（环境工程专业论文）地铁车站火灾烟气下安全疏散的模拟研究.pdf

n a nk a iu n i v e r s i t y 渊删 c o l l e g eo fe n v i r o nm e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g t h e s i s si m u l a t i o no ne v a c u a t i o nf r o ms u b w a y s t a t i o nu n d e rf i r es m o k e b y d o n g s h a o c h e n d i r e c t e db yp r o f l i u m a o s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ro fe n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g m a y , 2 0 0 6 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：专功忆 加汐年r 月专护日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 办剥学位敝作者鹕： 毒勋帕 解密时间： 砖j - 月乡纱日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：专功啊 删夕年月弓汐日 摘要 摘要 随着我国现代化建设的推进，各大城市出现了交通紧张的状况，道路阻塞 严重，城市空气和噪声的污染已严重威胁到城市居民的健康，因此发展城市快 速轨道交通，特别是在市中心修建地铁以代替地面汽车交通，不仅可以缓解地 面道路阻塞和居民乘车费时费力的问题，还有利于城市环境保护。近些年来， 我国一些大城市相继建设了城市地铁和轻轨，并将以建设城市轨道交通网络为 目标，进一步加快地铁建设步伐。 地铁作为城市重要的交通工具，每天都承担着大量的人员运输任务，相应 的地铁车站就成为了人群非常集中的公共场所。与其他建筑物不同，地铁车站 没有直接向外开启的门窗，环境相对密闭，一旦发生火灾，火势会快速蔓延， 产生的烟气及热量不能有效的排除；同时疏散出口少，人员疏散方向往往与烟 气流动方向相同，造成人员疏散困难，严重威胁着乘客的安全。大量的地铁火 灾案例证明，烟气中毒窒息和不能有效疏散是造成地铁火灾人员伤亡的最大原 因。 本文以小白楼地铁车站为研究对象，阐述了火灾烟气的危害性和流动特性 以及人员疏散的行为特点，应用计算机模拟软件对站台公共区不同火灾工况下 烟气的流动状况和人员疏散进行模拟，得出了具体的烟气模拟数值和的相应的 人员疏散时间，以此评估小白楼车站的防火性能和疏散设计，并进一步提出优 化建议。 研究方法主要采用计算机模拟研究，目前已有大量较成熟的计算机模型被 应用到地铁系统安全的研究上，但这些研究都是分别对火灾烟气和安全疏散进 行单独的模拟，而没有将火灾危险的影响结合到人员疏散行为中。因此，本文 应用c f a s t 火灾模拟软件和b u i l d i n g e x o d u s 疏散模拟软件相结合的方法，将 火灾烟气模拟数值作为火灾场景加入到疏散模拟中，这样模拟出的结果就是人 员在火灾烟气下的安全疏散，包含了火灾危险对人员疏散时间的影响，为今后 地铁安全评估和新建地铁的安全设计提供了较为科学的研究方法。 关键词：地铁车站火灾烟气安全疏散计算机模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a lm o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r es o m a n yt r a f f i cj a ni nb i gc i t i e sa n dt h ea i ra n dn o i s ep o l l u t i o nb a d l yt h r e a t e n e dt h e h e a l t ho fc i t yr e s i d e n t s t h e r e f o r e ，t h es u b w a ys h o u l db ec o n s t r u c t e di nc e n t e ro f t o w ni n s t e a do ft h eb u s e s ，w h i c hn o to n l yc a nl e s s e nt h et r a f f i cj a ma n ds a v eo nt h e t i m ea n dt h es t r e n g t ho ft h eo c c u p a n t s ，b u ta l s oc a l lp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n to ft h e c i t y l a t e l y , s u b w a y sw e r eb u i l to n eb yo n e i nb i gc i t i e sa n dw i l ls t e po u ti no r d e rt o f o r mt h en e t w o r ko ft h ec i t ys u b w a y n l es u b w a y sp l a yt h er o l eo ft h et r a n s p o r ta sa ni m p o r t a n tv e h i c l e ，a n dt h u st h e s u b w a ys t a t i o ni st ob et h ep u b l i cc r o w d e dw i t ho c c u p a n t s b ed i f f e rf r o mo t h e r b u i l d i n g s ，t h e r ea r en ow i n d o wo p e nt ot h eo u t s i d ei nt h es t a t i o n , t h e r e b yt h ef i r ew i l l i n c r e a s er a p i d l ya n dt h es m o k ea n dh e a tc a l l tb ed i s c h a r g e do n c et h es t a t i o nc a t c h e s f i r e m e a n w h i l e d u et ot h ee x i t si sn u m b e r e da n dt h ed i r e c t i o no ft h ef l o wo ft h e o c c u p a n t si st h es a m ea st h a to ft h es m o k e ，t h ep a s s a g e so f t e ni nt r o u b l ew i t ht h e e v a c u a t i o n ag r e a td e a lo ft h ec a s e sp r o o ft h a tt h ec h o k eo ft h es m o k ea n dt h eu s e l e s s e v a c u a t i o ni st h em a i nc a u s eo ft h ec a s u a l t yi nt h ef i r e so ft h es u b w a y t h ea r t i c l ei st od or e s e a r c ho nt h eh a r ma n dt h ef l o wo ft h es m o k ea n dt h e b e h a v i o ro ft h e o c c u p a n t s i n t h ee v a c u a t i o n w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h e c o m p u t a t i o n a la p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，t h ep r o j c o t r e s e a r c hi n t ot h ef l o wa n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h es m o k eo nt h ep l a t f o r mu n d e rt h ed i f f e r e n tf i r ec o n d i t i o n su s i n g c f a s tm o d e l ，a n dt h e nl o a dt h es i m u l a t i o nr e s u l tn e e d e di n t ot h eb u i l d i n g e x o d u s a st h ef i r es c e n e s ，a n dh e n c et h ee v a c u a t i o nt i m eo ft h eo c c u p a n t si su n d e rt h ef i r ea n d c o n t a i n st h ei n f l u e n c eo ft h ef i r eh a z a r dt ot h eb e h a v i o ro ft h ep a s s e n g e r s t h e p r o d u c t i o no ft h ea r t i c l ep r o v i d e sas c i e n t i f i ct e c h n i q u et ot h es a f e t ye v a l u a t i o na n d t h ed e s i g ni ns u b w a ys t a t i o n k e yw o r d s ：s u b w a ys t a t i o n f i r es m o k ee v a c u a t i o n c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 目录i il 第一章引言1 第一节课题研究背景1 1 1 1 地铁系统的火灾事故1 1 1 2 地铁车站的火灾烟气2 1 1 3 地铁车站安全疏散的重要性3 第二节课题研究现状4 1 2 1 火灾烟气研究现状4 1 2 2 安全疏散研究现状6 第三节课题来源及主要研究内容6 1 3 1 研究对象6 1 3 2 主要研究内容8 1 3 3 创新点8 第二章地铁车站火灾烟气理论1o 第一节火灾烟气基本概念1 0 2 1 1 烟气的定义1 0 2 1 2 烟气羽流1 0 2 1 3 顶棚射流1 1 第二节地铁车站火灾烟气特性1 1 2 2 1 物理特性1 1 2 2 2 流动特性1 3 第三节地铁车站火灾烟气控制1 4 2 3 1 地铁车站防烟1 5 2 3 2 地铁车站排烟1 6 第三章地铁车站火灾烟气模拟18 i l i 目录 第一节c f a s t 模拟技术18 3 1 1 模型的起源1 8 3 1 2 模型的建立1 8 3 1 3 火源的设计2 0 第二节基本参数的设定2 1 3 2 1 空间结构2 1 3 2 2 水喷淋系统2 3 3 2 3 环境条件2 3 3 2 4 模拟结果输出方式2 4 第三节模拟方案及模拟结果2 4 3 - 3 1 火源在站台中央的模拟2 4 3 3 2 火源在站台左侧的模拟2 8 3 3 3 火源在站台右侧的模拟3 1 第四章地铁车站疏散模拟理论前提3 5 第一节地铁车站人员疏散特点3 5 第二节疏散模型介绍3 6 第三节b u idin g e x o d u s 模拟技术3 7 4 3 1 软件功能3 7 4 3 2 基本概念3 8 4 3 3 子模型及其功能介绍4 0 第五章地铁车站疏散模拟优化研究5 6 第一节模拟条件设定5 6 5 1 1 模拟空间5 6 5 1 2 疏散人群5 7 5 1 3 火灾场景5 8 5 1 4 行为规则5 9 第二节不同火灾烟气的疏散模拟6 0 5 2 1 不同火源大小的模拟6 0 5 2 2 不同火源位置的模拟6 1 5 2 3 结论6 3 i v 目录 第三节疏散模拟优化研究6 3 5 3 1 增加水喷淋系统的模拟6 3 5 3 2 无人员反应时间的模拟6 4 5 3 3 加大楼梯宽度的模拟6 4 5 3 4 楼梯布置优化的模拟6 5 5 3 5 疏散效率的优化模拟6 6 5 3 6 优化建议6 7 结论6 9 致谢7 1 参考文献7 2 附录7 5 附录a 人员特性表7 5 附录b 火灾烟气模拟数值7 9 个人简历8 6 v 第一章引言 第一章引言 第一节课题研究背景 1 8 6 3 年，英国建成世界上第一条地下铁道，从此地铁成为新型的城市客运 交通工具。第二次世界大战后，由于盲目发展私人轿车，给城市交通带来了灾 难，人们逐步认识到只有发展以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统才 是解决城市客运交通问题的最根本的途径。近5 0 年来，世界各大城市的地铁建 设和运营情况证明，地铁对城市社会经济发展起到巨大的推动作用，给居民提 供了良好的出行条件。 1 1 1 地铁系统的火灾事故 地铁作为城市交通的重要工具，每天都承担着大量的人员运输任务，相应 的地铁车站也就成为了人群非常集中的公共场所。统计资料表明，地下铁路自 其诞生之日起，就一直不断发生重大事故( 主要是火灾) ，造成人员生命和财产 的严重损失。以下是部分统计资料h 1 ： 1 9 0 3 年8 月1 0 日，法国巴黎地铁发生火灾，一列满载乘客的地铁列车在运 行中起火。由于扑救不力，疏导不畅，造成8 4 人死亡。 1 9 6 9 年1 1 月1 1 日，北京地铁万寿路至五棵松站区间，由于地铁车辆电气 设备短路引起火灾，浓烟雾毒使进入抢险的人员3 人死亡，3 0 0 多人送入医院抢 救。 1 9 8 1 年6 月，纽约地铁因电线短路发生火灾，2 1 名乘客受伤，他们挤在 黑洞洞的地下客车内，一片嘈杂，混乱不堪。 1 9 8 7 年1 1 月8 日，英国伦敦皇十字街地铁自动扶梯下面的机房内产生电 火花，引燃自动扶梯的润滑油，浓烟沿着楼梯通道四处蔓延，由于列车行驶引 起的活塞风作用以及圆筒状自动扶梯的通风作用，致使大火越烧越烈，人们争 先恐后地冲向出口，许多人被烧、压、窒息而死。这次事故导致3 2 人丧生( 包 括1 名消防员) ，1 0 0 多人受伤，地下二层的2 座自动扶梯和地下一层的售票厅 被烧毁。 1 9 9 5 年1 0 月2 8 日夜间至次日凌晨，阿塞拜疆巴库地铁因车辆电气设备故 第一章引言 障发生火灾，列车第3 、4 节车厢着火，由于司机缺乏经验，紧急制动将列车停 在了隧道内，给乘客逃生和救援工作带来了很大的困难，加上制造该车辆时使 用了大量的易燃材料，浓烟毒雾造成5 5 8 人死亡，2 6 9 人受伤。 2 0 0 3 年1 月2 5 日下午2 时左右，英国首都伦敦市中心的一辆载有大约8 0 0 名乘客的地铁列车出轨，列车最后三个车厢与法院街车站隧道的墙壁相撞，造 成3 0 多人受伤。当时，有不少人被困在车厢中，车门都无法打开，人们只能试 图打破窗户逃生。 2 0 0 3 年2 月1 8 日上午，韩国大邱一列地铁在抵达中央车站时被人纵火， 列车迅速燃烧，并蔓延到稍后反方向抵达该车站的另一列车。由于地铁断电和 工作人员失职，1 2 节车厢大部分车门处于关闭状态，乘客无法逃离车厢，使得 更多的人因中毒窒息而亡，这次地铁事故造成1 9 6 人死亡，1 4 7 人受伤。 2 0 0 3 年7 月1 4 日上午7 点2 0 分，上海市地铁一号线供电系统突然发生故 障，全线中断运行4 0 分钟。由于是高峰时段，地铁站聚集了很多人，由于无人 进行有效的疏导，许多乘客不肯改乘公交车，结果造成吊车现象，车门无法关 上，直到8 点才逐渐恢复正常。 大量案例证明，火灾是地铁事故中最主要的类型，发生频率高，造成的人 员伤亡往往是高层建筑的5 6 倍，财产损失是高层建筑的1 3 倍，因此火灾 事故是威胁地铁系统安全的主要根源。 1 1 2 地铁车站的火灾烟气 与地面建筑相比，地铁是一个相对封闭的场所，其内部空间较大，与外界 连通的开口相对较少，只有通风井和车站出入口，因此，一旦发生火灾事故， 积聚的高温浓烟很难自然排除，并迅速在地铁车站内蔓延，严重威胁乘客、地 铁职工和抢险救援人员的生命安全。 由于遮光性、毒性和高温的影响，火灾烟气对地铁车站中的人员构成很大 的威胁，主要表现在】： 1 烟气量大 地铁车站是一个相对封闭的环境，空气流通不畅，使得发生火灾时燃烧不 充分，释放大量烟气。同时，由于与室外气体对流交换不强，产生的大部分烟 气积存在地铁建筑内，以致烟气层较厚，且容易向其它区域蔓延。 2 烟气温度高 2 第一章引言 地铁车站内发生火灾，热烟气无法通过窗户顺利排出，同时由于地铁建筑 周围的材料很厚，导热性能差，对流散热弱，燃烧产生的热量大部分积累在室 内，烟气冷却程度小，烟气的温度可高达1 0 0 0 以上。 3 人员疏散困难 地铁车站由于环境条件的限制，出入口少疏散距离长，发生火灾时，人员 只能通过限定的出入口进行疏散，即使在十分紧急的情况下也只能如此。其次， 地铁车站火灾中，人员疏散的方向和烟气流动方向相同，人员出入口往往会成 为喷烟口，烟气流动速度比人群流动速度快。再次，由于地铁建筑基本上采用 灯光照明，在火灾发生时往往要切断电源，以致现场漆黑一片，严重妨碍人员 疏散。 4 扑救难度大 在地铁建筑中，救援的消防人员只能从限定的几个出入口冒着高温浓烟进 入现场，加上光线不足，无法直接观察到火灾的具体位置，因而不易快速接近 起火位置，往往会延长扑救时间和增加喷水损失。其次，由于地铁建筑结构的 特殊，救援人员难以采取破拆等手段阻止火势扩大，也不宜大量使用毒性较大 的灭火剂。再次，在地下建筑内无法使用无线通讯设备，给救援指挥和相互联 络造成了困难。 统计结果表明，烟气中毒和窒息是火灾中人员致死的主要原因，由此可见， 火灾中最恐怖的不是红彤彤的火焰，而是因热解燃烧所产生的烟气。起火后， 烟气携带着高温、毒性、低能视度等危害因素涌向四周空间，是传播灾害速度 最快、影响范围最大的危险源，严重威胁地铁车站人员的生命安全。 另外，地下建筑火灾与其它建筑火灾一样具有双重性【5 1 ，即确定性和随机性 的特点。火灾的确定性表现在，火灾的基本现象、火灾发生的条件以及主要控 制参数是相对稳定的，具有一定的规律性。然而火灾又具有随机性，主要表现 在：( 1 ) 火源是随机的；( 2 ) 火源在室内的位置是随机的；( 3 ) 建筑物开口的位置、 数量及时间是随机的；( 4 ) 火灾时通风系统的运行情况是随机的。这些都决定了 火灾时的烟气流动既有一定的规律性又具有很大的随机性，对于这种随机的非 线性过程，最好采用经验数据、经验公式结合计算机模拟的方法进行研究。 1 1 3 地铁车站安全疏散的重要性 地铁车站人员的聚集度和流动性都相当大，当发生紧急事件时，有效的安 3 第一章引言 全疏散是保障人员生命安全的重要措施，这是因为： 1 ) 地铁系统整体位于地下，是一个相对封闭的场所，其站台、站厅以及工 作区域面积较大，与外界连通的出入口却很少，给人员的安全疏散造成了很大 的困难，也是地铁事故人员伤亡严重的根本原因。 2 ) 地铁车站中人员的安全疏散是一个上行的过程，人员消耗的体力较大， 人员的疏散速度会比下行时慢的多。 3 ) 在地下车站这样全部靠人工照明的室内建筑中，人员很容易迷失方向， 尤其是对地铁车站结构布置不熟悉的人群，在发生火灾时，如果没有疏散标志 的指引或是有效的指挥疏导，人员很可能迂回往返或是拥堵在一个出口，造成 混乱，延长疏散时间，增加人员中毒窒息的可能性。 因此，为了保障地铁乘客的安全，发生地铁事故时，迅速将站台和列车上 的大量人员安全疏散出去，是地铁安全运营的首要目标和基本原则。 第二节课题研究现状 1 2 1 火灾烟气研究现状 严重的火灾事实使人们越发关注火灾烟气对人员的伤害，美国防火研究机 构( f p r f ) 和国家标准技术研究所( n i s t ) 等国内外研究机构都正在积极开展 火灾烟气的研究工作。从火灾烟气的研究进展来看，研究方法包括实验方法、 计算机模拟方法以及对烟气的危害性进行评价盯一1 。 1 2 1 1 实验方法 从实验研究的内容来看，主要是不同尺度的生物测定实验与化学分析实验， 以及部分烟气物理性能模拟实验。 1 生物测定实验 生物测定实验主要是观察动物丧失活动机能的时间或死亡时间。但这种方 法有不足的地方。如测试动物丧失机能时间，有些方法是将动物放在转动笼中， 这样的话就不能确定动物丧失活动能力是由烟气毒性伤害造成的，还是由动物 疲累造成的，因此不能准确的测定动物受烟气毒性伤害的程度。 2 化学分析实验 化学分析实验主要是分析烟气中的各种成分，但其中存在很多问题和技术 4 第一章引言 性的难题。首先，在使用色质联用仪分析烟气成分时，由于c o 、c 0 2 、n o x 、 h c n 等是无机气体成分，其组分间的相对保留值的差较小，气相色谱分离效果 会受到影响：其次，在实验过程中，由于发生了复杂的反应，使得烟气的成分 随时间发生变化，单采用气相色谱离散采样是不够的；再次，多点同时采样测 量是一个重大的计算难题；最后，烟气在扩散过程中和墙壁壁面的物质发生化 学反应，对于这种反应尚无进行检测的方法。 1 2 1 2 计算机模拟 目前计算机模拟已成为建筑火灾科学研究中的重要方式，常见的火灾模型 大致可分为三种：经验模拟、区域模型和场模型嘲。 1 经验模拟 经验模拟是通过搜集、测量和分析建筑物火场和模拟实验的数据，用计算 机对这些数据进行处理，总结出经验公式，借助计算机的数据库功能、图形和 图像功能，便可以方便而形象地认识建筑火灾过程。 2 区域模型 区域模型，又称为半物理模型，是利用一些经验数据和经验公式，通过对 控制火灾过程的一组常微分方程进行数值求解来获得一些火灾过程参数。区域 模拟将研究区域划分成上下两部分( 假设每部分的物理量均匀分布) ，可以给出 室内烟气层状态和高度的变化，计算过程相对简单，运算速度较快。应用比较 广泛的区域模型有美国的c f a s t 和c c f m v e n t s 、日本的b r i 、法国的m a g i c 、加 拿大的n r c c 、挪威的r - v e n t 等。 3 场模型 场模型n ，又称为物理模型，是以化学流体力学为基础，利用控制火灾过 程的一组偏微分方程( 包括连续方程、动量方程、能量方程和组分方程) ，通过 对它的数值求解得到火灾过程中典型的空间分布及其随时间的变化。场模型是 二维或三维的，通常将研究区域划分为若干单元格，能给出较详细的流体运动， 但场模型需要较长的计算时间和强大的计算能力，常见的场模型有英国的 j a s m i n e 、德国的k o b r a - 3 d 、挪威的k a m e l e n o ni i 、加拿大的r m f i r e 等。 1 2 1 3 烟气危害性评价方法 目前烟气危害性的评价大多是对烟气的毒性成分( 主要是c o ) 进行评价， 5 第一章引言 因而也被称为毒性评价。但实际上火灾烟气危害是多种物质的综合效应，主要 包括：( 1 ) 毒性效应( c o 、h c n 等) 引起人员昏迷，丧失意识能力，以及缺氧引 起人体机能失常；( 2 ) 窒息性效应( c o ：等) 使人员缺氧，并引起呼吸频率加快， 从而加速毒性效应；( 3 ) 积极性效应( s o 。、h c l 等) 使呼吸道疼痛和呼吸困难， 喉部痉挛与支气管收缩以及数小时后肺部开始发炎等；( 4 ) 灼伤性效应( 高温颗 粒物) 使皮肤裸露部分与上呼吸道灼伤，或放热造成过热环境阻碍逃生。由此 可见，烟气危害性评价的发展方向就是将多种因素考虑进去，加强评价方法的 科学性。 1 2 2 安全疏散研究现状 最早的安全疏散研究为基于单位出口宽度的计算方法n ，根据疏散实验或 实际观测得到通过单位出口的流量值，然后计算所有人通过出口所需的时间。 之后，p a u l s n 列提出了有效宽度模型，认为疏散流量与通道宽度是线性关系。在 上述基础上，p r e d t e c h e n s k i 和m i l i n s k i i 1 3 研究了人员密度对流量的影响，并 考虑了疏散过程中的某些具体现象，比如人流的堵塞，人流的汇合及分流，至 此疏散理论得到了进一步的完善。 近期的研究主要集中在计算机模拟上，包括网络优化模型和网格疏散模型。 网络优化模型是将建筑物各功能单元当作网络中的一个个节点，利用节点之间 存在一定的流量限制原理来模拟建筑物总体疏散时间。网格疏散模型是将建筑 物划分成一个个比较细小的网格，人员可当作一个个移动的质点，质点在移动 到相应的网格时会根据环境的变化调整各自的移动速度和方向，并因此可以跟 踪人员移动的轨迹，从而得到建筑物的人员疏散时间。其中比较著名的是英国 格林威治大学的b u i l d i n g e x o d u s 软件，模拟火灾条件下人员的生理、心理因素 以及火灾烟气危险等对安全疏散的影响。由此可见，疏散研究的发展趋势就是 将包含更多的行为细节，重点考虑人的个体差别和相互作用，使疏散时间更为 准确。 第三节课题来源及主要研究内容 1 3 1 研究对象 本课题来源于国家“十五 攻关计划滚动课题城市突发事故风险、控制 6 第一章引言 与应急技术研究与试点( 课题编号2 0 0 4 b a 8 0 3 8 0 5 ) 专题三“城市典型公共场所 与设施风险评价及安全规划关键技术研究 中第三子专题“重点目标及重大风 险的事故预警与控制技术研究 。 地铁车站是地铁系统中一个很重要的组成部分，地铁乘客乘坐地铁必须进 出车站建筑，它与乘客的关系极为密切，通常包括站厅和站台两层，而站台公 共区是乘客等待上车和下车出站的主要区域，人员的流动性和聚集性相当大。 根据站台的型式一般可以分为岛式站台和侧式站台两种。与侧式站台相比，岛 式站台的内部结构布置更为复杂，在发生火灾时对人员疏散的影响更大。因此 本课题重点研究地铁车站岛式站台公共区的人员安全。 本课题选择天津市地铁一号线小白楼车站为研究对象。小自楼车站是双层 岛式站台车站( 如图1 1 所示) ，地下一层为站厅层、地下二层为站台层。站台 层和站厅层的两端是工作区，分别设有运营管理用房、技术设备用房和辅助用 房等，中间部分是乘客使用空间，用于乘客买票进站以及等候上车。在站厅层 设4 个出入口通往地面，每个出入口设一部楼梯和两部自动扶梯；站厅层与站 台层之间共设两部楼梯、四部自动扶梯、一部工作人员专用楼梯以及一部残疾 人专用垂直电梯。 1 ，- ，+ 一。一 一i l l l 翻 娜l u l 。 。? 。 。：i i i i i i l i i i i i 。，。0 。一。 掣迥1 i | i l i 一譬：誊 广。- 一1 ( a ) 站厅层平面图 目| ：= 嗣 。 1 。i t l t t l - “ ：。? o ，o = ! 苎曼列 - 删l 产。 。 ( b ) 站台层平面图 ( c ) 车站立面图 图1 1 小白楼车站建筑图 7 第一章引言 为了便于模拟研究，根据相关规范和研究对象的特点，需要作出以下假定： 1 ) 在进行火灾烟气模拟计算时，为了使模拟结果更可靠，假定是在最不利 条件( 无机械通风、无水喷淋系统) 下进行的。 2 ) 根据小白楼车站防火设计资料，其站台层与站厅层的联系楼梯、扶梯开 孔处采用配以水幕保护的挡烟垂壁进行防烟分隔，因此站台层的火灾烟气不会 向站厅层蔓延，只要人员离开站台层就已经进入了相对安全的区域，因此可将 站厅层上的楼梯出口设定为安全疏散的目标出口。 1 3 2 主要研究内容 大量统计资料和研究结果表明，火灾烟气和安全疏散是影响地铁安全的关 键因素，在火灾烟气发展到危害人身安全之前将人员疏散到相对安全区域是衡 量地铁车站安全性能的一种方法，也是本课题的基本研究思路。 本课题在研究地铁车站火灾烟气特性和流动规律的基础上，采用c f a s t 火 灾烟气模型对地铁站台公共区不同火灾工况下热释放速率、烟气层温度、烟气 层下降高度、燃烧产物浓度等数值进行模拟计算，评估小自楼车站的防火性能 并进行优化研究，然后将烟气模拟数值作为人员疏散模拟的火灾场景，应用 b u i l d i n ge x o d u s 疏散模拟软件对不同场景下的人员疏散进行动态模拟，评价车 站疏散设计是否满足规范要求，找出最不利的疏散场景，分析疏散过程中存在 的制约疏散效率、影响疏散时间的因素并提出优化建议，为小白楼车站远期安 全性能设计和改进提供一些参考。 1 3 3 创新点 目前许多国家开展了地下空间防火安全问题的研究工作，归纳起来大致分 为两种情况：一是进行火灾烟气的模拟，将模拟结果与计算得出的安全疏散时 间进行比较以评估建筑物的安全性能；二是对人员疏散过程进行模拟，得到人 员疏散所需时间，再与烟气下降到危害人员安全高度的时间进行比较，从而分 析疏散设计的合理性。这些研究方法在火灾安全领域取得了一定的成果，但没 有将火灾烟气对人员疏散行为的影响考虑进去，而实际上火灾烟气的存在不但 会降低人员的行走速度，还会影响人员对疏散路径的选择，从而改变整个疏散 进程，因而用上述方法计算出的火灾工况下人员的疏散时间是不准确的。 c f a s t ( c o n s o l i d a t e df i r eg r o w t ha n ds m o k et r a n s p o r tm o d e l ) 是由美国 8 第一章引言 n i s t 火灾研究实验室开发的最成熟的区域模拟软件n 钔，可对指定火灾工况下， 火灾烟气的扩散、烟气界面高度、热烟气层温度、冷空气层温度、烟气中有毒 气体组成等随时间的变化趋势进行预测模拟。 b u i l d i n g e x o d u s 是目前较先进的安全疏散模拟软件n 钉，其特性和模拟方法 完全适用于地铁车站；它与其它疏散模拟软件最大不同之处在于其功能非常强 大，能将建筑结构、火灾危险、人员特性以及在疏散过程中的个性差异等很多 因素考虑进去，较真实地模拟疏散人员和场景的若干属性和行为，追踪疏散过 程的诸多细节；在此基础上给出比较全面翔实的预测结果，评价建筑设计是否 合乎规范要求，分析建筑结构疏散性能以及人员疏散效率，并提出优化建议。 最重要的是b u i l d i n ge x o d u s 软件可以导入c f a s t 生成文件，即可以将c f a s t 火灾模拟结果直接应用到安全疏散模拟中，以反映人员在火灾场景下的实际疏 散过程。 因此本课题将c f a s t 火灾模拟与b u i d i n ge x o d u s 疏散模拟结合起来，对 上述研究方法进行了改进并应用于地铁车站中，先对地铁站台进行火灾烟气的 模拟，然后将模拟得到的烟气流动状况作为火灾场景导入疏散模拟软件，再对 人员安全疏散进行动态模拟，这样模拟得到的疏散时间就包含了火灾烟气对人 员疏散行为的影响，得到更为准确的疏散结果。 9 第二章地铁车站火灾烟气理论 第二章地铁车站火灾烟气理论 一些恶性火灾中发生的大量死亡，主要是由于烟气扩散速度比人员逃离火 场速度快得多，使尚未撤离的滞留人员受烟气毒害或窒息，失去逃生能力而死 于非命，因而在安全研究中对火灾烟气应有一定的认识和了解。 第一节火灾烟气基本概念 2 1 1 烟气的定义 美国试验与材料学会( a s t m ) 给烟气下的定义是：某种物质在燃烧或分解 时散发出的固态或液态悬浮微粒和高温气体n 们。不同物质燃烧产生的成分随着 物质的化学组成以及温度、氧气等燃烧条件的不同而有所不同。 具体说来，火灾烟气是一种混合物，包括：( 1 ) 可燃物热解或者燃烧产生的 气相产物，如未燃燃气、水蒸气、c 0 2 、c o 及多种有毒或有腐蚀性的气体；( 2 ) 由于卷吸而进入的空气；( 3 ) 多种微小的固体颗粒和液滴。 2 1 2 烟气羽流 火灾发生后，烟气在浮力的作用下向上运动，在运动的过程中，周围的冷 空气不断地被卷吸进烟气中，形成烟气羽流n 引。卷吸空气是烟气的主要来源， 烟气的生成量主要取决于卷吸的空气的多少。当火源处在不同位置时，由于受 到条件的限制，卷吸的空气量将不同，形成的烟气羽流也有差别，一般可以分 为轴对称羽流、壁面羽流、墙角羽流、阳台羽流和窗户羽流。 1 轴对称羽流 轴对称羽流又称非受限羽流或自由羽流，指烟气卷吸不受墙边等其它障碍 物的影响，可以沿着高度从任一方向卷吸空气。当火源位于大空间的中央或附 近时，由于离墙边较远，烟气发展受周围墙壁的影响不大，基本上可不受限制 地卷吸周围的空气，这种羽流可以近似看作轴对称羽流。 2 壁面羽流 当火源靠近墙壁的时候，由于受到墙的限制，羽流将主要从远离墙的一面 卷吸空气，这种羽流称为壁面羽流。 1 0 第二章地铁车站火灾烟气理论 3 墙角羽流 当火源位于墙角的时候，生成的羽流为墙角羽流。这种羽流对空气的卷吸 受两侧墙的限制，卷吸量更少。 4 阳台溢出羽流 当烟气在上升的过程中遇到水平的阻挡物的时候( 如阳台) ，烟气会先沿阻 挡物的下部水平运动，到达边缘后转向竖直方向的运动，称为阳台溢出羽流。 5 窗口羽流 当烟气从墙上的开口，如窗户、门等进入大空间时就形成了窗口羽流。 2 1 3 顶棚射流 火灾中，火羽流上升撞击顶棚后沿顶棚以下水平运动，形成顶棚射流。由 于它的作用，使安装在顶棚的感烟探测器、感温探测器和水喷淋头产生响应， 自动报警和灭火。 第二节地铁车站火灾烟气特性 2 2 1 物理特性 火灾烟气的物理特性主要有高温、毒性、 恐怖性是心理方面的，其余的是生理方面的。 1 高温 火灾烟气的高温对人会产生一定的伤害， 露烟气的温度与极限忍受时间的关系式为： 缺氧、遮光性和恐怖性嗍，其中 对于健康的着装成年男子，其暴 f = 4 1 1 0 8 ( 丁一岛) 盯6 1 ( 2 1 ) 式中，t 为极限忍受时间( m i l l ) ；t 为空气温度( ) ；b l 、b 2 为常数。可见，对于 暴露于高温烟气下的人员，其极限忍受时间与烟气温度是成反比的，烟气温度 越高，人员的忍受时间越短。 在地铁环境中，火灾烟气的温度可高达1 0 0 0 c 以上，而人们在6 5 时，可 短时忍受；在1 2 0 。c 时，1 5 分钟就将致命，在几百度的高温烟气中则是连一分 钟也呆不下去。 2 毒性 烟气含有各种有毒气体，如c o 、h 2 8 等含量均大大超过了人体生理上所允 第二章地铁车站火灾烟气理论 许的最高浓度，造成人们中毒死亡。统计资料表明，火灾中死亡人数大约8 0 是由于吸入有毒气体而导致的。 3 缺氧 缺氧是烟气毒性的特殊情况，是指烟气中含氧量低于人们生理正常所需的 数值。当空气中含氧量降低到1 5 时，人的肌肉活动能力下降；降到1 0 - 1 4 时，人就会四肢无力，智力混乱，辨不清方向，失去活动能力而不能及时逃 离火场；降到6 一1 0 时，人就会晕倒；当着火房间内气体中的含氧量浓度低 于6 时，在短时间内人们将因缺氧而窒息死亡。在着火区域中氧的最低浓度可 达到3 左右，因此火灾烟气对人们的生命安全会造成致命的危害。 4 遮光性 当烟气弥漫时，可见光因受到烟粒子的遮蔽而减弱，人们的能见度大大降 低，会对火灾中人员的安全疏散造成严重影响。能见度指的是人们在一定环境 下刚刚看到某个物体的最远距离，它与烟气的颜色、物体的亮度、背景的亮度 及观察者对光线的敏感程度有关，可用下式表示： 矿：旦： 墨 k2 0 2 0 2 d o ( 22 ) 式中，r 为比例系数；k 为烟气的减光系数；d o 为烟气单位长度光学密度( 1 m ) 。 同时，烟气中的有些气体，如n h 3 、h f 、s 0 2 等的刺激使人的眼睛睁不开， 从而进一步降低人员的疏散速度，增加了中毒或烧死的可能性。图2 1 给出了暴 行 + 1 0 走 速 度 ( n v s ) 0 5 o 0 20 40 60 81 0 减光系统i ( i m ) 图2 1 刺激性烟气对人员行走速度的影响 1 2 第二章地铁车站火灾烟气理论 露在刺激性和非刺激性烟气的情况下，人员行走速度与烟气遮光性的关系。随 着减光系数增大，人的行走速度减慢，而当减光系数相同时，刺激性烟气比非 刺激性烟气对人员行走速度的影响大的多。据此，人员在刺激性烟气中能见度 的经验公式为： 矿：坐! 三二丝! 竺星竺! 兰墨 k c( 疋o 2 5 m 。1 ) ( 2 3 ) 在刺激性烟气中，当减光系数大于o 5 m 。1 时，人员行走速度降低到0 3 m s ，相当 于盲人的行走速度，而且人员在无法睁开眼睛的情况下，只能迂回前进或者沿 着墙壁一步一步的挪动。 5 恐怖性 火灾时的浓烟滚滚，使人们的心理产生恐怖感，有的失去活动能力瘫倒在 地，常常造成疏散混乱，有的失去理智盲目逃跑，造成不必要的伤亡。 2 2 2 流动特性 地铁环境中烟气流动的形成，主要是由于风、机械通风系统和活塞效应造 成的压力差，以及由于温度差造成气体密度差而形成的烟囱效应、浮力与膨胀 力。燃烧时，火焰及燃烧生成的烟气形成的火羽流，由于比周围空气温度高引 起了密度差，从而产生了浮力效应，浮力羽流随即向上升起，周围空气被火焰 及烟气卷吸，使烟气流量增大。当浮力羽流上升到顶棚后，热烟气将形成水平 流动的顶棚射流，撞到四周墙壁后转向下流，但热烟气仍具有一定的浮力，于 是又返回到顶棚下。这样顶棚射流中便形成一连串的漩涡，将烟气层下方的冷 空气不断卷吸进来，最后在顶棚下形成一定厚度的烟气层，其厚度会不断增长。 火灾烟气若不受外界扰动将会保持烟气层与空气层的分层状态乜。 烟气在水平方向上的流动速度通常为0 5 1 2 m s ，但在火灾不同发展时期也 各不相同乜羽。在火灾初期，扩散速度约为0 1 m s ，在火灾发展阶段，烟气扩散速 度可达到o 3 0 8 m s ，在发生轰然的瞬间，烟被喷出的速度可达l o m s 。烟气在 垂直方向上的扩散速度通常为1 - 5 m s ，在楼梯间或管道竖井中由于烟囱效应产 生抽力，烟气上升流动速度可达6 8 m s 。 地铁系统内发生火灾的特性与地上建筑或者一般的地下建筑有