徐偉 趙喜祥

摘 要：? 利用BIM技術(shù)建立三維物理模型，模擬在2.5MW火源功率下的地鐵站臺中部火災(zāi)，探討三種通風(fēng)模式下，屏蔽門開啟方式對煙氣在站臺層的蔓延、有毒氣體濃度、站臺溫度的影響.研究結(jié)果表明：在自然通風(fēng)模式下，選擇屏蔽門關(guān)閉最優(yōu);站臺主風(fēng)機開啟模式，選擇屏蔽門全部關(guān)閉或全部打開可以較好地控制站臺煙氣擴散;在輔助風(fēng)機模式下，選擇屏蔽門單側(cè)開啟既可以滿足降低站臺溫度的要求，也可滿足CO體積分數(shù)和能見度的分布要求.

關(guān)鍵詞： BIM技術(shù);火災(zāi)模擬;地鐵車站;屏蔽門開啟方式

[中圖分類號]TP392?? [文獻標(biāo)志碼]A

Research on Opening Mode of Subway Fire Screening Door Based on BIM

XU Wei， ZHAO Xi-xiang

（School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

Abstract： In this paper， a three-dimensional physical model is built using BIM technology to simulate the fire in the middle of a platform under a 2.5 MW fire source power. With the three ventilation modes， the method of opening the screen door to the flue gas at the platform layer， the concentration of toxic gases， The effect of station temperature. The results show that in the natural ventilation mode， the selection of the shielding door is optimal， the main fan of the platform is turned on， and the selection of the shielding door is completely closed or fully opened to better control the smoke diffusion at the platform. Selecting the single-side opening of the shielding door in the auxiliary fan mode can meet the requirements for reducing the platform temperature while satisfying the distribution requirements of CO volume fraction and visibility.

Key words： BIM technology; fire simulation; subway station; screen door opening method

隨著國家城市化進程的加快，城市軌道交通以其環(huán)保、便捷等優(yōu)勢迅速獲得人們的青睞，發(fā)展勢頭十分迅猛.目前國內(nèi)已有43座城市獲批建設(shè)軌道交通，投資額高達萬億，每年投資額超過3 500億元.城市軌道交通由于其特殊的運行環(huán)境和特點，火災(zāi)事故后果可怕.如1987年倫敦國王十字地鐵車站大火，2003年韓國大邱地鐵火災(zāi)，無不造成慘重傷亡.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對地鐵火災(zāi)的研究主要集中在以下方面：地鐵站火災(zāi)發(fā)生時控制通風(fēng)排煙模式、增加擋煙垂幕的高度以及地鐵樓扶梯的結(jié)構(gòu)傾斜角度等因素對車站內(nèi)煙氣流動情況的影響.美國學(xué)者Teodosiu C L， Ilie V， Dumitru R G，對緊急情況下的列車火災(zāi)通風(fēng)效率進行了研究，利用流體動力學(xué)方法（CFD）建模，隧道風(fēng)機系統(tǒng)、機械通風(fēng)站和末端站風(fēng)機系統(tǒng)一使用，處理火災(zāi)產(chǎn)生的熱量、CO和CO 2，得出靠近站臺附近的疏散過程不受高處空氣速度、高溫、CO或CO 2體積分數(shù)的干擾.[1] 韓國學(xué)者Yoo， Ji-Oh;Kim， Doo-Young對平臺起火情況下，地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的CO氣體和煙氣流進行了三維數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在緊急情況下，當(dāng)所有排煙系統(tǒng)都啟動并且只打開起火側(cè)屏蔽門時，檢測到煙氣流量傳播范圍減小.當(dāng)所有排煙系統(tǒng)都啟動并且關(guān)閉起火側(cè)屏閉門時，沒有煙氣再循環(huán)，是疏散環(huán)境中最有效的通風(fēng)模式.[2]

國內(nèi)學(xué)者丁偉、史聰靈、鐘茂華等人運用FDS軟件對地鐵站臺進行數(shù)值仿真計算，分析不同端門開閉模式下，火災(zāi)煙氣的溫度、擴散區(qū)域、沉降高度、在樓扶梯開口處的流速及可用安全疏散時間等特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)端門開啟模式下，在站臺兩端區(qū)域及樓扶梯開口處火災(zāi)煙氣均沉降至危險高度，不利于人員安全疏散;端門開啟模式使煙氣加速向站臺兩端縱向流動，但不能及時排出，導(dǎo)致煙氣在站臺兩端區(qū)域加速混合與沉降.[3]周洋、林準(zhǔn)等人通過數(shù)值模擬模型對細水霧幕和排煙系統(tǒng)作用下樓扶梯開口處的擋煙效果進行了模擬研究，提出當(dāng)僅設(shè)置擋煙垂壁時，擋煙垂壁有一定的蓄煙作用，但仍有大量煙氣通過樓扶梯開口從站臺層蔓延至站廳層;設(shè)置細水霧幕可在一定程度上阻止煙氣通過樓扶梯開口從站臺層蔓延至站廳層，有效降低煙氣溫度.[4]于濱對國內(nèi)目前消防安全問題現(xiàn)狀分析后，提出了對高層建筑火災(zāi)獨特見解.[5]周鳳、楊輝等人提出了一套基于嵌入式平臺、結(jié)合了數(shù)字圖像處理技術(shù)自動監(jiān)測火災(zāi)的實時報警系統(tǒng).[6]

筆者利用Revit建立物理模型，通過PYROSIM將其轉(zhuǎn)化為地鐵火災(zāi)模型，研究地鐵站臺發(fā)生火災(zāi)時，在不同通風(fēng)模式下，屏蔽門開啟方式對火災(zāi)煙氣的擴散規(guī)律、氣流組織以及站臺溫度場的影響.

1 地鐵車站數(shù)值模擬

1.1 物理模型的建立

研究選取黑龍江省哈爾濱市學(xué)府路站為實例模型.該站位于哈爾濱市道里區(qū)學(xué)府路和西大直街交叉口，為地下二層11 m島式站臺.車站總長180 m，標(biāo)準(zhǔn)段20.1 m，車站共設(shè)4個出入口，兩組風(fēng)亭.通過CAD圖紙建立BIM三維物理模型，再合理簡化模型，最后以DXF格式導(dǎo)出，實現(xiàn)與

Pyrosim的數(shù)據(jù)對接，進而完成火災(zāi)模型的建立.車站的物理模型和火災(zāi)模型如圖1所示.

1.2 火災(zāi)場景的模擬

研究目的為三種通風(fēng)模式下屏蔽門不同開啟方式的排煙效果，比較不同通風(fēng)模式下，保證人員逆風(fēng)流方向撤離的同時，達到最好的煙氣控制效果.詳見表1.

1.3 邊界條件和參數(shù)設(shè)置

（1）本文遵循最不利保守原則，選取火源功率為5 MW，火勢按t2快速火發(fā)展.

（2）根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范中的6 min撤離，模擬時間設(shè)為360 s.[7]

（3）火災(zāi)模型的網(wǎng)格劃分為0.5*0.5*0.5，總網(wǎng)格數(shù)為57 120個，在單臺計算機模擬時間約為5 h.

（4）根據(jù)防火規(guī)范中防煙分區(qū)要具有1 m3/min以上的排煙能力，本文防煙分區(qū)的面積為1 418 m2，根據(jù)排煙口的截面尺寸，計算主風(fēng)機排煙速度約為2.9 m/s，輔助風(fēng)機排煙速度為2 m/s.

2 模擬結(jié)果分析

在站臺中心發(fā)生火災(zāi)工況下，選定主風(fēng)機排煙、隧道輔助風(fēng)機一推一拉進行排煙、自然排煙三種模式，分析火源位置附近溫度場、扶梯口速度場、能見度及CO體積分數(shù)變化等特征參數(shù)，研究屏蔽門不同的開啟方式對排煙效果的影響，以延緩煙氣擴散，增加人員逃生時間，得出合適的屏蔽門開啟方式.

2.1 站臺溫度場分析

在火源位置±20 m、高1.8 m處設(shè)置多處熱電偶，監(jiān)測火災(zāi)發(fā)生時站臺溫度場的變化，結(jié)果見圖2.

自然排煙模式下，屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)時，站臺溫度在火災(zāi)初期上升迅速，在150 s時達到約53 ℃.開啟單側(cè)屏蔽門后，火災(zāi)初期站臺溫度的上升有所下降，但到達火災(zāi)穩(wěn)定階段溫度一直維持在55 ℃左右，如圖2（a）所示.結(jié)果表明，在自然排風(fēng)模式下，開啟單側(cè)屏蔽門對站臺溫度的降低效果并不明顯.屏蔽門全部開啟時，由于站臺兩側(cè)活塞風(fēng)產(chǎn)生對流風(fēng)速加快，站臺溫度在火災(zāi)初期上升至35 ℃后，不再繼續(xù)上升，排熱效果較好.屏蔽門單側(cè)開啟溫度較全部開啟升高27%，較屏蔽門全部關(guān)閉溫度升高4%.

開啟主風(fēng)機排煙模式下，三種屏蔽門開啟方式對站臺溫度影響變化不大，單側(cè)屏蔽門開啟站臺溫度上升最快，最終維持45 ℃左右不再上升.屏蔽門全部開啟和全部關(guān)閉情況下，站臺溫度上升至35 ℃后不再上升.如圖2（b）所示.屏蔽門單側(cè)開啟較屏蔽門全部開啟站臺溫度升高9%，較屏蔽門全部關(guān)閉溫度升高4%.在開啟主風(fēng)機排煙基礎(chǔ)上，增加隧道輔助風(fēng)機，采用一推一拉模式進行排煙，三種屏蔽門開啟方式對站臺火災(zāi)影響趨勢基本一致，最終站臺溫度維持在30～40℃.如圖2（c）所示.單側(cè)屏蔽門開啟較兩側(cè)均開啟溫度升高9%，較屏蔽門全部關(guān)閉溫度降低11%.

由此可知，在自然排煙模式下，開啟兩側(cè)屏蔽門排熱效果最好;在主風(fēng)機模式下，不應(yīng)選擇打開單側(cè)屏蔽門的方案;在輔助風(fēng)機也開啟模式下，三種選擇排熱效果都滿足要求.具體選擇哪種方案，要兼顧其他參數(shù).

2.2 站臺能見度分析

在距離火源位置±2 m，±4 m，直到±20 m，高1.8 m處分別設(shè)置能見度監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測當(dāng)站臺發(fā)生火災(zāi)時站臺的能見度，變化見圖3.

當(dāng)采用自然排煙模式時，屏蔽門全部開啟和單側(cè)開啟時的能見度分別為100 s和225 s;降低到10 m以下，屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)275 s時，才降低到10 m以下.見圖3（a），原因是屏蔽門的開啟增加了站臺區(qū)域流場的速度，對熱量和煙氣產(chǎn)生了更快的稀釋作用，加快了煙氣的蔓延速度.在主風(fēng)機排煙模式和采取輔助風(fēng)機一推一拉模式下，屏蔽門單側(cè)開啟能見度集中在20～30 m，效果最好.屏蔽門全部開啟時站臺能見度集中在10～25 m.見圖3（b）和圖3（c）.屏蔽門關(guān)閉時，站臺能見度在50 s左右已經(jīng)下降到10 m以下.故在輔助風(fēng)機排煙模式下，選擇屏蔽門單側(cè)開啟排煙效果最好.

2.3 CO體積分數(shù)分析

在站臺高1.8 m處設(shè)置CO體積分數(shù)監(jiān)測點，輔助風(fēng)機一推一拉模式在屏蔽門全部開啟情況下，360 s時，CO站臺左側(cè)體積分數(shù)大于右側(cè)，一號扶梯處CO體積分數(shù)已經(jīng)超過人體極限，二號扶梯則可供安全逃生.在屏蔽門關(guān)閉狀態(tài)，CO體積分數(shù)在站臺左側(cè)較大，一號扶梯也已經(jīng)無法逃生，中心火源地帶CO體積分數(shù)已經(jīng)高達687 mg/m2. 在屏蔽門單側(cè)開啟時，站臺的CO體積分數(shù)整體低于前兩種模式，但一號扶梯處CO體積分數(shù)超過人體承受極限，只能從二號樓梯處逃生.

3 結(jié)論

本文研究了地鐵站臺火災(zāi)情況下，不同通風(fēng)模式屏蔽門的開啟方式對站臺溫度場、能見度和有毒氣體體積分數(shù)分布的影響，得出以下兩點結(jié)論：

結(jié)論1 ??在自然通風(fēng)模式下，選擇屏蔽門關(guān)閉為最優(yōu);站臺主風(fēng)機開啟模式，選擇屏蔽門全部關(guān)閉或全部打開，均可以較好地控制站臺煙氣擴散.在輔助風(fēng)機模式下，選擇屏蔽門單側(cè)開啟，既可以滿足降低站臺溫度的要求，也可以滿足CO體積分數(shù)和能見度分布要求，為最合適的選擇.

結(jié)論2 ?在輔助風(fēng)機和站臺主風(fēng)機共同工作狀態(tài)，屏蔽門單側(cè)開啟較屏蔽門全部關(guān)閉狀態(tài)站臺溫度下降11%，能見度提高85%，較屏蔽門全部開啟溫度上升9%，能見度提高1.5%.

參考文獻

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