中庭式地铁车站公共区防排烟系统优化设计探讨

沈亮峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

随着我国城市轨道交通事业的蓬勃发展，地铁车站的设计日臻精致与人性化。车站的内部空间已不再局限于简单的自然层叠加，而是越发注重将地上建筑的设计手法引入地下空间，以求为乘客带来更加丰富与生动的空间体验。

中庭式地铁车站，就是在这种时代背景下应运而生的成功实践之一。它将站厅层和站台层统筹为一个整体来进行归纳与重组，沿纵、横两个方向建立起一个或多个空间焦点，打破了原本封闭僵硬的空间界面，创造出开阔敞亮的空间视野、富有韵律感的空间序列以及令人愉悦的精神感受。

然而，在空间价值得到显著提升的同时，相应给其他系统功能设计带来了更加严峻的考验。地铁地下站空间相对密闭，连通地面的出口少，人员密集，发生事故将很难进行抢险救援。事故中尤以火灾最为突出，一旦发生火灾，地铁内会积聚大量高温烟气且很难自然排除，给人员疏散和灭火抢险带来困难[1]。中庭空间形式的引入，使车站内部功能布局和流线组织更加复杂，同时也加剧了火灾时防排烟的复杂性。因此，如何在火灾发生时提供更为安全、完备、可靠的防排烟措施，从而有效地保障乘客的生命安全，是中庭式地铁车站防排烟系统设计须深入研究的问题。

目前国内的中庭式地铁车站按照中庭开孔方式主要可分为两种形式：一种为在车站顶板、中板均开洞，顶板开洞区域上盖穹顶，可进行自然采光和通风；一种为仅在车站中板开洞，中庭属于室内空间。按照中庭面积分为大中庭和小中庭，当其孔口总面积占站台公共区面积的比例>1/3时可称为大中庭，否则为小中庭[2]。本文就上述中庭形式选取2个具有代表性的车站，通过详细的分析与对比，提出在公共区防烟分区划分、防排烟系统配置和防排烟系统控制方式等方面的优化解决方案，以供同仁商榷。

2 中庭式地铁车站火灾的特点

针对地铁车站自身建筑布局特点，中庭式地铁车站的中庭区域，通常结合公共区楼扶梯统一设计。根据《地铁设计规范》(GB 50157—2003)[4]19.1.10强制性条文中：“地下车站站台和站厅乘客疏散区应划分为一个防火分区”，从而决定了此类型车站中庭区域无法按照民用建筑中进行防火分隔，中庭与其周围车站公共区是互通的。因中庭区域空间大，使用功能复杂、火灾荷载大、乘客密度大，火灾烟气一旦进入，高温有毒的烟气将迅速扩散，充满整个空间，并很快蔓延到与中庭相通的其他区域，加快火灾的扩展，影响安全疏散，因此中庭更容易形成巨大的火灾隐患[3]。

3 公共区防排烟系统设计的重、难点

3.1 规范未做明确规定

国内地铁地下车站公共区防排烟系统设计，主要根据现行的地铁规范并参考民建和人防相关规范[4-7]。而上述各规范仅仅对地铁车站防烟分区的划分面积及排烟量计算给出了相应的规定，并未就中庭式地铁车站在防烟分区的划分方法、防排烟系统的配置及防排烟系统的控制方式给出具体的要求。因此，就上述3个方面，如何采用安全、可靠、经济、便捷的方式方法，是该类型车站公共区防排烟系统设计的重点。

3.2 站台层火灾时，楼扶梯口部风速的要求

《规范》[4-5]规定：“当车站站台发生火灾时，应保证站厅到站台的楼梯和扶梯口处具有不小于1.5 m/s的向下气流。”如上文所述，中庭式地铁车站的中庭区域，通常结合公共区楼扶梯统一设计，车站各层通过中庭竖向连通且开孔面积较大。如何采取有效的措施，满足站台火灾时楼扶梯口部风速要求，有效阻止烟气向站厅蔓延，保证乘客安全疏散，是该类型车站公共区防排烟设计的难点。

4 中庭式地铁车站实例分析

下文就上述问题，选取国内2个典型中庭式地铁车站，进行公共区防排烟系统设计的分析与研究。

4.1 A车站防排烟系统设计

4.1.1 车站概况

该车站为中庭式明挖地下两层岛式车站，站台层设屏蔽门。站厅层公共区面积3 286 m2，站台层公共区面积1 285.3 m2。在车站中部设置中庭，顶部上盖玻璃穹顶，穹顶直径23.9 m，在站厅与站台之间设置长42 m、宽9 m的孔洞，面积378 m2，详见图1。

图1 A车站中庭空间实景

4.1.2 公共区防烟分区划分

结合车站顶板、中板开孔及中庭区域周围柱与梁的设置情况，除站厅楼扶梯正上方设置挡烟垂壁外，在站厅层中庭区域其余边设置电动挡烟垂帘，站台层中板开孔四周设置挡烟垂壁，将中庭区域划分为1个防烟分区，面积为784 m2；在站厅层中部设置挡烟垂壁，将站厅除中庭区域外的公共区划分为2个防烟分区，面积分别为1 248、1 254 m2；站台除中庭区域外的公共区划分为1个防烟分区，面积为1 285.3 m2。车站公共区共分为4防烟分区，详见图2。

图2 A车站防烟分区划分

4.1.3 防排烟系统的配置

公共区通风空调系统采用全空气系统，空调回排风系统兼作排烟系统。车站两端空调机房内分别设置2台回排风机(每台风机风量为45 000 m3/h)，回排风机兼排烟风机，负担车站公共区一半的通风空调与排烟。两端区间通风机房内各设置2台隧道事故风机(每台风机风量为60 m3/s)，1台排热风机(每台风机风量为40 m3/s)[8]。

因中庭防烟分区如采用自然排烟方式，所需自然排烟口面积较大(39.2 m2)，同时考虑到穹顶外观造型，最终中庭排烟采用了机械排烟+自然排烟(辅助)的方式。

站厅层公共区两端分别设置2根回排风管，站台层公共区每端设置1根回排风管，回排风管兼排烟风管。针对中庭区域，由车站两端回排风总管上各分出2根排烟管，在站厅层中庭穹顶周围相应设置4个排烟口(图2)，中庭排烟系统与公共区合用。

4.1.4 防排烟系统的控制方式

该车站公共区防排烟系统控制方式详表1。

表1 A车站公共区防排烟系统控制方式

4.1.5 站台火灾时，楼扶梯口部风速的满足情况

由表1可知，站台防烟分区发生火灾时，站台两侧屏蔽门的滑动门开启，电动挡烟垂帘降至站厅层公共区地面。开启车站4台回排风机(兼排烟风机)进行排烟，同时开启2台排热风机及4台隧道事故风机进行辅助排烟，关闭其他防烟分区排烟管道分支。3种风机的总风量为370 m3/s，中板孔洞周围设有挡烟垂壁，楼扶梯口部过风面积为143 m2，计算楼扶梯口部风速为2.59 m/s，大于规范所要求的1.5 m/s的风速要求。在消防冷烟试验过程中按照设计模式运行后，测得楼扶梯口部向下气流为2.4 m/s，实测结果表明，此种排烟措施可以满足设计要求，并顺利通过消防验收[9]。

4.2 B车站防排烟系统设计

4.2.1 车站概况

该车站同为中庭式明挖地下两层岛式车站，站台层设屏蔽门。站厅层和站台层公共区面积分别为2 500 m2和1 500 m2，中庭区域无自然采光，在站厅与站台之间设置长90 m、宽8 m的孔洞，面积720 m2，中庭中部设残疾人电梯，通过横向走道连通站厅两侧(图3)，属于大中庭车站。

图3 B车站中庭空间实景

4.2.2 公共区防烟分区划分

车站公共区划分成5个防烟分区，每个分区的面积均≤2 000 m2。站厅中部设置挡烟垂壁，将除中庭区域外的站厅公共区，划分为2个防烟分区；站台两端楼扶梯后方区域分别设置挡烟垂壁，各划分为1个防烟分区；中庭为1个防烟分区[2](图4)。

图4 B车站防烟分区划分

4.2.3 防排烟系统的配置[2，10]

各防烟分区(包括车行区)均设置排烟系统。为增强安全性，公共区的各防烟分区各设1台独立的排烟风机和1台备用风机。车行区两端各设置2台相互备用的排热兼排烟风机。

防烟分区1～4的回排风管兼作火灾时的排烟管，中庭区域设专用排烟控烟管道。

4.2.4 防排烟系统的控制方式

该车站公共区防排烟系统控制方式详表2。

表2 B车站公共区防排烟系统控制方式

4.2.5 站台火灾时，楼扶梯口部风速的满足情况

按上文所述该车站防排烟设计方案，站台火灾时无法满足楼扶梯口部风速要求。针对该特殊条件，采用以火灾性能为基础的建筑火灾防火分析方法，通过计算机模拟火灾和人员疏散情况，最终对防排烟系统的安全性进行分析评估。

首先确定了“可接受维生环境”概念的环境准则和疏散标准如下[2]：

“可接受维生环境”概念的环境准则：气体温度≤60 ℃;CO体积浓度≤800×10-6cm3/m3；能见度≥15 m；热辐射量≤2.5 kW/m2；公共区火灾的设计标准为火灾发热量1.5 MW；列车火灾发热量为10.5 MW。

疏散标准：采用美国NFPA 130准则，即乘客从站台逃至站厅层4 min，从站台逃至地面安全区域6 min。

其次，借助FDS和SIMULEX软件，进行了火灾时人员疏散环境及逃生时间的模拟分析计算。计算结果表明：当发生火灾时，车站公共区防排烟系统能有效地控制烟气，使车站内的环境保持在“可接受维生环境”下，并确保乘客安全疏散。

4.3 防排烟系统设计方案比较

A车站和B车站的公共区防排烟系统设计方案比较见表3。

表3 A、B车站公共区防排烟系统设计方案对比

5 方案优化

通过对以上2个典型中庭式地铁车站公共区防排烟系统设计方案的分析与比较，结合两方案设计当中的优点，建议中庭式地铁车站公共区防烟分区的划分、防排烟系统的配置和防排烟系统控制方式可进行如下设计优化。

5.1 公共区防烟分区划分

图5 车站公共区通风空调及防排烟原理(中庭排烟管路独立设置)

车站中庭区域应划分为一个独立的防烟分区。根据中庭的具体形状，该分区应包括整个开孔区域和站厅层通往站台层的楼扶梯，结合车站站厅层吊顶净高，在站厅层楼扶梯的正上方灵活设置电动挡烟垂帘或挡烟垂壁，防烟分区其余边缘处设置电动挡烟垂帘，站台层中板开孔四周设置挡烟垂壁。按此方式设置，既可满足中庭着火时阻止烟气蔓延至其他防烟分区，又可保证站台公共区(除中庭区域外)发生火灾时，减小楼扶梯口部过风面积，通过该区域排烟及辅助排烟措施，达到规范所要求的楼扶梯口部向下1.5 m/s的风速要求(该工况发生火灾时，如楼扶梯上方设置电动挡烟垂帘，则降低至距离站厅层地面2.2 m高度；其余部分电动挡烟垂帘需降至地面)。

除中庭区域外的站厅、站台层公共区，如面积均小于2 000 m2，则各自划分为一个防烟分区，否则各划分为2个防烟分区。

5.2 防排烟系统的配置

因中庭作为车站公共区的特殊部分，人流密集、火灾危害性大，考虑独立配置该区域的防排烟设备，以提高该区域发生火灾时的安全保障；除中庭区域外的站厅、站台层公共区，按照通常标准二层或多层车站方式设置一套防排烟系统，排烟风机独立设置。中庭区域的排烟管道应尽量独立设置，如车站可提供管线安装空间有限，将中庭专用排烟风机与公共区排烟风机并联，共用排烟主管路，通过排烟主管路上的分支接至中庭区域，见图5、图6。

图6 车站公共区通风空调及防排烟原理(中庭排烟共用管路)

5.3 防排烟系统的控制方式

车站公共区防排烟系统控制方式如表4所示。

表4 车站公共区防排烟系统控制方式

注：本表以站厅公共区(不含中庭区域)划分为2个防烟分区，站台公共区(不含中庭区域)划分为1个防烟分区为例。

6 结语

中庭式地铁车站是新型地铁车站类型之一，其公共区防排烟系统设计方案的优劣，直接影响到该形式车站设计的可行性与普及性。通过对目前国内典型中庭式地铁车站公共区防排烟系统设计的分析研究，主要结论和建议如下。

(1)车站中庭区域应划分为一个独立的防烟分区，根据中庭的具体形状，该分区应包括整个开孔区域和站厅层通往站台层的楼扶梯。结合车站站厅层吊顶净高，在站厅层楼扶梯的正上方灵活设置电动挡烟垂帘或挡烟垂壁，防烟分区其余边缘处设置电动挡烟垂帘，站台层中板开孔四周设置挡烟垂壁。

(2)中庭作为车站公共区的特殊部分，人流密集、火灾危害性大，对中庭防烟分区宜设置独立的防排烟系统及专用排烟风管。

(3)当车站可利用空间尺寸较小，管线布设困难时，中庭与除中庭区域外的公共区，可采用合设防排烟系统的形式，但排烟风机应考虑设置备用风机。

(4)车站站台公共区发生火灾时，将中庭防烟分区的电动挡烟垂帘降至站厅层地面，专用排烟风机进行排烟，同时开启排热风机及隧道事故风机进行辅助排烟，以保证规范规定的风速要求。

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