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摘要: 运用FDS数值模拟软件，以西安地铁二号线体育场站的岛式站台车站为例进行火灾仿真与模拟。在不改变地铁站台传统通风排烟方式的前提下，当岛式站台中央处、楼梯前和区间轨道处分别发生火灾时，通过减少屏蔽门开启数量、改变楼梯开口形式和减少楼梯数量等方法。分析火灾温度场变化规律、烟气的浓度及其流动规律，分析安全高度以及楼梯口处温度及其变化规律。依据性能化防火设计原理及数值模拟的结果提出合理的防火设计方法，为地铁通风排烟设计提供帮助。
关键词: FDS；岛式站台；屏蔽门；通风排烟；性能化防火设计
FDS-based fire analysis and research of Island platform station
LI Jin, WANG Junying, ZHEN Longfei
(College of Civil Engineering ,Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055,China )
Abstract : Appling the FDS software, On the pretence of Stadium island platform station in Xi'an No.2 subway to do a fire simulation.Reducing the amount of shielding door open ,changing stair openings and cutting down the number of stairs is where this paper desires to search the best mode of ventilation and smoke exhaust without altering the traditional one. We can operate FDS software handling the rules of the smoke concentration and flow rule and the variation of the temperature at security level at the foot of the stairs when fire occour in the center of the platform, stairs and the interval track. Some reasonable fire design methods are put forward according to the results of the numerical simulation and the principle of performance-based fire protection design ,which are helpful to the subway ventilation and smoke exhaust design.
Key wordsFDS；island plat；platform screen door；ventilation and smoke exhaust；performance-based fire protection design
中圖分类号： TL351文献标识码： A
0引 言
地铁是城市现代化发展和进步的重要标志，在解决现代交通问题、给人们带来便捷的同时，地铁火灾预防和控制的新挑战也伴随而来。地铁具有深埋地下、空间狭长又相对封闭、客流量大和逃生路径少的特点[1]。传统的指令式设计理念已经越来越不能满足其设计要求。性能化防火设计与指令式设计相比具有灵活性、安全性、经济性和科学性的特点，它作为一种新型的防火设计方法，运用消防安全工程的原理，整体考虑建筑物结构应达到一定的性能化目标，根据结构的实际情况定性、定量的评估和预测，最终得到最佳的防火设计[2-3]。
理论上通过改变地铁车站的通风排烟方式，可以实现控制烟气、降低楼梯口的温度和降低烟气层厚度的理想状态，但在实际工程中通风排烟方式的改变必然会对环控系统的技术提出更高的要求，有的甚至还会增加设备的投资。运用性能化防火设计的原理，本文利用FDS（Fire Dynamics Simulator）软件，以西安地铁二号线体育场站的岛式站台车站为例，通过分析岛式站台中央处、楼梯前和区间轨道处发生火灾时的烟气浓度及流动规律、安全高度处水平面（1.6m人眼高度）的温度、竖向温度和楼梯口温度的变化情况，根据数值模拟的结果，推断通风排烟的合理方式。
1火源的设定
根据北京地铁乘客所带行李统计分析，行李重量一般在5-10kg。据测试单件重量11 kg的行李包最大热释放率约为250kw，考虑最不利情况时行李火灾的热释放率一般不会超过2MW。由于新型车辆大都采用不然或是难燃材料，一般要求将一节车厢的热释放率控制在5MW。所以本文在站台层发生火灾时取2MW[4]，区间隧道发生火灾时取5MW[5]。
2 数值模拟及模拟工况
本文利用PyroSim软件进行建模，它是一款由美国的Thunderhead Engineening公司开发的火灾模拟器（FDS）前处理和后处理软件,提供三维图形化前处理功能，其可视化的编辑效果使我们能够边编辑边查看所建模型[6-8]。
2.1 模型的建立
西安地铁二号线体育场站总建筑面积为10151.16 m2，站台类型为岛式站台[9]，为方便计算在建模时对模型做了适当的简化，如图1所示.
图1地铁岛式站台车站模型
站台长120m，宽16 m，高11 m。分为站厅层和站台层两部分，站厅层两端各有一个出口与地面相连，门口尺寸为4.2×2.1 m；站台层与站厅层之间通过4个开口尺寸为4×6 m的楼梯相连，楼梯从左到右依次编号1、2、3、4，站台分为12个开间，每个开间宽10m并且两侧各设置12个屏蔽门，屏蔽门尺寸为长2.0m，高为2.1 m 。计算网格大小为0.25×0.25×0.21 m，计算机模拟时间设定为360s，火灾发生60s的时候开启通风排烟设备进行通风排烟。
2.2站台火灾数值模拟工况
地铁站台不同位置发生火灾时，在自然状态下和横向排烟方式下，分别在改变楼梯开口形式和屏蔽门的开启数量以及减少楼梯数量情况下进行数值模拟，共设置14组 t2快速增长的站台火灾模拟工况，如表1所示：
表1岛式站台火灾烟气数值模拟工况
2.3 岛式站台发生火灾的温度、烟气等变化规律数值模拟分析
由工况1模拟结果知，自然状态下站台中央发生火灾时，在360s时站台层和站厅层就已经被笼罩在浓烟之中，给人员疏散和火灾扑救带来了很大的困难，所以此地铁岛式站台必须进行机械排烟才能满足控制烟气的要求。
2.3.1 屏蔽门开启数量对通风排烟的影响
工况2、工况3火灾都发生在站台中央，4部楼梯开口相向而立，分别开启12个和6个屏蔽门。模拟结果如下：
图2 工况2 竖向烟气分布和站台层烟气分布
图3 工况3竖向烟气分布和站台层烟气分布
由图2和图3可看出，两种工况下，80s时站厅层都开始有烟气从楼梯口处流进，站台层被烟气弥漫，240s时站厅层烟气已被完全排出，到360s时烟气被控制在2、3号楼梯之间。工况3中烟气浓度比工况2低的多，排烟效率远大于工况2。
(a) 工况2中 1.6m高度处温度分布
（b）A-A剖面温度分布
图4 工况2下1.6m高度处温度分布及A-A剖面温度分布
（a）工况3中 1.6m高度处温度分布
（b）A-A剖面温度分布
图5工况3下 1.6m高度处温度分布及A-A剖面温度分布
从图4图5可以看出，工况3中1.6m高度处的最高温度为70℃，小于工况2的最高温度75℃,工况3中的2、3号楼梯温度比工况2的低。但两种工况下的2、3号楼梯由于温度较高都不适合人员的疏散，乘客可以从1、4号楼梯安全逃出。
由图6可知，在通风排烟启动前的60s内楼梯口温度不断上升，60s之后开始下降并最终趋于稳定， 1、4号楼梯口温度低于火源附近的2、3号楼梯口温度。通风排烟启动之后工况3中楼梯口温度明显比工况2的要低。
从安全高度处水平面（1.6m人眼高度）的温度、竖向温度和楼梯口温度以上这三个方面分析知,当火灾发生在站台中央时，开启6个屏蔽门比开启12个更有利于通风排烟和人员疏散。同样方法模拟工况4和5、6和7，结果证明当火灾发生在楼梯前和轨道处时，结论同样成立。
(a) 工况2楼梯口温度
（b）工况3楼梯口温度
图6工况2及工况3楼梯口温度
2.3.2 楼梯开口形式对通风排烟的影响
工况8、工况9 火灾都发生在站台中央，4部楼梯开口相背而立，分别开启12和6个屏蔽门。模拟结果如下：
图7 工况8竖向烟气分布和站台层烟气分布
图8 工况9竖向烟气分布和站台层烟气分布
（a）工况8楼梯口处温度
（b）工况9楼梯口处温度
图9工况8及工况9楼梯口处温度
从图7和图8可以看到，在火灾发生80s时工况9站厅层就已经没有烟气，竖向烟气排烟效果明显高于工况8；由图9知，工况9中楼梯口的温度低于工况8，可见，开启6了屏蔽门比12个利于防火的结论在楼梯开口相背而立的情况下也成立。
接下来我们将以开启一定数量屏蔽门的情况分析楼梯的开口形式对通风排烟的影响。
（a）工况3 火灾发生80s時烟气分布
（b）工况9 火灾发生80s时烟气分布
图10工况3及工况9 火灾发生80s时烟气分布
图11 工况9中 1.6m高度处360s时温度分布
工况9与工况3对比分析，从图10可看出，工况3在80s时站厅层还有一定量的烟气，而工况9在80s时已将烟气控制在站台层2、3号楼梯之间，240s和360s时浓度没有增加，烟气得到了有效的控制；比较图5（a）和图11，工况9中1.6m高度处的最高温度为65℃低于工况3的70℃；图6（b）和图9（b）显示两种工况下楼梯口的温度相差不大。
综合安全高度处水平面的温度、竖向温度和楼梯口温度以上三个方面来考虑，当火源在站台中央时，采用楼梯开口相背而立比相向而立防火性能好。同样方法模拟工况10、11，分别与工况5、6对应。根据模拟结果知，当火灾发生在楼梯前和轨道处时也符合这一结论。
2.3.3 楼梯数量对通风排烟的影响
工况12火灾发生在站台层中央处，2部楼梯开口相背而立，开启6个蔽门， 与工况9对应分析，模拟结果如下：
在通风排烟之前的60s内，由于从站台层通向站厅层的楼梯数量工况9多于工况12，所以从楼梯口流向站厅层的烟气明显比工况12的多，从图13可以看到360s时烟气的扩散范围小于工况9，而且烟气浓度也比较低。
（a）工况9火灾发生60s时竖向烟气分布
（b）工况12 火灾发生60s时竖向烟气分布
（c）工况9火灾发生360s时竖向烟气分布
（d）工况12 火灾发生360s时竖向烟气分布
图12工况9及工况12 火灾发生60s和360s时竖向烟气分布
（a）工况9 火灾发生360s时站台层烟气分布
（b）工况12 火灾发生360s时站台层烟气分布
图13工况9及工况12 火灾发生到360s时站台层烟气分布
通过图14对比分析两种情况下1、4号楼梯口处的温度，60s之前工况9中1、4号楼梯口温度较低。等到通风排烟之后，工况12有效地将烟气控制在一定范围内，有利于人员向站厅层安全逃离。
图14 工况9和工况12 楼梯口处温度对比
由以上分析可知，设置两部楼梯设置比四部楼梯对防火更有利。同样方法模拟工况13、14，分别与工况10、11对比分析，结果发现火灾发生在楼梯前和轨道处时，上述结论同样成立。
3 结论
1）屏蔽门的开启数量对地铁岛式站台的通风排烟和人员疏散有较大影响。在楼梯开口形式和数量一定的情况下，开启6部屏蔽门比全部开启12部更加有利于通风排烟。
2）同样情况下，采用楼梯开口向背的设计形式比相向的形式对岛式站台的通风排烟及人员疏散更有利，在性能化防火设计中，应采取楼梯开口相背的方式。
3）站台层至站厅层的楼梯并非越多越好，在不影响客流量的前提下应该适当减少楼梯的数量。
[参考文献]
[1] 赵明桥.地下铁道火灾烟气分区控制及人员疏散模式研究[D].长沙：中南大学，2011.
[2]李引擎.建筑防火的性能化设计[M].北京:化学工业出版社，2005: 1-140.
[3]李炎峰，李俊梅.建筑火灾安全技术「M].北京:中国建筑工业出版社，2009:166-172.
[4] 地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究[R].公安部天津消防研究所, 2006,37-38.
[5] 地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究[R].公安部天津消防研究所,2006,46-47.
[6]谭科峰.基于FDS的水喷淋热辐射防护效用研究[D].北京：中国石油大，2011.
[7]徐幼平，周彪，张腾.FDS在工业火灾中的应用[J].工业安全与环保.2008,34(5):60-61.
[8]Kevin McGrattan. NIST Special Publication 1018 Fire Dynamics Simulator（4）Technical Reference Guide. National Technical Information Service (NIST), U.S. DepartmentofCommerce , USA,2005.
[9] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社，2006.
作者简介：李进（1963-），男，河北石家庄人，西安建筑科技大学副教授，研究方向为土木工程智能建筑，土木工程结构优化.
关键词: FDS；岛式站台；屏蔽门；通风排烟；性能化防火设计
FDS-based fire analysis and research of Island platform station
LI Jin, WANG Junying, ZHEN Longfei
(College of Civil Engineering ,Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055,China )
Abstract : Appling the FDS software, On the pretence of Stadium island platform station in Xi'an No.2 subway to do a fire simulation.Reducing the amount of shielding door open ,changing stair openings and cutting down the number of stairs is where this paper desires to search the best mode of ventilation and smoke exhaust without altering the traditional one. We can operate FDS software handling the rules of the smoke concentration and flow rule and the variation of the temperature at security level at the foot of the stairs when fire occour in the center of the platform, stairs and the interval track. Some reasonable fire design methods are put forward according to the results of the numerical simulation and the principle of performance-based fire protection design ,which are helpful to the subway ventilation and smoke exhaust design.
Key wordsFDS；island plat；platform screen door；ventilation and smoke exhaust；performance-based fire protection design
中圖分类号： TL351文献标识码： A
0引 言
地铁是城市现代化发展和进步的重要标志，在解决现代交通问题、给人们带来便捷的同时，地铁火灾预防和控制的新挑战也伴随而来。地铁具有深埋地下、空间狭长又相对封闭、客流量大和逃生路径少的特点[1]。传统的指令式设计理念已经越来越不能满足其设计要求。性能化防火设计与指令式设计相比具有灵活性、安全性、经济性和科学性的特点，它作为一种新型的防火设计方法，运用消防安全工程的原理，整体考虑建筑物结构应达到一定的性能化目标，根据结构的实际情况定性、定量的评估和预测，最终得到最佳的防火设计[2-3]。
理论上通过改变地铁车站的通风排烟方式，可以实现控制烟气、降低楼梯口的温度和降低烟气层厚度的理想状态，但在实际工程中通风排烟方式的改变必然会对环控系统的技术提出更高的要求，有的甚至还会增加设备的投资。运用性能化防火设计的原理，本文利用FDS（Fire Dynamics Simulator）软件，以西安地铁二号线体育场站的岛式站台车站为例，通过分析岛式站台中央处、楼梯前和区间轨道处发生火灾时的烟气浓度及流动规律、安全高度处水平面（1.6m人眼高度）的温度、竖向温度和楼梯口温度的变化情况，根据数值模拟的结果，推断通风排烟的合理方式。
1火源的设定
根据北京地铁乘客所带行李统计分析，行李重量一般在5-10kg。据测试单件重量11 kg的行李包最大热释放率约为250kw，考虑最不利情况时行李火灾的热释放率一般不会超过2MW。由于新型车辆大都采用不然或是难燃材料，一般要求将一节车厢的热释放率控制在5MW。所以本文在站台层发生火灾时取2MW[4]，区间隧道发生火灾时取5MW[5]。
2 数值模拟及模拟工况
本文利用PyroSim软件进行建模，它是一款由美国的Thunderhead Engineening公司开发的火灾模拟器（FDS）前处理和后处理软件,提供三维图形化前处理功能，其可视化的编辑效果使我们能够边编辑边查看所建模型[6-8]。
2.1 模型的建立
西安地铁二号线体育场站总建筑面积为10151.16 m2，站台类型为岛式站台[9]，为方便计算在建模时对模型做了适当的简化，如图1所示.
图1地铁岛式站台车站模型
站台长120m，宽16 m，高11 m。分为站厅层和站台层两部分，站厅层两端各有一个出口与地面相连，门口尺寸为4.2×2.1 m；站台层与站厅层之间通过4个开口尺寸为4×6 m的楼梯相连，楼梯从左到右依次编号1、2、3、4，站台分为12个开间，每个开间宽10m并且两侧各设置12个屏蔽门，屏蔽门尺寸为长2.0m，高为2.1 m 。计算网格大小为0.25×0.25×0.21 m，计算机模拟时间设定为360s，火灾发生60s的时候开启通风排烟设备进行通风排烟。
2.2站台火灾数值模拟工况
地铁站台不同位置发生火灾时，在自然状态下和横向排烟方式下，分别在改变楼梯开口形式和屏蔽门的开启数量以及减少楼梯数量情况下进行数值模拟，共设置14组 t2快速增长的站台火灾模拟工况，如表1所示：
表1岛式站台火灾烟气数值模拟工况
2.3 岛式站台发生火灾的温度、烟气等变化规律数值模拟分析
由工况1模拟结果知，自然状态下站台中央发生火灾时，在360s时站台层和站厅层就已经被笼罩在浓烟之中，给人员疏散和火灾扑救带来了很大的困难，所以此地铁岛式站台必须进行机械排烟才能满足控制烟气的要求。
2.3.1 屏蔽门开启数量对通风排烟的影响
工况2、工况3火灾都发生在站台中央，4部楼梯开口相向而立，分别开启12个和6个屏蔽门。模拟结果如下：
图2 工况2 竖向烟气分布和站台层烟气分布
图3 工况3竖向烟气分布和站台层烟气分布
由图2和图3可看出，两种工况下，80s时站厅层都开始有烟气从楼梯口处流进，站台层被烟气弥漫，240s时站厅层烟气已被完全排出，到360s时烟气被控制在2、3号楼梯之间。工况3中烟气浓度比工况2低的多，排烟效率远大于工况2。
(a) 工况2中 1.6m高度处温度分布
（b）A-A剖面温度分布
图4 工况2下1.6m高度处温度分布及A-A剖面温度分布
（a）工况3中 1.6m高度处温度分布
（b）A-A剖面温度分布
图5工况3下 1.6m高度处温度分布及A-A剖面温度分布
从图4图5可以看出，工况3中1.6m高度处的最高温度为70℃，小于工况2的最高温度75℃,工况3中的2、3号楼梯温度比工况2的低。但两种工况下的2、3号楼梯由于温度较高都不适合人员的疏散，乘客可以从1、4号楼梯安全逃出。
由图6可知，在通风排烟启动前的60s内楼梯口温度不断上升，60s之后开始下降并最终趋于稳定， 1、4号楼梯口温度低于火源附近的2、3号楼梯口温度。通风排烟启动之后工况3中楼梯口温度明显比工况2的要低。
从安全高度处水平面（1.6m人眼高度）的温度、竖向温度和楼梯口温度以上这三个方面分析知,当火灾发生在站台中央时，开启6个屏蔽门比开启12个更有利于通风排烟和人员疏散。同样方法模拟工况4和5、6和7，结果证明当火灾发生在楼梯前和轨道处时，结论同样成立。
(a) 工况2楼梯口温度
（b）工况3楼梯口温度
图6工况2及工况3楼梯口温度
2.3.2 楼梯开口形式对通风排烟的影响
工况8、工况9 火灾都发生在站台中央，4部楼梯开口相背而立，分别开启12和6个屏蔽门。模拟结果如下：
图7 工况8竖向烟气分布和站台层烟气分布
图8 工况9竖向烟气分布和站台层烟气分布
（a）工况8楼梯口处温度
（b）工况9楼梯口处温度
图9工况8及工况9楼梯口处温度
从图7和图8可以看到，在火灾发生80s时工况9站厅层就已经没有烟气，竖向烟气排烟效果明显高于工况8；由图9知，工况9中楼梯口的温度低于工况8，可见，开启6了屏蔽门比12个利于防火的结论在楼梯开口相背而立的情况下也成立。
接下来我们将以开启一定数量屏蔽门的情况分析楼梯的开口形式对通风排烟的影响。
（a）工况3 火灾发生80s時烟气分布
（b）工况9 火灾发生80s时烟气分布
图10工况3及工况9 火灾发生80s时烟气分布
图11 工况9中 1.6m高度处360s时温度分布
工况9与工况3对比分析，从图10可看出，工况3在80s时站厅层还有一定量的烟气，而工况9在80s时已将烟气控制在站台层2、3号楼梯之间，240s和360s时浓度没有增加，烟气得到了有效的控制；比较图5（a）和图11，工况9中1.6m高度处的最高温度为65℃低于工况3的70℃；图6（b）和图9（b）显示两种工况下楼梯口的温度相差不大。
综合安全高度处水平面的温度、竖向温度和楼梯口温度以上三个方面来考虑，当火源在站台中央时，采用楼梯开口相背而立比相向而立防火性能好。同样方法模拟工况10、11，分别与工况5、6对应。根据模拟结果知，当火灾发生在楼梯前和轨道处时也符合这一结论。
2.3.3 楼梯数量对通风排烟的影响
工况12火灾发生在站台层中央处，2部楼梯开口相背而立，开启6个蔽门， 与工况9对应分析，模拟结果如下：
在通风排烟之前的60s内，由于从站台层通向站厅层的楼梯数量工况9多于工况12，所以从楼梯口流向站厅层的烟气明显比工况12的多，从图13可以看到360s时烟气的扩散范围小于工况9，而且烟气浓度也比较低。
（a）工况9火灾发生60s时竖向烟气分布
（b）工况12 火灾发生60s时竖向烟气分布
（c）工况9火灾发生360s时竖向烟气分布
（d）工况12 火灾发生360s时竖向烟气分布
图12工况9及工况12 火灾发生60s和360s时竖向烟气分布
（a）工况9 火灾发生360s时站台层烟气分布
（b）工况12 火灾发生360s时站台层烟气分布
图13工况9及工况12 火灾发生到360s时站台层烟气分布
通过图14对比分析两种情况下1、4号楼梯口处的温度，60s之前工况9中1、4号楼梯口温度较低。等到通风排烟之后，工况12有效地将烟气控制在一定范围内，有利于人员向站厅层安全逃离。
图14 工况9和工况12 楼梯口处温度对比
由以上分析可知，设置两部楼梯设置比四部楼梯对防火更有利。同样方法模拟工况13、14，分别与工况10、11对比分析，结果发现火灾发生在楼梯前和轨道处时，上述结论同样成立。
3 结论
1）屏蔽门的开启数量对地铁岛式站台的通风排烟和人员疏散有较大影响。在楼梯开口形式和数量一定的情况下，开启6部屏蔽门比全部开启12部更加有利于通风排烟。
2）同样情况下，采用楼梯开口向背的设计形式比相向的形式对岛式站台的通风排烟及人员疏散更有利，在性能化防火设计中，应采取楼梯开口相背的方式。
3）站台层至站厅层的楼梯并非越多越好，在不影响客流量的前提下应该适当减少楼梯的数量。
[参考文献]
[1] 赵明桥.地下铁道火灾烟气分区控制及人员疏散模式研究[D].长沙：中南大学，2011.
[2]李引擎.建筑防火的性能化设计[M].北京:化学工业出版社，2005: 1-140.
[3]李炎峰，李俊梅.建筑火灾安全技术「M].北京:中国建筑工业出版社，2009:166-172.
[4] 地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究[R].公安部天津消防研究所, 2006,37-38.
[5] 地铁防排烟设计参数及烟气控制系统研究[R].公安部天津消防研究所,2006,46-47.
[6]谭科峰.基于FDS的水喷淋热辐射防护效用研究[D].北京：中国石油大，2011.
[7]徐幼平，周彪，张腾.FDS在工业火灾中的应用[J].工业安全与环保.2008,34(5):60-61.
[8]Kevin McGrattan. NIST Special Publication 1018 Fire Dynamics Simulator（4）Technical Reference Guide. National Technical Information Service (NIST), U.S. DepartmentofCommerce , USA,2005.
[9] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社，2006.
作者简介：李进（1963-），男，河北石家庄人，西安建筑科技大学副教授，研究方向为土木工程智能建筑，土木工程结构优化.