地铁同站台高架换乘车站火灾全尺寸实验研究—(2)站厅火灾*

钟茂华，刘 畅，田向亮，肖 衍，梅 棋，张 磊

(1.清华大学 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819； 3.北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100068；4.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068)

0 引言

地铁同站台高架换乘车站的公共站厅一般位于地上一层，通过楼扶梯与两换乘线路的站台相连通，一旦站厅区域发生火灾，烟气容易受烟囱效应影响向站台层蔓延，因此站厅火灾防排烟措施的有效性对车站各防烟分区人员疏散安全具有重要影响。

目前针对地铁站厅火灾安全的研究主要集中在采用顶部排烟的地下车站，研究方法主要包括数值模拟和模型实验。袁建平等[1]通过FDS某大型地铁换乘车站站厅的三维模型对机械排烟效果进行模拟，结果表明采用站厅各防烟分区进行排烟的模式能够较好地控制烟气扩散及沉降；张亦昕等[2]对地铁车站站厅不同吊顶装修形式的火灾烟气层沉降和温度分布特征进行了数值模拟研究，重点分析了吊顶镂空率对烟气蓄积特性的影响；钟茂华等[3]采用FDS构建了某“T”形换乘车站的火灾数值计算模型，对换乘通道火灾时站厅不同防烟分区通风系统联动模式的烟气控制效果开展了研究，结果表明在此类车站站厅的防排烟设计中应采用各防烟分区全排烟的通风模式；Ji等[4]对地铁车站狭长形空间内火源附近烟气最高温度进行了理论和实验研究，并建立了顶棚最高温度预测模型；顾正洪等[5]对站台与站厅之间烟气控制的临界风速开展了一系列数值模拟研究，并通过在广州地铁二号线中大站进行现场火灾实验对模拟结果进行了验证；钟委等[6]采用Fluent软件建立某双层岛式地铁车站的三维计算模型，对机械排烟和活塞风作用下站厅火灾烟气分层现象和气流组织模式进行了研究；罗娜[7]对某中庭式地铁换乘车站站厅火灾的通风模式开展了模型实验和数值模拟研究，结果表明采用站厅顶部天窗进行自然排烟，地下二层和三层站台进行送风的模式能够有效地控制烟气扩散和沉降；吴振坤[8]采用数值模拟的方法分析了地铁车站内空气幕射流速度和角度对烟气控制效果的影响；罗燕萍等[9]以广州地铁三号线大塘站为例分析了火灾时屏蔽门开启模式对站内流场的影响；周志望等[10]对大跨度建筑空间自然排烟和机械排烟条件下的竖直温度分布、烟气层高度和排烟效率进行了数值模拟分析；高俊霞等[11]通过对某单线高架车站站厅火灾自然通风条件下的烟气扩散过程进行数值模拟，提出了此类结构车站站厅排烟优化方案，并分析了挡烟垂壁高度和排烟口设置方式对火灾防排烟的影响；李炎峰[12]对换乘车站公共站厅的烟气扩散情况进行数值模拟，分析了烟气温度变化、蔓延时间和沉降过程。

本文通过开展同站台高架换乘车站站厅的全尺寸火灾实验，对不同火灾场景下的烟气扩散、沉降过程和疏散路径的火灾危险性进行分析，研究结果可为此类车站站厅防排烟设计提供技术建议。

1 实验概况

实验所在站厅为两换乘线路的公共站厅，位于地上一层，在东西方向长度为46 m，南北方向宽度为36 m，南北两侧各采用两部楼扶梯与地上二层的2个岛式站台相连通，楼扶梯入口处安装有0.5 m高的挡烟垂壁，防止站厅发生火灾时烟气向站台防烟分区扩散。站厅中部闸机同时承担进出站功能，南部和北部闸机承担出站功能，站厅西端的南北侧各设置一个宽7 m，高3 m的出入口。

站厅发生火灾时，现场人员需通过闸机疏散至出入口，现场全尺寸火灾实验主要模拟部分疏散路径关键节点被火灾封堵的情况，在站厅中部闸机、楼扶梯入口和安全出口附近设置起火点，根据现场装修情况设置0.25～0.75 MW规模的火源。表1为实验工况，站厅结构及测试装置布置平面图见实验设计[13]，图1～3为3个火源位置处的实验现场情况。

表1 站厅实验工况

图1 火源位置1处实验过程Fig.1 Experimental scene at fire location 1

图2 火源位置2处实验过程Fig.2 Experimental scene at fire location 2

图3 火源位置3处实验过程Fig.3 Experimental scene at fire location 3

2 实验结果与分析

2.1 顶棚温度

位置1所在区域的上部装修形式采用栅栏式吊顶，烟气可运动至吊顶上方的结构顶板高度，图4为栅栏式吊顶上方的顶棚温度，该位置发生0.25～0.75 MW规模的火灾时顶棚最高温度可达到40～60℃。图5和图6分别为位置2和3起火时北侧封闭式吊顶下方温度，由于该吊顶高度仅为3 m，位置2发生0.25～0.5 MW规模的火灾时顶棚最高温度可达到50～75℃，高于位置1处的最高温度；在与位置2相同的火灾规模下，位置3起火时顶棚最高温度均低于位置1和位置2，由此可见不同起火位置造成的火灾危险性有所差异。

图4 位置1起火时栅栏式吊顶上方的顶棚温度Fig.4 Fence-type ceiling temperature of fire location 1

图5 位置2起火时北侧封闭式吊顶下方温度Fig.5 Northern closed-type ceiling temperature of fire location 2

图6 位置3起火时北侧封闭式吊顶下方温度Fig.6 Southern closed-type ceiling temperature of fire location 3

位置1起火时，由于站厅东侧为封闭结构，烟气运动至该部位后开始蓄积并竖直沉降，导致该部位的顶棚温度仅略低于火源附近温度，而靠近西侧出入口区域时温度迅速降低。图7为位置1起火时站厅出入口的自然风风速，该风速处于较不稳定的波动状态，随着火灾功率的增加，蔓延至出入口区域的烟气温度和浓度升高，在该区域形成的风阻增大，因此图7中1号出入口和2号出入口的风速随火灾规模的增加呈现减小的趋势，由于两出入口贯通风的形成，该区域大部分烟气由1号出入口排出，导致站厅西侧温度比东侧大幅降低，两侧烟气温度呈现图4中的非对称分布。位置2起火时，烟气在封闭式吊顶下方形成顶棚射流，在站厅东侧封闭端和楼扶梯入口的挡烟垂壁处蓄积，形成较高的烟气温度。在火源西侧，由于火源距出入口距离较远，运动至该区域的烟气温度较低，形成的风阻较小。图8为两出入口的自然风风速，在贯通风的作用下大部分烟气由1号出入口排出，因此图5中出入口附近的温度接近环境温度。图9为位置3起火过程中的自然风风速变化情况，与前两个起火点不同，该位置起火时火源直接受到自然风的影响。图10为位置3起火时的烟气运动情况，由2号出入口进入站厅的自然风导致火羽流发生偏转，增加了该区域烟气运动的惯性力，一部分烟气直接从1号出入口排出，导致火源区域和烟气扩散过程中的温度均低于位置1和位置2，如图6所示。

图7 位置1起火时出入口气流速度Fig.7 Flow velocity in exits during fire at location 1

图8 位置2起火时出入口气流速度Fig.8 Flow velocity in exits during fire at location 2

图9 位置3起火时出入口气流速度Fig.9 Flow velocity in exits during fire at location 3

图10 自然风作用下烟气的运动情况Fig.10 Smoke diffusion with natural ventilation

2.2 烟气分层及掺混作用

烟气在水平扩散过程中不断卷吸下部空气，形成密度不同的烟气分层，在火灾环境中保持烟气分层的稳定性对于人员疏散至关重要。图11为火源位置1发生0.5 MW规模火灾时栅栏式吊顶区域烟气竖直分布情况，由于在靠近顶棚位置处通过对流换热损失了部分能量，竖直方向烟气最高温度位于4.7 m高度，该区域烟气分层作用较为明显，在4.2 m以上高度为热烟气层，温度为44～51℃；在3.2～4.2 m高度范围内为烟气层与下部空气层的过渡区域，竖直方向的温度梯度最高；在3.2 m以下高度为空气层，其小幅度的温升一方面是受到上部热烟气层的辐射热，另一方面为沉降至下部区域的少量低温烟气所致。

图11 位置1起火时栅栏式吊顶区域烟气温度Fig.11 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 1

栅栏式吊顶上方的烟气向站厅东西方向纵向扩散的同时，也在站厅南北两侧的封闭式吊顶上方至建筑顶板之间的空间内填充，因此运动至封闭式吊顶下方的烟气经过水平扩散、填充及沉降，已有较多的空气与其掺混。图12为位置1起火时北侧封闭式吊顶下方烟气温度，起火约1.5 min后烟气沉降至站厅北侧封闭式吊顶下方，该区域竖直方向的烟气分层作用不明显，从地面位置至吊顶高度的温升均在1.5℃左右。图13为南侧封闭式吊顶下方烟气温度，由于自然风风向为由2号出入口至1号出入口，火灾初期站厅南侧自然风风压较大，由封闭式吊顶上方沉降的烟气均向北部扩散，随着火势的增加，起火约5 min后烟气沉降至南侧封闭式吊顶下方，与站厅北侧类似，该区域竖直方向烟气分层作用不明显。图14为位置1起火时站厅南侧烟气沉降的现场情景，说明扩散至封闭式吊顶下方的烟气已掺混大量的空气并降至地面高度，该区域低温烟气所导致的下部空间能见度降低将不利于人员安全疏散。

图12 位置1起火时北侧封闭式吊顶下方烟气温度Fig.12 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 1

图13 位置1起火时南侧封闭式吊顶下方烟气温度Fig.13 Smoke temperature of southern closed-type area during fire at location 1

图14 位置1起火时站厅南侧闸机附近烟气掺混情况Fig.14 Smoke mixture near southern ticket gate during fire at location 1

位置2起火时，烟气首先在封闭式吊顶下方扩散，此时烟气温度较高且分层明显，图15为北侧封闭式吊顶下方烟气温度，在2.9 m高度处温度最高，其次为2.6 m高度，在2.3 m高度以下区域的温度较低。图16为起火区域烟气分层扩散的现场情况，可见烟气层与空气层的边界明显，且高度在2.3 m以上。随着烟气运动至栅栏式吊顶区域，在浮力作用下开始在结构顶板下方填充。图17为中部栅栏式吊顶区域烟气温度，该区域烟气分层现象明显，在3.7 m高度以上高度为热烟气层，温度为31～33℃，在2.7～3.7 m高度范围为烟气层与下部空气层的过渡区域，竖直方向的温度梯度最高，在2.7 m以下高度为空气层，受烟气层热辐射和少量烟气沉降的影响，下层出现小幅度温升且温度集中在26～27.5℃。

图15 位置2起火时北侧封闭式吊顶下方烟气温度Fig.15 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 2

图16 位置2起火时站厅北部烟气分层扩散情况Fig.16 Smoke stratification in northern of station hall during fire at location 2

图17 位置2起火时中部栅栏式吊顶区域烟气温度Fig.17 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 2

由于受到两出入口自然风的影响，位置3起火时火源区域的烟气在卷吸大量新鲜空气的同时，一部分烟气在惯性力的作用下从1号出入口运动至站外，另一部分在浮力作用下向站内扩散。图18为北侧封闭式吊顶下方烟气温度，该区域位于火源下风向，掺混大量空气的烟气运动至该区域时，与位置2起火相比，最高温度由68℃降低至44℃，且在竖直方向烟气分层不明显，温度梯度较为均匀，地面高度位置也出现了明显的温度升高。

图18 位置3起火时北侧封闭式吊顶下方烟气温度Fig.18 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 3

与竖直温度分布情况相一致，图19为位置3起火时北侧封闭式吊顶区域烟气沉降情况，可见烟气已沉降至地面高度，现场能见度较低。栅栏式吊顶区域位于位置3火源的上风向。图20为中部栅栏式吊顶区域烟气温度，起火后约110 s后烟气从封闭式吊顶蔓延至结构顶板下方，该区域烟气分层明显，在3.7 m高度以上高度为热烟气层，温度为31～33℃，在2.7～3.7 m高度范围为烟气层与下部空气层的过渡区域，竖直方向的温度梯度最高，在2.7 m以下高度为空气层，受自然风压的影响，封闭式吊顶区域上部温度较高的烟气扩散至上风向栅栏式吊顶区域，下部掺混大量空气的低温烟气不足以克服自然风压向上风向扩散。图21为栅栏式吊顶区域烟气扩散情况，可见该区域下部无烟气沉降。

图19 位置3起火时站厅北部烟气沉降情况Fig.19 Smoke descendant in northern of station hall during fire at location 3

图20 位置3起火时中部栅栏式吊顶区域烟气温度Fig.20 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 3

图21 位置3起火时栅栏式吊顶区域烟气扩散情况Fig.21 Smoke spread in fence-type area during fire at location 3

2.3 危险高度烟气温度

在建筑火灾中，《建筑防排烟技术规程》[14]规定防排烟设计计算中的最小清晰高度应按照Hq=1.6+0.1H进行计算，其中Hq为最小清晰高度，也称为危险高度(m)，H为排烟空间的建筑净高度(m)，建筑空间内的火灾排烟系统应将烟气控制在危险高度以上，才能确保不影响人员安全疏散，本文中栅栏式吊顶区域和封闭式吊顶区域的危险高度计算值分别为2.2 m和1.9 m。

图22为站厅各区域危险高度的最高温度，位置1起火时，在0.5 MW和0.75 MW规模的火灾情况下，栅栏式吊顶区域危险高度出现明显的温升，说明烟气沉降至危险高度以下位置，烟气最高温度分别为30℃和31℃，在封闭式吊顶区域，北侧温升程度明显高于南侧，结合2.2中烟气掺混及沉降情况的分析，进一步说明站厅北侧烟气蓄积和沉降程度比南侧严重。位置2起火时，在0.25 MW和0.5 MW的火灾规模下，火源区域北侧封闭式吊顶下方沉降至危险高度的烟气最高温度为41℃和30℃，在栅栏式吊顶和站厅南侧封闭式吊顶区域烟气均未沉降至危险高度处。位置3发生火灾时，受站厅南侧新鲜气流与烟气掺混的影响，未排出车站的烟气主要蓄积在站厅北侧并且沉降至危险高度下方，最高温度分别为38℃和33℃，说明位置2和位置3起火时站厅北侧楼扶梯入口和闸机区域均不利于人员疏散。

图22 站厅各区域危险高度的最高温度Fig.22 Maximum temperature in station hall at dangerous height

3 结论

1)站厅南北两侧对称式出入口形成的贯通风虽然能够较好地控制出入口区域的火灾危险性，但由于难以对整个站厅空间形成充足的通风换气次数，造成站厅中部和东部区域烟气蓄积严重，能见度降至较低水平，不利于人员疏散和应急救援。

2)受装修吊顶形式和通风条件的影响，站厅不同位置火灾的危险性有所差异。中部栅栏式吊顶区域发生火灾时，两侧封闭式吊顶区域的烟气沉降较为严重；站厅通往站台的楼扶梯入口发生火灾时，站内各区域能够形成稳定的烟气层，人眼高度处的能见度较高；出入口附近发生火灾时，在自然风风压较大的条件下，火源下风向区域烟气能够沉降至地面，人眼高度能见度较低，火灾危险性较大，火源上风向区域烟气分层稳定，下部空间烟气沉降较少，在0.25～0.75 MW的火灾规模下，不同位置起火时沉降至各区域危险高度处的烟气最高温度为30～41℃。

3)针对此类结构车站站厅的防排烟设计，应综合考虑出入口空间布局和吊顶形式对火灾危险性的影响，利用自然风压形成一定通风换气量的同时应将掺混空气的低温烟气控制在较小区域内，确保人员疏散路径的能见度和烟气浓度处于安全水平。

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