摘要：地铁换乘车站建筑形式特殊，其火灾烟气特性与普通地下建筑有着较大差异。针对某地铁换乘站的防火问题，采用 CFD 大涡模拟场模型进行地铁换乘车站火灾烟气特性的模拟分析，对不同危险场景下换乘站内的烟气扩散和运动规律进行了分析研究，验证原有排烟设计的有效性。通过分析发现传统的分区排烟模式不能很好的控制烟气的蔓延，针对这种情况，应用性能化防火设计的原理对车站的防排烟系统进行了改造设计，提高了地铁车站防排烟系统的整体能力，达到了对火灾烟气进行控制和保证人员安全疏散目的，并采用先进的虚拟现实技术，结合CFD 数值模型构建了集成的火灾数值虚拟仿真平台，进行该车站的防排烟系统改造设计进行了模拟与分析，获得了具有高度真实感的地铁换乘站火灾烟气蔓延过程。此外，通过研究发现，除传统排烟风速和排烟量等指标对烟气控制有较大影响外，不同排烟方案和整个排烟系统的运行模式对烟气扩散和人员安全疏散也有重要的影响。
关键词：地铁换乘站；火灾烟气；CFD 模拟；虚拟现实；性能化防火设计
Performance-based Fire Smoke  Virtual Reality Simulation and Analysis of Exchanging Subway Station
Abstract: The fire smoke characteristics, in exchanging subway station, are different from other underground buildings. An exchanging subway station of Beijing was chosen as case study.  Utilizing the large eddy simulation software-FDS, the diffusion process of different fire scene was simulated and calculated, and the effect of smoke control, air distribution and the impact on safety egress were analyzed to validate the fire purging mode.  According to the simulation results, the smoke spread characteristics and the impact on occupants evacuation were studied. Then,  a 3D virtual reality simulation was performed to represent the variation of the fire temperature and the sickness of the smoke layer vividly. Results show that the old design of smoke control system in this station can not satisfy the request of evacuation during the fire. By the renovation design, the smoke control system was improved to satisfy the requirement of people evacuation completely.
Key words: exchanging subway station; fire smoke; CFD Simulation; virtual reality; performance-based fire protection design
　　引言
　　地铁工程与地面建筑相比，结构复杂、环境密闭、通                                                                  道狭窄，连通地面的疏散出口少，逃生路径长。发生火灾时不仅火势蔓延快，且积聚的高温浓烟很难自然排除，并迅速在地铁隧道、车站内蔓延，给人员疏散和灭火抢险带来困难，严重威胁乘客、地铁职工和抢险救援人员的生命安全[1]。1969 年11 月11 日，北京地铁万寿路站附近地铁车体起火，造成 300 多人中毒，3 人死亡的重大事故。1987年11 月18日英国伦敦地铁国王十字车站电梯引发火灾，造成32人死亡、100 多人受伤。2003年2 月18日韩国大邱市中央路地铁车站因纵火造成火灾，造成196 人死亡、147 人受伤[2]。这些火灾事故在世界各国引起强烈反响，如何防止地铁火灾成为更受关注的问题。
　　在我国，北京部分地铁已有几十年历史，这些老式地铁车站在建设时期对火灾安全问题并未引起足够视，在防火设计上存在的遗留问题较多。经统计，北京地铁自 1969 年至今的34 年运营历史中就曾发生过151 起火灾[3]。对于换乘车站，由于人流更为集中密集，因而其防火安全问题尤为突出，此外，北京老式换乘站大多采取上下正交模式，其空间存在上下联通关系，但排烟等安全措施却是分线路分系统的，这样不利于灾害应对的联动控制。因此有必要对换乘地铁站火灾时烟气的运移规律进行深入的研究和分析，为老式地铁换乘站的防火安全措施改造提供科学的理论依据。
　　本文选取北京1、2 号线某换乘地铁车站为例，采用性能化方法进行火灾模拟分析，通过对车站现有防排烟设施在火灾情况下运行状况的模拟，了解现有措施下火灾温度场、烟气运移的规律和效能，为防火措施改造提供重要的参考依据。
　　1  地铁换乘站安全性指标分析
　　地铁作为现代城市绿色、环保、快捷的交通工具,  承担着越来越重要的大客流运输任务。然而地铁火灾较地面和其它地下建筑火灾相比具有更大的危险性,  一旦发生火灾,  损失往往十分严重。其中地铁换乘站较其他车站具有更高的人员密度，对地铁运营安全至关重要。最大危害主要是车站内发生火灾、燃烧产生有毒烟气扩散形成的人员伤亡。因此，当前各车站都设计有不同形式的通风排烟设计，但不管何种排烟模式,  其宗旨都是能确保一定的安全性指标。本文从保护人员生命安全的角度，要求满足以下安全性指标:
　　 为保证重要出口的安全，各排烟系统的运行设计应确保楼梯开口处形成1.5m/s  向下的自然补风。
　　(2)  所设计的排烟系统应保证火灾烟气被控制在起火层内，如对于换乘车站，下层列车火灾和站台火灾，需控制烟气不能向上层站台和站厅区域蔓延。
　　(3)  排烟系统的设计应保证在所需安全疏散时间(RSET)前，烟气层高度不应沉降到所设定的危险高度(国际上一般取为人眼高度，本文偏安全的取1.8m)。
　　(4)  按照GB 50157-2003《地铁设计规范》要求，隧道内烟气的平均风速应满足至少2 m/ s。
　　(5)  按照《地铁设计规范》第19. 1. 19  条的要求: “出口楼梯和疏散通道的宽度,  应保证在远期高峰小时客流量时发生火灾的情况下，6min  内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台” 。因此排烟系统设计方案应能保证在一定火灾规模下的人员安全疏散,  即安全疏散可用时间(ASET)> 安全疏散时间(RSET)。
　　2  地铁车站火灾数值模拟模型
　　该换乘站为上下双层车站型式(图1 所示)。每层有效长度为50m ，车站主体结构净高为 6m，宽 20m 。地下一层为站台层，有四个人行出入口与外界相连，站台约为长50m 、宽15m 、高6m 的空间，每个出入口宽4m，高3m；地下二层为另一个站台，站台一端为通往另一个站台的换乘楼梯(楼梯1) ，另一端经过楼梯2 有通往出口的两个通道口，每个开口宽5m，高5m。 站台1站台2换乘通道换乘通道出口出口出口出口 图1  地铁换乘车站的平面示意图 该车站属于老式换乘车站，原有排烟系统采用两条线路分区控制的方式，未实现联动控制，此外，该车站的防排烟设计还存在一些不足，一是没有实施防排烟分区，二是站台通向站厅的出口处也未设置挡烟垂壁。根据当前状况，本文采用CFD 场模型进行火灾烟气演化过程的模拟仿真，并考察换乘车站现有设施安全性，为其改造设计提供依据。 换乘站内高温烟气流动可以视为一个非定常的三维流体流动及传热传质过程。其数学模型是以物质守恒、能量守恒及动量平衡等基本定律出发而建立起来的化学流体力学基本方程组，即：连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程[4]。 连续性方程:  0jjVtx                                  (1) 楼梯1 楼梯2第25卷第4 期  Vol. 25 No. 4 2013年4 月  易赛莉:  双层地铁换乘站性能化火灾烟气虚拟仿真分析 Apr., 2013  http: ∥www.china-simulation.com• 683 • 动量方程: () ( )23tijjji is sstij i j i jVVVtxpVV VFxx x x x x               (2) 其中i =1、2、3； 组分质量守恒方程: () ( ) () sjs ssjj jYVY pYs wtxxx               (3) 能量方程通常表示成内能变化形式、焙变化形式和温度变化形式。在经典的燃烧理论中，通常使用表达成温度变化的能量方程： rj ssps jj jj jssststrj ssps jj jj jssststDT Dp T q Ycp D c dTdt dt x x x x xDT DpFV cpdt dtTq YDcdT xx xx xFV                                 (4) 上述方程构成了描述室内火灾烟流的数学模型。此外，浮力效应是地下空间火灾与露天火灾的显著区别。在着火区域范围内热烟气上升而形成一定厚度的热烟气层，并随烟气的不断产生而迅速膨胀，向两侧扩充，同时下部冷空气流向火源，此时火场两侧形成对称的循环风流。如果站内断面风速较小，不足以克服上层热烟气流运动压力时将产生烟气蔓延现象，即火源上部的烟气会逆着风向流动，这对于防止火灾烟气蔓延和人员安全疏散是很不利的。因此，为防止火灾烟气逆流，主要疏散通道口的向下通风风速应大于临界风速。 模拟采用瞬态模拟，考虑了两种火灾场景( 如图2 所示)：1. 上层站台中部发生行李火灾，火灾荷载为 1.6MW；2. 下层列车发生火灾，火灾荷载为10MW 。风机采用相同的工况运行，分别进行数值模拟。根据《地铁设计规范》规定的“ 在高峰小时客流量发生火灾时，6min 内应将一列车和站台上候车的乘客及工作人员撤离站台” ，因此人员从站台全部疏散至外部地面的时间取为6min，火灾模拟计算时间取为600s 。站内平均温度设定为 28 ℃，地铁外界压力为1.013×l05Pa ，外界温度取该地区20 年夏季最热月平均温度的平均值28 ℃。计算区域尺寸为 L( 长度)×w( 宽度)×H( 高度) =130m×20m×15.5m。网格划分时综合考虑计算精度与模拟时间两方面的因素，选取网格尺寸为0.5m×0.5m 。 火灾烟气对人体的危害主要体现在高温热辐射、毒性和遮光性等方面[5-6]。本文选择 CO体积分数、温度和能见度为地铁火灾烟气运动变化的监测参数。允许安全疏散时间(ASET)选为下述三个烟气危害和危险临界判定条件中最先达者所对应时间：(1)车站内上下站台2m 高度处温度达到100℃；(2)CO 浓度达到98ppm ；(3)能见度降至10m 。  (a)  火灾场景1  (b)  火灾场景2 图2  地铁换乘车站火灾场景示意图
　　3  计算模拟结果分析
　　在火灾场景1 中，当上层站台发生火灾时，燃烧产生的热烟气由浮力驱动从火焰区直接上升形成羽流,  当受到站台层顶棚的限制后形成顶棚射流,  向四周扩散。站台排风机全部开启用于站台的机械排烟。由于火灾强度不高，烟气经过370s 才充满整个站台，温度和 CO分布均未达到临界条件，且烟气高度均保持在大于地面2m 以上，因此原排烟系统基本能够符合安全疏散要求，人员可以在360s的安全疏散时间内完成疏散工作。但考虑到一定的安全裕度，增设了楼梯口挡烟垂壁以完善车站防排烟系统，以更好的保证在6min内地铁车站内人员安全疏散。图3 展示了该场景烟气蔓延及温度、CO浓度和能见度发展状况。 火灾场景2 中列车火灾各时刻的烟气蔓延状况及流速、CO浓度分布图如图4~5 所示。图 6 展示了楼梯监测点处烟气温度随时间变化情况，以反映烟气的扩散蔓延状况。 从模拟结果可以看出，当下层站台列车发生火灾时，在车站原防排烟系统设置条件下，60s 时靠近火源的换乘楼梯口(楼梯1) 烟气温度已经达到危险状态，表示此处已成排烟口，人员无法从此处进行疏散。而楼梯2 由于直接与出图3  地铁车站上层站台火灾烟气蔓延图    图4  列车火灾各时刻下层站台烟气运动状况   (a) CO 浓度分布图   (b)  气体流速分布图 图5  列车火灾各时刻下层站台流速、CO分布图 020406080100120140温度(℃)  图6  楼梯1 处烟气温度- 时间变化曲线 口通道相连，具有较大的正压送风，可进行人员疏散。火灾发生后大约100s 时，由于原有排烟措施不足,  下层地铁站内烟气首先在站台层顶棚聚集，然后沿楼梯向上蔓延，火灾由下部站台经过换乘楼梯发展到上部，造成楼梯口处附近辐射热升高，烟气已经向上蔓延至上层车站，站台层出入口处均有大量烟气。下层站台部分区域在 100s 时一氧化碳浓度已经达到 100ppm，已经大于临界安全值的98ppm ，人员在此种环境中短期内就会产生中毒反应。在200s 时烟气层的高度已超过2m，而此时人员疏散尚未结束，人员不能在安全疏散时间(RSET=360s) 内完成疏散。300s 左右几乎充满下层大半个站台。由此可以看出，火灾烟气在蔓延过程中对两侧的疏散通道影响最大，给人员疏散带来很大困难，因此原防排烟系统无法满足人员安全疏散的需要，必须对原防排烟系统进行改造设计。本文采用先进的虚拟现实技术，结合CFD 数值模型进行车站防排烟系统改造设计的模拟与分析。
　　4  地铁换乘站火灾安全的虚拟现实模拟
　　火灾发展过程是一个非常复杂的过程，也是非常难以预测的，因此在一些将虚拟现实技术应用于火灾模拟和人员疏散模拟的研究中，虚拟环境中的火灾场景只是作为一个固定的场景出现的，或是采用简化的蔓延模拟，并未考虑火灾实际的发展和蔓延状况，从而影响了虚拟火灾环境的真实性。另一方面，基于 CFD 等技术的数值模拟技术可以较好的预测火灾的发生发展过程，可以精确地描述火灾过程各种状态变量的变化，但模拟的结果但却不够直观，为非专业人士对火灾发展过程的理解带来了困难。 为了更为逼真的展示地铁车站火灾发展和烟气蔓延的状态，直观了解排烟系统的烟气控制效果，本文采用CFD火灾烟气数值模拟与虚拟现实技术相结合的方法，建立火灾场景的数值仿真虚拟现实平台，并应用该虚拟现实平台进行防排烟系统改造的模拟分析，验证了排烟方案的可行200s100s300s楼梯1 100s300s600s楼梯1 楼梯1100s300s360s0.00105021003500-2.00-1.50-1.10-0.500.000.400.701.00020406080100120140温度/ ℃ 时间/s 0 70 120 200 250  320  370  4300  500 550 性和有效性，逼真再现了地铁换乘站火灾情况下的排烟和人员安全状况。 本文根据地铁车站通常的安全性指标，对排烟系统的改造设计提出以下安全性能要求：(1)排烟方案和排烟量应能确保疏散楼扶梯开口处形成1.5m/s  向下的自然补风。(2)排烟系统运行模式和排烟量可确保烟气被控制在起火层内，下层站台列车火灾和站台区火灾烟气不能向上层站台蔓延。(3)改造后系统的排烟量和运行模式应保证疏散通道位置处火灾烟气在6min前，不应沉降到距地 2m 的危险高度。(4)隧道内烟气控制的平均风速应满足至少2m/s [7]。
　　本文对原排烟设计进行如下改造：(1)增加两个站台的排烟风速，提高其单位时间排烟量至22m3/s ，使站台排烟风速达到3m/s ；(2)改变原排烟方案，当列车发生火灾且停在站台停车范围内时,  开启起火侧的区间隧道通风系统和车站隧道通风系统进行排烟,  同时开启站台排烟系统( 送风系统关闭)进行辅助排烟、关闭上层站台的排烟系统，打开送风系统，使疏散楼梯开口处的向下流速达到2.5m/s 左右。(3)在楼梯口处设置挡烟垂壁。 虚拟仿真系统基于陈驰博士开发的FAR 系统[8]，结合火灾动力模拟程序FDS 进行烟气运动虚拟现实二次开发。该系统选用 MultiGen-Paradigm公司的三维建模软件Creator 和实时视景仿真软件 Vega作为地铁换乘站火灾虚拟现实的开发环境。图7 展示了该集成系统的架构和流程。该系统首先在虚拟环境中创建建筑三维模型，生成.flt 格式的模型文件, 通过 Ve g a 的配置文件(即.adf 文件)将生成的flt模型作为物体(Object)添加到实时渲染的虚拟场景中，实现虚拟环境中建筑物的创建。然后进行环境参数的设置，如火源位置，排烟口设置，以及火焰及烟气粒子状态的设置等，构建相关火灾场景，并将该场景导入Ve g a 中进行驱动[9]。MultiGen Creator的模型文件(*.flt)以层次结构进行数据的组织，这样可使建模过程清晰明了，也有利于模型的修改和维护。例如，可将地铁车站划分为月台组、楼梯组、柱子组、墙壁组、列车组等，各组可再进一步细分，例如柱子组可由多个不同的柱子对象组成。图所示为地铁车站模型的部分树状层次结构。在虚拟环境中建立了建筑三维模型和相关场景后，通过自主开发的集成环境接口程序，即可直接输出成CFD 环境所需的数值模型，从而在很大程度上克服了CFD 建模困难的缺点。 建立好CFD 数值模型后，可在系统中直接调用CFD程序进行火灾动力模拟，并将火灾及烟气蔓延的各类具有时变特性的模拟结果数据，如空间温度场、烟气层高度、浓度等，存储于基于时空数据模型的火灾及烟气发展过程 CFD 模拟火灾工程师可能的火灾场景火灾发展过程时空数据库(时空数据模型FDDM)3D 建筑模型（flt 格式）虚拟现实火灾场景用户FVR 系统Vega 配置文件（adf格式） 图7  火灾数值模拟和虚拟现实的集成平台 dbg ldownfloor upfloorp latform trains columns  stairs  wallscolumn1  column2  column3 column4 图8  Creator 中地铁车站模型的树状层次结构 时空数据库，作为火灾蔓延虚拟环境仿真的数据依据。 最后在集成虚拟现实环境中根据CFD 火灾场模拟的结果，从时空数据库中提取建筑物中烟气分布和变化的规律，以此为基础，设置和控制粒子系统的生命周期、粒子数目、粒子源、粒子大小、粒子贴图、移动速度等各种属性的变化，通过纹理贴图和粒子系统实现火焰和烟雾的可视化，配合细腻逼真的建筑模型，可以得到很好的模拟烟气分布和扩散可视化效果，获得具有很强真实感的火灾场景。图9 展示了该集成平台及火灾场景的虚拟仿真结果。  (a)  地铁车站火灾虚拟现实系统FAR 第25卷第4 期  系统仿真学报  Vol. 25 No. 4 2013年4 月  Journal of System Simulation   Apr., 2013  http: ∥www.china-simulation.com• 686 •  (b)  下层站台火灾烟气蔓延状况  (c)  改造后车站烟气状况（6min） 图9  地铁换乘站火灾虚拟现实仿真 从虚拟场景可以直观的看出，通过改进排烟系统设计，车站的排烟效果大大增强，600s 内,  疏散楼扶梯开口处保持向下的流速,  烟气没有向站厅区域蔓延,  说明楼扶梯开口的向下流速能够阻止烟气不向上层蔓延。两个站台区域烟气层维持在一定高度，并未降到危险高度(2m 高处)，对人员没有造成危害，可以保证人员疏散的安全。此外温度、CO体积分数较低，能见度大于10m ，不会对人员造成影响，说明通过此改造设计可以满足车站人员疏散的安全性。  
　　5  结论
　　本文以某典型工程为例，利用CFD 场模拟模型进行地铁换乘车站火灾烟气特性的模拟分析，对不同危险场景下换乘站内的烟气扩散和运动规律进行了分析研究，发现在本案例中，传统的分区排烟模式不能很好的控制烟气的蔓延，针对这种情况，本文应用性能化防火设计的原理对车站的防排烟系统进行了改造设计，使其满足人员安全疏散的要求，并采用先进的虚拟现实技术，结合 CFD 数值模型构建了集成的火灾数值虚拟仿真平台，进行该车站的防排烟系统改造设计进行了模拟与分析，获得了具有高度真实感的地铁换乘站火灾烟气蔓延过程。此外，通过研究发现，除传统排烟风速和排烟量等指标对烟气控制有较大影响外，不同排烟方案和整个排烟系统的运行模式对烟气扩散和人员安全疏散也有重要的影响。
    参考文献： [1]  沈友弟.  地铁的消防安全问题及其对策[J].  消防科学与技术, 2006, 25(2): 260-264. [2]  蔡芸.  我国地铁的主要消防设施和消防问题[J].  消防科学与技术, 2006, 25(2): 265-268. [3]  史聪灵,  钟茂华,  涂旭炜等. 深埋岛式地铁车站站台火灾时烟气蔓延数值分析[J].  中国安全科学学报, 2006, 16(3): 17-22. [4]  Kevin B McGrattan, Howard R Baum, Ronald G Baum, et a1. Fire Dynamics Simulator (Version5) Technical Reference Guide [R]// Technical Report NISTIR 1018-5. National Institute of Standards and Technology Gaithersburg. Washington, USA: US Government Printing Office, 2009, 10: 15-17. [5]  龚伟,  游伟.  地铁车站火灾烟气蔓延数值模拟分析[J].  消防科学与技术, 2010, 29(4): 293-296. [6]  胡占林.  夏季环境温度对地铁火灾烟气的影响[J].  消防科学与技术, 2011, 30(1): 28-30. [7]  常磊,  史聪灵,  涂旭炜等. 地铁岛式车站火灾排烟模式的计算与验证[J].  消防科学与技术, 2010, 29(8): 664-667. [8]  Ren Aizhu, Chen Chi, Luo Yuan. Simulation of Emergency Evacuation in Virtual Reality [J]. Tsinghua Science and Technology, 2008, 13(5): 674-680. [9]  王乘,  周均清,  李利军. Creator 可视化仿真建模技术[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2005.