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摘要：本文运用CFD模拟计算的方法，对南方某市地铁标准车站的站台公共区火灾时，分别对自然或机械补风，以及屏蔽门的开启方式对排烟效果和楼扶梯处气流的影响进行研究。
关键词：地铁 补风 屏蔽门 站台火灾 楼扶梯
Abstract: in this paper, the CFD simulation method, the southern city subway station platform public area of the standard fire respectively, the natural or mechanical fill the wind, and the platform screen door open means to exhaust effect and the influence of the escalator building in the air.
Key words: the subway platform screen door platform fire up the escalator building
中图分类号：U231+.96文献标识码：A 文章编号：
1． 研究的必要性
在地铁以往的运营线路中，站台火灾时，为尽快排除站台的烟气，将打开一侧全部的屏蔽门，利用区间隧道风机及车站隧道风机辅助排烟。再加上恐慌的情绪，较易造成乘客被从开启的屏蔽门处被挤落至车站隧道因此，为保证乘客疏散安全宜开启尽量少的屏蔽门，且开启的屏蔽门应尽量远离乘客疏散路径，以保证乘客不会被挤落至车站隧道。
图1 站台公共区客流示意图
另外车站火灾时人员的伤亡主要是因吸入高温、有毒气体而造成的，为了保障站台火灾时地铁站内人员的生命安全，由于地铁站台的建筑长度远超过宽度和高度，特别是对于地下三层或深埋车站，仅靠出入口进行自然补风，是否能及时有效地排出烟气以及保证楼扶梯口部的风速，因此有必要研究一下是否需要向站台补充一定的补风量。
2． 站台排烟模式
我国南方某城市的地铁标准车站公共区每端设置一台组合式空调器和回排风机，排烟风机单独设置。以该市正在进行设计的五号线某一标准车站为例，该站排烟风机烟量约85000m3/h。
该线路隧道通风系统采用双活塞系统，即车站的两端对应每条隧道各设置一个活塞风井，车站一端有2个活塞风井。车站每端配置2台（共4台/站）60m3/s，900Pa隧道风机，每端配置一台（共2台/站）40m3/s，600Pa的车站隧道风机，变频运行（如图2）。
图2 隧道通风系统示意图
站台火灾时，开启大系统排烟风机，关闭站厅排烟风管的风阀，仅对站台进行排烟，同时开启火灾侧全部屏蔽门，开启两端各一台隧道风机及车站排热风机辅助排烟，由出入口自然补风。该站没有专门对站台火灾设置机械补风措施，考虑到在站台补风会造成楼扶梯口处的风速下降，因此研究在站厅利用组合式空调器进行补风的情况。
3． 屏蔽门开启方案
为保证乘客疏散宜开启尽量少的屏蔽门，且开启屏蔽门应尽量远离乘客疏散路径。站台公共区两端屏蔽门端门及站台中部附近位于为疏散路径起始处或乘客疏散路径上，乘客较少，以进行对比研究。同时考虑到仅在两端开启屏蔽门，不利于站台中部烟气的排除及中部楼扶梯向下气流的形成，因此，考虑增加开启中部两扇屏蔽门方案，进行研究。
屏蔽门开启方案为：a.开启一侧两端各一扇滑动门；b.开启一侧两端各两扇滑动门；c.开启一侧两端各三扇滑动门；d.开启一侧两端各两扇滑动门，同时开启中部两扇滑动门；e.开启一侧全部滑动门。
4．模拟计算分析
本次研究将采用CFD模拟计算方法，采用美国商用FLUENT计算软件，进行三维模拟计算，以研究分析在站厅自然或机械补风的情况下各种屏蔽门开启方案的气流情况。
4.1边界条件
本次研究采用五号线某一标准车站型式，车站为地下两层，站台长度120米，宽度10米，层高4.5米，站厅层高4.6米，设置三个出入口，出入口长度均为26米，分别位于站厅端部。站台两端分别设置一组楼扶梯，中部设置一组楼梯。车站隧道两端分别设置一条16m2活塞风道兼机械排风口，每端排风/烟量60m3/s。车站隧道区域设置轨顶轨底排烟口，排风/烟量40m3/s，轨顶轨底风量之比为6：4。大系统排烟量为85000m3/h，补风量为40000m3/h，补风口位于站厅顶部。
图3 一端开启两扇屏蔽门模拟计算结果示意图
图4 一端开启两扇，中部开启两扇屏蔽门模拟计算结果示意图
4.2模拟数值分析
表1 自然补风情况下风速汇总表
端部扶梯风速范围(m/s) 中部楼梯风速范围(m/s) 开启屏蔽门风速范围(m/s)
一端开启1扇门 0.8~1.3 0.5~1.0 1.3~3.3
一端开启2扇门 1.1~1.9 0.7~1.2 1.1~2.8
一端開启3扇门 1.3~2.4 1.3~1.9 0.7~2.4
中部开启2扇门 1.1~1.8 1.3~2.0 0.7~2.3
一侧全开 1.5~2.3 1.3~1.9 0.2~1.5
表2 机械补风情况下风速汇总表
端部扶梯风速范围(m/s) 中部楼梯风速范围(m/s) 开启屏蔽门风速范围(m/s)
一端开启1扇门 1.1~1.6 0.9~1.3 1.6~3.6
一端开启2扇门 1.4~2.3 1.3~1.7 1.4~3.1
一端开启3扇门 1.6~2.7 1.5~2.2 1.0~2.7
中部开启2扇门 1.4~2.1 1.6~2.4 1.0~2.6
一侧全开 1.8~2.6 1.7~2.3 0.4~1.8
由表1、2可以看出，自然补风情况下，当一端只开启一扇和两扇屏蔽门时，端部楼扶梯风速范围为0.8~1.3m/s和1.1~1.9m/s，此处仅能形成平均1.1m/s和1.4m/s的稳定向下气流，无法满足规范所要求的1.5m/s的向下气流；一端开启三扇屏蔽门时可形成平均1.8 m/s左右的向下气流；而其余几种方式均能形成大于1.5m/s的向下气流。在机械补风的情况下，风速有所提高，除一端只开启一扇屏蔽门无法满足规范所要求的1.5m/s的向下气流外，其余几种方式均能满足规范要求。
自然补风情况下，当一端只开启一扇屏蔽门时，中部楼梯风速范围为0.5~1.0m/s，此处仅能形成平均0.9m/s的稳定向下气流；一端开启两扇屏蔽门时，楼梯风速范围为0.7~1.2m/s，风速同样有所提高，但一端开启一扇屏蔽门时，中部楼梯风速也无法满足规范要求；一端开启两扇屏蔽门时，中部楼梯恰好可形成1.5m/s的向下气流。
另外从模拟中得知，无论是自然补风还是机械补风，屏蔽门开启越少则通过门的最大风速越高，而通风屏蔽门排风量则越少，如自然补风情况下，一端开启一扇门时，最大风速为3.3m/s，排风量为21.9m3/s；一侧屏蔽门全开时，最大风速仅为1.5m/s，而排风量却达到69.8m3/s
图5 自然补风情况下站台公共区单位面积排烟量示意图
如图5所示，当自然补风情况下站台火灾时，开启屏蔽门及隧道风机辅助排烟，均能在站台公共区形成单位面积远大于60m3/h.m2 的排烟量。如果仅从单位面积排烟量来看，任意一种屏蔽门开启方式均能形成较好的排烟效果，但两端开启屏蔽门的方式，排风主要集中于站台两侧，而站台中部风速较小，排烟效果不明显。在当一端开启两扇屏蔽门时，如果不进行机械补风，端部楼扶梯风速无法满足规范要求；而中部开启屏蔽门及一侧全开的方式，可使整个站台区域排风分面较为均匀，使站台各个区域都能达到较好的排烟效果。
5.结论
根据模拟计算结果，站台火灾时，只开启一侧两端各一扇屏蔽门辅助排烟，由于通风面积过小，风速过高，排烟量较小，即使站厅进行了机械补风，也无法保证楼扶梯的向下风速要求，且排烟效果不理想。两端各开启两扇屏蔽门的方式难以保证两端扶梯和中部楼梯的向下风速，采用开启一侧两端各两扇屏蔽门，中部再开启两扇屏蔽门的开启方式排风量较大，即可满足楼扶梯的向下风速要求，又有利于整个站台排烟风量的合理分配，不会产生两端排烟量较大，中部排烟量较小的状况，且所开启屏蔽门均远离乘客疏散路径，是较为理想的屏蔽门开启方式。在机械补风情况下，可采用开启一侧两端各三扇屏蔽门辅助排烟的模式。
下一阶段将对补风量做进一步的研究，并将增加相关模式和进行现场测试，如增加研究全部屏蔽门打开，但只开10cm~20cm的情况下的气流组织情况。以为今后的地铁站台火灾的模式设计提供参考。
参考文献
1 中华人民共和国国家标准地下铁道设计规范GB 50157-2003：中国计划出版社，2003
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地铁 补风 屏蔽门 站台火灾 楼扶梯
Abstract: in this paper, the CFD simulation method, the southern city subway station platform public area of the standard fire respectively, the natural or mechanical fill the wind, and the platform screen door open means to exhaust effect and the influence of the escalator building in the air.
Key words: the subway platform screen door platform fire up the escalator building
中图分类号：U231+.96文献标识码：A 文章编号：
1． 研究的必要性
在地铁以往的运营线路中，站台火灾时，为尽快排除站台的烟气，将打开一侧全部的屏蔽门，利用区间隧道风机及车站隧道风机辅助排烟。再加上恐慌的情绪，较易造成乘客被从开启的屏蔽门处被挤落至车站隧道因此，为保证乘客疏散安全宜开启尽量少的屏蔽门，且开启的屏蔽门应尽量远离乘客疏散路径，以保证乘客不会被挤落至车站隧道。
图1 站台公共区客流示意图
另外车站火灾时人员的伤亡主要是因吸入高温、有毒气体而造成的，为了保障站台火灾时地铁站内人员的生命安全，由于地铁站台的建筑长度远超过宽度和高度，特别是对于地下三层或深埋车站，仅靠出入口进行自然补风，是否能及时有效地排出烟气以及保证楼扶梯口部的风速，因此有必要研究一下是否需要向站台补充一定的补风量。
2． 站台排烟模式
我国南方某城市的地铁标准车站公共区每端设置一台组合式空调器和回排风机，排烟风机单独设置。以该市正在进行设计的五号线某一标准车站为例，该站排烟风机烟量约85000m3/h。
该线路隧道通风系统采用双活塞系统，即车站的两端对应每条隧道各设置一个活塞风井，车站一端有2个活塞风井。车站每端配置2台（共4台/站）60m3/s，900Pa隧道风机，每端配置一台（共2台/站）40m3/s，600Pa的车站隧道风机，变频运行（如图2）。
图2 隧道通风系统示意图
站台火灾时，开启大系统排烟风机，关闭站厅排烟风管的风阀，仅对站台进行排烟，同时开启火灾侧全部屏蔽门，开启两端各一台隧道风机及车站排热风机辅助排烟，由出入口自然补风。该站没有专门对站台火灾设置机械补风措施，考虑到在站台补风会造成楼扶梯口处的风速下降，因此研究在站厅利用组合式空调器进行补风的情况。
3． 屏蔽门开启方案
为保证乘客疏散宜开启尽量少的屏蔽门，且开启屏蔽门应尽量远离乘客疏散路径。站台公共区两端屏蔽门端门及站台中部附近位于为疏散路径起始处或乘客疏散路径上，乘客较少，以进行对比研究。同时考虑到仅在两端开启屏蔽门，不利于站台中部烟气的排除及中部楼扶梯向下气流的形成，因此，考虑增加开启中部两扇屏蔽门方案，进行研究。
屏蔽门开启方案为：a.开启一侧两端各一扇滑动门；b.开启一侧两端各两扇滑动门；c.开启一侧两端各三扇滑动门；d.开启一侧两端各两扇滑动门，同时开启中部两扇滑动门；e.开启一侧全部滑动门。
4．模拟计算分析
本次研究将采用CFD模拟计算方法，采用美国商用FLUENT计算软件，进行三维模拟计算，以研究分析在站厅自然或机械补风的情况下各种屏蔽门开启方案的气流情况。
4.1边界条件
本次研究采用五号线某一标准车站型式，车站为地下两层，站台长度120米，宽度10米，层高4.5米，站厅层高4.6米，设置三个出入口，出入口长度均为26米，分别位于站厅端部。站台两端分别设置一组楼扶梯，中部设置一组楼梯。车站隧道两端分别设置一条16m2活塞风道兼机械排风口，每端排风/烟量60m3/s。车站隧道区域设置轨顶轨底排烟口，排风/烟量40m3/s，轨顶轨底风量之比为6：4。大系统排烟量为85000m3/h，补风量为40000m3/h，补风口位于站厅顶部。
图3 一端开启两扇屏蔽门模拟计算结果示意图
图4 一端开启两扇，中部开启两扇屏蔽门模拟计算结果示意图
4.2模拟数值分析
表1 自然补风情况下风速汇总表
端部扶梯风速范围(m/s) 中部楼梯风速范围(m/s) 开启屏蔽门风速范围(m/s)
一端开启1扇门 0.8~1.3 0.5~1.0 1.3~3.3
一端开启2扇门 1.1~1.9 0.7~1.2 1.1~2.8
一端開启3扇门 1.3~2.4 1.3~1.9 0.7~2.4
中部开启2扇门 1.1~1.8 1.3~2.0 0.7~2.3
一侧全开 1.5~2.3 1.3~1.9 0.2~1.5
表2 机械补风情况下风速汇总表
端部扶梯风速范围(m/s) 中部楼梯风速范围(m/s) 开启屏蔽门风速范围(m/s)
一端开启1扇门 1.1~1.6 0.9~1.3 1.6~3.6
一端开启2扇门 1.4~2.3 1.3~1.7 1.4~3.1
一端开启3扇门 1.6~2.7 1.5~2.2 1.0~2.7
中部开启2扇门 1.4~2.1 1.6~2.4 1.0~2.6
一侧全开 1.8~2.6 1.7~2.3 0.4~1.8
由表1、2可以看出，自然补风情况下，当一端只开启一扇和两扇屏蔽门时，端部楼扶梯风速范围为0.8~1.3m/s和1.1~1.9m/s，此处仅能形成平均1.1m/s和1.4m/s的稳定向下气流，无法满足规范所要求的1.5m/s的向下气流；一端开启三扇屏蔽门时可形成平均1.8 m/s左右的向下气流；而其余几种方式均能形成大于1.5m/s的向下气流。在机械补风的情况下，风速有所提高，除一端只开启一扇屏蔽门无法满足规范所要求的1.5m/s的向下气流外，其余几种方式均能满足规范要求。
自然补风情况下，当一端只开启一扇屏蔽门时，中部楼梯风速范围为0.5~1.0m/s，此处仅能形成平均0.9m/s的稳定向下气流；一端开启两扇屏蔽门时，楼梯风速范围为0.7~1.2m/s，风速同样有所提高，但一端开启一扇屏蔽门时，中部楼梯风速也无法满足规范要求；一端开启两扇屏蔽门时，中部楼梯恰好可形成1.5m/s的向下气流。
另外从模拟中得知，无论是自然补风还是机械补风，屏蔽门开启越少则通过门的最大风速越高，而通风屏蔽门排风量则越少，如自然补风情况下，一端开启一扇门时，最大风速为3.3m/s，排风量为21.9m3/s；一侧屏蔽门全开时，最大风速仅为1.5m/s，而排风量却达到69.8m3/s
图5 自然补风情况下站台公共区单位面积排烟量示意图
如图5所示，当自然补风情况下站台火灾时，开启屏蔽门及隧道风机辅助排烟，均能在站台公共区形成单位面积远大于60m3/h.m2 的排烟量。如果仅从单位面积排烟量来看，任意一种屏蔽门开启方式均能形成较好的排烟效果，但两端开启屏蔽门的方式，排风主要集中于站台两侧，而站台中部风速较小，排烟效果不明显。在当一端开启两扇屏蔽门时，如果不进行机械补风，端部楼扶梯风速无法满足规范要求；而中部开启屏蔽门及一侧全开的方式，可使整个站台区域排风分面较为均匀，使站台各个区域都能达到较好的排烟效果。
5.结论
根据模拟计算结果，站台火灾时，只开启一侧两端各一扇屏蔽门辅助排烟，由于通风面积过小，风速过高，排烟量较小，即使站厅进行了机械补风，也无法保证楼扶梯的向下风速要求，且排烟效果不理想。两端各开启两扇屏蔽门的方式难以保证两端扶梯和中部楼梯的向下风速，采用开启一侧两端各两扇屏蔽门，中部再开启两扇屏蔽门的开启方式排风量较大，即可满足楼扶梯的向下风速要求，又有利于整个站台排烟风量的合理分配，不会产生两端排烟量较大，中部排烟量较小的状况，且所开启屏蔽门均远离乘客疏散路径，是较为理想的屏蔽门开启方式。在机械补风情况下，可采用开启一侧两端各三扇屏蔽门辅助排烟的模式。
下一阶段将对补风量做进一步的研究，并将增加相关模式和进行现场测试，如增加研究全部屏蔽门打开，但只开10cm~20cm的情况下的气流组织情况。以为今后的地铁站台火灾的模式设计提供参考。
参考文献
1 中华人民共和国国家标准地下铁道设计规范GB 50157-2003：中国计划出版社，2003
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。