（环境科学专业论文）地铁隧道火灾的人员安全疏散设计研究.pdf

人连交通人学t 学硕十学位论文 i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ei nb i gc i t i e sh a sb e e nu s e dt ob o a r dt h es u b w a y a n dt h ef i r e d i s a s t e r si sah i d d e nd a n g e r o u si nt h es u b w a y ，w h i c hi sm o r es e r i o u st h a ni th a p p e n e do nt h e r a i l r o a dp l a t f o r m t h em a i nc a u s a t i o ni st h ei m p e r f e c ta n du n r e a s o n a b l es a f e e v a c u a t i o n f a c i l i t i e sf o rp a s s e n g e r si nt h es u b w a yt u n n e l t h es u b w a ym a ys u d d e n l ys t o pr u n n i n gw h e n t h ef i r eh a p p e n e d a sar e f e r e n c ed o c u m e n tt ot h es u b w a ye n g i n e e r sa n dt h ep u b l i s hg r o u po f t h e s u b w a yd e s i g nc o d e t h ea r t i c l e sm a i na r g u m e n t a t i o ni so nt h ep o i n to fe v a c u a t i n g p a s s e n g e r ss a f e l yw h e nt h ef i r ea c c i d e n t so c c u r r e d t od e s i g na ne f f i c i e n ta n ds a f ee v a c u a t i n g i n s t a l l a t i o n s g r e a td a m a g e sw i l lb ec a u s e dw h e nt h ef i r eh a p p e n e di nt h es u b w a y ，i ft h ev a l i d i t y m e a s u r e m e n t sa r en o ta d o p t e di nt i m e ，t h o u g ht h ef i r ed i s a s t e ri sn o ti nt h er a n g eo fh e a v y a c c i d e n t s h o w e v e r ，t h ee v a c u a t i n gf a c i l i t i e sa r en o tp a i dm o r ea t t e n t i o nf r o mt h ep o i m so f s t a n d a r da n ds p e c i f i cd e s i g n s i nt h i sp a p e r ，a sa ne x a m p l eo ft i a n j i ns u b w a y ，i na c c o r d a n c e 谢mr e l e v a n td a t aa n dc i r c u m s t a n c e so ft h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e l t h r o u g h t h r e e d i m e n s i o n a lf i e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r ef d so nt h es u b w a yt u n n e lf i r et e m p e r a t u r e ，c o c o n c e n t r a t i o na n dv i s i b i l i t yt os i m u l a t ec h a n g e si nt h eu s eo fs t a f ft i m en e c e s s a r yf o rt h es a f e e v a c u a t i o n ( r e q u i r e ds a f e t ye g r e s st i m e ，t r s e t ) a n dt h ef i r es a f e t ye v a c u a t i o nt i m ea v a i l a b l e ( a v a i l a b l es a f e t ye g r e s st i m e ，t a s e t ) t h er e l a t i o n s h i p t h ed e s i g no fs u b w a yt u n n e lc r o s s i n g t h ew i d t ho fc o n t a c to rt h r o u g ht h es m o k eo u t d o o rs t a i r c a s e w i d t h i ti sg e t t i n gac o n c l u s i o n ： 6 - g r o u ps u b w a yf o re x a m p l e ，i fd e s i g n i n gs e r v i c ec h a n n e l so n l y ，t h ed i s t a n c e sb e t w e e n s e r v i c ec h a n n e l ss h o u l db e6 0 0 m mm i n i m u ma n dt h ew i d t hs h o u l db e9 9 mm a x i m u m ；i ft h a t d i s t a n c e ss h o u l db e3 0 0 r a mm i n i m u ma n dt h ew i d t hs h o u l db e5 5 mm a x i m u m ；i f e s t a b l i s h i n gs m o c k p r e v e n t i n gr o o m sw h i c hg e tt h r o u g h o u t e rs p a c e ，t h es p a c ei sb e t t e rt ob e 3 0 0 mm a x i m u m ，a n de v e r y3 0 0 me v e nb e t w e e nt w os m o k i n g - p r e v e n t i o nr o o m s ，t h en e tw i d t h b e t w e e nt h es e r v i c ec h a n n e la n dt h es m o k i n g p r e v e n t i o nr o o ms h o u l db e2 4 mm i n i m u m t h e s t u d yc a l ls u p p l ys o m et e c h n o l o g yr e f e r e n c e sm o r eo rl e s sf o rt h es u b w a yd e s i g n i n ga n d a d m i n i s t r a t i o nd e p a r t m e n t s k e y w o r d s ：s u b w a yt u n n e l ：f i r ed i s a s t e r ；s a f e t ye v a c u a t i o n ；s e r v i c ec h a n n e l ； s m o k i n g - p r e v e n t i o ns t a i rr o o m s i l 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得一太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 糊黼鲐砷 日期：2 州穷年f 2 月9 o 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：m 日期： 刁年a 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 日期：年月 日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百t 匕 1 1 引言 伴随着世界范围内城市化的发展进程，世界各国的城市区域逐渐扩大，城市人口也 逐渐增加。东京、纽约、巴黎等国际城市人口已经突破1 0 0 0 万人，形成了强大的通道 式客流需求。地铁被誉为城市交通运输工具中的“绿色交通”，与城市中的其他交通工 具相比具有很多优点，如运输量大、污染少、速度快、准时、低能耗、乘坐舒适等。然 而由于地铁的特殊性，地铁火灾更容易造成大量人员伤亡和巨大的经济损失，地铁火灾 按发生的位置不同，可分为站台火灾和隧道火灾。隧道火灾的后果往往比站台火灾更严 重，如在1 9 9 5 年l o 月2 8 日阿塞拜疆首都巴库，地铁由于列车发动机电气老化短路， 在隧道内发生火灾并停下来，最终造成5 5 8 人死亡，2 6 9 人受伤【l 】。地铁列车在隧道内 发生火灾时，浓烟伴随大量的有毒气体，加上人员密度高、疏散的距离较长，安全疏散 难度很大，所以地铁隧道火灾的人员安全疏散是一个十分重要的研究课题。 1 2 地铁火灾的特点 地铁是通过修建地下隧道，隧道内铺设轨道，在轨道上运行电动列车来实现运送乘 客的。地上建筑有门、窗、墙与大气相连，室内外光热交换容易。而地铁隧道的周围是 坚固的岩石、土壤和水泥。内部空间狭长，除通过人工途径外，基本没有对外的光、热、 气的交换。因为地下空间与外部联系孔洞少，面积小，气热交换难，散热慢，能见度低， 地铁火灾一旦发生，就会造成严重的后果【2 】。与其他类型建筑火灾相比地铁火灾有它独 特之处： ( 1 ) 烟气生成量大，排烟困难 地铁发生火灾时，由于隧道内部和外界空气交换的联系孔洞很少，通风不足，大量 的烟雾只能通过一两个洞口向外排放。地铁火灾刚发生时，与地面建筑无多大差别，温 度升得较慢( 尤其是固体可燃物火灾) ，阴燃时间较长，发烟量大。地下洞口的吸风效应 使之向外扩散的烟雾部分又被洞口卷吸回来，容易令人窒息。 ( 2 ) 地铁里面客流量大，一旦发生火灾，极易造成群死群伤 地铁在城市交通中发挥着交通枢纽的作用，每天运送大量的乘客，以天津地铁为例， 高峰小时单向最大断面流量为0 9 9 万人次。地下建筑一旦发生火灾，地下的电源通常被 切断或是由于火灾造成电线短路，地铁隧道内又没有自然光源，加上烟气量大，疏散距 离长，如果地下工程内没有安装事故照明设备和紧急疏散标志灯，大大增加了人员疏散 的难度，易造成群死群伤。 大连交通人学i j 学硕十学位论文 ( 3 ) 探测火情和灭火都极其困难 地铁隧道火灾发生后，通常只看见浓烟冒出或者只发现地铁停运，但是很难确切的 知道火灾究竟发生在隧道内的哪一个部位。自动报警及自动喷淋设施，可以在火灾事故 前期自动灭火，但是因为地铁隧道内条件的限制，目前的地铁隧道大多没有采取这些措 施；大多数地铁只把站台作为进入地铁的入口，没有设置其他的紧急疏散通道，所以消 防人员和工作人员进入火场的洞口，同时也是烟气和有毒有害气体排放的出口，高温、 浓烟、毒气使得消防人员无法在火灾初期快速接近火场；通讯指挥困难。在地上建筑火 灾期间，有线无线通讯器材、高音扩音器、一切通讯手段都可使用。但是地下火场灾情 只能靠人传递信息，速度慢、差错多。因为指挥员无法直观火场，需要详细询问、研究 工程图，分析可能发生火灾的部位，可能出现的危险情况，方能做出灭火方案，致使灭 火时间长，难度大：缺少地下工程报警消防专门器材。目前国内自动报警及联动控制系 统大部分采用“报警 自动化，在火灾被确认后，操作人员手工操作使联动系统投入运 营，采用这种运营方式的原因是火灾探测器的品质尚不能百分之百的准确预报火灾，误 报率较高，而且在设备的使用上也存在有安全隐患，在火灾发生时也不能保证所有设备 都能正常投入工作。国外虽然已生产出智能化探测器，可以避免误报，但系统价格太高， 国内工程一般很少采用【3 j 。 1 3 国内外地铁火灾研究现状 地铁站台火灾和地铁隧道火灾虽然发生地点和原因各有不同，但是造成的危害都比 较巨大，而且发生火灾以后的人员疏散问题都需要深入探讨。 1 3 1 国外研究现状 国外对地铁火灾研究开展的时间较长，成果也较为突出，目前研究方向主要有列车 燃烧性能、地铁隧道火灾、地铁站台火灾情况和人员疏散等几方面。形成了一些相对比 较成熟的模型和理论。 对于地铁隧道火灾具体情况的研究方法主要有实体试验、模型模拟试验和计算机模 拟研究等几种方法。实体试验目前条件下比较难以实现，只有选择在废弃的隧道利用废 弃的地铁才能够实现，历史上仅有1 9 6 5 年瑞士的o f e n e g g 隧道火灾实验和1 9 7 4 年奥地 利z w e r b e r g 火灾实验1 4 j 。七十年代中期，计算机开始应用于铁路隧道火灾的模拟研究。 随着计算机硬件和软件技术的不断发展，特别是计算机内存和硬盘容量的不断增大，计 算速度也飞速提高，目前己有大量较成熟的计算机模拟软件应用在地铁火灾的研究上， 且取得了大量的阶段性成果。八十年代，计算流体力学模拟软件c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 开始大量的投入研究，对在各种通风方案下的隧道火灾进行了二维数值模拟 2 第一章绪论 研刭5 】；对隧道内车辆火灾进行了三维模拟研究，针对辐射热传导和壁面粗糙度对火灾 的影响也进行了研究。到了九十年代，较有代表性的模拟理论“火灾区域模拟”也发 展起来，如c f a s t ( c o n s o l i d a t e dm o d e lo ff i r e g r o w t ha n ds m o k et r a n s p o r t ) 和 c c f m v e n t s ( c o n s o l i d a t i o nc o m p a r t m e n tf i r em o d e l ) 模拟理论。而近年来逐步走向成熟 的场模拟模型也逐渐应用到地铁火灾研究中来，如j a s m i n e 、f d s ( f i r ed y n a m i c s s i m u l a t o r ) 、s m a r t f i r e 等模型1 6 1 。英国的建筑研究小组对隧道火灾中烟气及有毒气体 的运动进行了模拟研究，他们所采用的主要是经验模拟、区域模拟、场模拟、网络模拟等 模型。此外，也有人应有f l u e n t 模型对该实验进行模拟研究。 对于地铁火灾中的人员疏散，国际上正在进行的研究主要包括以下几种思路和方向 【7 】： ( 1 ) 基于地铁火灾中烟气运动规律的人员疏散研究。 ( 2 ) 有效的报警系统和疏散设施的研究。 ( 3 ) 基于信息技术的安全性研究，特别是其在疏散引导方面的作用。 ( 4 ) 基于建筑性能化设计和疏散方案的研究。 1 3 2 国内研究现状 我国在地铁火灾研究方面起步较晚，性能化防火也开展的比较晚，目前国内许多专 家学者针对我国目前的地铁工程做了大量的科研工作，取得了一定的成果。 西南交通大学在s e s 软件的基础上开发了一系列地铁环控的软件，可模拟地铁系统 发生火灾时热烟气流动状态和污染物浓度，为紧急情况下选择最佳通风方案提供参考依 据；冯炼等利用软件对筹建中的深圳地铁火灾情况以及通风方案进行了数值模拟1 7 j ；清 华大学朱颖心教授等开发了隧道网络烟气模拟程序t n f i r e ( t u r m e ln e t w o r kf i r e ) ，在 此基础上研制了一套地铁热环境模拟分析软件s t e s s 对深圳地铁进行了数值模拟；哈 尔滨工程大学与香港理工大学的学者们利用c f d 模拟了隧道火灾的烟气特性，并比较 了大涡模拟( l e s ) 与二方程紊流模型的计算结剽8 】；中国科技大学开发出了s a f e g o 人 员疏散软件并将之运用于地铁人员疏散模拟计算之中【9 j 。 1 4 性能化防火方法的国外研究现状 国外对性能化防火的研究始于2 0 世纪7 0 年代，且取得了一定的进展，总体来说， 国外性能化防火的的研究比较超前，很多国家提出了以火灾工程学的思想为指导来发展 性能化防火的设计，但是不同国家采用的方法和方式仍存在一定的差距。下面比较说明 各个国家的性能化防火设计情况【4 】： ( 1 ) 日本性能化防火开展的最早 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 日本是最早研究性能化防火设计方法的国家之一。7 0 年代未，日本政府认识到“处 方式”防火的的不足，虽然他们自2 0 世纪5 0 年代起，就开始采用高度指令性的建筑规 范体系，但是，日本还是通过制定性能化防火的研究规划来发展性能化防火。该计划的 目标是发展一个建筑火灾安全方面的国家级评价方法。该方法以日本建筑基准法第3 8 条的等效条款为基础，通过建设省的特殊审批体系而广泛应用于建筑防火设计中。这一 项目的研究成果形成了一套内容广泛、全面的文件汇编。它包括5 个子系统：综合防火 安全、预防火灾的发展和蔓延、烟气的控制、人员疏散和结构的耐火设计。每个子系统 包括基本要求、工程评估的技术标准、相关火灾现象的计算方法和测试方法4 个部分， 而且均提供了用于计算评估、防火安全的判据。这些判据基本是由一些具有工程概念的 参数组成，如温度、气体组分和烟气浓度等。 1 9 9 8 年，日本吸取了国外关于性能化设计研究的新进展，对建筑防火设计的规范体 系作了进一步的改进。新体系更重视以下几个方面：烟气控制和人员安全疏散；火灾发 生与发展的预防；建筑结构的耐火；火灾向其他建筑蔓延的预防。这些方面相互之间关 系密切。 ( 2 ) 美国建立了完善的性能化防火体系 美国是开展性能化防火设计研究最早的国家之一，2 0 世纪七十年代初，美国通用事 务管理局( g e n e r a ls e r v i c e sa d m i n i s t r a t i o n ，g s a ) 召开两次高层建筑防火安全国际会议， 提出在建筑火灾分析中需要采用系统方法。后来经过系统改进，形成了g s a 的建筑 火灾安全判据的附录d “以目的为基准的建筑防火系统方法指南”。 此后美国在这方面又进行了一系列的研究，美国国家防火协会( n a t i o n a lf i r e p r o t e c t i o na s s o c i a t i o n ，n f p a ) 研究形成了n f p a5 5 0 标准防火系统概念树指南，这 个指南是一个重大成果，它成为分析建筑物火灾安全的重要工具之一。由g s a 建筑火 灾安全判据附录d 产生的另一成果是n f p a1 0 1 a 保证人员安全的替代性方法指南， 其中建立的防火安全评估系统己明显体现了将火灾性能作为基础的思想。 2 0 世纪8 0 年代，由美国火灾研究基金会的组织发起，开展了一个国家级的火灾风 险评估项目。由美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ，n i s t ) 、美国国家防火协会( n f p a ) 组织了多个机构参加，结果形成了 f r a m w o r k s 模型。该模型在特定火灾场景下，将评估特定产品的量化方法与给定火 灾场景下相关的火灾死亡人数的统计方法相结合，这样新的或替代产品的影响也可以按 基准场景进行评估，从而决定有关新产品的改变对风险相对值变化的影响。同时，美国 防火工程师协会( s o c i e t yo f f i r ep r o t e c t i o ne n g i n e e r s ，s f p e ) 于1 9 5 8 年编辑出版了综合性 和实用性均很强的大型工具书s f p e 防火工程手册( h a n db o o ko ff i r ep r o t e c t i o n 4 第一章绪论 e n g i n e e r i n g ) 。人们普遍认为本手册是支持性能化防火安全设计的重要文献。后来又经过 再版、修增，并收录了近年研究成果。1 9 9 1 年在伍赛斯特理工学院( w o r c e s t e rp o l y t e c h n i c i n s t i t u t e ，w p i ) 召开了一次关于2 1 世纪防火安全设计研讨会，这次会议对推动美国的性 能化防火设计研究起了重要作用。此后，c a s t e r 和m e a c h a m 等人开始研究性能化分析与 设计的步骤，将新的设计观念转变为实际的设计过程。1 9 9 7 年，他们合著的以性能化 为基础的火灾安全导论( i n t r o d u c t i o nt op e r f o r m a n c e - - - b a s e df i r es a f e t y ) 出版，这是性能 化方法研究的一个重要阶段成果。2 0 0 0 年，s f p e 在c a s t e r 等人的研究基础上编写了建 筑物性能化防火分析与设计工程指南( 草案) ( t h es f p eg u i d et op e r f o r m a n c e - b a s e df i r e p r o t e c t i o na n a l y s i so f d e s i g nd r a f tf o rc o m m e n t s ) 该书对美国推荐的性能化防火设计步骤 作了更清楚的概括，现在已成为各国开展性能化防火方法研究的重要参考资料。 ( 3 ) 英国是第一个实施由处方式设计规范向性能化设计规范转换的国家。 英9 7 3 年英国通过对建筑法规进行了统一化，形成了国家级的防火设计法案，该法 案基本上还是处方式设计规范，规范中某些细节内容是通过法规的形式来加以确定的， 在采用“放宽规范”合理程序的基础上，可以通过改进“替代方案”来满足规范的要求。 这实际上已经开始体现出性能化设计的初期思想。1 9 8 5 年和1 9 9 1 年，英国又先后两次 对建筑规范进行了修订，明确提出可以将性能化设计方法作为一种可选的防火设计方 法，率先实现了建筑防火设计规范由“处方式”设计规范向性能化设计规范的转变。 1 9 9 4 年一1 9 9 5 年，英国政府的有关部门还组织多位火灾科学方面的学者专家对如 何指导性能化设计进行了研讨：为了稳妥地推行性能化防火设计，必须建立一种为大家 共同认可的性能化设计说明。到1 9 9 7 年，正式发布了英国标准b s d d 2 4 0 ( 建筑火灾安全 工程) ( f i r es a f e t ye n g i n e e r i n gi nb u i l d i n g s ) ( 草案) 。它包括两个部分，第一部分为火灾 安全工程学原理的应用指南，第二部分为对第一部分中所列方程的评注。第一部 分是主体，它将性能化设计过程概括为四个基本步骤，即：定性设计审查、定量分析、 与性能化判据的比较和编制设计报告。 目前的英国建筑设计情况比较人性化，处方式设计按照被批准文件进行。在这一体 系中，仅建筑规范本身是强制性的，对具体的设计方法不作强行规定，可由设计者选择。 ( 4 ) 新西兰的性能化防火规范更加详细 新西兰虽然是个仅有3 5 0 万人口的小国，但是，近年来，在实施性能化防火设计规 范方面取得的进展比较突出。九十年代初，新西兰就开始对建筑监督立法体系进行了彻 底的调整，建立国家级的建筑规范；1 9 9 4 年采用以火灾性能为基础的防火安全设计规范， 这部规范比英国的防火设计规范详尽，而且它允许使用任何创新的防火设计方法，只要 这些方法能够证明实现性能安全要求即可。 火连交通人学丁学硕十学位论文 1 5 性能化防火方法的国内研究现状 我国开展性能化防火设计并制定相应的防火设计规范是必然的趋势，在性能化设计 方法提出的初期，我国的一些火灾和安全科学科研工作者便给予了密切的关注。他们一 方面对火灾过程的计算机模拟化、火灾风险分析及性能化设计方法本身的研究进展及时 地进行了介绍；另一方面也认真研究与探索如何在我国发展性能化设计方法及制订相应 的规范。国际上性能化建筑防火设计方法的发展和研究，已经对我国的建筑设计部门、 消防安全管理部门和火灾科研机构产生了重大影响。 在我国的“九五期间，天津消防科学研究所在分析国外有关程序的基础上，开发 了主要针对大型地下商场人员疏散的模型f e g r e s s ，该模型在考虑人流方面具有一些突 出的特点【5 j 。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室充分发挥了高校的特点，在火 灾科学的基础理论和防治原理方面开展了深入研究，将计算燃烧学的思想应用于火灾过 程的模拟研究，在建筑火灾的计算机模拟方面，率先提出了场、区、网络结合的模拟新 方法，并成功编制出场一区模拟方法相结合的综合模型。过去的十几年间，在我国曾多 次召开关于消防新技术的国际探讨会和报告会，这些会议的重要主题之一就是性能化防 火设计。尤其是近几年，北京、上海、合肥等地也先后举办了有关建筑火灾危险分析和 性能化防火设计的专题研讨会。 1 9 9 6 年，公安部消防局组织了天津、沈阳、四川、上海等四个消防科学研究所联合 多所大学，把“工业事故和特殊建筑火灾预防与控制技术研究”列入国家“九五”科技 攻关项目计划，对于其中的火灾防治部分，围绕地下建筑与大空间建筑火灾特性与控制 技术研究、消防工程新产品新技术的开发及其在实际工程中的综合应用等课题进行联合 攻关，这种合作研究的形式推进了我国性能化防火设计方法的发展。 1 9 9 7 年，国内不少专家对“超归”建筑的消防设计问题开展了大量的讨论，为了适 应这种要求，公安部发布了建筑工程消防监督审核管理规定。其中规定：“对于我 国消防技术标准尚未规定的消防设计内容和新材料、新技术带来的有关消防安全问题， 应当由省一级消防监督机构或公安消防局会同同级建设主管部门组织设计、施工、科研 等部门的专家论证，提出意见，作为消防设计审核的依据。”这为我国采用性能化防火 分析与设计方法创造了条件。 2 0 0 0 年，我国相关部门成立了全国性的“消防安全工程学”工作组。该组的任务主 要是：搜集、整理、分析国外相关资料；研究、提出我国消防安全工程标准的发展规划； 推进相关的火灾基础科学研究，开发建筑物消防安全性能评估方法，建立基础数据库； 研究制定性能化设计方法及相关标准。这种协调机制使我国性能化防火设计方法的研究 6 第一章绪论 又大大前进一步。国家“十五”科技攻关项目亦对大型复杂建筑性能化设计方法的研究 给予强有力的支持。另外，我国加入w t o 后也必将促进我国性能化防火设计方法的发 展，如在北京2 0 0 8 年奥运会场馆的建设中性能化防火就发挥了重要作用。 总之，随着人们愈来愈重视建筑物的防火工作，性能化的防火工作得到很多科研人 员的重视，发展与采用性能化防火设计已成为人们的共识，制定性能化防火设计规范也 成为许多学者和设计人员的研究方向i j j 。 1 6 本课题的研究内容 本文以地铁列车在隧道内发生火灾并停驶时，列车内人员的安全疏散为研究目标。 针对这个目标，需要采取的有效安全疏散设施，本文结合地铁隧道火灾特点，做了以下 工作： ( 1 ) 介绍f d s 软件的组成与功能，对地铁隧道内火灾数值模拟的方法进行了研究。 ( 2 ) 计算隧道联络通道的宽度，对以后的地铁设计提供建议。 ( 3 ) 建议设置直通室外的防烟楼梯间，确保人员安全逃生。 本文基于性能化防火的设计方法，对地铁上下行隧道的联络通道与防烟楼梯间的间 距、宽度等具体参数进行了探讨计算。以火灾性能为基础，运用美国国家标准研究院 n i s t 研发的场模拟软件f d s 对隧道火灾进行模拟，通过分析隧道内温度场、能见度、 c o 浓度等参数的变化情况，由这些参数的变化确定所需要的逃生时间；运用人员疏散 的公式计算出隧道内联络通道或者疏散楼梯间的宽度，从而为以后隧道的防火设计提供 依据。 通过了解国内外地铁隧道火灾的性能化防火情况，提出本文需要解决的问题，本文 的重点是地铁隧道火灾的模拟，创新点是基于性能化防火方法，利用模拟结果分析地铁 隧道火灾情况下，人员的安全疏散所需的防火设计条件。本项研究对减少火灾损失、保 障人员生命安全、指导地铁防火管理等，都具有重要的意义。为以后的地铁建设提供建 议。 7 大连交通人学t 学硕十学位论文 第二章地铁隧道火灾数值模拟模型的确立 地铁隧道发生火灾，虽然属于小概率事件，但是，一旦发生火灾，电线就很可能短 路，许多设备就会失去作用，因此地铁就会停下来。地铁隧道内发生火灾的原因主要有 【lo 】： ( 1 ) 区问隧道内的设备、电缆等发生火灾； ( 2 ) n 车车厢内饰、电线等发生火灾： ( 3 ) 乘客的行李或者携带物中有危险品，发生火灾； ( 4 ) 列车顶部或者底部的电气设备发生火灾； ( 5 ) 由恐怖分子实施的爆炸、纵火等人为事件引起的火灾； ( 6 ) 异常情况下，司机操作失误等。 目前现行的各国规程、规范中均特别强调：若列车在运行过程中出现事故或者发生 火灾时，应尽可能将列车驶入前方车站，在前方车站疏散乘客，利用前方车站的消防设 施灭火和排烟。根据安全工程原理：“只要有可能发生的，就必然会发生 。所有发生 在隧道的火灾都要驶入前方车站，这是一些人的美好愿望，当驾驶室的关键电线短路时， 列车无法继续启动，也有可能是人为的原因，地铁也无法行走，只能停留在隧道内是完 全有可能的。一旦在隧道内发生火灾，必然要启动相应的预案，所以，对于地铁的设计 者来说，建立地铁火灾的模型是十分必要的，特别是在地铁隧道内设计出相应的设施， 在发生火灾的情况下确保人员最快的疏散。把损失降低到最低。 地铁系统的燃烧过程是复杂的物理化学过程，受流动( 包括湍流) 、传质传热和化学 反应的控制。加之地铁系统特殊的建筑构造与空间，目前的大部分地铁只有与地面连接 站台才有出入口，因此地铁隧道内经常通风不足，可燃物的阴燃时间较长，造成发烟量 较大，同时由内部空间温度上升快，较易出现“轰燃”现象。早期的燃烧系统研制主要 依靠大量实验和传统的经验、半经验设计方法进行，但是地铁隧道火灾试验条件要求较 高，很难有机会实现，随着高性能计算机出现和普及，现代应用数学的迅速发展，特 别是一些火灾模拟软件的出现，用数值方法模拟燃烧系统中流动、热传质、化学反应己 成为可能。燃烧过程的数值计算以计算机为工具，把燃烧理论、实验和燃烧器设计三者 有机结合起来，开辟了用燃烧理论直接指导实验和设计工作的途径j 。 实际燃烧均为湍流燃烧，通过研究湍流的变化趋势来分析火灾的发展，其实湍流流 动的其他现象是广泛存在于自然界和工程中的，例如大气、海洋与河流中流体的运动， 飞行器周围空气的运动，船舰周围水流的运动以及流体机械中空气或水流的运动等都呈 湍流状态。湍流是复杂的多尺度不规则流动，是一种高度复杂的非稳态三维流动，湍流 8 第二章地铁隧道火灾数值模拟模型的确立 具有随机性质的涡旋结构以及这些涡旋在流体内部的随机运动，从而引起流速、压力、 温度等各种参数的脉动的特征u 2 1 。能量是通过涡旋不断传递的，主流把能量传给大尺度 涡旋，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺度涡旋传递，最后由于流体粘性的作用， 小尺度涡旋不断消失，机械能就耗散为流体的热能。 2 1 基于计算流体力学的湍流数值模拟技术 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc f d ) 已经成为一门独立的学科。研究流 体力学和应用数学的科研人员都把计算流体力学作为一项重要的内容开展了多层次的 研究，它在传热与流体流动问题的研究中起着越来越重要的作用，在地铁火灾的模拟中 也得到很多的应用。其具有以下优点u5 j 6 1 ： ( 1 ) 利用计算的方法模拟火灾的发展成本很低，实际试验成本太大，实现困难。在实 际的应用中，特别是对火灾的预测和防火的使用上，通过计算机来完成研究结果，成本 会大大降低，同时，试验也具有不可重复性，计算机可以设置不同条件下，甚至理想条 件下的情况，这样更加经济，成本更低。 ( 2 ) 可以形成多种方案。计算机在程序的控制下可生成多个防火的方案，可以根据最 危险的情况来设置消防、逃生的情况，从而达到把火灾的危害控制到最小的目的。 ( 3 ) 可以提供充分的数据。同一个问题，在试验条件下，必然会出现对数据获得的限 制，计算机模拟可以避免这个状况，计算机求解可以得到详尽而又完备的资料。它能够 提供在整个计算域内所有的有关变量( 如速度、压力、温度、浓度、湍流强度等) 的值【1 7 j 。 而且通过计算机模拟来补充实验资料的数据也有很强的实用价值和研究意义的。 ( 4 ) 计算机模拟可以实现真实条件，按照实际的情况进行计算。实验模拟通常也是在 一个模型下，按照一定的比例来计算出实际的数据，这样得出的数据也具有误差。而计 算机可以容易地模拟真实条件，不需要采用缩小的模型。对计算机模拟而言，不论是处 理物体尺寸的大小、温度的低或高、控制有毒或易燃的物体，都不会有什么困难。 ( 5 ) 可以在理想条件下开展工作。在理论计算中，通常会利用理想状态，这样得出的 数据和实际的数据相比较，会存在一个校验的过程，同时也具有很强的研究价值。 随着计算机的速度以及硬件软件水平的不断提高，加之各种数学方法和数学理念与 计算机的不断融合，计算机模拟成为研究火灾的重要手段，通过高性能的计算机，把一 些有效的数学分析和统计方法引入到了火灾科研之中，使得这些理论模型能在火灾科学 的研究和实际火灾安全工程的研究和发展中起到不可替代的作用【l 。火灾模型假设在 任意某个时刻，每个控制体内的温度、烟气密度、组分浓度等参数都是相同的。计算机 模拟的理论模型分为两类：确定性模型和随机性模型，本文主要介绍研究火灾发生、发 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 展以及烟气传播的确定性模型。目前常用的火灾确定性模型主要有四类：经验模型 ( e x p e f i e m i a lm o d e l ) 、区域模型( z o n em o d e l ) 场模型( f i e l dm o d e l ) 与网络模型( n e tm o d e l ) 1 s l 。应用这些模型，得出的计算数据直接为建筑物的防火安全设计、人员疏散分析、消 防设施的作用分析等方面提供必要的参数。分析比较一下几种模型的特点1 1 9 j ： ( 1 ) 经验模拟 经验模型主要使用一些成熟的经验公式来描述建筑火灾的多个分过程。是以实验测 定的数据和经验为基础建立的，人们在与火灾做斗争的过程中，收集了很多实际火场的 资料，也开展过大量的火灾实验，测得了很多的数据，通过分析，整理出了不少关于火 灾分析过程的经验公式，应用这些经验模型，可以对火灾的主要分过程有较清楚的了解。 主要有f p e t o o l 模型，由美国标准与技术研究院( n i s t ) 建筑与火灾研究所开发；还有 a r g o s 模型，由丹麦火灾研究所开发。但是，目前条件下很难在地铁隧道内完成经验 公式数据的获得。 ( 2 ) 区域模拟 区域模型将质量、动量、能量等基本定律结合温度、烟气浓度以及其他参数表达成 微分方程组。火灾发生后由于烟气受热膨胀密度变小，必然在浮力的作用下上浮贴着屋 顶进行流动并随着浓度的增大而厚度不断的增加，形成一个热烟气层。冷空气必然下沉， 从而形成明显的分层现象。据此哈佛大学的教授提出了区域模拟的基本思想1 1 9 1 ，就是将 房间划分为一些有限的宏观区域( 一般是上下两个区域) ，并假定每个区域内的相关参数 如温度、浓度等物理量均匀一致，而在区域间、区域和其边界间以及它们与火源间存在 热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究 房间内的温度分布以及流动情况i l 引。区域模型从大的方面应有两种途径来求解。一种是 对每个房间独立求解然后把所有房间合起来进行总体迭代直至收敛。另一种是把所有房 间所有的变量合起来同时迭代求解。所要求解的是一组刚性的常微分方程，可采用g e a r 刚性稳定多步法来求解该方程组1 1 9 j 。它的优点是计算代价比场模型要小得多，并且它抓 住了建筑火灾的主要特征，在每一层物理量都均匀的情况下能够给出比较准确的结果。 但对于有复杂的几何形状、有强火源或强通风的房间，误差将很大以至失去真实性。 ( 3 ) 场模拟 场模拟是以化学流体力学的基本理论为基础的模拟。场模型主要有j a s m i n e 、f d s 、 s m a r t f i r e 等模型。场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒( 连续性方程) 、 动量守恒( n s 方程) 、能量守恒( 能量方程) 和化学反应的定律等i l 引。通过对它的数值 求解来得到火灾过程中典型参数的空间分布及其随时间的变化。场模拟的理论基础对于 各种不同的火灾过程都是成立的，它一般实施多维计算，将计算空间划分为成千上万个 第二章地铁隧道火灾数值模拟模型的确立 计算单元网格。场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及其随时间变 化的模拟方式。场是指状态参数，如速度、温度、各组分的浓度等的空间分布。火灾过 程中状态参数的变化也遵循着这些规律。 ( 4 ) 网络模拟 网络模型把系统中的每个特殊区域( 例如封闭的空间) 作为一个节点处理。在每个节 点上，烟气的温度、浓度代表的组分的含量等参数具有相同的值，这种模型的最大优点 是它可以考虑包括多个空间，但结果显然比较粗糙。 地铁火灾燃烧过程也是一个复杂的三维湍流过程。在湍流燃烧中，湍流流动过程和 化学反应过程有着强烈的相互关联和相互影响。湍流通过强化混合而影响着平均化学反 应速率，同时化学反应放热过程又影响着湍流【1 3 】【1 4 1 。根据地铁隧道火灾的特点和根据地 铁隧道的相关情况，采用场模拟软件f d s 能体现地铁隧道火灾的特点。 湍流是流体的一种流动状态，湍流可以看作是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流 动，这些涡旋当流速增加到很大时，流场中有许多小漩涡，相邻流层间不但有滑动，还 有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称 为湍流。大尺度涡旋是引起低频脉动的原因，主要由流动的边界条件所决定，小尺度涡 旋是引起高频脉动的原因，主要由粘性力所决定。这些涡流形成后，经历着发展和衰减 的过程直到消失。大尺度涡旋破裂后形成小尺度涡旋，小尺度涡旋破裂后形成更小尺度 的涡旋。这些尺寸大小不同的涡流往往是大涡旋中包含着小涡旋，小涡旋中包含着更小 的涡旋。各种不同尺度的涡旋充满着整个湍流，同时由于边界的作用、扰动及速度梯度 的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动【l2 1 。燃烧过程是受流动、传热传质 和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程，在各领域经常遇到的实际燃烧过程几乎全 部都是湍流燃烧过程1 7 j 。 目前计算流体力学常用的湍流的数值模拟方法主要有以下三种i i l j ：直接模拟( d i r e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , d n s ) 、大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n , l e s ) 、应用r e y n o l d s 时均 方程( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n s ) 的模拟方法。 直接数值模拟( d n s ) 特点在湍流尺度下的网格尺寸内不引入任何封闭模型的前提 下对n a v i e r s t o k e 方程直接求解。这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解，要对 高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨 出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。基于这个原因，d n s 目前仅限于相对 低的雷诺数中湍流流动模型。另外，利用d n s 模型对湍流运动进行直接的数值模拟对 计算工具有很高的要求，计算机的内存及计算速度要非常的高，目前d n s 模型还无法 应用于工程数值计算，还不能解决工程实际问题。 大连交通大学t 学硕十学位论文 大涡模拟( l e s ) 是基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行直接求解n s 方程， 其大涡模拟的基础是：湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的，大尺度涡是高度 的非各向同性，而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度 的涡，而小尺度的涡旋主要起到耗散能量的作用，几乎是各向同性的。这些对涡旋的认 识基础就导致了大涡模拟方法的产生。l e s 大涡模拟采用非稳态的n s 方程直接模拟大 尺度涡，但不计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模拟来考虑，这种影响称为 亚格子r e y n