CN104064094A - 一种制定施工中地铁车站火灾疏散方案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制定施工中地铁车站火灾疏散方案的方法，本发明针对地铁车站施工过程中，只有主体结构施工完成，消防、通风和其它防护措施尚未安装的条件下发生火灾时温度和烟气分布情况，为火灾时人员疏散提供参考，包括确定地铁车站施工过程中发生火灾时温度和烟气分布情况，使用FDS软件，根据车站的具体条件建模，在车站主体六个代表性位置设置火源。模拟这些位置分别起火后烟气扩散速度及到达疏散通道时间，以及这五个疏散通道出口处温度随时间的变化规律。可广泛用于施工过程中，对地铁车站的火灾发生发展过程进行模拟，确定温度和烟气分布情况，进而制定疏散方案。

Description

一种制定施工中地铁车站火灾疏散方案的方法

技术领域

本发明涉及 火灾数值模拟，特别是涉及地铁车站施工过程中火灾的模拟，以及确定温度和烟气分布情况。

背景技术

随着城市化进程的加快，交通问题日益显著，地铁是缓解城市交通紧张的有效工具，在许多国家和城市得到广泛的应用。但在地铁施工过程中一个不可忽视的问题就是如何防治地铁火灾。地铁火灾由于发生在地下，相比于地面火灾有其特殊性。特别是施工过程中的地铁车站，只完成了主体工程，没有完善的通风消防系统，加之工期紧任务重、现场扎乱、电气设备漏电、人员操作失误等一系列原因，极易造成火灾。车站施工人员流量大，人员集中，同时出入口少，一旦发生火灾，极易造成群死群伤。施工中的原材料大多可燃,有些材料燃烧时还会产生毒性气体，加上通风不好和地下供氧不足，不完全燃烧，烟雾浓，发烟量大。大量烟雾只能从一两个洞口向外涌，且在无机械通风的情况下运动方向可能与疏散方向一致，容易造成人员窒息。大量有毒烟雾给疏散和救援工作造成很大困难。因此，施工过程中发生火灾的危险性和危害性更应得到重点考虑。

从20世纪80年代就已经开始相关研究，其主要运用的研究方法有实体实验、小尺寸实验和计算机模拟仿真。采用的软件为FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美国NIST(National Institute of Standards and Technology)开发的专门用于分析工业尺度的火灾模拟软件，可以用来研究火灾的特性和评估建筑物的防火灾系统的性能。其原理是通过采用大涡模拟方法求得真实的瞬态流场，通过数值方法计算求解一组描述热力驱动低速流动的Navier-Stokes方程。可用于火灾模拟中的温度、烟气和各种气体的分布信息计算。基于此理论，FDS能够描述很宽范围的火灾现象，代表了目前火灾烟气运动数值模拟的世界领先水平。

本发明使用FDS模拟施工过程中的火灾，选择了车站中6个不同位置相同燃烧条件下的烟气和温度分布，检测了5个施工时人员出口处的温度变化情况。为火灾时施工人员撤离和制定疏散方案提供可靠依据。

发明内容

采用混合分数燃烧模型和大涡湍流模型LES(Large Eddy Simulation)，火场的大小及其他一些参数都可以通过热释放速率来描述。设定火源为稳定庚烷火，热释放功率1000KW。采用LES模型允许的最大网格尺寸为火灾进行模拟。

火灾模拟步骤为：建立车站几何模型、确定模型的边界条件、设定火灾场景（包括：确定火源位置和燃烧时间）、进行模拟、烟尘运动的模拟结果及分析、温度场模拟结果及分析。

边界条件：所有通风口和出入口均连通外界大气，外界1个标准大气压，温度20℃。由于考虑到消防和通风设施的不健全，不设置机械通风和灭火系统。

火灾场景构建：火灾场景一共分为6种，位置为底板和中板的前、中、后位置，着火面为10×6.3m，着火时间为100s。图4为地点1的燃烧面位置。

烟尘运动的模拟结果及分析：通过Smokeview对6种情况模拟的火灾进行分析观察，得到在不同燃烧位置时，烟尘到达各个出口的时间。

温度场模拟结果及分析：模拟过程监测了上层5个出口（中板上1.5m高，接近人体胸部以上高度）处在6个位置火灾发生后100s内的温度变化情况。

根据烟尘运动的模拟结果及分析和温度场模拟结果及分析制定逃生方案。

附图说明

图1 车站中板结构图。

图2 车站纵剖面图。

图3 车站模型结构图。

图4 状态1的燃烧面位置。

图5 火源位置图。

图6 火源在位置2,100s时的烟尘分布图。

图7 火源在位置6,100s时的烟尘分布图。

图8 火源位置1时的各出口温度变化图。

图9 火源位置2时的各出口温度变化图。

图10 火源位置3时的各出口温度变化图。

图11 火源位置4时的各出口温度变化图。

图12 火源位置5时的各出口温度变化图。

图13 火源位置6时的各出口温度变化图。

具体实施方式

方法实施例为大连地铁二号线红旗西路车站主体结构。

几何模型：车站主体为两层，下层为地铁站台，上层为通道。整个车站平均深度31m，底板厚0.77m，中板厚1m，下层高4.1m，上层高4.5m。模型宽22m，站内宽17.3m，模型长177m。中板CAD图，如图1所示。中板上有各种空洞，如电梯，通风孔等。车站纵剖面CAD图，如图2所示。图3为模型结构图，1号和2号通风井贯穿上下两层和土体，出入口和应急通道贯穿上层和土体。

边界条件：所有通风口和出入口均连通外界大气，外界1个标准大气压，温度20℃。由于考虑到消防和通风设施的不健全，不设置机械通风和灭火系统。

火灾场景构建：火灾场景一共分为6种，位置为底板和中板的前、中、后位置，着火面为10×6.3m，着火时间为100s。图4为地点1的燃烧面位置。

在施工时如果发生火灾，施工人员只能通过出入口和消防通道进行逃生。在红旗西路车站总体结构中，可供疏散的有三号出入口消防疏散通道、一号、四号出入口、三号、二号出入口。三号出入口消防疏散通道在车站的前端，一号、四号出入口在车站的中部，三号、二号出入口靠近后端，他们全部设置在车站上层。具体位置详见图3。

设置6个不同的燃烧位置，如图5所示。考察火灾发生100s(实验得100后烟尘流动和温度变化较为稳定)内的5个可供疏散通道位置的温度变化和烟尘到达时间。

1.烟尘运动的模拟结果及分析

通过Smokeview对6种情况模拟的火灾进行分析观察，得到在不同燃烧位置时，烟尘到达各个出口的时间，如表1所示。

表1 烟尘到达出口的时间

注：“9~20,-”表示烟尘9s到达20s后消散，“-”表示在计算时间内无烟尘到达。

从表1可以看出，对于烟尘当火灾发生在2位置时整个结构最危险，如图6所示。发生在6位置时最安全，如图7所示。表中有一些“-”，表示烟尘没有到达。在表中这种情况有15处，大部分集中在下层，就是说在发生火灾时下层较为安全。这种现象是由于烟筒效应造成的，在火源位置3,6处时很明显。由于在车站后部，有通风竖井和1,4号出入口，形成烟筒效应对烟尘进行抽吸作用，使烟尘很难进入下层。“9~20，-”、“10~30，-”、“48~42，-”这种现象也是烟筒效应造成的。由于大气存在压力，火灾初期要排开大气形成烟筒，烟筒受到阻力被迫向周围扩散。当形成车站内部到地面以上一定高度的烟筒后，在车站内部热气流从烟筒中流出，阻力减小，对车站内部形成抽吸作用，助力烟尘排除，但是同时也有将上层烟尘通过其它空洞吸入下层的可能。

2.温度场模拟结果及分析

当火灾发生时，施工人员需从上述5个出口逃生，但是由于火源位置不同，选择的逃生出口也不同。如果选择出口不当，由于温度过高可能无法接近，造成严重后果。应根据不同的火源位置和火灾时间选择出口。模拟过程检测了上层5个出口（中板上1.5m高，接近人体胸部以上高度）处在6种位置火灾发生后100s内的温度变化情况。5个出口温度变化分别如图8~13所示。

为施工人员安全逃生，要确定温度与逃离时间的关系（人在一定温度下能忍受的时间）。由于辐射与烟尘温度数据很难观测到，可采用临界火场温度确定，Caree对健康的穿着的成年男子进行试验后得到推荐温度和忍受时间极限的关系。表2给出了日本《避难设计》提出的空气温度与忍受时间的数据关系。

表2 空气温度与临界时间对应关系表

空气温度(°C)	临界时间(min)	空气温度(°C)	临界时间(min)
				50	>60	130	15
70	60	200~250	5

从图8~13可以看出发生火灾后在很短时间内温度急剧升高，然后达到平稳。根据表2的时间温度划分、图8~13曲线、人员所在位置和疏散时间，找到适合的逃生出口和路径。综上得到如下疏散方案：

火源位置1时，不应从三号出入口消防疏散通道逃生。

火源位置2时，不应从二号、三号出入口进行逃生。

火源位置3时，不应从一号、四号出入口进行逃生。

火源位置4时，不应从一号、四号出入口进行逃生。

火源位置5时，不应从二号、三号出入口进行逃生。

火源位置6时，不应从一号、四号出入口进行逃生。

Claims (8)

1.一种制定施工中地铁车站火灾疏散方案的方法， 其特征在于， 针对地铁车站施工过程中，只有主体结构施工完成，消防、通风和其它防护措施尚未安装，加之物料临时堆放管理不严，人员流动性大，在这种情况下一旦发生火灾，会对人员疏散造成影响并造成严重的财产损失。

2. 其包括如下步骤： 确定地铁车站施工过程中发生火灾时温度和烟气分布情况，使用FDS软件，根据车站的具体条件建模，车站内火灾场景为车站主体6个代表性位置设置火源，模拟这些位置分别起火后烟气扩散速度及到达疏散通道时间，以及这五个疏散通道出口处温度随时间的变化规律，从而得到相应的疏散方案。

3. 根据权利要求1所述的模拟施工中地铁车站火灾的方法，其特征在于， 方法只针对施工过程中的地铁车站进行火灾模拟，其特点是只有主体结构施工完成，消防、通风和其它防护措施尚未安装。

4. 根据权利要求1所述的模拟施工中地铁车站火灾的方法，其特征在于， 车站内火灾场景一共分为6个位置，分别为底板的前、中、后位置和中板的前、中、后位置，着火面为10×6.3m，着火时间为100s。

5. 根据权利要求1所述的模拟施工中地铁车站火灾的方法，其特征在于， 监测出入口和消防通道位置，距地面1.5m高，接近人体胸部以上高度，监测烟尘和温度变化。

6. 根据权利要求4所述的监测烟尘，其特征在于， 通过Smokeview对6个位置模拟的火灾进行分析观察，得到在不同燃烧位置时，烟尘到达出入口和消防通道位置的时间。

7. 根据权利要求4所述的监测温度，其特征在于， 模拟过程监测了上层5个出口（中板上1.5m高，接近人体胸部以上高度）处在6个位置火灾发生后100s内的温度变化情况。

8. 根据权利要求1所述的疏散方案，其特征在于， 根据烟尘运动的模拟结果及分析和温度场模拟结果及分析，并考虑人员所在位置和疏散时间，找到适合的逃生出口和路径制定逃生方案。