地铁站台火灾应急疏散研究

2021-10-31张润畦

华北科技学院学报 2021年4期

张润畦

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

随着城市交通需求量的日益加大，地铁以其便利、快捷等突出优势在城市交通方式中脱颖而出。地铁车站是一种地下结构，由于其受限空间的结构特点，疏散路径有限，如若发生安全事故，如：火灾、爆炸、毒气等，疏散艰难，救援成功率低，易导致重大的安全事故。据统计资料表明，地铁火灾事故在所有地铁事故类型中占比高达65%[1]。并且随着城市化进程的发展，人们对地铁交通运输方式的依赖性会越发强烈，地铁站的结构和构造也越来越复杂多样，再加之各类新型材料的发明和投入使用，新的火灾隐患将不断浮现，对人民生命财产和社会公共设施安全具有重大威胁。因此关于地铁站安全疏散的研讨具有巨大的现实价值和社会意义。

总结以往造成群死群伤及重大经济损失的特大火灾教训，其中受火灾烟气的危害，站台层人员处于地下二层，距离出入口较远，因此死亡率最高。

针对以上情形，近些年来，国内外学者对于地铁安全疏散的研究主要集中在地铁站台层火灾方面。采取将BIM与PyroSim软件结合的手段，完成了基于BIM模型的火灾模拟，建立了一套基于BIM模型的地铁车站火灾仿真模拟方法[2]；或基于物理数学模型，采用计算流体力学软件对地铁站站台层列车着火及站台起火时的烟气扩散及温度分布进行了三维场模拟[3]；也有利用Pathfinder，结合PyroSim仿真软件分析结果，探究人员在火场环境参数不断变化时的逃生时间、路径以及道路拥堵情况[4]。然而，受现场环境的制约，上述模型的一些参数如火灾烟气的温度，CO浓度，可见度指标等难以获取或者其数据的可靠性较差，从而对模型的适用性和可靠性产生了较大程度的影响。因此，建立合理的、便于工程应用的地铁站台火灾模型还有待进一步研究。

本文选取广州某标准地铁站为实例模型，建立了地铁站BIM模型，以地铁火灾为危险因素，运用PyroSim软件进行地铁站站台层火灾烟气仿真模拟，得出疏散时间，运用Pathfinder软件模拟规定时间内人员疏散数量。最后通过疏散人员数量与必要疏散人员数量进行对比，探究该地铁站的疏散能力。重点考虑烟气温度、可见度和CO浓度对疏散的影响，为所研究的地铁车站提高其安全性以及人员安全疏散提出切实可行的意见及建议。

1 研究基础

1.1 BIM模型

BIM建模技术，可对地铁站台的动态情况进行全面的监控，对应急预案的完善和车站人员应急处理技能的加强具有重要作用[5]。它是一款利用建筑信息建模的软件，可应用于建筑工程设计、施工、管理的数据化。BIM不仅可以用简单的线条绘制建筑平面图而且可为用户清晰展现模型的3D视图，也可进行漫游渲染等处理，给用户提供更加直观的视觉感受。

1.2 PyroSim火灾模拟

PyroSim是一款消防火灾模拟软件，由美国国家标准与技术研究院研发的专门用于火灾动态仿真模拟。它被用来创建火灾模拟，准确的预测火灾烟气流动、火灾温度和有毒有害气体浓度分布。

1.3 Pathfinder人员疏散模拟

Pathfinder是一款仿真人员疏散工具，它由三个模块组成：图形用户界面，模拟器和3D结果查看器。通过设计一个完整的三维三角网格来塑造其运动环境，从而配合实际的建设模式，生成的人员疏散模型为一个整体，且模型为三维结构，与实际建筑契合。

2 实证分析

2.1 BIM模型建立

基于广州某标准地铁站，本文地铁站模型共三层，其中地下一层为设备层，地下二层与地下三层分别为站厅层与站台层，站厅层与站台层均设有设备区，站台层公共区层高为4.55 m，面积为1113.67 m2，总长度为68.15 m。站厅层与站台层之间，中部区域布置1部双跑曲折楼梯；楼梯两侧分别设有3部自动扶梯与1部双跑直梯。

2.2 PyroSim火灾模拟

2.2.1 PyroSim建模

将Revit的RVT模型保存为DXF文件导入PyroSim软件中。为保证模拟的可见度，将模型中无关构件进行删除，并对模型进行优化，添加机械排烟系统，排烟口共设置32个，尺寸为1.0 m×1.0 m。在人员主要流动通道上设置着火点，在2.0 m高度处设置烟感探测器，温度、可见度及CO浓度测点和切片。切片负责在轴对称平面上测量气象数据，用于测量温度，速度、压力等等。

站台平面布置图和三维模型图如图1、2所示。其中红色方块：着火点；绿色圆圈：烟感探测器；黄色方块：排烟口；黄色圆圈：温度、可见度及CO浓度测点；粉红色平面：切片。

图1 站台层平面布置图

图2 站台层三维模型图

2.2.2 火灾参数设置

目前在设计地铁的过程中都尽量避免采用易燃或可燃的物质，但在列车站台以及车体内部仍然不可避免的存在可燃物，包括列车车体的地板，墙壁及天花板材料，座椅及装饰材料，旅客携带的行李物品等[6]，车体内的装饰材料主要为可塑性PVC、丙烯酸PVC以及PU(PVC是聚氯乙烯材料的简称，PU是聚氨酯材料的简称)等[7]。故定义反应为聚氨酯反应。国内外对地铁站台乘客行李火灾荷载认定为其着火时的最大热释放速率不超过2.5 mW[8-9]，烟气生成率为0.075。

故设置此火灾模型为由于地铁站内乘客在人流密集处行李发生失火，将火源功率定义为2.5 mW，火源的尺寸设置为1.5 m×1.5 m，烟气生成率为0.075。且利用t2火灾模型进行仿真模拟，同时为了保守估计，忽略火灾的衰减期，即当火灾达到最大热释放速率后，其情况保持不变。

2.2.3 其他参数设置

根据《地铁设计防火标准》[10](GB 51298-2018)中要求的疏散时间为6 min，为了能进一步观察火灾后期温度、可见度、CO浓度的情况，故将模拟时间设为600 s。

为达到最佳模拟精度，X、Y、Z三个坐标方向的单元组设置为同样倍数，网格大小设置为0.5 m×0.5 m×0.5 m，站台起火计算网格共计1094022个。

2.2.4 火灾模拟结果

根据《建筑防火性能化设计》[11]，在2.0 m高度处可见度不小于10 m；在2.0 m高度处温度不高于60℃，CO浓度不高于250 ppm。

经过模拟得出，站台层烟气温度在62 s时大于60℃，可见度在22 s时小于10 m，CO浓度在71 s 时高于 250 ppm。变化曲线如图3所示。

图3 三种因素随时间变化曲线

PyroSim仿真模拟结果见表1，得出烟气温度、可见度、CO浓度三种不同因素在站台起火场景下所需的安全疏散时间。单方面考虑烟气温度时，在62 s时达到限制温度；单方面考虑可见度时，在22 s达到限制距离；单方面考虑CO浓度时，在71 s时达到限制浓度。

表1 模拟情况统计表

2.3 Pathfinder人员疏散模拟

根据尚文天、齐宏伟等[12]对地铁必要疏散人员的研究，得出早高峰时段站台起火时安全疏散的人数为2076人；晚高峰时段站台起火时安全疏散的人数为2450人；普通时段站台起火安全疏散的人数为536人；超大人流晚高峰时段站台起火安全疏散的人数为3920人。站台人员分布按照Pathfinder软件系统默认布置，即按照经验统计实际地铁站台人员分布情况进行布置。

疏散模拟过程中发现，站台起火人员逃生时，在曲折楼梯转角处易发生人员拥堵，导致人员疏散缓慢，而且在超大人流情况下模拟时出现一处楼梯人员密集，而另一处楼梯人员相对松散，楼梯利用率低的现象。

疏散模拟过程如图4所示。