建筑结构 地铁建筑结构及事故中烟气流动分析 摘要：本文通过对地铁火灾烟气扩散过程进行现场模拟，运用ＦＤＳ模拟软件对地铁火灾烟气流动状况进行了模拟分析，获得了 不同地铁结构、不同着火位置、不同排烟工况下地铁火灾烟气的运动规律和特性，为进一步研究地铁建筑防排烟提供了材料。 关键词：地铁火灾 烟气流动 越过疏散楼梯继续沿站厅空间蔓延，１８０ｓ后进入对外楼梯间，２００ｓ后将楼梯 １前言 由于地铁具备高载运量，以及不会塞车的便利，使得地铁成为２０世纪全 球各大城市的交通命脉。目前，我国各大城市不惜耗费巨资修建地铁工程。在 地铁营建与运营过程中，地铁火灾是不容忽视的问题。地铁与地面建筑或其 他地下建筑相比有它特殊的性质，它本身是一个相对的系统，与外界的 联系只有车站的出人口，空间比较密闭，而且站台和车厢内人员密集，并且排 热困难，因此与地面建筑相比具有更大的危险性。 间充满；另一部分在站台至站厅层楼梯部位积聚，造成明显的烟层下垂，烟气 在接近地面的高度不断积聚并沿站台地面反向涌回起火点，２０Ｏｓ后完全充满 站台区域。在这种情况下，疏散条件较差的区域首先出现在站台两端楼梯处， 并逐步向站台中心合围。 ４．２双层地铁火灾烟气运动研究 ４．２．１双层地铁轨道区火灾烟气运动研究 双层地铁车站（无吊顶、无排烟）轨道区火灾模拟烟气在Ｘ、Ｙ、ｚ方向的蔓 延过程。 ２我国地铁及地铁建筑基本结构 我国地铁始建于１９６５年。当前各地城市轨道交通发展十分迅猛，已有１０ 模拟结果可以得出当地铁车站轨道区内发生火灾时，吊顶对火场的影 响主要体现在火灾初期，随着火势的扩大烟气大量产生有无吊顶对于火场 人员疏散的影响就不明显了。对于没有吊顶的情况由于蓄烟空间的加大， 个城市的轨道交通处于运营或试运营状态，在建线路长度超过了３９ｏ／ｚ￣里。 目前我国的地铁站主要以单层、双层式为主，也出现了位于地下较深的 在站台上部将聚集大量烟气，如果设置排烟系统及时地将烟气排出，那么 也可以增加受灾人员的安全疏散时间。高温、高ＣＯ浓度的烟气主要集中在 深埋多层地铁车站。 单层车站站台为岛式结构，以北京市某单层地铁车站为建模原型。双层 轨道区内，并且在该区域烟气分层比较明显，而站台区只有距离火源较近 车站站台为岛式结构，以上海市某双层地铁车站为建模原型。地铁区间隧道 的地方和贴近顶棚处烟气温度和ＣＯ浓度较高，由于站台空间大、结构复杂，根据线路不同分为单线和双线隧道，根据修建方法的不同分为明挖矩形隧道 所以对于整个站台来讲某时刻并没有绝对的烟气层高度，烟气分层不明 显。 和暗挖马蹄形隧道。 ４ ２．２双层地铁站台层火灾烟气运动研究 ３地铁建筑火灾事故特点 火灾条件下地铁站台内火灾烟气模拟结果结合站台层烟气蔓延情况进 地铁作为交通工具就不可避免的会有火灾事故的发生引起人员伤亡。如 行分析可以发现，由于站台层净高较高，热烟层主要集中在顶棚下方，对 １９９５年阿塞拜疆巴库地铁由于列车发动机电气老化短路引起火灾导致５５８人 距地面２ｍ高平面的影响较小。但由于站内垂直构件（墙、柱等）对烟气有明 死亡，２６９人严重受伤，我国地铁自１９６９年以来，共发生火灾１００多起，其中重 显阻挡作用，高温烟气遇到此类垂直平面后往往向下翻卷，导致局部烟层 降低。因此，垂直构件朝向火源方向的位置往往出现温度和ＣＯ浓度指标偏 大火灾３起，特大火灾１起。 地铁车厢内和站台上人员集中，发生火灾，人员的密集拥挤给疏散带来 高的情况。因此距站台地面２ｍ高度平面上的最高温度并未出现在最靠近 了很大的困难。由于地铁设置在地下，站台至地面距离较长，列车在运行中起 火源的位置，而是出现在两部楼梯朝向火源的墙壁位置。在柱、墙体朝向 火，从隧道至站台再由站台至地面，疏散距离更长，疏散难度大。地铁发生火 火源的一面上ＣＯ浓度也相对较高。其他部位的温度和ＣＯ浓度对疏散的威 灾事故时，烟气浓度大，火场温度高，人员救援难度大，灾害处置难度大。 胁较小。 ４ ２．３双层地铁站厅层火灾烟气运动研究 ４地铁火灾中烟气运动研究 地铁火灾研究的核心问题之一就是烟气控制。如果能够清楚地了解地铁 当火源在站厅层的两个楼梯中间且无排烟时，利用ＦＤＳ对双层地铁车站 站厅层火灾模拟的烟气蔓延过程。 火灾过程中，在１２０ｓ时，烟气水平流动充满上部空间，沿四周建筑结构壁 火灾烟气蔓延过程，掌握地铁火灾烟气的发展规律，有效地控制烟气的蔓延， 就可以大大降低地铁火灾引起的人员伤亡。开展地铁火灾烟气运动规律的研 究，对于地铁火灾防治、及时有效的处置地铁火灾、减少火灾时的人员伤亡与 财产损失有着重要意义。 ４．１单层地铁火灾烟气运动研究 （１）当火源在站台层一端时，站厅送风，站台层排烟，利用ＦＤＳ对单层地 铁车站站台层火灾模拟的烟气蔓延过程。 从模拟过程可以得出当站台层一端起火的情况下，站台２ｍ高度处烟气 面下沉，由于左端出口多的影响，左端烟气层下降快一些；２４０ｓ充满整个上半 部空间；烟气层随着时间继续下沉，３６０ｓ充满站厅层的整个空间。这充分说明 在没有防排烟设计的情况下火灾烟气蔓延的速度非常快，烟气的ＣＯ浓度未 超过安全疏散的临界值，只是可视距离小于ｌＯｍ，会影响到人员的安全疏散。 出口处的ＡＳＥＴ（安全疏散时间）为３６０ｓ。 ４．３区间隧道火灾烟气运动研究 地铁区间隧道内的空间相对封闭、疏散条件差，若一旦发生火灾，产生的 热烟气较难排除，而且火灾不宜扑救，容易造成较大伤亡事故。因此有必要对 地铁区间隧道火灾烟气流动状况进行分析，通过分析获得隧道内的烟气蔓延 规律，同时为合理确定火场疏散方式提供依据。 的ＣＯ浓度未超过安全疏散的临界值，但可视距离小于１０ｍ，不能保证人员的 安全疏散。站台层起火一端的楼梯、两个通道出口、两个车站出口２ｍ高度处 的ｃＯ浓度均未达到安全疏散的临界值５００ｐｐｍ，但能见距离都降到了安全疏 散的临界条件１０ｍ以下，可用安全疏散时间（ＡＳＥＴ）为２１０ｓ。站台另一端楼梯 及两个通道出口、两个车站出Ｅｌ是安全的。人员可以考虑只从站台未起火一 端的楼梯、通道进行疏散。 （２）当火源位于一侧轨道中部时，利用ＦＤＳ对单层地铁轨道火灾模拟的 烟气蔓延过程。 区间隧道发生火灾主要是有区间隧道内的设备、列车车厢内乘客行李或 列车顶部的电气设备、列车底部构件等发生火灾，其发生火灾的位置可以在 区间隧道中部，也可以在靠近车站一端。 ５结束语 本文对地铁火灾烟气流动规律做了系统的分析研究，利用火灾现场模拟 软件ＦＤＳ对地铁火灾的烟气流动状况进行了模拟，获得了无排烟情况下不同 地铁结构、不同着火位置地铁火灾烟气的模拟情况，希望对地铁建筑的防排 烟设计有所帮助。 （下转第第８５页） ・烟气首先沿起火侧轨道纵向快速蔓延，６０ｓ后即到达两端隧道口部位，烟 气在ｚ方向上分层明显。烟气沿车站横向蔓延时受到对侧轨道口挡板的阻碍， 少量烟气反向涌回起火点，烟层高度在受阻处下降，１０Ｏｓ后烟层越过挡板到 达另一侧轨道区。１ｌＯｓ后沿站台纵向运动的烟气出现两个趋势：一部分烟气 ８１・ 建筑结构 体性所要求的梁或楼板底部钢筋在柱子中连续布置的问题。再者，施工阶段 ／／Ｐｒｏｃ－Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ＆Ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｙ ｏｆ ｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ 结构受力状态与使用阶段可能存在较大出入，而堆料超载、支撑稳定性问题 Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００９（Ｖｏ１．２）．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：ｓｍｉｔｈ。Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ ｏｆ ｔ也应给予全面估计，确保现场时变施工结构体系安全。 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｅｓｓ，２００９：１７０３—１７０７． 整体的连续性或是人为设置隔断（薄弱环节起到保险丝的作用）局部增强。 ［８］Ｆａｎｇｚｘ（方召欣），ＬｉＨＱ（李惠强）．Ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ 就具体结构而言，要控制损伤就必须减少结构通过不可恢复变形消能的 ｉｔｓ ｒｏｌｅ ｉｎ ｒｉｓｋ ｍｉｉｔｇａｔｉｏｎ田．Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００９， 部分。结构振动控制的关键是结构在非弹性区域变形耗能的部分，如地 ２６（３）：２２３—２３０． 震中要考虑降低结构滞回耗能，减轻结构损伤。动态效应可忽略时，确保结构 【９】中华人民共和国国家标准．ＧＢ ５０１５３—２００８＿￣￣ｇ构可靠性设计统一标准 安全同样需要结构在非弹性区域变形消能的部分。这是改善结构消能性 ［ｓ】．北京：中国建筑工业出版社，２００９． 能、增强鲁棒性的一个基本要求。 【１ ０Ｊ邸小坛，叶列平，徐有邻《混凝土结构设计规范》修订简介（二）——混凝土 概念设计的关键是：分析典型的灾害场景和偶然状况，控制灾害状况下 结构的安全与抗灾性能Ｕ］建筑结构，２０１１，４１（３）：１１８－１２２． 发生不相称破坏的风险。 【１１］中华人民共和国国家标准．ＧＢ ５００１１—２０１０建筑抗震设计规范【Ｓ１．北京： 中国建筑工业出版社。２０１０ 文献酬中提醒注意偶然状况出现以前结构所储存或蕴含的弹性应变能 释放对结构的影响；通常，桁架、网架结构、索结构、预应力结构（如预应力钢 结构的内蕴能量［１２１１）等在这个问题上比较敏感。 ［１２】方召欣，孙国寿．多元减灾语境下的重点结构概念设计卟四川建筑科学研 究，２０１１，３７（４）：３９—４２ ３总结与展望 １）密切联系的，鲁棒性（整体稳固性）属于结构安全的一个重要层面，因 而是土木工程防灾减灾的必然要求。 ２）旨在抛砖引玉。 ［１３］方召欣结构鲁棒性及其分析要点刍议Ｕｊｌ建筑科学，２０１１，２７（５）：７２－７５ 【１４］黄金枝．工程结构系统的能量分析原理与主动设计方＂￣［Ｃｌ／／结构工程科 学的未来论文集北京：清华大学出版社，１９８８：８８—９２． ［１５】方召欣．基于消能观点的结构鲁棒性分析与实现【Ｄ Ｊ．武汉：华中科技大学 土木工程与力学学院，２００８． ［１６］Ｆａｎｇ ｚ Ｘ（方召欣 Ｆａｎ Ｈ Ｔ（樊海涛）．Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔ ｏｆｓｔｒｕｃｔｎｒａｌ ｓａｆｅｔｙ．Ｐｒｏｃｅｄｉａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１４：２１７２—２１７８ ［１７］ＣｏｒｌｅｙＷＧ，Ｍｌｋａｒａ ＳｒＰ Ｆ，ＳｏｚｅｎＭＡ，ｅｔ ａ１．ＴｈｅＯｋｌａｈｏｍａＣｉｙｔ ｂｏｍｂｉｎｇ： ｓｕｍｍａｒｙ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｏｒ ｆｍｕｌｉｔｈａｚａｒｄ ｍｉｉｔｇａｔｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ３）附属消能装置来降低结构消能压力这一思路实际上早在结构振动控 制中得到运用——安装摩擦阻尼器、金属阻尼器等来耗散地震或强风输入的 能量。它们的共同点在于借助结构以外的装置来实现减灾 易损性敏感性 Ｓｔａｒｏｓｓｅｋ和ｗｏ 以“结构对局部失效的不敏感性”来阐释结构鲁棒性。 参考文献 ［１】Ｓｃｈａｆｅｒ Ｂ Ｗ，Ｂａｊｐａｉ Ｐ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｉｎ ｄａｍａｇｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｕ］Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００５，２７：１６４２—１６５１． 【２］Ｔｈｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓａｆｅｔｙ（ｓｃｏｓｓ）．１Ｏｔｈ Ｒｅｐｏｒｔ ｏｆ ｏｆＣｏｎｓｔｕｃｔｒｅｄ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ＡＳＣＥ，１９９８，１２（３）：１００—１１２ ［１８］叶列平，程光煜，陆新征，等．论结构抗震的鲁棒性 建筑结构，２００８，３８（６）： １１—１５ ［１９］Ｅｌｌｉｎｇｗｏｏｄ Ｂ Ｒ，Ｓｍｉｌｏｗｉｔｚ Ｒ，Ｄｕｓｅｎｂｅｒｒｙ Ｄ Ｏ，ｅｔ ａ１．Ｂｅｓｔ ｐｒａｃｉｔｃｅｓ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉｌａ ｆｏｒ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ＮＩＳＴＩＲ ７３９６［Ｍ】． Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆＳｔａｎｄａｒｄｓ ｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌａｏｇｙ，２００７ ＳＣＯＳＳ［Ｒ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＳＥＴＯ Ｌｔｄ，１９９４． ［３】方召欣，李惠强．结构鲁棒性与风险防控Ｕ］．工程力学，２００７，２４（增刊１）： ７９－８２ ［２０］叶列平，陆新征，冯鹏，等．简论结构抗震的鲁棒一￣［Ｃｌ／／ｇ十届高层建筑抗 震技术交流会论文集广州，２００５：３７—４３ ［４］Ｈａｙｅｓ Ｊｒ Ｊ Ｒ，ＷｏｏｄｓＳｏｎ Ｓ Ｃ，Ｐｅｋｅ￣ｉｃｋｙ Ｒ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｃａｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｆｏｒ ［２１】方召欣浅ｉ￣．ＳｔｒｕｃｔｎｒａｌＲｏｂｕｓｔｎｅｓｓ在结构工程中的定名卟中国科技术语， １ １（５）：５８—６０ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｉｍｐｒｏｖｅ ｂｌａｓｔ ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｃｏＨａｐｓｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ？ ［Ｉ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ２００９，［２２］Ｓｔａｒｏｓｓｅｋ Ｕ，Ｈａｂｅｒｌｎｄ Ｍ．Ｄｉａｓｐｒｏｐｏｒｉｔｏｎａｔｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ：ｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，２００５，１３１（８）：ｌ１５７—１１７７ ［５］叶列平，曲哲，陆新征，等提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法 Ｄ］建筑结构学报，２００８，２９（４）：４２—５０ ［６］苏幼坡，张玉敏，王绍杰，等．从汶川地震看提高建筑结构抗倒塌能力的必要 性和可行性Ｄ］．土木工程构学报，２００９，４２（５）：２５—３２． 【７】Ｆａｎｇ Ｚ Ｘ（方召欣）Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆｓｔｒｕｃｍｒｌａ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｎａｌａｙｓｉｓ【Ｃ】 ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ＡＳＣＥ，２０１０，２４（６）： ５１９－５２８ ［２３】Ｆａｂｅｒ Ｍ．Ｈ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｉｓｋ Ｃｒｉｔｅｒｉａ Ｚｕｒｉｃｈ：Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｅｅ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓａｆｅｔｙ， ２００８ （上接第８０页）作，由于其针对性比较强，在具体的实施中会受到很多地域因 素的影响。伴随着这些年我国的经济不断提高，建筑工程消防审核中要面对 的问题会越来越多，问题会越来越复杂，因此需要工程人员不断的努力提高 自身专业水平，为日后我国的建筑发展的可持续性做出贡献。 参考文献： 【２］许姗姗．建筑设计防火规范中若干问题的探讨田中小企业管理与科技（上 旬刊），２０１０，（１１）：２９３—２９４． 【３Ｊ刘贵，张格梁．对《建筑设计防火规范》通用技术权威性的思考Ⅱ】．消防科学 与技术，２００８，（１２）：８８９－８９１． ［４ｌ林启荣．对《建筑设计防火规范》修订的几点建议【『】．消防技术与产品信息， ２００８，（１２）：５０－５３． ［１】张志平．高层民用建筑设计防火规范ＧＢ ５００４５—９５（２００５年版）问题探讨Ｕ１ｌ 建筑创作，２０１０，（０９）：１６０—１６５． （上接第８１页）参考文献 ２００６年第３６卷第６期． 【１】地铁设计规范（ＧＢ ５０１５７—２００３）．中国计划出版社出版．２００３年７Ｂ第一版． ［２］杜红．防排烟工程［Ｍ】．北京中国人民大学出版社． ［３］姚国红，巩建军．火灾烟气的危害川．消防科学与技术２００４年６月第１８卷 第６期． ［５］《地铁火灾烟气运动规律的ｃＦＤ模拟》【Ｄ】（学院部级科研项目）． ［６】蒋雅君扬其新地铁火灾特．最分析及应对措施探讨Ⅱ１．城市轨道交通研 究２００７年． ［７］郭光玲，戴国平，马世杰．地铁火灾研究Ｕ１都市轨道交通．２００４￣十七卷 增刊． 【４】地铁车站火灾的烟气流动状况研究【ｃ］暖通空调ＨＶ＆ＡＣ（专题研讨） （上接第８３页）但对于地下室顶板应该考虑到结构完成后往往会裸露在外几 个月甚至几年，适当推迟封闭时间或在准备覆土前再考虑封闭比较合适；该 地下室已竣工近３年，再未发现新的裂缝。按此方法设计的项目还有瑞泰欣城 小区，地下室面积近２００００ ，以及百洋・欧典小区，地下室面积近２１０００ｒｄ等， 五、结束语 地下室结构设计是一个综合性很强问题，涉及到的内容繁多而复杂。在 地下室顶板的设计时，应充分考虑各个方面的平面结构配置效果，并根据有 关规范和实际情况，对于嵌固端的要求、结构布置的特点、荷载的取值、沉降 采用此方法设计简单，不存在设缝时复杂的地上地下的防水问题，并且得到 了一个完整的顶板，增大了嵌固端的刚度，所有这一切都取得了非常好的使 和伸缩缝的设置，把握设计要点，进一步提高地下室空间结构设计的水平，为 用效果，也取得了非常好的经济效果。 项目及企业创造最大的经济效益和社会效益。 ・８５・
