青岛地铁一期工程青岛北站大空间换乘站消防设计可行性研究
董慧
（山东省青岛市公安消防支队，山东 青岛）
摘要：以青岛地铁一期工程青岛北站为研究对象，设置站厅公共区大规模火灾，火灾规模为8.0MW的快速火灾场景，应用火灾蔓延理论和火灾动力学模拟软件FDS对站厅公共区火灾蔓延、烟气运动过程进行模拟计算。得出火灾过程中地铁站内火灾蔓延、各区域温度、烟气的变化趋势及CO体积分数随时间的分布规律。分析青岛北站火灾危险性，并对站厅超大空间防火隔离及人员疏散提出建议。
关键词：地铁；大空间建筑；防火分隔；性能化
1 引言
地铁属于地下特殊结构建筑，与外界连通的开口相对较少，而且客流量大、人员集中，一旦发生火灾，极易造成群死群伤的严重后果，地铁火灾的严重性越来越引起人们的注意。青岛地铁一期工程青岛北站（以下简称青岛北站）位于拟建铁路青岛北站下方，西侧为胶州湾高速公路，南侧为太原路，北侧为沧海路。车站为1号线、3号线、8号线换乘站，其中3号线、8号线平行换乘，为地下两层车站；1号线与3号线、8号线“十”字换乘，为地下三层车站。该站换乘客流量大（预计2039年将达到高峰值45036人/小时），潜在的安全隐患较多，研究青岛北站的火灾规律，最大限度降低和避免火灾造成的人员伤害，具有极其重要的意义。
2 消防设计难点
从功能使用方面考虑，站厅采用防火墙等措施进行防火分隔会严重影响车站的视觉通透性和使用便捷性，且在火灾过程中不利于人员快速、顺畅地疏散。青岛北站主要存在以下两个方面消防设计难点。
2.1 防火分区面积过大
该工程为青岛地铁1号线、3号线、8号线多线换乘车站，站厅及站台划为一个公共区防火分区，总面积为12937m2。根据《城市轨道交通技术规范》（GB 50490—2009），一般计算单线标准车站站厅公共面积为2500m2，因此该项目中公共区的防火面积严重超过《城市轨道交通技术规范》的规定。
2.2 疏散距离过长
该工程1号线、3号线、8号线共用站厅内最不利点到疏散出口距离约为62m，不满足《城市轨道交通技术规范》（GB 50490—2014）和《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）相关要求。
3 解决方案
3.1 站厅层防火分区面积过大
对于站厅层防火分区面积过大，采用“防火隔离带”的方式来进行防火分隔，防火隔离带划分方式，如图1所示，将站厅层划分为四个区域。站厅层的防火设计具体应满足以下要求。①在站厅层设置十字形防火隔离带，采用异色地砖等方法将防火隔离带区域设置醒目标示加以明确，且防火隔离带内不得布置任何可燃物。②防火隔离带宽度应满足一定要求，具体数值需根据火蔓延理论和辐射强度计算公式定量分析确定。防火隔离带内的设备管线、管道及保温等应采用不燃材料，电气管线等应穿金属管或槽，当系统中设置有软接头时，该软接头应能在280℃的环境条件下连续工作不少于30min。③站厅层宜采用透空率不小于30％的透空吊顶以增加蓄烟能力，此时排烟口设置在吊顶内，挡烟垂壁应升至结构板底。站厅层防烟分区面积不应大于2000m2；每个防烟分区采用挡烟垂壁或钢筋混凝土梁进行分隔，挡烟垂壁高度不少于吊顶面下500mm；挡烟垂壁应采用燃烧性能为A级且耐火极限不低于0.5h的材料。④站厅层应适量加大机械排烟系统的排烟量，减小火灾过程中烟气的沉降速率，为人员疏散赢得更多可利用时间。
图1 站厅层防火分隔方式示意图
3.2 疏散距离过长
针对站台区域人员需经过较长距离的行走才能到达疏散出口，结合地铁换乘车站的特点，拟采取以下措施以提高人员疏散效率。①站台、站厅的主要疏散路径上不得布置任何妨碍人员疏散的设备。单向公共区人行楼梯宽度不宜小于1.8m，双向公共区人行楼梯宽度不宜小于2.4m，当宽度大于3.6m时，应设置中间扶手。②自动扶梯应采用供电达到一级负荷要求的公共交通型重载扶梯。且自动扶梯应具有双向运行功能，紧急情况下，车站内和出入口处的自动扶梯均应能朝疏散方向运转。自动扶梯应配备紧急停止开关。③付费区与非付费区之间的隔离栅栏上，应设置应急疏散栅栏门，栅栏门位置与宽度如图2所示。④站厅层与长途车换乘、社会车换乘、出租车换乘、公交车换乘等区域的衔接部位宜采用两步下降防火卷帘防火分隔，其联动关系为：安装在防火卷帘两侧的感烟探测器发出报警信号时启动防火卷帘第一步下降输出模块使防火卷帘下降至距地面1.8m处后停止，当安装在防火卷帘两侧的感温探测器发出报警信号时启动防火卷帘第两步下降输出模块使防火卷帘门降落到底。⑤站厅及站台地面应设置保持视觉连续的发光疏散指示标志。
图2 栅栏门位置及宽度示意图
4 防火隔离带设置理论分析
火源热辐射作用距火源中心距离为R处所接收到的火源辐射热流量和火源热释放速率的关系如式（1）。
（1）
式中，Q为火源热释放速率，kW；R为距火源中心的距离，m；qf为受火源辐射作用而接收到的热流量，kW/m2。
邻近可燃物与火源中心的距离可按式（2）计算：
R=r+L （2）
式中，r为火源的等效半径，m；L为可燃物与火源边界的距离，m。
站厅着火失去控制后，会在上层形成温度较高的热烟气层，可以把烟气层看做是一个真实的辐射面，从烟层中到临近可燃物的辐射可由式（3）计算。
（3）
式中，Fs为热烟层形状因素，保守取值1；ε为烟层的辐射率，保守取值1；σ为史蒂芬波耳兹曼常数，σ=5.67×10-11kW/（m2·K4）；Ts为热烟层温度。
假设在无自动喷水灭火系统的情况下，站厅发生的火灾自由发展，规模达到8MW，烟气层温度达到200℃（即473K）。利用式（1）～式（3）计算可得发生火灾时热辐射对相邻可燃物的影响与两者间距离的函数关系，如式（4）。
（4）
受热辐射作用引燃可燃物的最小热流量因可燃物不同而有所差异，本火灾场景中取聚氨酯泡沫的最小引燃热流量7kW/m2为控制值，计算可得防火隔离带的宽度需不小于7.14m，考虑一定的安全余量，最终防火隔离带宽度定为10m。
上述计算分析结果表明，在站厅发生失效火灾，规模达到8MW，烟气层温度达到200℃的情况下，10m宽防火隔离带可以有效地阻止火灾任意大范围地蔓延，起到防火分隔的作用。
5 火灾危险性模拟分析
5.1 火灾场景
在遵循合理范围内的最不利原则下，选取火灾发生概率大、火灾危害性大的具有代表性的火灾场景。青岛火车北站站最有可能发生火灾并且火灾较大的场所就是站厅层若干个自动售货机或临时商业物品火灾，且靠近3号疏散楼梯，如图3所示。参考《上海市工程建设规范——建筑防排烟技术规程》（DGJ 08-88—2006），火灾场景参数设置见表1。
表1 火灾场景参数一览表
图3 负一层火灾场景
5.2 模拟结果分析
负一层人员活动高度处参数云图见表2。当716s时，站厅的疏散出口附近危险高度的能见度下降至10m左右。因此从能见度危险判据分析本场景的危险来临时间为716s。从温度方面分析，只有火源所在位置上方的温度较高，而对于其他区域，在危险高度处的温度没有明显变化，约为20℃。在本场景中，火灾产生的烟气会从起火地点很快上升至站厅的顶部，在烟气运动过程中将卷吸入大量的周围空气，烟气的浓度将被稀释，如CO浓度云图所示，空间中的一氧化碳浓度远低于判定标准值。
表2 负一层人员活动高度处参数云图表
该火灾场景下，利用人员疏散软件Pathfinder对青岛北站进行人员疏散时间的计算见表3。
表3 人员疏散时间表
综上分析，在该火灾场景中，站厅的危险来临时间为716s，超过利用人员疏散软件Pathfinder计算的最长疏散时间660s，满足火灾状态下消防安全疏散要求。因此，采取“防火隔离带”、强化防排烟等消防设施和增加消防疏散辅助设施能够使超大空间的地铁站厅满足消防安全要求。
日常运营中还应做到以下几点确保安全。必须确保疏散通道畅通，疏散楼梯完整好用且每部疏散楼梯直通室外的出口应保持畅通。安全出口上不应张贴妨碍人员识别安全出口的宣传画等物品；必须确保疏散指示标志清晰醒目连续。沿疏散通道在地面设置有源发光导流标志，增设应急照明，以便火灾时引导顾客迅速找到安全出口；要加强工作人员的消防培训，定期组织疏散演习，以便在发生火灾时工作人员可以引导、指挥顾客快速找到疏散出口并安全逃生；要按相关规范制定详尽的消防设施管理和维护措施，对消防设施要进行定期维护，确保消防设施正常工作。
6 结论
（1）理论计算得出防火隔离带为10m时，可以有效防止建筑内火灾蔓延，能够作为防火分区面积过大时的有效防火分隔措施。
（2）模拟分析得出青岛北站消防设计难点解决方案情况下，允许疏散时间为716s，所需疏散时间为660s，满足人员安全疏散基本条件，可以保证设定的最不利火灾场景下人员疏散安全。
（3）除了消防设计难点解决方案以外，在日常运营中还应加强消防管理，以保证火灾情况下解决方案的有效性。
参考文献
［1］ GB 50157—2003.
［2］ 韩新，沈祖炎，曾杰，等.大型公共建筑防火性能化评估方法基本框架研究.消防科学与技术，2002.2：6-12.
［3］ Babrauskas，V Heat Release Rates.The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering（Third Edition），2002.
［4］ Fire and Smoke Control in Road Tunnels，PIARC committee on Road Tunnels，1999.