鐘茂華，劉 暢，田向亮，肖 衍，梅 棋，張 磊

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819； 3.北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068；4.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

0 引言

地鐵同站臺高架換乘車站的公共站廳一般位于地上一層，通過樓扶梯與兩換乘線路的站臺相連通，一旦站廳區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，煙氣容易受煙囪效應(yīng)影響向站臺層蔓延，因此站廳火災(zāi)防排煙措施的有效性對車站各防煙分區(qū)人員疏散安全具有重要影響。

目前針對地鐵站廳火災(zāi)安全的研究主要集中在采用頂部排煙的地下車站，研究方法主要包括數(shù)值模擬和模型實驗。袁建平等[1]通過FDS某大型地鐵換乘車站站廳的三維模型對機械排煙效果進行模擬，結(jié)果表明采用站廳各防煙分區(qū)進行排煙的模式能夠較好地控制煙氣擴散及沉降；張亦昕等[2]對地鐵車站站廳不同吊頂裝修形式的火災(zāi)煙氣層沉降和溫度分布特征進行了數(shù)值模擬研究，重點分析了吊頂鏤空率對煙氣蓄積特性的影響；鐘茂華等[3]采用FDS構(gòu)建了某“T”形換乘車站的火災(zāi)數(shù)值計算模型，對換乘通道火災(zāi)時站廳不同防煙分區(qū)通風系統(tǒng)聯(lián)動模式的煙氣控制效果開展了研究，結(jié)果表明在此類車站站廳的防排煙設(shè)計中應(yīng)采用各防煙分區(qū)全排煙的通風模式；Ji等[4]對地鐵車站狹長形空間內(nèi)火源附近煙氣最高溫度進行了理論和實驗研究，并建立了頂棚最高溫度預(yù)測模型；顧正洪等[5]對站臺與站廳之間煙氣控制的臨界風速開展了一系列數(shù)值模擬研究，并通過在廣州地鐵二號線中大站進行現(xiàn)場火災(zāi)實驗對模擬結(jié)果進行了驗證；鐘委等[6]采用Fluent軟件建立某雙層島式地鐵車站的三維計算模型，對機械排煙和活塞風作用下站廳火災(zāi)煙氣分層現(xiàn)象和氣流組織模式進行了研究；羅娜[7]對某中庭式地鐵換乘車站站廳火災(zāi)的通風模式開展了模型實驗和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明采用站廳頂部天窗進行自然排煙，地下二層和三層站臺進行送風的模式能夠有效地控制煙氣擴散和沉降；吳振坤[8]采用數(shù)值模擬的方法分析了地鐵車站內(nèi)空氣幕射流速度和角度對煙氣控制效果的影響；羅燕萍等[9]以廣州地鐵三號線大塘站為例分析了火災(zāi)時屏蔽門開啟模式對站內(nèi)流場的影響；周志望等[10]對大跨度建筑空間自然排煙和機械排煙條件下的豎直溫度分布、煙氣層高度和排煙效率進行了數(shù)值模擬分析；高俊霞等[11]通過對某單線高架車站站廳火災(zāi)自然通風條件下的煙氣擴散過程進行數(shù)值模擬，提出了此類結(jié)構(gòu)車站站廳排煙優(yōu)化方案，并分析了擋煙垂壁高度和排煙口設(shè)置方式對火災(zāi)防排煙的影響；李炎峰[12]對換乘車站公共站廳的煙氣擴散情況進行數(shù)值模擬，分析了煙氣溫度變化、蔓延時間和沉降過程。

本文通過開展同站臺高架換乘車站站廳的全尺寸火災(zāi)實驗，對不同火災(zāi)場景下的煙氣擴散、沉降過程和疏散路徑的火災(zāi)危險性進行分析，研究結(jié)果可為此類車站站廳防排煙設(shè)計提供技術(shù)建議。

1 實驗概況

實驗所在站廳為兩換乘線路的公共站廳，位于地上一層，在東西方向長度為46 m，南北方向?qū)挾葹?6 m，南北兩側(cè)各采用兩部樓扶梯與地上二層的2個島式站臺相連通，樓扶梯入口處安裝有0.5 m高的擋煙垂壁，防止站廳發(fā)生火災(zāi)時煙氣向站臺防煙分區(qū)擴散。站廳中部閘機同時承擔進出站功能，南部和北部閘機承擔出站功能，站廳西端的南北側(cè)各設(shè)置一個寬7 m，高3 m的出入口。

站廳發(fā)生火災(zāi)時，現(xiàn)場人員需通過閘機疏散至出入口，現(xiàn)場全尺寸火災(zāi)實驗主要模擬部分疏散路徑關(guān)鍵節(jié)點被火災(zāi)封堵的情況，在站廳中部閘機、樓扶梯入口和安全出口附近設(shè)置起火點，根據(jù)現(xiàn)場裝修情況設(shè)置0.25～0.75 MW規(guī)模的火源。表1為實驗工況，站廳結(jié)構(gòu)及測試裝置布置平面圖見實驗設(shè)計[13]，圖1～3為3個火源位置處的實驗現(xiàn)場情況。

表1 站廳實驗工況

圖1 火源位置1處實驗過程Fig.1 Experimental scene at fire location 1

圖2 火源位置2處實驗過程Fig.2 Experimental scene at fire location 2

圖3 火源位置3處實驗過程Fig.3 Experimental scene at fire location 3

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 頂棚溫度

位置1所在區(qū)域的上部裝修形式采用柵欄式吊頂，煙氣可運動至吊頂上方的結(jié)構(gòu)頂板高度，圖4為柵欄式吊頂上方的頂棚溫度，該位置發(fā)生0.25～0.75 MW規(guī)模的火災(zāi)時頂棚最高溫度可達到40～60℃。圖5和圖6分別為位置2和3起火時北側(cè)封閉式吊頂下方溫度，由于該吊頂高度僅為3 m，位置2發(fā)生0.25～0.5 MW規(guī)模的火災(zāi)時頂棚最高溫度可達到50～75℃，高于位置1處的最高溫度；在與位置2相同的火災(zāi)規(guī)模下，位置3起火時頂棚最高溫度均低于位置1和位置2，由此可見不同起火位置造成的火災(zāi)危險性有所差異。

圖4 位置1起火時柵欄式吊頂上方的頂棚溫度Fig.4 Fence-type ceiling temperature of fire location 1

圖5 位置2起火時北側(cè)封閉式吊頂下方溫度Fig.5 Northern closed-type ceiling temperature of fire location 2

圖6 位置3起火時北側(cè)封閉式吊頂下方溫度Fig.6 Southern closed-type ceiling temperature of fire location 3

位置1起火時，由于站廳東側(cè)為封閉結(jié)構(gòu)，煙氣運動至該部位后開始蓄積并豎直沉降，導(dǎo)致該部位的頂棚溫度僅略低于火源附近溫度，而靠近西側(cè)出入口區(qū)域時溫度迅速降低。圖7為位置1起火時站廳出入口的自然風風速，該風速處于較不穩(wěn)定的波動狀態(tài)，隨著火災(zāi)功率的增加，蔓延至出入口區(qū)域的煙氣溫度和濃度升高，在該區(qū)域形成的風阻增大，因此圖7中1號出入口和2號出入口的風速隨火災(zāi)規(guī)模的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，由于兩出入口貫通風的形成，該區(qū)域大部分煙氣由1號出入口排出，導(dǎo)致站廳西側(cè)溫度比東側(cè)大幅降低，兩側(cè)煙氣溫度呈現(xiàn)圖4中的非對稱分布。位置2起火時，煙氣在封閉式吊頂下方形成頂棚射流，在站廳東側(cè)封閉端和樓扶梯入口的擋煙垂壁處蓄積，形成較高的煙氣溫度。在火源西側(cè)，由于火源距出入口距離較遠，運動至該區(qū)域的煙氣溫度較低，形成的風阻較小。圖8為兩出入口的自然風風速，在貫通風的作用下大部分煙氣由1號出入口排出，因此圖5中出入口附近的溫度接近環(huán)境溫度。圖9為位置3起火過程中的自然風風速變化情況，與前兩個起火點不同，該位置起火時火源直接受到自然風的影響。圖10為位置3起火時的煙氣運動情況，由2號出入口進入站廳的自然風導(dǎo)致火羽流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加了該區(qū)域煙氣運動的慣性力，一部分煙氣直接從1號出入口排出，導(dǎo)致火源區(qū)域和煙氣擴散過程中的溫度均低于位置1和位置2，如圖6所示。

圖7 位置1起火時出入口氣流速度Fig.7 Flow velocity in exits during fire at location 1

圖8 位置2起火時出入口氣流速度Fig.8 Flow velocity in exits during fire at location 2

圖9 位置3起火時出入口氣流速度Fig.9 Flow velocity in exits during fire at location 3

圖10 自然風作用下煙氣的運動情況Fig.10 Smoke diffusion with natural ventilation

2.2 煙氣分層及摻混作用

煙氣在水平擴散過程中不斷卷吸下部空氣，形成密度不同的煙氣分層，在火災(zāi)環(huán)境中保持煙氣分層的穩(wěn)定性對于人員疏散至關(guān)重要。圖11為火源位置1發(fā)生0.5 MW規(guī)?；馂?zāi)時柵欄式吊頂區(qū)域煙氣豎直分布情況，由于在靠近頂棚位置處通過對流換熱損失了部分能量，豎直方向煙氣最高溫度位于4.7 m高度，該區(qū)域煙氣分層作用較為明顯，在4.2 m以上高度為熱煙氣層，溫度為44～51℃；在3.2～4.2 m高度范圍內(nèi)為煙氣層與下部空氣層的過渡區(qū)域，豎直方向的溫度梯度最高；在3.2 m以下高度為空氣層，其小幅度的溫升一方面是受到上部熱煙氣層的輻射熱，另一方面為沉降至下部區(qū)域的少量低溫煙氣所致。

圖11 位置1起火時柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度Fig.11 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 1

柵欄式吊頂上方的煙氣向站廳東西方向縱向擴散的同時，也在站廳南北兩側(cè)的封閉式吊頂上方至建筑頂板之間的空間內(nèi)填充，因此運動至封閉式吊頂下方的煙氣經(jīng)過水平擴散、填充及沉降，已有較多的空氣與其摻混。圖12為位置1起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，起火約1.5 min后煙氣沉降至站廳北側(cè)封閉式吊頂下方，該區(qū)域豎直方向的煙氣分層作用不明顯，從地面位置至吊頂高度的溫升均在1.5℃左右。圖13為南側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，由于自然風風向為由2號出入口至1號出入口，火災(zāi)初期站廳南側(cè)自然風風壓較大，由封閉式吊頂上方沉降的煙氣均向北部擴散，隨著火勢的增加，起火約5 min后煙氣沉降至南側(cè)封閉式吊頂下方，與站廳北側(cè)類似，該區(qū)域豎直方向煙氣分層作用不明顯。圖14為位置1起火時站廳南側(cè)煙氣沉降的現(xiàn)場情景，說明擴散至封閉式吊頂下方的煙氣已摻混大量的空氣并降至地面高度，該區(qū)域低溫煙氣所導(dǎo)致的下部空間能見度降低將不利于人員安全疏散。

圖12 位置1起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.12 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 1

圖13 位置1起火時南側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.13 Smoke temperature of southern closed-type area during fire at location 1

圖14 位置1起火時站廳南側(cè)閘機附近煙氣摻混情況Fig.14 Smoke mixture near southern ticket gate during fire at location 1

位置2起火時，煙氣首先在封閉式吊頂下方擴散，此時煙氣溫度較高且分層明顯，圖15為北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，在2.9 m高度處溫度最高，其次為2.6 m高度，在2.3 m高度以下區(qū)域的溫度較低。圖16為起火區(qū)域煙氣分層擴散的現(xiàn)場情況，可見煙氣層與空氣層的邊界明顯，且高度在2.3 m以上。隨著煙氣運動至柵欄式吊頂區(qū)域，在浮力作用下開始在結(jié)構(gòu)頂板下方填充。圖17為中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度，該區(qū)域煙氣分層現(xiàn)象明顯，在3.7 m高度以上高度為熱煙氣層，溫度為31～33℃，在2.7～3.7 m高度范圍為煙氣層與下部空氣層的過渡區(qū)域，豎直方向的溫度梯度最高，在2.7 m以下高度為空氣層，受煙氣層熱輻射和少量煙氣沉降的影響，下層出現(xiàn)小幅度溫升且溫度集中在26～27.5℃。

圖15 位置2起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.15 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 2

圖16 位置2起火時站廳北部煙氣分層擴散情況Fig.16 Smoke stratification in northern of station hall during fire at location 2

圖17 位置2起火時中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度Fig.17 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 2

由于受到兩出入口自然風的影響，位置3起火時火源區(qū)域的煙氣在卷吸大量新鮮空氣的同時，一部分煙氣在慣性力的作用下從1號出入口運動至站外，另一部分在浮力作用下向站內(nèi)擴散。圖18為北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度，該區(qū)域位于火源下風向，摻混大量空氣的煙氣運動至該區(qū)域時，與位置2起火相比，最高溫度由68℃降低至44℃，且在豎直方向煙氣分層不明顯，溫度梯度較為均勻，地面高度位置也出現(xiàn)了明顯的溫度升高。

圖18 位置3起火時北側(cè)封閉式吊頂下方煙氣溫度Fig.18 Smoke temperature of northern closed-type area during fire at location 3

與豎直溫度分布情況相一致，圖19為位置3起火時北側(cè)封閉式吊頂區(qū)域煙氣沉降情況，可見煙氣已沉降至地面高度，現(xiàn)場能見度較低。柵欄式吊頂區(qū)域位于位置3火源的上風向。圖20為中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度，起火后約110 s后煙氣從封閉式吊頂蔓延至結(jié)構(gòu)頂板下方，該區(qū)域煙氣分層明顯，在3.7 m高度以上高度為熱煙氣層，溫度為31～33℃，在2.7～3.7 m高度范圍為煙氣層與下部空氣層的過渡區(qū)域，豎直方向的溫度梯度最高，在2.7 m以下高度為空氣層，受自然風壓的影響，封閉式吊頂區(qū)域上部溫度較高的煙氣擴散至上風向柵欄式吊頂區(qū)域，下部摻混大量空氣的低溫煙氣不足以克服自然風壓向上風向擴散。圖21為柵欄式吊頂區(qū)域煙氣擴散情況，可見該區(qū)域下部無煙氣沉降。

圖19 位置3起火時站廳北部煙氣沉降情況Fig.19 Smoke descendant in northern of station hall during fire at location 3

圖20 位置3起火時中部柵欄式吊頂區(qū)域煙氣溫度Fig.20 Smoke temperature of fence-type area during fire at location 3

圖21 位置3起火時柵欄式吊頂區(qū)域煙氣擴散情況Fig.21 Smoke spread in fence-type area during fire at location 3

2.3 危險高度煙氣溫度

在建筑火災(zāi)中，《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》[14]規(guī)定防排煙設(shè)計計算中的最小清晰高度應(yīng)按照Hq=1.6+0.1H進行計算，其中Hq為最小清晰高度，也稱為危險高度(m)，H為排煙空間的建筑凈高度(m)，建筑空間內(nèi)的火災(zāi)排煙系統(tǒng)應(yīng)將煙氣控制在危險高度以上，才能確保不影響人員安全疏散，本文中柵欄式吊頂區(qū)域和封閉式吊頂區(qū)域的危險高度計算值分別為2.2 m和1.9 m。

圖22為站廳各區(qū)域危險高度的最高溫度，位置1起火時，在0.5 MW和0.75 MW規(guī)模的火災(zāi)情況下，柵欄式吊頂區(qū)域危險高度出現(xiàn)明顯的溫升，說明煙氣沉降至危險高度以下位置，煙氣最高溫度分別為30℃和31℃，在封閉式吊頂區(qū)域，北側(cè)溫升程度明顯高于南側(cè)，結(jié)合2.2中煙氣摻混及沉降情況的分析，進一步說明站廳北側(cè)煙氣蓄積和沉降程度比南側(cè)嚴重。位置2起火時，在0.25 MW和0.5 MW的火災(zāi)規(guī)模下，火源區(qū)域北側(cè)封閉式吊頂下方沉降至危險高度的煙氣最高溫度為41℃和30℃，在柵欄式吊頂和站廳南側(cè)封閉式吊頂區(qū)域煙氣均未沉降至危險高度處。位置3發(fā)生火災(zāi)時，受站廳南側(cè)新鮮氣流與煙氣摻混的影響，未排出車站的煙氣主要蓄積在站廳北側(cè)并且沉降至危險高度下方，最高溫度分別為38℃和33℃，說明位置2和位置3起火時站廳北側(cè)樓扶梯入口和閘機區(qū)域均不利于人員疏散。

圖22 站廳各區(qū)域危險高度的最高溫度Fig.22 Maximum temperature in station hall at dangerous height

3 結(jié)論

1)站廳南北兩側(cè)對稱式出入口形成的貫通風雖然能夠較好地控制出入口區(qū)域的火災(zāi)危險性，但由于難以對整個站廳空間形成充足的通風換氣次數(shù)，造成站廳中部和東部區(qū)域煙氣蓄積嚴重，能見度降至較低水平，不利于人員疏散和應(yīng)急救援。

2)受裝修吊頂形式和通風條件的影響，站廳不同位置火災(zāi)的危險性有所差異。中部柵欄式吊頂區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，兩側(cè)封閉式吊頂區(qū)域的煙氣沉降較為嚴重；站廳通往站臺的樓扶梯入口發(fā)生火災(zāi)時，站內(nèi)各區(qū)域能夠形成穩(wěn)定的煙氣層，人眼高度處的能見度較高；出入口附近發(fā)生火災(zāi)時，在自然風風壓較大的條件下，火源下風向區(qū)域煙氣能夠沉降至地面，人眼高度能見度較低，火災(zāi)危險性較大，火源上風向區(qū)域煙氣分層穩(wěn)定，下部空間煙氣沉降較少，在0.25～0.75 MW的火災(zāi)規(guī)模下，不同位置起火時沉降至各區(qū)域危險高度處的煙氣最高溫度為30～41℃。

3)針對此類結(jié)構(gòu)車站站廳的防排煙設(shè)計，應(yīng)綜合考慮出入口空間布局和吊頂形式對火災(zāi)危險性的影響，利用自然風壓形成一定通風換氣量的同時應(yīng)將摻混空氣的低溫煙氣控制在較小區(qū)域內(nèi)，確保人員疏散路徑的能見度和煙氣濃度處于安全水平。

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