中庭式地下车站消防疏散及防排烟设计分析

余珏，郑进龙

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州，510000）

轨道交通的中庭式车站的能很好的改善地下车站封闭隔绝、视线不通透、空间形体单一、辨识性差等常规车站常见的问题。能使整个车站公共区空间更加开阔、宽敞、明亮，让乘客在封闭的地下不再感觉到压抑和无方向感。进而极大的提升了乘车体验，提升地铁系统的服务品质。因此中庭式车站受到了广大人民群众欢迎，并被行业内广泛接受及采用。中庭地下车站实景图如下图所示。

图1 中庭车站实景图

中庭车站虽然得到了越来越多的应用，但其站厅站台公共区连通且开敞的大空间形式，给乘客的安全疏散和防排烟的组织带来了一定不利的因素。目前国内关于中庭车站防灾的研究，集中于防排烟系统的设置、烟量的计算等方面。而未结合乘客的安全疏散的防排烟系统设计，一定程度上难于真正保证乘客的真正安全。中铁一院沈亮峰［2］针对2种不同形式的中庭车站防排烟系统分析，提出了防烟分区划分、排烟设备设置及控烟方式的解决方案，余斌［3］采用性能化分析方法，对大中庭车站防火排烟系统、人员疏散设施等进行了模拟计算分析，提出了在站厅顶部设置大中庭专用排烟控制方式的可行方案。本文结合对中庭车站火灾时乘客的安全疏散模式研究，得出该类型车站防烟分区划分原则及防排烟系统方案，并通三维仿真模拟验证了研究结果的可行性，对中庭车站的防灾设计具有一定的借鉴意义。

1 火灾危险性与消防安全目标的确定

1.1 火灾危险性分析

地铁公共区主要作为人员为乘坐地铁进出的临时过渡空间，空间内部固定可燃物少，且规模较小，主要为自动贩卖机、自动售票机。但地铁车站为人员密集的公共地下空间，发生火灾时乘客疏散路径相对较少，烟气影响程度更大，火灾危害性较大。

对于中庭车站，由于其中庭区域空间大，上下空间连通、空间功能复杂、乘客密度大等特点。火灾烟气一旦进入，烟气将迅速扩散，充满整个公共区空间，加快火灾的扩展，对乘客的安全疏散产生更为不利的影响，较标准车站火灾危害性更胜一筹。

1.2 站台层安全疏散重难点分析

当常规地下车站站台或车站隧道发生火灾时，列车上及站台候车乘客6分钟内通过楼扶梯疏散至站厅公共区，并通过站厅公共区疏散至室外。火灾时，同时启动通风排烟系统，确保能在6 min内控制火灾烟气在起火楼层，不进入安全区。同时疏散路径内烟气层应不沉降到保证疏散的清晰高度，并在疏散楼扶梯开口形成1.5 m/s的向下气流，阻止烟气向起火层以上楼层蔓延,乘客逃生迎着新风向疏散。由于楼扶梯开口形成1.5 m/s的向下气流，可有效保证烟气不蔓延至站厅公共区。因此乘客进入站厅后即进入相对安全区，可从容疏散至室外。

对于中庭车站，车站内部考虑进行高大空间设计，将站台与站厅公共区上下行楼扶梯开口进行扩大处理。在无任何措施的情况下，此扩大孔洞无法保证火灾情况下站厅到站台的楼梯或扶梯口处具有不小于1.5 m/s的向下气流［4，5］，影响开洞处楼扶梯火灾工况下的正常疏散，亦无法保证烟气不蔓延至站厅公共区，确保站厅公共区成为安全区，保证乘客安全。因此将考虑适当的措施，保证站台层人员的安全疏散，减小站台层火灾时烟气对站厅公共区的影响。

1.3 疏散及防排烟策略分析

1.3.1 消防安全目标的确定

消防安全评估的目的在于检验建筑的消防设计，验证采用的设计加强措施是否能防止火灾发生，及时发现火情，通过适当的报警系统及早发布火灾警报，有组织、有计划地将建筑内的人员疏散到安全区域。结合《地铁设计规范》GB50157-2013、《城市轨道交通技术规范》GB50490-2009和《地铁设计防火标准》GB51298-2018的要求［4，5，6］，确定该中庭车站应满足以下消防安全目标：

（1）站台层起火时，站台上的候车乘客和一列进站列车所载乘客能够在4 min以内疏散离开站台，并应能在6 min内全部疏散至安全区域。对于中庭车站而言，由于站厅与站台连通，烟气无法有效控制在站台公共区内，站厅公共区无法成为真正安全区，因此，此类型车站公共区应为出入口。

（2）车站内人员能够在烟气发展到人体耐受极限条件之前疏散至安全区域。

人员安全疏散时的耐受极限：热烟层（最小清晰高度）的温度不超过60 ℃，且能见度不小于10 m，CO浓度不超过500 ppm。

1.3.2 疏散及防排烟策略

根据安全目标，中庭车站站台火灾时，站台乘客在6 min内全部疏散至出入口［7］，疏散路径上需将烟气控制在乘客安全疏散的清晰高度之上。

此方案首先应保证站台楼扶梯的设置距离、站厅出入口与楼扶梯口距离满足6 min疏散要求。设计时应严格根据公式2.3.2-1核算乘客疏散时间，保证站台最不利点乘客在规定的时间内安全疏散。

式2.3.2-1

其中：Ts1：探测报警时间及人员预动作时间，按1 min考虑。

Ts2：疏散至楼扶梯入口时间。

LS2：站台层最大疏散走行距离

V：人员平均水平走行速度，按66 m/min考虑；

TS3：乘客撤离站台时间。

TS4：楼扶梯上平均滞留时间

LS4：站台层内楼扶梯有效长度

Vs：人员在楼扶梯上绝对运动速度，楼梯上行速度按37 m/min考虑；

TS5：站厅公共区内楼扶梯口至出入口的疏散时间；

TS5=LS5/V

LS5：站厅公共区内楼扶梯口至出入口水平距离

此方案除应保证站台楼扶梯的设置距离、出入口与楼扶梯口距离满足疏散要求外，还应充分考虑防排烟系统与挡烟垂壁的设置，以确保乘客疏散路径安全。

2 防烟分区及防排烟方案

2.1 防烟分区划分及防排烟系统设置

中庭区域应划分为一个独立防烟分区，在站台层孔洞两侧或中庭开口区域设置挡烟垂壁。以确保火灾时烟气尽量控制在中庭区域内，而尽可能少的影响中庭范围外的乘客疏散。

挡烟垂壁在吊顶上方应密封到顶；吊顶下突出高度不小于0.5 m。通常来说站厅公共区吊顶高度为3～3.2 m，因此挡烟垂壁设置高度约为2.5～2.7 m。在站厅层孔洞两侧设置的挡烟垂壁，由于站厅站台楼扶梯开口扩大，为减小站台层烟气通过孔洞对两侧站厅公共区造成影响，应适当增加站厅层挡烟垂帘下垂高度，但其下缘距地面高度不应小于2.3 m，下部具备人员疏散能力。

图2.1.2-1 两端设置挡烟垂壁示意图

图2.1.2-2 中庭四周设置挡烟垂壁示意图

中庭上部设置排烟风管及排烟口。当中庭区域发生火灾时，中庭上部排烟系统开启排烟，将烟气控制在站厅公共区清晰高度以上，保证站台乘客通过两端楼扶梯及站厅疏散至出入口安全区。

2.2 排烟量计算

按照《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017［6］中4.6.11对称烟羽流质量流量公式进行计算。

Z>Z1时，

式2.2-1，其中，QC— 热释放速率的对流部分；

Z—燃料面到烟层底部的高度（m）；

Z1—火焰极限高度（m）；

Mp—烟羽流质量流量（kg/s）。

3 示例及模拟计算验证

3.1 中庭车站概况

本项研究选取6节列车编组的地下二层中庭车站为火灾数值模拟对象。车站公共区长度116 m，标准段宽17 m；站台宽10 m，长度120 m。中庭开口长度68 m，宽度10 m。站台两端设置楼扶梯。车站共设置2个出入口，排烟系统设于中庭上部。

根据式2.3.2-1计算，得出本站站台最不利点乘客疏散至出入口安全区的时间为：TS=5.34 min<6 min 。

图3.1-1 中庭车站公共区建筑布局示意图

排烟量根据式2.2-1及《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017附录A换算为机械排烟量为56.73 m3/s（即204228 m3/h）。

由于乘客可在6分钟内安全疏散至出入口安全区，因此只需验证在乘客安全疏散的6分钟内，烟层不下降至影响乘客安

全疏散的清晰高度（2.5 m），即在清晰高度范围内，烟气不发展至超过人体耐受极限条件。本文将采用三维模拟计算验证中庭车站站台火灾时的烟气发展过程。

3.2 模拟计算验证

图3.2-1 中庭车站FDS三维模型

1）物理模型

在FDS软件中按3.1节中庭车站建筑形式创建三维计算模型，如下图所示。

2）火灾规模

车站火灾通常按行李火灾考虑，火灾规模约1.5 MW，考虑1.5倍的设计系数，因此计算的火灾规模约为2.25 MW。

3）计算区域网络解析

考虑到网格解析和计算机计算的速度，采用FDS中的Multi-blocking方法，即在流动和热交换迅速的区域采用局部网格加密。对着火区域、站台、站厅等区域分别设置Mesh和网格解析大小。

4）计算结果分析

（1）中庭两端设置挡烟垂壁方案火灾发生600 S时温度、可见度及CO浓度分布情况。

图3.2-3 中庭两端设置挡烟垂壁可见度分布图

图3.2-4 中庭两端设置挡烟垂壁CO浓度分布图

图3.2-5 中庭四周设置挡烟垂壁温度分布图

图3.2-6 中庭四周设置挡烟垂壁可见度分布图

图3.2-7 中庭四周设置挡烟垂壁CO浓度分布图

根据模拟计算结果（图3.2-2～7）可以得出以下结论：

图3.2-2 中庭两端设置挡烟垂壁温度分布图

（1）由于挡烟垂壁与排烟系统的作用，在600 s时间内，中庭两端或四周设置挡烟垂壁两种方案均可有效将烟气控制在中庭范围内。少量扩散至站厅公共区的烟气，基本不影响乘客疏散。

（2）在600 s时间内，两种方案乘客疏散路径上的温度未超过45 ℃，能见度也未受到显著影响（大于10米），CO浓度可未超过500 PPM，均不影响乘客疏散。

（3）两种防烟分区方案相较而言，中端两端设置挡烟垂壁方案由于防烟分区内烟气扩散范围更大，漫延至防烟分区外的烟气更少，控烟效果更好。

4 结论与建议

1）中庭车站火灾时通常将乘客疏散至出入口安全区内，因此应充分考虑乘客的走行距离、楼扶梯通行能力、楼扶梯的走向距离、出入口至楼梯口距离，以确保乘客在6 min能安全疏散至出入口安全区。

2）根据《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017中的计算方法，计算得出的排烟量，可确保中庭两端或四周设置挡烟垂壁的两种防烟分区方案均可有效将烟气控制在中庭范围内。6分钟内，两种方案烟气均未下降至清晰高充范围内，乘客疏散路径上的温度未超过45 ℃，能见度与CO浓度亦均未超出人体耐受极限，均不影响乘客疏散。

3）中庭的建筑及装修设计应与安全疏散及防排烟方案紧密配合，以确保灾难时乘客的疏散安全、建筑功能及美观的最优组合。