基于实时关键性指标验证的地铁站火灾人员安全疏散研究

2024-02-23罗佳程钱雪军

城市轨道交通研究 2024年1期

罗佳程钱雪军

(同济大学电子与信息工程学院, 201804, 上海)

随着计算机技术的发展和疏散模型研究的深入,应用火灾模拟软件和人员疏散仿真软件,对地铁站火灾人员疏散进行仿真能够快速获得比较好的仿真效果,对于地铁车站应急疏散和安全管理具有很好的指导性作用。文献[1]结合PyroSim仿真软件对站台火灾发展及影响因素进行研究。文献[2]利用Pathfinder软件对地铁车站不同条件下的人员疏散特点进行分析。文献[3]通过地铁站Pathfinder人员疏散仿真,得出总疏散时间受多种因素的影响。文献[4]建立了基于FDS(火灾动态模拟器)和Pathfinder的地铁车站人员疏散模型,从人员逃生率和安全疏散可用时间利用率等方面进行分析。

现有研究在判断人员能否安全疏散时基本是通过比较各关键位置可用安全疏散时间(ASET)和必需安全疏散时间(RSET)来确定的。由于目前的人员疏散仿真软件,如Pathfinder中人员的移动和决策是不能随着火灾过程中的温度和CO体积分数等关键数据动态变化的[5],所以其规划出的路线可能会引导人员走进危险区域。为更准确判断地铁站火灾人员能否安全疏散,及时发现并避免人员走进危险区域,本文在综合分析可用安全疏散时间和必需安全疏散时间的基础上,通过将火灾模拟输出结果加入到人员疏散仿真中,测量选定人员在整个疏散过程中自身位置实时的温度、能见度和有效剂量分数(fractional effective dose,FED)3个关键性指标,并基于此对人员安全疏散提供指导性的建议。

1 关键性指标与研究方法

1.1 关键性指标

1) 温度。当地铁站发生火灾时,过高的温度会灼伤人体表面皮肤,高温气体的吸入也会导致人体不适,严重时甚至会威胁人员生命安全。

2) 能见度。火灾产生的烟气具有遮光性,烟气扩散,能见度的降低会直接导致疏散阻碍的增加,威胁人员的安全疏散。

3) FED。火灾产生的烟气中存在多种毒害气体,吸收过量会导致人员中毒。FED是一种常用的衡量人体吸收毒害气体程度的指标[6],可用IFED表示,有:

IFED=IFED_COHCO2+IFED_O2

(1)

式中:

IFED——有害气体的有效剂量分数;

IFED_CO——CO的有效剂量分数;

HCO2——CO2引起过度换气的倍增因子;

IFED_O2——O2的有效剂量分数。

(2)

式中:

CCO——CO的体积分数;

A——乘客每分钟呼吸的空气量,在轻活动水平(步行逃生)下取25 L/min;

te——暴露时间,单位min;

D——碳氧血红蛋白百分比,在轻活动水平下取30%。

(3)

式中:

CCO2——CO2的体积分数。

CCO2高于5%时,CO2没有毒性作用,但会刺激呼吸,从而增加CO的吸收速率。

(4)

式中:

CO2——O2的体积分数。

当O2体积分数高于阈值时,低缺氧不会导致IFED的累积,据此,默认只有当O2体积分数小于19.5%时,才会控制IFED_O2项对于IFED累积的贡献。

FED在人员穿越燃烧建筑物的过程中会持续积累,若FED大于0.1则说明烟气影响人员疏散,若FED大于0.8则说明人员面临严重伤亡威胁。

参照文献[6]的人体耐受极限相关指标,以及NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems的要求,人员关键性指标的约束条件可归结为3点:①温度不超过60 °C;②能见度不低于10 m;③FED不超过0.8。

1.2 研究方法

基于地铁站火灾人员疏散相关的研究成果,采用PyroSim和Pathfinder仿真软件对地铁站火灾与人员疏散进行仿真,并将火灾模拟结果与人员疏散仿真相结合进行分析,具体的研究思路如图1所示。

图1 地铁站火灾人员安全疏散研究思路

2 地铁站建模与火灾模拟仿真分析

2.1 地铁站建模

采用PyroSim火灾模拟仿真软件对上海轨道交通15号线某站进行建模。该地铁站为双层岛式地铁站。站台层公共区面积约为1 620.0 m2,有效长度为135.0 m,宽度为12.0 m,共设置3组楼扶梯和1部无障碍电梯。站厅层公共区面积约为1 995.3 m2,有效长度为101.8 m,宽度为19.6 m,设有4个对外出口。建立该站的PyroSim仿真模型如图2所示。

图2 某站的PyroSim仿真模型

乘客行李及衣物的主要化学成分通常为聚氨酯,易引起火灾。因此,在PyroSim仿真模型中,将乘客行李及衣物的燃烧反应设定为聚氨酯燃烧[7]。此外,火灾增长类型设定为快速t2增长型[8],火灾发展系数为0.046 9 kW/s2。根据GB 50157—2013《地铁设计规范》,火灾模拟运行时间设定为360 s。在各关键位置即楼梯口和出口距离地面上方1.6 m处分别设置温度、CO体积分数和能见度检测器。为模拟较不利的火灾工况,火源热释放速率设置为1 250 kW/m2;火源大小为2 m×2 m;火源位置设置在站台层楼梯1入口处。

2.2 火灾模拟仿真分析

在火灾模拟仿真分析中,采用温度、CO体积分数和能见度作为火灾到达危险状态的判据,三者达到安全阈值的用时最小值即为安全疏散可用时间。根据NFPA 130—2020StandardforFixedGuidewayTransitandPassengerRailSystems,火灾模拟仿真设定:①距地面高度h=1.6 m处温度不超过60 °C;②h=1.6 m处CO体积分数不超过500×10-6;③h=1.6 m处能见度不低于10 m。

通过火灾模拟仿真得到,各关键位置的关键性指标时程曲线如图3所示。按各关键性指标的阈值,进一步分析得到可用安全疏散时间如表1所示。

表1 按关键性指标阈值计算得到的ASET

a) 温度

3 人员疏散仿真建模与分析

3.1 人员疏散仿真的建模

在PyroSim仿真模型的基础上,采用Pathfinder软件构建Pathfinder仿真模型,进行人员疏散仿真。站台层两侧的楼梯组均由2部有效宽度为1.0 m的自动扶梯和1部有效宽度为1.8 m的T型楼梯组成。T型楼梯位于站台中部,其下梯段有效宽度为2.4 m,上梯段有效宽度为4.6 m。与4个出入口对应设置了4个闸机组,每个闸机组均有6条闸机通道,闸机机箱宽度为0.18 m,闸机通道宽度为0.52 m。地铁站Pathfinder仿真模型如图4所示。

a) 站厅层

高峰时期的客运量预测为13 581人次/h,高峰时期列车的发车间隔一般为220 s,即每列列车到站时的乘客数量约为830人。综合考虑部分乘客等待、逗留等情况,本次人员疏散仿真的疏散人数按每列车到站的乘客数量乘以1.5倍综合系数来计算,即可估算高峰时期该站内需疏散人数为1 245人。仿真中的人员特征参数设定如表2所示。

表2 Pathfinder仿真模型中的人员特征参数

3.2 人员疏散仿真的分析

人员疏散仿真分析采用最后一名人员离开疏散区域所用的时间作为各关键位置的必需安全疏散时间。人员安全疏散成功的判定标准指人员在各关键疏散位置火灾到达危险状态前从该区域全部撤离,即必需安全疏散时间小于可用安全疏散时间。在此基础上,通过测量在整个人员疏散过程中人员位置实时的温度、能见度和FED三个关键性指标来验证各火灾工况下人员安全疏散情况,并基于此对人员安全疏散提出指导性的建议。

由于火源位置在站台层楼梯1入口处,故在人员疏散仿真中设置楼梯1状态为不可通行,其他楼梯状态为正常通行。通过人员疏散仿真,得到楼梯口2、楼梯口3、1号口、2号口、3号口和4号口的必需安全疏散时间分别为139 s、137 s、172 s、172 s、37 s、172 s,均不超过各关键位置的可用安全疏散时间,由此初步判断人员可以安全疏散。

为更准确判断人员能否安全疏散,本研究选择疏散时间相对最长,且最后一名从各出口逃生的人员为对象,测量其所在位置的关键性指标。由于3号口的必需安全疏散时间仅为37 s,故可认为从3号口疏散的人员在整个疏散过程中是安全的。通过人员疏散仿真结果可知,从1号口、2号口及4号口疏散的最后一名人员分别是22号人员、956号人员及720号人员,其疏散用时均为172 s。仿真计算这3名人员所在位置的关键性指标时程曲线,如图5所示。

a) 22号人员

由图5可知,在整个疏散过程中,22号和720号人员位置处温度基本保持为20 °C(室温),能见度保持为30 m,FED远小于0.8。由此可判断,在整个疏散过程中22号人员和720号人员都是十分安全的。

由图5还可看出:在起火后疏散时间t=132 s后,956号人员所处位置的温度和FED均开始上升,能见度开始迅速下降;最高温度升至30 °C左右,FED最终为8.4×10-4,均未达到危险值;能见度波动较大。在t=146 s时,能见度降至8.5 m左右,且此次能见度低于临界值(10.0 m)的时长约为1 s;之后,能见度回升至10.0 m以上;疏散时间达161 s后,能见度再次降至10.0 m以下,并持续到172 s疏散完成后。

956号人员在不同t下的周围环境及能见度模拟情况截图如图6所示。由图6 a)可见,t=146 s时,956号人员位于2号闸机组前的位置。此时,能见度第一次降到10.0 m以下,这是因为烟气从站台层楼梯1入口处的火源位置沿着楼梯1向站厅层蔓延。尽管这次能见度低于10.0 m的状况只持续了1 s左右,但周围烟气已经积聚。