地鐵火災(zāi)場景設(shè)計探討論文

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1典型火災(zāi)場景的設(shè)定方法

火災(zāi)場景是一類特定的火災(zāi),其主要反映在兩個方面:一是對于一個具體建筑物需要考慮的火災(zāi)場景數(shù)量不能是無窮多個,即不可能把所有的場景窮舉出來,它應(yīng)是一個有限的集合,一般是把可能最不利,危害后果最大的典型情況作為火災(zāi)場景的集合;二是火災(zāi)場景不是真實火災(zāi),它是在對大量的,已發(fā)生的火災(zāi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計基礎(chǔ)上,集成抽象出來具有典型特征的特定火災(zāi),因而其具有一系列嚴格、規(guī)整的火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的演進條件[3]。

典型火災(zāi)場景就是在具體建筑中針對幾個危險性較大的功能單元,根據(jù)火災(zāi)的雙重性特點,考慮在該位置發(fā)生局部火災(zāi)后的火災(zāi)發(fā)展特性。評價火災(zāi)發(fā)展特性的重要參數(shù)是火災(zāi)過程的熱釋放速率變化。在性能化防火設(shè)計中,常采用t2模型來描述火災(zāi)過程的熱釋放速率隨時間的變化。

Q=αt2(1)

式中:Q———火源熱釋放速率,kW;

α———火災(zāi)發(fā)展速率,kW/s2;

t———火災(zāi)發(fā)展時間,s。

火災(zāi)發(fā)展速率的計算一般需要綜合考慮可燃物、墻及吊頂材料的作用來完成。在NFPA的分類中,將火災(zāi)的發(fā)展分為極快、快速、中速和緩慢4種類型。表1給出了不同火災(zāi)發(fā)展級別的火災(zāi)發(fā)展速率,以及與典型可燃材料的對應(yīng)關(guān)系。

2地鐵火災(zāi)場景設(shè)計的原則

火災(zāi)場景的選取通常采用最不利的原則,即根據(jù)火災(zāi)危害較大與火災(zāi)最可能發(fā)生的情況來選取火災(zāi)場景,但在實際操作過程上,設(shè)計者往往不能事先完全判斷出哪一個火災(zāi)場景危害較大或最可能發(fā)生的情況來選取火災(zāi)場景[3,4]。但在實際操作過程上,設(shè)計者往往不可能完全判斷出哪一個火災(zāi)場景危害較大或最可能發(fā)生,所以在確定火災(zāi)場景時應(yīng)全面科學(xué)合理的篩選,以避免由于設(shè)計者本人對火災(zāi)規(guī)律認識的局限性,導(dǎo)致選取的片面性。一般設(shè)計的原則包括以下3個方面:

(1)客觀反映真實火災(zāi)?；馂?zāi)場景的設(shè)計雖然不能完全重復(fù)真實火災(zāi)場景,但必須能夠?qū)φ鎸嵉罔F火災(zāi)的主要特點作出描述,不能用某種統(tǒng)一的模式來反映所有真實火災(zāi)。

(2)突出火源特性,具有代表性。根據(jù)地鐵火災(zāi)的實際狀況,確定其火源形式,進而通過對火源的全尺寸實驗或者建立數(shù)學(xué)模型來研究,找出地鐵火災(zāi)的火源特性,并且這種火源特性能夠代表最一般的火災(zāi)特性,以適應(yīng)地鐵火災(zāi)研究。

(3)充分考慮地鐵的建筑結(jié)構(gòu),使用功能以及環(huán)境等因素的影響,將這些不同的影響因素作為火災(zāi)模型的邊界條件結(jié)合到火源特性的研究中去,以體現(xiàn)地鐵火災(zāi)發(fā)展和蔓延的特點。

3地鐵火災(zāi)場景的確定

在地鐵火災(zāi)場景進行確定過程中,要以火源特性為基礎(chǔ),結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、使用功能、環(huán)境因素等邊界條件,確定地鐵火災(zāi)場景中的可燃材料物性、火災(zāi)荷載、起火點位置等。

3.1地鐵火災(zāi)荷載的確定

火災(zāi)荷載是指涉火空間內(nèi)所有可燃物燃燒所產(chǎn)生的總熱量值?；馂?zāi)荷載越大,發(fā)生火災(zāi)的危險性越大,需要防火的措施越多[2]。一般情況下,用熱釋放速率隨時間變化的曲線來表示。

地鐵火災(zāi)荷載的確定需要考慮兩個方面:一是固定荷載,考慮地鐵車廂本身的可燃物,主要包括列車車體的地板、窗體、墻壁及天花板材料,座椅及裝飾材料;二是移動荷載,考慮旅客攜帶的行李物品。地鐵內(nèi)的人員流動非常大,難以統(tǒng)計所有可燃物的荷載分布,世界各國對于地鐵火災(zāi)荷載的確定沒有明確表述,以美國NFPA130而言,并無可供參考的數(shù)值。

3.1.1固定荷載

有關(guān)地鐵列車火災(zāi)的熱釋放速率僅有很少的公開數(shù)據(jù),主要原因是開展列車火災(zāi)的全尺寸實驗非常困難。國外發(fā)達國家對于此問題的研究大都采用5～50MW,且重點研究10MW情況的火災(zāi)實驗。如美國的Miclea和Mckinney,英國的Rhodes,加拿大的Slusarczyk,Sinclair和Bliemel等學(xué)者均對一系列不同結(jié)構(gòu)的地鐵系統(tǒng)在10MW下的火災(zāi)工況進行了相應(yīng)的研究[4]。香港周允基教授在常用交通工具火災(zāi)中給出地鐵火災(zāi)的熱釋放速率峰值約為35MW,地鐵車輛火災(zāi)后25min時相應(yīng)的熱釋放速率變化范圍在8～13MW[5]。

中國礦業(yè)大學(xué)程遠平教授給出了實驗測得列車車廂火災(zāi)的熱釋放速率[6-8]。由地鐵車廂實驗測定參數(shù),運用氧消耗原理計算得到的地鐵車廂火災(zāi)熱釋放速率的計算結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出一節(jié)車廂火災(zāi)的最大熱釋放速率為23.8MW,3節(jié)車廂火災(zāi)的最大熱釋放速率為50.9MW。為了比較地鐵列車火災(zāi)發(fā)展的快慢,圖1中還給出了火災(zāi)模型中快速和超快速火災(zāi)發(fā)展的熱釋放速率曲線,從該圖可以看出地鐵列車火災(zāi)的發(fā)展速度接近火災(zāi)模型中的超快速火災(zāi)。

馮煉在模擬計算中采用的列車火災(zāi)熱釋放速率峰值為13.6MW[9]。根據(jù)我國相關(guān)的軌道交通工程安全預(yù)評價報告,地鐵列車車廂發(fā)生火災(zāi)后的熱釋放速率峰值一般可取為6.8MW,并設(shè)為快速增長t2,則火災(zāi)將在380s時達到峰值,清華大學(xué)陳濤等研究人員按照最不利原則,取該場景下的火災(zāi)熱釋放速率為標準場景的1.5倍,并設(shè)定火災(zāi)為超快速增長火,則對應(yīng)的熱釋放速率峰值為10.2MW,火災(zāi)達到峰值的時間為233s,如表2所示[10]。

廣州市地下鐵道設(shè)計研究院的王迪軍認為,對于舊式車廂,由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和座椅是用可燃材料做成的,其最大熱釋放速率可達15MW,甚至更大。同時隨著地鐵列車制造工藝不斷提高,可燃材料的使用已大幅降低,其一輛車火災(zāi)燃燒發(fā)熱量也在不斷下降,香港新機場線的列車已降低至5MW。對于國內(nèi)新投入運行的地鐵車輛,由于其結(jié)構(gòu)都是不燃或阻燃材料組成,車輛著火時熱釋放速率取7.5MW[11]。

隨著近年來發(fā)生的若干起地鐵火災(zāi)事故造成的重大人員傷亡和財產(chǎn)損失,新型的地鐵機車普遍采用不燃難燃物質(zhì)為材料,大大降低了列車車廂發(fā)生火災(zāi)后的熱釋放速率,相對提高了疏散的安全性。因此,本文建議選取10MW作為一節(jié)車廂火災(zāi)的最大熱釋放速率是合適的,并設(shè)為超快速增長火,如圖2所示。

3.1.2移動荷載

英國BuildingResearchEstablish出版報告:DesignPrinciplesforSmokeVentilationinEnclosedShoppingCenter中,其統(tǒng)計在人員聚集公共場所火災(zāi)規(guī)模為2.0～2.5MW。臺灣學(xué)者楊冠雄在考察臺灣地鐵車站火災(zāi)發(fā)生后車站內(nèi)部設(shè)備及實際進出站人員攜帶行李等可燃物,并參考英國BuildingResearchEstablish出版報告與美國NIST實際測量售貨亭燃燒結(jié)果,選取火災(zāi)規(guī)模為2.0MW[4]。

香港的地鐵工程技術(shù)人員選用的保守火災(zāi)規(guī)模為2MW,其主要根據(jù)是以下兩點:(1)行李著火是其主要原因,由旅客帶往列車內(nèi)的手提箱引起的或在地鐵車站的車廂下著火;(2)由2MW的火發(fā)展到轟燃階段的概率非常低。因為火源的燃料是有限的(手提箱材料),因此在絕大多數(shù)情況下,火可能會在10～20min后熄滅;與此同時,在列車滯留隧道后2.5min,緊急風(fēng)機將被開啟[12]。國內(nèi)部分研究人員也認為列車旅客的行李著火時最大熱釋放速率不超過2MW[7,8,10]。

通過對北京、上海、廣州、深圳等地鐵的實地調(diào)研,考慮存在乘坐地鐵趕往機場、火車站、換乘站等場所,乘客攜帶的行李較多,行李中可能包括較易燃燒的纖維織物、紙張、食品等,同時考慮到人為縱火及其他爆炸物等,作者建議選取5MW作為移動荷載,并設(shè)為超快速增長火,熱釋放速率曲線在圖2中給出。

3.2地鐵起火點位置的確定

實際火源可能位于地鐵內(nèi)的不同位置。在地鐵火災(zāi)研究或消防設(shè)計中,需考慮對煙氣流動和人身安全具有重要影響的某些場景。需要強調(diào)的是,對煙氣流動和人身安全具有重要影響的某些場景的選擇,不是從個人主觀判斷或經(jīng)驗出發(fā)進行選擇,而是在全面考慮各種可能的火災(zāi)場景情況下從中進行篩選,并盡可能的排除因個人主觀判斷或經(jīng)驗不同所帶來的隨意性以及可能造成的錯誤分析[13]。

地鐵起火點位置的確定從以下兩個方面考慮:(1)在列車車廂發(fā)生火災(zāi),此時列車停泊在地鐵站臺;(2)地鐵站臺上的移動可燃物點燃。通過對國內(nèi)多個城市的地鐵調(diào)研發(fā)現(xiàn),地鐵站臺主要分為島式、側(cè)式和混和式3種情況,本文將以側(cè)式站臺為例進行說明。

列車車廂火災(zāi)根據(jù)位置不同分為兩種情況:(1)列車車廂中部發(fā)生火災(zāi),圖3(a)給出了示意圖;(2)列車車廂尾部發(fā)生火災(zāi),如圖3(b)所示。

站臺上移動可燃物火災(zāi)建議考慮兩種情況:(1)在站臺的中部,如圖4(a)所示,此時發(fā)生火災(zāi)會卷吸大量空氣,產(chǎn)生非常大的煙氣;(2)靠近疏散出口位置,考慮發(fā)生火災(zāi)時該出口被封堵的場景,如圖4(b)所示。

4結(jié)語

火災(zāi)場景設(shè)計是開展地鐵火災(zāi)研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),它對地鐵內(nèi)的煙氣運動,人員疏散和建筑財產(chǎn)保護有重要的影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對地鐵火災(zāi)場景中需要確定的火災(zāi)荷載和起火點位置進行了探討,初步給出了如下建議:

(1)建議列車車廂火災(zāi)荷載選取10MW,移動可燃物荷載選取5MW;

(2)列車車廂火災(zāi)的火源位置設(shè)有兩個,一個設(shè)置在中間部位,另一個設(shè)置在尾部;

(3)站臺移動可燃物的火源位置設(shè)有兩個,一個設(shè)置在站臺的中間位置,另一個設(shè)置在靠近樓梯口的位置。

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摘要:近年來,地鐵火災(zāi)是火災(zāi)科學(xué)界研究的熱點?；馂?zāi)場景設(shè)計是開展地鐵火災(zāi)研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),它對地鐵內(nèi)的煙氣運動和人員疏散有重要的影響。通過對國內(nèi)外文獻的調(diào)研發(fā)現(xiàn),地鐵火災(zāi)場景的設(shè)計并無統(tǒng)一明確的表述。在綜合前人研究的基礎(chǔ)上,對地鐵火災(zāi)場景中需要確定的火災(zāi)荷載和起火點位置進行了初步探討,并給出了分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞:地鐵;火災(zāi)場景;火災(zāi)荷載