地铁同站台高架换乘车站火灾全尺寸实验研究-(4)设备区火灾*

钟茂华，刘 畅，田向亮，张 磊，胡家鹏，梅 棋

(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.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；4.北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100068)

0 引言

地铁设备区通常包括多个相互连接的走廊和设备房间，该区域结构较为复杂，同时，作为疏散路径的走廊一般为狭长空间，一旦出现火灾情况，烟气将在多个走廊迅速蔓延，容易同时将多个疏散路径封堵，威胁人员安全疏散和外部力量的应急救援。因此，合理确定设备区的火灾通风模式对站务值守人员的生命安全至关重要。

国内外相关学者对含走廊和房间相互连接结构的建筑火灾安全开展了一系列研究。He[1]在含多个房间和公共走廊的建筑结构内开展了全尺寸火灾实验，讨论了起火房间与走廊连接处的烟气温度、流速等参数；张人杰等[2]采用盐水模拟探讨了典型侧室-走廊结构建筑型式的火灾烟气运动规律，对走廊烟气前锋扩散速度和顶棚烟气温度增长过程进行了分析；汤静等[3]对建筑结构中常见的L形、T形和环形走廊构建了FDS计算模型，分析了不同结构走廊发生火灾时的烟气流动特性、温度分布特征和烟气层高度；Li等[4]基于动量和质量守恒方程，考虑外界风压对扩散速度的影响，建立了房间起火时建筑走廊内烟气扩散速度的预测模型，并开展了1∶3小尺寸模型实验对该模型进行了验证；龙新峰等[5]对含多个房间和走廊的建筑结构构建了数值计算模型，分析了不同通风方式下起火房间烟气温度、烟气层高度和走廊区域的烟气扩散情况；李静娴等[6]搭建了建筑内狭长走廊的火灾烟气实验模型，结合FDS数值模拟对此类结构建筑的火灾排烟模式进行优化研究，提出了防烟缓冲区、排烟口及挡烟垂壁共同作用的组合通风方式；徐晓楠等[7]采用FDS对含走廊建筑火灾发展和烟气传播过程进行了数值模拟，分析了烟气蓄积特点和CO通过走廊向其他房间的传播规律；Johansson等[8]采用52组小尺寸火灾实验数据，对多个房间相互连接结构的烟气温度理论预测模型进行了分析验证；Luo等[9]在含多个房间的建筑内开展了现场火灾实验，通过对火焰传播速度、烟气温度、辐射热通量和气体组分分析，验证了CFD三维火灾数值计算的可靠性；Audouin[10]总结了在类似结构建筑空间内开展的35组全尺寸火灾实验，对实验条件、测试装置和典型实验结果进行了介绍，研究结果可用于构建该结构建筑火灾实验数据库；Yeoh[11]对含走廊和多个房间的建筑结构进行火灾数值模拟，发现烟气与建筑空间的辐射换热量对火场温度影响较大；Fu[12]采用数值模拟的方法构建了多房间连接结构双区域火灾增长和烟气扩散模型；针对走廊与多个房间连接的建筑；冯文兴等[13]开展了小尺寸火灾实验研究烟气向远距离房间的传播规律，发现一氧化碳浓度受出入口高度影响较大，温度与一氧化碳浓度在竖直方向分布的差异较大。

本文通过在某同站台高架换乘车站的设备区开展全尺寸火灾实验，对不同通风方式和火源位置情况下的烟气扩散和沉降过程进行分析，研究结果可为此类结构车站设备区火灾防排烟措施的优化提供技术参考和数据支撑。

1 实验概况

该实验在某同站台高架换乘地铁车站的设备区开展，设备区与站厅同层，主要结构包括5个长度不一的东西向走廊、1个南北向走廊和若干设备房间。图1为设备区建筑结构示意图，东西向走廊包括北1、北2、南1、南2和中部走廊，南1和北1走廊长度为42 m，东侧通往车站外部，西侧通往站厅公共区。南2和北2走廊长度为24 m，东侧通往站厅公共区，西侧与南北向走廊连接。中部走廊长度为18 m，东侧通往车站外部，西侧与南北向走廊连接，南北向走廊长度为36 m，与5个东西向走廊均互相连通，设备区各个走廊与站厅公共区和车站外部空间连接处均安装有防火门。

图1 设备区结构示意Fig.1 Sketch of equipment area

设备区发生火灾时，现场人员可通过东侧和南北侧安全出口撤离至车站外部，也可通过西侧安全出口撤离至站厅公共区，疏散路径的选择需考虑起火位置和不同部位烟气扩散情况。通过在设备区走廊交叉位置、走廊末端和设备房间中设置甲醇池火，模拟不同位置的火灾场景。实验过程中采用自然通风和机械排烟2种通风方式，设备区实验工况如表1所示。在机械排烟的工况中，开启排烟风机和点火同时进行，火源熄灭后风机继续工作15 min左右。图2～4为不同火源位置的实验开展情况，设备区实验测试装置的平面布置见实验设计[14]，考虑到火灾情况下人员可能从各个疏散出口撤离，在火源位置1和3的实验中各疏散出口的防火门均处于开启状态，位置2起火时人员无法打开中部走廊末端的防火门进行疏散，实验过程中该防火门处于关闭状态。

表1 设备区火灾实验工况Table 1 Fire experimental cases in equipment area

图2 设备区火源位置1实验过程Fig.2 Experimental scene at fire location1

图3 设备区火源位置2实验过程Fig.3 Experimental scene at fire location2

图4 设备区火源位置3实验过程Fig.4 Experimental scene at fire location3

2 实验结果与分析

2.1 顶棚烟气温度

设备区发生火灾时，烟气在多个走廊的扩散过程受通风条件、火源位置的影响较大。烟气扩散过程中，顶棚下方区域的温度较高，可采用顶棚烟气温度变化情况对烟气扩散范围进行示踪和判断[15-16]。

图5 设备区火灾时顶棚烟气温度Fig.5 Fire-induced ceiling temperature in equipment area

图5为不同位置起火时，设备区各个走廊的顶棚最高烟气温度。如图5(a)所示，自然通风条件下位置1起火时，烟气向与起火点连接的3条走廊扩散，南2走廊和南北向走廊的烟气温度较高，最高温度分别为75，68℃，随着与火源距离的增加逐渐衰减。受自然风的影响，南北侧走廊的北侧温度高于南侧，且烟气向南侧扩散的距离较短，在实验过程中观察到火羽流向西偏转的现象，偏转角度达到45°。

图6为第1组实验火羽流偏转情况，可以看出，火源东侧和南侧自然风压较大，导致大部分烟气向设备区北部和西部走廊区域扩散，在南北向走廊的北端防火门处烟气温度为43℃，南1走廊西侧最高温度为32℃，东侧保持为环境温度，南2走廊的烟气温度最高，西端防火门处的烟气温度达到58℃。图7为第2组实验火羽流偏转情况，开启机械排烟后，南2走廊和南北向走廊的火源北侧温度衰减速度加快，烟气未蔓延至西端和北端防火门处，实验过程中自然风处于不稳定状态，此时火源北侧自然风压较大，火羽流出现向南偏转的情况，偏转角度达到30°，导致大部分烟气向火源南侧扩散，南北向走廊火源南侧的烟气温度高于未开启机械排烟的情况，南1走廊火源东侧有少量烟气进入，最高温度为40℃。

位置2起火时，如图5(b)所示，由于火源位于中部走廊东侧封闭末端，且该区域未设置通风口，机械排烟对火源附近烟气温度的影响不大，自然通风和机械通风情况下该区域烟气温度均为82～100℃。在南北向走廊、北1走廊和北2走廊，开启机械通风后的烟气温度相对于自然通风均有不同程度的降低，但机械排烟未能缩小烟气扩散的范围，2种通风方式下烟气均从中部走廊向设备区北部扩散。设备房内起火时，烟气首先在起火房间进行填充，沉降至房门开口高度时开始向北1走廊扩散，在纵向扩散的过程中，一部分烟气从北1走廊东侧和南北向走廊北侧疏散出口排至站外，南北向走廊内的温度保持为环境温度，说明烟气未向设备区南部区域扩散，如图5(c)所示，开启机械排烟后，北1走廊温度低于自然通风的情况，且烟气纵向扩散范围减小，火灾危险性有所降低。

图6 第1组实验过程中自然风对火羽流的影响Fig.6 Impact of natural wind on fire plume in test 1

图7 第2组实验过程中自然风对火羽流的影响Fig.7 Impact of natural wind on fire plume in test 2

3种火源位置情况下顶棚烟气最高温度的分析表明，火源位于设备区走廊末端时，机械排烟对该区域顶棚的降温效果不明显，火源位于走廊节点部位时，机械排烟和站外自然风压的共同作用可将烟气控制在局部区域，对顶棚的降温效果较为明显。因此，设备区吊顶上方的管线设计应考虑走廊末端的火灾危险性，提高该区域顶部构件和防火材料的耐火等级，防止通信、信号和供电线缆在高温作用下断路，导致车站无法有效执行应急预案；同时，应增加该区域的排烟口数量，将顶棚温度尽可能控制在较低范围，避免对顶部线缆造成破坏。

2.2 烟气层高度

在建筑火灾中，烟气层高度是表示烟气沉降情况及其危险性的重要参数，稳定的烟气层会与下部空气层形成明显的密度差，然而受火灾类型和通风方式的影响，烟气层下部区域也往往会掺混少量烟气，形成烟气层和空气层的过渡区域，导致下部能见度降低，不利于人员疏散，图8和图9为设备区烟气分层现场观测情况，实验过程中在烟气层下方低速流动的烟气沉降至较低位置。

NFPA-92B[17]提出采用竖直方向温度数据计算烟气沉降高度的方法，计算公式如下：

Tn=Cn(Tmax-T0)+T0

(1)

式中：Tn为烟气层与空气层分界面的温度，℃；Tmax为竖直方向最高温度，℃；T0为环境温度，℃；Cn为百分比常数，当Cn为0.8～0.9时，认为Tn所在高度为烟气层高度，当Cn为0.1～0.2时，认为Tn所在高度为烟气沉降最低高度。考虑较为危险的情况，在本文中取烟气层高度和烟气沉降最低高度对应的Cn值分别为0.8和0.1，对设备区不同位置火灾过程中的烟气层高度和烟气沉降最低高度进行计算。

图8 位置1起火时设备区走廊烟气分层情况Fig.8 Smoke stratification in corridor for fire location1

图9 位置2起火时设备区走廊烟气分层情况Fig.9 Smoke stratification in corridor for fire location2

图10为自然通风情况下各走廊区域烟气沉降情况，位置1发生火灾时，如图10(a)所示，设备区大部分区域的烟气在起火一段时间后沉降至相对稳定的位置，南北侧走廊、北1走廊和南2走廊的烟气层高度分别稳定在2.5，2.7和2.5 m，北2走廊的烟气层高度波动幅度较大，最低降至0.5 m以下；烟气沉降的最低高度均在1.5 m以下，南北向走廊和南2走廊烟气沉降最低高度稳定在1.3 m和0.65 m，北1和北2走廊的火灾烟气最低均沉降至地面高度。开启机械排烟后，如图10(b)所示，南北向走廊和南2走廊的烟气沉降作用减弱，烟气层高度稳定在2.7 m左右，烟气沉降最低高度分别升高至1.6 m和1.4 m，火灾危险性低于自然通风的情况。

图10 位置1起火时设备区走廊烟气沉降情况Fig.10 Smoke descendent in corridor for fire location1

位置2起火时，中部走廊空间较为封闭，如图11所示，自然通风和机械排烟作用下中部走廊的烟气层高度和烟气沉降最低高度均低于其他区域。在南北向走廊，2种通风方式下烟气层高度均在2.7 m左右，开启机械排烟后烟气沉降最低位置有所升高，北1和北2走廊在自然通风下的烟气层高度均为2.7 m，烟气最低可沉降至1.4 m。位置3起火时，烟气扩散范围主要包括北1走廊和南北向走廊北端，在北1走廊东侧，烟气温度较高，沉降作用不明显，在自然通风和机械排烟条件下烟气层高度和烟气沉降最低高度均稳定在2.7 m和2 m左右；烟气扩散至南北侧走廊北端和北1走廊西侧的过程中，温度不断降低，沉降作用逐渐加强，如图12(a)所示，该区域烟气沉降最低高度均降低至地面高度，北1走廊西侧烟气层高度处于波动状态，最低降至1.3 m。

图11 位置2起火时设备区走廊烟气沉降情况Fig.11 Smoke descendent in corridor for fire location2

图12 位置3起火时设备区走廊烟气沉降情况Fig.12 Smoke descendent in corridor for fire location3

2.3 危险高度烟气温度

针对不同的建筑高度，《建筑防排烟技术规程》(DGJ08-88-2006)[18]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。可根据沉降至该高处的烟气温度判断防排烟效果及火灾危险程度，本文中设备区走廊的危险高度计算值为1.9 m。图13为3处位置起火时自然通风和机械排烟作用下烟气扩散范围内1.9 m高度的温度变化情况。在0.125 MW的火灾规模下，位置1起火时，2种通风条件下的最高温度均为45℃，受自然风压的影响，最高温度所在区域分别为南2走廊和火源北侧走廊.自然通风条件下，北1、北2走廊和南北向走廊危险高度的烟气最高温度分别为27，29和34℃，开启机械排烟后，在自然风压的共同作用下，烟气主要向火源南侧扩散，南2走廊的烟气温度降低至26℃。位置2起火时，火源所在封闭端走廊危险高度的烟气温度最高达到45℃，开启机械排烟在减小烟气扩散范围的同时，对南北向走廊火源北侧危险高度的烟气温度降低作用较为明显，北1和北2走廊距起火部位较远，沉降至危险高度的烟气温度为27℃和31℃。在0.06 MW的火灾规模下，位置3起火时，烟气蔓延至北1走廊后由疏散出口排至站外，未向设备区南部蔓延，在自然通风和机械排烟作用下该区域危险高度的烟气最高温度分别为32.5℃和31℃。

图13 设备区走廊危险高度烟气温度Fig.13 Maximum temperature in equipment area corridor at dangerous height

综合烟气层高度和危险高度烟气温度的分析表明，开启机械排烟对烟气温度和沉降高度均有一定的控制作用，但火灾通风模式和人员疏散路径的选择需考虑不断变化的外部自然风压的影响。疏散出口均开启时，大部分烟气向火源下风向扩散且沉降较为严重，处于该区域的站务人员面临较大的火灾危险性。因此设备区防排烟设计应参考该地区不同季节自然风向、风速等历史气象资料，结合车站运营中日常观测情况，采用若干种针对性的火灾通风和疏散模式。一方面应根据火源位置引导现场人员选择上风向的安全出口进行疏散；另一方面，应根据烟气扩散范围，关闭上风向无烟气扩散区域的排烟口，以增加火源下风向的顶部排烟量，降低该区域的火灾危险性。

3 结论

1)地铁设备区发生火灾时，在安全出口均开启的情况下，烟气扩散过程受外界自然风压影响较大。实验过程中走廊交叉位置起火时，烟气首先向设备区北部蔓延，随着自然风压的变化大部分烟气开始向设备区南部蓄积；走廊末端区域起火时，火源所在区域的烟气蓄积作用较为明显，顶棚温度较高，扩散至其他区域走廊后，受自然风压影响大部分烟气向设备区北部蔓延；设备房间内起火时，蔓延至走廊区域的部分烟气直接通过附近的安全出口排至站外，由于设备区南侧自然风压较高，烟气始终在北侧走廊区域扩散。

2)不同位置起火时，大部分走廊区域稳定的烟气层高度位于2.4～2.8 m，部分区域烟气层高度波动较大，最低可降至0.5 m以下；开启机械排烟有利于降低烟气沉降作用，自然通风情况下烟气最低可沉降至地面高度，机械通风作用下大部分区域的烟气沉降最低高度均在1 m以上。

3)在烟气扩散区域，走廊交叉位置起火时烟气主要向自然风的下风向蓄积，危险高度的最高温度可达到45℃，走廊末端起火时，火源所在封闭端走廊区域和南北向走廊区域危险高度的最高温度可达45℃和40℃，设备房间内起火时，烟气在经过一段时间的填充和空气卷吸后蔓延至北侧走廊，同时部分烟气直接从北侧安全出口排出，该走廊区域危险高度烟气温度较低，火灾危险性较小。

4)针对火灾危险性较高的走廊末端区域，在防排烟设计中应考虑增加该部位的排烟口数量，且在顶部采用耐火等级较高的构件和防火材料，确保车站各系统执行应急预案过程中通信和信号等线缆正常工作；同时，应考虑不同季节车站外部自然风压的影响，尽可能提高火源下风向的机械排烟量，引导现场人员选择上风向的安全出口进行疏散。