2.3　地铁站模型的建立

2.3.1　地铁站PyroSim火灾模拟

2.3.1.1　地铁站几何模型设定

本次火灾数值模拟以南京某双层岛式地铁站为原型，地下一层为站厅层，设有A、B、C、D 4个出入口直通地面；地下二层为站台层，中部为站台层公共区，一端为设备管理用房，一端为卫生间。

站厅层长120m，宽18m，高6m；站厅一侧为设备间，纵深14.5m；4个出入口分别在站厅层的四个角落，宽6m；站厅层中部均匀分布了14根长1.4m，宽0.9m，高6m的立柱；询问处设置在站厅两端，长3.6m，宽1.9m，高1.2m，里面设置一张桌子和两把座椅；站厅内设有两组自动售票机，分布在站厅的两端出入口附近，每组自动检票机有7台；在付费区和非付费区设置玻璃围栏将其隔开，围栏高1.2m；在进入付费区设置4组闸机，每组有6台闸机，每台闸机长1.9m，宽0.3m，高1.2m，闸机之间间隔0.6m；站厅层有一部通向站台层的电梯，电梯自动门宽0.4m，电梯长3.2m，宽2.8m；在站厅层留有通向站台层的两个楼梯和三个扶梯口，两个楼梯口长9.7m，宽2.6m，在站厅层两侧的扶梯口长9.7m，宽2m，在站厅中间的扶梯口长6.6m，宽2m；站厅层吊顶采用格栅式，装修后站厅层净高度3.8m，在楼扶梯口设置挡烟垂壁。站厅层俯视图如图2.3.1所示。

站台层长139.6m，宽18m，高6m；中间站台层宽10m，两边为列车隧道区，宽3.8m；列车为A型车，按照6辆编组，每辆22 m，总长132m，宽3 m，高3.8m，列车门宽1.4m，高1.9m，每节列车一侧有5对列车门；站台中间均匀分布了18根长1.4m，宽0.9m，高6m的立柱，车站沿站台边缘设有屏蔽系统，屏蔽系统总长度140.7m，屏蔽门玻璃部分高度2.2m，宽1.4m，上部为钢结构；站台层一侧是设备间，长9m，宽5.2m，高6m，另一侧是卫生间，长9.8m，宽5.2m，高6m；楼梯宽2.6m，每阶楼梯高0.2m，宽0.2m，一共30阶楼梯；两侧扶梯宽1m，每阶扶梯高0.2m，宽0.3m，共30阶；中间的扶梯宽1m，每个台阶高0.2m，宽0.2m，共30阶；站厅中间有4组供乘客休息的座椅，每组6个座椅，长0.6m，宽0.5m，高0.4m；垃圾桶位于立柱旁边，长0.8m，宽0.4m，高1m。站台层俯视图如图2.3.2所示。

2.3.1.2　地铁站防排烟系统设定

由于地铁站相对封闭，为保证地铁站内部通风，地铁站一般设置有通风换气系统，将外界新鲜空气与地铁站内空气交换；地铁站内发生火灾，必须把大量的烟气及时排出，因此地铁站还设置了防排烟系统。为节约成本和方便调节，平常的通风换气系统设计和火灾时防排烟系统共用管道，因此本次模拟中均设定为机械通风方式。为更加真实模拟地铁站火灾场景，本文按照《地铁设计规范》中对地铁站中通风换气系统和防排烟系统的要求，通过计算设定地铁站内每个通风口的通风量、排烟量和送风量。

（1）平常的通风换气系统设计　根据《地铁设计规范》（GB 50157—2013）规定，采用开式通风系统每个乘客每小时需供应新鲜空气30m³，站台的人流密度为0.5人/m²，站台面积139.6×（18-3.8-3.8）=1451.84m²（除去隧道区），则站台容纳人数726人，因此，站台需要的通风量应为30×726/3600=6.05m³/s。

同理，站厅面积为（120-14.5）×18=1899m²（除去设备间），容纳人数为1899×0.5=950人，需要的新鲜空气量为30×950/3600=7.92m³/s。考虑一定的安全余量，站台、站厅的通风量均设计为10m³/s。

（2）排烟设计　站台、站厅均设置机械排烟系统，排烟量按建筑面积1m³/（m²·min）进行设计。站台面积139.6×（18-3.8-3.8）=1451.84m²（除去隧道区），设计排烟量1451.84m³/min=24.2m³/s，送风采用机械送风方式，送风量为排烟量的50%，即12.1m³/s。

站厅面积为（120-14.5）×18=1899m²（除去设备间），设计排烟量1899m³/min=31.65m³/s，送风量为排烟量的50%，即15.83m³/s。

在站厅层和站台层均匀设置60个通风排烟口，每个通风排烟口的大小为0.6m×0.6m，因此站厅和站台每个风口的正常通风量为0.17m³/s；站厅层每个风口的排烟量为0.53m³/s，送风量为0.27m³/s；站台层每个通风口的排烟量为0.4m³/s，送风量为0.2m³/s。

2.3.1.3　火源位置的确定

结合上文对地铁站各类火灾危险向分析，为研究的目的，考虑最不利的火灾场景，因此设定PyroSim火灾模型的火源位置如下：

① 站厅火灾：站厅中部询问处火灾（火源位置1），如图2.3.3所示。

② 站台火灾：站台中部靠近楼梯口（火源位置2），如图2.3.4所示。

③ 列车火灾：站台轨道区列车（火源位置3），如图2.3.5所示。

2.3.1.4　火源功率的设定

（1）火源类型　按照火灾的增长特性，可以将地铁站火灾场景分为以下几种类型。

① 定常火源。定常火源就是指火源的火灾功率为一个常量，不随时间变化。

② 时间增长火。时间增长火指火源的火灾功率总是不稳定的，随时间变化的火灾。实际火灾发展阶段分为不稳定增长的阴燃阶段和稳定增长阶段，本次数值模拟中不考虑阴燃阶段，则稳定增长阶段的火灾功率Q 为：

Q=αt²

根据α取值不同，时间增长火火可以分为慢速增长、中速增长、快速增长和超快速增长4种类型。α的取值是根据火源功率达到1055kW的时间而得出的，如表2.3.1所示。

有些火灾按照t²规律燃烧一段时间后，达到最大热释放速率便不再增长，趋于某一常量，此时可采用t²-定常火源进行简化处理。

（2）最大热释放速率的确定　在确定地铁站内不同区域火灾的最大热释放速率时，应考虑该区域可能的最危险的火灾情况。设定站厅层公共区可能的不利工况为询问处火灾；站台层公共区可能的不利工况情况为行李火灾；站台层轨道区不利工况情况为列车火灾。

① 询问处火灾最大热释放速率的确定。根据NIST试验所测得的木质乘客服务处火灾热释放速率，其火灾发展速率为t²快速火，最大热释放速率为1.75MW。目前国内地铁站厅所设询问处并不是木质的，但考虑到询问处电脑、电缆等电器设备较多，因此，将询问处的最大热释放速率确定为2MW。

② 行李火灾最大热释放速率确定。根据上海消防研究所开展的行李火灾试验可知，普通行李火灾的发展速率介于慢速火与中速火之间，考虑到模拟最不利因素，将行李火灾发展速率确定为中速火。单个11kg重行李包的最大热释放速率为250kW，假定最不利情况，单个着火的行李包同时引燃周围4个行李包，保守认为火灾的最大热释放速率为1.25MW。考虑一定的安全系数，将行李火灾的最大热释放速率确定为1.5MW。

③ 列车火灾热释放速率确定。由于列车火灾的全尺寸实验非常困难，很难获得列车火灾热释放速率，导致关于地铁站列车火灾热释放速率的数据很少。国外一些发达国家研究地铁列车火灾时一般采用5～50MW，且重点研究10MW情况下的列车火灾。随着人们对地铁消防安全越来越重视，地铁列车内装饰物可燃材料的使用已大幅降低，列车燃烧最大热释放速率也在不断降低，例如香港新机场线的列车已降低至5MW。本文综合各方面的资料，按每辆列车最大火灾功率5MW考虑，考虑1.5倍的安全系数后即按7.5MW设定。

综上所述，地铁不同区域火灾最大热释放速率如表2.3.2所示。

则将表2.3.2中火灾类型和最大热释放速率带入公式Q=αt²中，可以得出各火灾场景达到峰值的时间t，如表2.3.3所示。

则各火灾场景的火灾功率曲线如图2.3.6～图2.3.8所示。

2.3.1.5　网格的设定

PyroSim计算都必须根据网格计算，为即达到最佳模拟精度又使得模拟计算更快，网眼在三个方向的长度最好接近。该地铁站模型站厅层长120m，宽18m，高6m，站台层长139.6m，宽18m，高6m，为了使数值模在各个火灾场景下数值模拟速度既准又快，因此将该地铁站网格分站厅和站台层两部分，分不同火灾场景分别设置，具体见表2.3.4。

2.3.1.6　火灾监测设备的设定

根据上文对地铁站火灾危险性分析得知，影响人员疏散和消防员内攻灭火的主要因素是地铁站内的高温、一氧化碳浓度、能见度和热辐射。在地铁站火灾人员疏散时，要确保人员在疏散过程中不受烟气、高温等影响，就必须将烟气层控制在疏散人群头部以上一定高度的位置。根据统计中国成年男性的平均身高为169.7cm，成年女性的平均身高为158.6cm，考虑一定的安全系数，则本文设定临界安全高度为1.8m，并根据1.8m处温度、一氧化碳和能见度是否达到人员承受极限值，来判断疏散人员是否安全。

地铁站人员疏散的瓶颈主要是列车门、楼梯口、闸机等狭窄的空间，如果在疏散通道上临界安全高度1.8m处温度超过43℃，能见度低于10m，一氧化碳浓度大于800×10^-6时，则判定此处为危险区域，进入此处的疏散人员将被困在地铁站内无法逃出；根据《油罐火灾扑救中消防员的热辐射防护研究》中对消防队部所配备的战斗服、隔热服和避火服进行试验，发现战斗服的防护薄弱点在下巴处，隔热服防护的薄弱点在面罩区域，避火服防护性能较好，没有明显的薄弱点，因此热辐射探测设备的高度设定为距离地板1.6m处。为了能够获得地铁站火灾中的温度、一氧化碳浓度、能见度和热辐射等数据，则需要在距离火源上、下风方向15m处，距离火源15m范围内立柱后面等关键位置设定热辐射探测设备，在站厅和站台层距离地板1.8m处设置温度、能见度和CO浓度切片。

2.3.1.7　火灾工况的设定

（1）排烟方案的确定　地铁车站及区间隧道内都设有防、排烟系统，并且排烟风机在250℃下能够连续有效工作1h，因此地铁火灾事故的排烟要以固定排烟设施为主进行排烟，保证地铁站内乘客能够“逆风”疏散，减轻高温毒烟对乘客的危害。

① 站厅火灾排烟。站厅层发生火灾，应开启站厅层的排烟风机，将站厅层内的烟气排出地铁站，同时为了防止站厅层的烟气通过楼梯蔓延进入站台层，则需要打开站台层的送风机和隧道两端的送风机，向站台层正压送风，以便站台层形成正压，防止站厅层的烟气侵入站台层，影响站台层人员疏散。

② 站台公共区域火灾排烟。站台层公共区域发生火灾，开启站台层的排烟风机，将站台层内的烟气排出，同时开启没有停靠列车一侧隧道的排烟风机，开启停靠列车一侧隧道的送风风机，向站台层送风，防止站台层的烟气侵入列车停靠的轨道区。为了防止站台层的烟气进入站厅，应开启站厅的送风风机，保证站厅正压站台负压，尽快将烟气排出。

③ 站台轨道区列车火灾排烟。站台轨道区发生火灾，为了防止烟气进入站台公共区域内，为人员疏散创造逆风条件，应开启靠近着火点一侧隧道的排烟风机，远离着火点一侧隧道的送风风机；同时应开启站厅、站台层和轨道区另一侧两端隧道的送风风机，在站厅、站台层形成正压，防止烟气侵入。因此确定的排烟方案如表2.3.5所示。

（2）排烟系统进入事故状态时间的确定　排烟系统进入事故状态时间指从火灾发生到地铁站内排烟系统进入事故状态所需的时间，主要包括人员反应时间和设备反应时间。当人发现火灾后会产生不同的行为反应。不同性别、年龄和教育程度的人对火灾的第一行为反应不同，地铁站工作人员从发现火灾到转换排烟设备状态共为60s。《地铁设计规范》规定：在事故状况下参与运转的排烟送风设备，从静止状态转换成事故工况状态所需的时间不超过30s，从运转状态转换为事故状态所需的时间不应超过60s。由于本次模拟的地铁站站厅、站台内风机一直给地铁站内送风，所以站台层和站厅层的响应时间为120s；隧道风机是从静止状态转换成事故状态的，因此站台轨道区的响应时间为90s。如表2.3.6所示。

（3）工况的确定　由于地铁站工作人员应对地铁站突发事件的能力不同，有的工作人员可能会在第一时间按照地铁站应急预案，开启排烟系统等固定消防设施；有的工作人员可能由于心理恐慌，一时不知道怎么办，于是跟着乘客开始逃生，没有将排烟系统转化成事故状态，排烟系统仍然处于通风状态，即站台站厅层排烟系统正常通风，轨道区隧道两端风机静止。因此根据火灾发生的位置和排烟系统的状态，确定如表2.3.7所示的工况。