地铁同站台高架换乘车站火灾人员疏散研究*

李丹辰，钟茂华，梅 棋，刘 畅，肖 衍

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

0 引言

地铁高架车站在火灾时的人员疏散方向与一般的地下车站人员疏散方向相反[1]。发生火灾后，地下车站人员疏散的方向为自下方的站台层疏散至上方的站厅层,而高架车站的人员疏散是从上层站台层向下层站厅层的自上而下的疏散过程。同站台换乘一般适用于2条平行交织的线路，站台形式为岛式，由于乘客换乘距离较短，乘客在站内的分布较为集中，疏散时客流密度较大的情况下可能造成踩踏、伤亡事故。

人群疏散模拟研究可以准确估算人员安全疏散所需的时间，通过分析疏散模拟结果可得到有效缩短疏散时间的疏散指挥和引导策略[2]。目前常用的疏散仿真软件包括Pathfinder，EXODUS，Anylogic，Legion， Agent，STEPS等。何利英[3]使用Legion分析了不同潜在的火灾场景下人员疏散的情况，并提出了相应的改进建议；Shi等[4]使用EXODUS建立了考虑行人行为学特征、疏散策略等多因素的人群疏散仿真模型；李意[5]结合行人恐慌心理和火灾烟气对紧急疏散速度的影响，使用Anylogic分析不同设施处的疏散客流状态。

部分学者对普通高架车站火灾时的客流疏散和同站台换乘车站疏散模型进行了研究。王志刚等[6]根据《地铁设计规范》验算了亦庄线高架车站在最不利条件下的安全疏散能力；史聪灵等[7]通过火灾模拟和人员疏散动力学模拟,得到了高架车站站厅火灾时的烟气蔓延过程和人员疏散过程；齐茂利[8]通过建立同站台换乘站的微观疏散仿真模型考察不同情况下换乘站的换乘效率。

在对地铁站火灾条件下的疏散模拟研究中，大部分学者在疏散场景中使用的烟气扩散规律来自于软件模拟。张洪娟[9]通过地铁站台层火灾数值模拟，得到不同火灾场景下烟气的特征数据，提出了控制烟气扩散的有利通风方式和正确的旅客逃生路径；刘梦洁[10]以某地铁车站为背景，建立了FDS火灾仿真模型和Pathfinder人员疏散仿真模型，并确定了最危险工况，根据确定的工况，探究了该车站的人流量和火源功率容纳能力。

本文结合具有同站台高架换乘形式的某地铁实体车站全尺寸火灾实验烟气扩散规律[11-14]，对比分析站厅中部闸机、站厅楼扶梯入口及站厅出入口附近3处发生火灾的场景，分别研究地铁车站内闸机及栅栏门、自动扶梯、应急出口等设施的运行状态对于疏散结果的影响。研究站台中部、站台楼扶梯入口2处发生火灾的场景下，扶梯运行状态对于疏散时间的影响。分析设备区走廊交叉位置、走廊末端区域及设备房间内发生火灾的场景对于设备区内工作人员疏散时间与乘客疏散时间的影响。对比分析4B编组列车车头、车中及车尾发生火灾的场景下乘客所需的疏散时间。

1 模拟设置

1.1 计算工具

buildingEXODUS是一套为模拟复杂建筑物中大量个体的逃离及行动而设计的工具软件，通常应用在建筑环境中，适用于超市、医院、剧院、火车站、机场、高层建筑、学校等。可以用于评估各种建筑物的疏散能力，以及调查建筑内部的人群移动效率。

通过模拟仿真得到的疏散时间与疏散路径，可以为发生紧急情况时的实际疏散提供重要参考依据。

1.2 车站概况

车站平面示意图如图1～ 2所示[11]。车站站厅层全长118 m，宽36 m；乘客可达区域长48 m，宽36 m。站厅有1号和2号出入口，以及3号和4号应急出口，分别在西北、西南、东北、东南4个方向，其中1号出入口宽6 m，2号出入口宽8 m，3号和4号应急出口宽1.5 m。设备区与站厅同层，由1个南北向走廊、5个长度不一的东西向走廊和若干设备房间组成，其中南北向走廊长36 m，北1和南1走廊长42 m，北2和南2走廊长24 m，中部走廊长18 m。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 车站站厅层示意Fig.1 Schematic diagram of station hall

图2 车站站台层示意Fig.2 Schematic diagram of platform in station

车站2层由2个站台组成，站台层全长118 m，宽37 m，站台A和站台B分别宽10 m。每个站台设有2组楼扶梯，高8 m，西侧的一组为一上一下2个扶梯，东侧一组为上行扶梯与楼梯，扶梯运行速度为0.5 m/s。每个站台中央有1个垂直电梯，根据《地铁安全疏散规范》[15]，垂直电梯不计入事故疏散用，因此在模拟中将其作为障碍物来处理，不考虑人员通过垂直电梯疏散的情况。站台2侧的设备间作为障碍物来处理。

站厅、站台与设备区火灾场景设置与全尺寸实验一致[11]，在模拟疏散工况中，火源分别位于站厅中部闸机(火源1)、站厅楼扶梯入口(火源2)、站厅出入口附近(火源3)、站台中部(火源4)、设备区走廊交叉位置(火源6)、设备区走廊末端区域(火源7)及设备房间内(火源8)。

站台火灾场景假设一个火源位于站台楼扶梯入口(火源5)；列车火灾场景假设火源分别位于列车头部(火源9)、中部(火源10)和列车尾部(火源11)。

1.3 人员特性

经过站台A、站台B的列车远期高峰小时客流量分别为11 300，17 200人/h，行车间隔为2.5 min，假设各站台候车乘客数量约为高峰小时客流量的5%，计算得出站台A、站台B列车乘客分别为471，717人，站台A、站台B候车乘客分别为24，36人。

火源位于站厅、站台或设备区时，按照最不利原则，假设疏散开始时站内乘客全部位于站台，乘客数量等于每车人数与候车人数之和，设置站台A乘客为495人，站台B乘客为753人，站厅站务人员10人，站内待疏散人员共1258人；设备区发生火灾时，额外设置设备区内工作人员10人。

火源位于列车时，设置站台A列车内乘客471人，站台A候车乘客24人，站台B考虑该站台分布候车乘客36人或分布列车乘客与候车乘客共753人这2种情况。乘客在站台、列车呈均匀分布，考虑到乘客在站台换乘时的路径，人员分布如图3所示。

图3 乘客在站台的起始分布Fig.3 Initial distribution of passengers at platform

根据地铁问卷调查结果，乘客中41%为中青年男士，43%为中青年女士，16%为老人及儿童，各群体的水平行走速度和楼梯下行速度如表1所示[15]。

表1 乘客的比例、数量和速度Table 1 Proportion, quantity and velocity of passengers

1.4 工况设置

根据站厅中部闸机、站厅楼扶梯入口及站厅出入口附近3处发生火灾的场景，以及地铁车站内自动扶梯、闸机及栅栏门、应急出口等设施的状态，共设置6个工况，如表2所示。工况1，3，5中，上下行扶梯正常运行，闸机及栅栏门关闭，应急出口关闭，1，2号出入口开启；工况2，4，6中，上行扶梯关闭，闸机及栅栏门打开，应急出口打开。

表2 站厅火灾场景下疏散工况设置Table 2 Setting of evacuation conditions in fire scenes of station hall

根据全尺寸火灾实验的结果[12]，火源1发生火灾时，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；火源2发生火灾时，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；火源3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，不利于人群疏散。

根据站台中部、站台楼扶梯入口2处发生火灾的场景，及自动扶梯的运行状态，共设置6个工况，如表3所示。工况7，10中上行扶梯保持上行，工况8，11中上行扶梯停止运行，工况9，12中上行扶梯反转方向向下运行。6种工况中，站厅闸机及栅栏门打开，应急出口打开。火源4[13]发生火灾时，起火站台火源附近烟气层高度较高，随纵向距离的增加而下降，未起火站台火源断面处烟气层高度较低，随纵向距离的增加而升高，整个站台烟气层高度较高，不影响乘客疏散。火源5发生火灾时，假设乘客不使用火源附近的楼扶梯进行疏散。

表3 站台火灾场景下疏散工况设置Table 3 Setting of evacuation conditions in fire scenes of platform

根据设备区走廊交叉位置、设备区走廊末端区域及设备房间内3处发生火灾的场景[14]，设置3个工况，如表4所示。火源6发生火灾时，南2走廊与南北向走廊烟气沉降、温度较高，不利于人员疏散；火源7发生火灾时，中部走廊不利于人员疏散；火源8发生火灾时，北2走廊温度较高，不利于人员疏散。3种工况中，站厅闸机及栅栏门打开，应急出口打开，上行扶梯关闭。

表4 设备区火灾场景下疏散工况设置Table 4 Setting of evacuation conditions in fire scenes of equipment area

根据列车头部、中部及尾部3处发生火灾的场景以及站台B乘客的数量，共设置6个工况，如表5所示。工况16，17中，乘客通过列车门与其他车厢迅速离开头部车厢；工况18，19中，乘客在等候从楼扶梯通行期间远离火源所在的车厢；工况20，21中，乘客在前往东侧楼扶梯时不在休息室北侧通行。6种工况中，站厅闸机及栅栏门打开，应急出口打开，上行扶梯关闭。

表5 列车火灾场景下疏散工况设置Table 5 Setting of evacuation conditions in fire scenes of train

2 疏散分析

2.1 判定安全的条件

在疏散模拟分析中，如果人员疏散到安全地点所需要的时间RSET(Required Safety Egress Time)小于通过判断火场人员疏散耐受条件得出的可用疏散时间ASET(Available Safety Egress Time)，则可认为人员疏散是安全的，反之则认为不安全，需要做出改进。

火源位于站厅、设备区时，安全地点为车站；火源位于站台、列车内时，安全地点为站厅。RSET为乘客到达安全地点的时间与1 min的乘客预反应时间之和。

根据《地铁设计规范》[16]，站台、站厅事故疏散时间应不大于6 min，因此本文采用ASET=6 min作为安全判定条件。

2.2 站厅火灾

表6为站厅火灾模拟仿真工况下的安全疏散时间。由表6可以看出，工况1，3，5中，工况3仅有1个下行扶梯可使用情况下的RSET最长，其次是工况1火源位于中部闸机附近。工况2，4，6中，楼扶梯的运行状态对于疏散时间的影响最大，其次是出入口的影响。同一火灾场景下，上行扶梯关闭，闸机及栅栏门打开，应急出口打开后RSET明显降低，疏散效率分别提高了37%，45%，33%，对于火源位于楼扶梯入口附近的场景，车站设施的状态对于疏散时间的影响大于其他火灾场景。

表6 站厅火灾模拟仿真工况的安全疏散时间Table 6 Results of RSET by simulation of fire in station hall

进一步将乘客离开车站用时分解为乘客离开站台用时和乘客站厅行走用时，车站各设施的运行状态对于前者的影响较大。同一火灾场景下，上行扶梯关闭，闸机及栅栏门打开，应急出口打开后，乘客从站台疏散至站厅的效率分别提升41%，51%，40%，从站厅疏散至车站外的效率分别提升17%、降低64%、降低8%。

当可使用的楼扶梯数量不足时，乘客离开站台的时间增加，楼扶梯成为疏散瓶颈，如图4所示；可使用的楼扶梯数量较多时，乘客快速离开站台后在站厅闸机及栅栏门、出口产生拥堵，增加了乘客疏散至车站出口的时间，如图5所示。

图4 火源1不同工况乘客在站台的分布Fig.4 Distribution of passengers on platform under different conditions of fire source 1

图5 火源2不同工况乘客在站厅的分布Fig.5 Distribution of passengers in station hall under different conditions of fire source 2

由图6可以看出，相同时间内，工况3，4安全疏散的人数明显分别少于工况1，5和工况2，6，楼扶梯的运行状态对于疏散时间的影响较大。

图6 不同工况下人员疏散数量与疏散时间的关系Fig.6 Relationship between quantity of evacuated passengers and evacuation time under different conditions

2.3 站台火灾

表7为站台火灾模拟仿真工况下的安全疏散时间。由表7可以看出，在2种火灾场景下，工况7，10的RSET大于同等火源条件下的其他工况，上行扶梯停止运行后乘客离开站台用时相较于扶梯上行时分别降低41%，35%。上行扶梯反转运行时乘客可以更快地离开站台，但是相对于上行扶梯停止运行时乘客离开站台用时分别仅缩短了2.4%，2.3%。

表7 站台火灾模拟仿真工况的安全疏散时间Table 7 Results of RSET by simulation of fire in platform

2.4 设备区火灾

基于文献[14]中的设备区内发生火灾的3种情况，烟气仅在设备区内蔓延。设备区3种火灾工况如表8所示，设备区火灾时，由于工作人员数量相对较少，火灾场景对于车站整体疏散时间影响不明显，设备区工作人员离开车站的RSET均为1.3 min，乘客离开车站的RSET均为5.5 min。

表8 设备区火灾模拟仿真工况的安全疏散时间Table 8 Results of RSET by simulation of fire at equipment area

以工况13为例，火源位于走廊交叉位置时，南2走廊与南北向走廊烟气沉降、温度较高，不利于人员疏散，设备区内的工作人员可以从东西两侧的出口疏散，20 s后设备区工作人员离开车站，272 s后所有乘客离开车站，不同时间下站厅人员分布如图7所示。火源位于走廊末端时，中部走廊不利于人员疏散，发生火灾时处于中部走廊及中部走廊两侧房间内的工作人员无法安全疏散。火源位于设备房间内时，北2走廊温度较高，不利于人员疏散，火源位置周围的工作人员无法安全疏散。

图7 工况13中不同时间下站厅人员分布Fig.7 Distribution of personnel at different time in station hall under condition 13

2.5 列车火灾

表9为列车火灾模拟仿真工况下的安全疏散时间。由表9可以看出，工况16、18、20中乘客离开站台的时间几乎相同，当站台B候车乘客较多时，乘客离开站台的时间主要受站台B乘客数量的影响。工况17、19、21中，工况17与工况21下乘客离开站台的时间相近，略小于工况19，发生列车火灾时，如果火源在列车上的位置接近楼扶梯，影响乘客对于楼扶梯的使用，该火灾场景对于疏散时间的影响大于其他火灾场景。如图8所示，工况17中，乘客通过列车门与其他车厢迅速离开头部车厢；工况19中，乘客在等候从楼扶梯通行期间远离火源所在的车厢；工况21中，乘客在前往东侧楼扶梯时不在休息室北侧通行。

表9 列车火灾模拟仿真工况的安全疏散时间Table 9 Results of RSET by simulation of train fire

图8 30 s时，不同火源的列车火灾下乘客在站台的密度分布Fig.8 Density distribution of passengers on platform at 30 s under different fire sources

3 结论

1)地铁同站台高架换乘车站站厅中部闸机、站厅楼扶梯入口及站厅出入口附近3处发生火灾的场景下，关闭上行扶梯、打开所有闸机及栅栏门、打开应急出口能够有效减少疏散时间。

2)在站台中部或站台楼扶梯入口处的火灾场景下，上行扶梯停止运行后乘客疏散时间相较于扶梯上行时分别降低41%，35%，进一步将扶梯反转向下运行后疏散时间分别降低5 s，8 s。考虑工程实际，反转电梯时可能导致乘客摔倒，且需要车站工作人员现场核实扶梯状态并手动控制，因此不宜采用将上行电梯直接反转的模式。

3)设备区发生火灾时，火源位于走廊交叉位置时设备区内的工作人员可以从东西两侧安全出口疏散，火源位于走廊末端或设备房间内时，火源位置周围的工作人员无法安全疏散。由于工作人员数量相对较少，设备区火灾对于车站整体疏散时间影响不明显。

4)4B编组列车发生火灾时，火源的位置对于乘客疏散时间的影响较小，火源在列车上的位置接近楼扶梯时对于乘客疏散时间的影响相对较大。发生火灾的列车停靠在站台后，应当尽快引导乘客从列车上疏散至车站内，然后将列车驶离站台，以避免乘客在站台疏散时受到高温和烟气的影响。