面，格栅式吊顶要优于另外两种吊顶结构形式，这是因为格栅式吊顶充分利用了吊顶层空间，使烟气层整体上移，给人员疏散提供了有力帮助，而方形内凹式吊顶由于结构的凹凸性，使温度分布和CO浓度分布出现波动性。

(3) 3种不同吊顶形式在地铁站台层与站厅层相连的楼梯口处风速分布规律相似，但楼梯口后方空旷区域风速大于前方楼梯面区域。

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