香山科学会议：城市地下空间火灾安全基础科学问题

486：城市地下空间火灾安全基础科学问题城市地下空间火灾安全基础科学问题——香山科学会议第486次学术讨论会综述随着我国社会经济发展和城镇化进程的加快，以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间日益增多。这类空间由于结构复杂、功能多样、人流密集，一旦发生火灾，极易造成群死群伤的重特大事故。发达国家的地铁发展历史表明，地铁快速发展期同时也是火灾事故高发期。目前，我国已有32个城市建成或在建地铁。到2020年，我国地铁总里程将达到6100公里，其中北京地铁已成为世界上最繁忙的地铁之一。然而，地铁系统的火灾风险预测理论及防控技术尚无法跟上地铁快速发展的需要。由于其特殊的结构形式、特定的城市交通枢纽功能以及密集的人群，城市地铁系统一旦发生火灾，便存在向群死群伤特大事故转化的巨大风险。在1995到2005年间，世界上超过50人死亡的地铁火灾事故6起，而超过100人死亡的地铁火灾事故达到了4起，如1995年阿塞拜疆巴库地铁火灾，造成558人死亡，269人受伤，是迄今为止损失最为惨重的地铁系统火灾事故。近十年来，地铁在全国各大城市迅速发展，以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间火灾安全问题引起了社会的强烈关注，已成为我国城市公共安全领域的热点之一。为凝练以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间火灾基础科学问题，探讨火灾防控方法，更好地应对我国未来可能发生的城市地下空间火灾事故，推进我国城市地下空间的火灾安全防控技术的发展，为城市地下空间火灾应急决策策略的制定提供科学依据，香山科学会议于2014年4月1-2日在北京香山饭店召开了以“城市地下空间火灾安全基础科学问题”为主题的第486次学术讨论会。会议由范维澄教授、李家春研究员、袁亮教授、张和平教授担任执行主席，来自国内高等院校、科研院所、管理部门的40多位专家学者应邀参加了讨论会，围绕（1）城市地下空间火灾动力学行为与结构安全预测；（2）城市地下空间防火控烟与人群疏散协同优化；（3）城市地下空间火灾风险预警与应急处置决策等中心议题开展深入讨论。一、城市地下空间火灾安全基础科学问题张和平教授在主题评述报告中指出，目前，以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间火灾安全问题引起了越来越多的关注，已成为我国城市公共安全科技研究领域的热点与难点。报告首先分析了以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间火灾的特点与防控难点，认为与常规建筑火灾相比，地铁系统火灾在致灾机理与行为方面具有很多新的特点。首先，地铁系统的火灾成因复杂，既有动力电缆等大量电气设备固定式可燃物，又有列车、行李等移动式可燃物，可燃物种类繁多、空间拥挤，在地铁高负荷运行条件下火灾发生风险较高，同时，其狭长封闭结构、复杂连通及气流边界条件的特点，将导致火灾中的热量和烟气在地铁空间内迅速积聚和蔓延，其火灾发展特性与常规建筑存在明显差异；其次，地铁系统结构与功能分区复杂，如何基于火灾动态发展特性，实现火灾风险的预测与实时预警，已成为地铁系统火灾预防的重要技术难点，常规建筑火灾探测报警系统不能提供烟气浓度、温度等实时动态变化的火灾信息，不能根据火灾初期火情，预测火灾发展的趋势，从而无法实现对地铁系统火灾风险的科学预警；第三，由于存在高密度流动人群，以及烟气流动路径与人群疏散路径同向、复杂交叉的特点，易导致群死群伤的灾难性后果。因此，以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间火灾在致灾机理、火灾动力学行为、火灾防控技术等方面与常规建筑相比具有较大差异，已有火灾风险预测、预警与控制等方法难以为城市地下空间火灾防控技术的重大突破提供支撑，亟需开展深入系统的科学研究。报告还进一步提出了未来的思考。与会专家讨论认为：我国城镇化发展进程日益加快，城市地下空间迅猛发展，其潜在的火灾安全问题必须引起国家相关部门的高度重视。城市地下空间形式多样，其火灾科学问题复杂，需要自然科学与社会科学、基础研究与技术开发等多方面结合来逐步解决。地铁系统存在复杂的结构与边界条件，与常规建筑相比，其火灾行为差异明显，已有理论技术方法难以满足地铁系统火灾的防控需求。因此要针对有限目标，集中力量开展以地铁系统为代表的城市地下空间火灾动力学行为与防控技术的深入研究。研究中应充分考虑地铁系统火灾的确定性与随机性规律，以及真实火灾的边界条件与尺度效应，发展工程模型，建立地铁系统火灾非常规突发事件的预警与应急响应处置方法。同时，应加强地下系统火灾本质安全的设计理论与方法研究。二、城市地下空间火灾动力学行为与结构安全预测与会专家指出，我国对地下空间结构火灾问题的研究还非常缺乏，地下结构抗火设计难以满足实际需求。对于火灾下城市地下空间结构安全预测，应重点进行火灾下城市地下空间结构温度场时变理论模型、结构高温材料特性、结构力学行为、结构安全判断准则等重要问题的研究。与会专家指出，随着地铁设计概念的更新，超深埋、大长、大坡度、中厅式站台、站台密集型等复杂结构的地铁车站和隧道形式不断出现，地下复杂空间边界条件的变化，使得火灾演变和烟流、气流组织更为复杂。地下空间火灾安全亟需解决的问题包括：典型结构温度场分布规律及灾变机理、热-流-固耦合作用的火灾灾变力学响应分析理论及安全预测方法。与会专家讨论认为：地铁系统与常规建筑结构的边界条件存在巨大差异，如地下深埋、多线换乘、复杂连通、狭长通道空间等，亟需研究地铁系统复杂边界条件下火灾动力学行为。在研究火灾条件下地铁系统结构问题时，要考虑到T平方火等标准火源并不一定适用于地下空间环境，要考虑地下空间结构的不均匀受热、本身的内部缺陷对结构失稳所起的影响等。三、城市地下空间防火控烟与人群疏散协同优化与会专家指出，目前地铁火灾热灾变和烟气防控研究还存在较多不足，如火源的选用、场地限制、场景设定和边界条件的理想化、地铁复杂结构和流场的表征、地铁的网络特性等。因此，应着重解决两个关键科学问题：（1）地铁系统复杂流场条件下火灾发生及发展演化机理；（2）复杂地铁网络内火灾烟气输运与特殊行为规律。提出：首先应对地铁系统的各种复杂边界条件进行具体明确的分类定义，其次应该研究多场耦合作用驱动的地铁火灾烟气输运特性与非线性行为、复杂边界条件下地铁火灾烟气危害性的时空演化规律以及火灾烟气输运控制策略。与会专家讨论认为：地铁系统地下空间存在复杂连通、狭长通道空间、移动火源、复杂网络组织、活塞风效应、单面坡、火风压等典型特征，因此，要研究多驱动力耦合条件下的烟气输运行为特征，建立防火控烟与人群疏散协同优化方法，地下复杂结构空间风网风量的预测、设计，活塞风的影响也必须要考虑。再有，必须考虑我国城市的地域特点，结合特定城市的地理环境，研究地铁火灾的烟气输运与人员疏散规律。四、城市地下空间火灾风险预警与应急处置决策与会专家指出：应根据地铁内、外部系统风险评估模型，形成地铁系统综合风险分级方法，根据系统风险分级情况，实现不同等级系统采取不同风险处置与应急管理策略的原则。建议形成地铁内部系统日常管理常态应急化，外部系统常态应急管理日常化的原则方法，建立人群安全检查重点筛选机制和基于视频技术的地铁场景突发事件风险预测预警反应系统，做到地铁系统的三维态势实时显示、实时预警，实现突发事件预警与应急决策。与会专家指出，地铁防排烟系统担负着排热、排烟、补充新风的重任，是衡量和评估地铁整体可靠性、安全性以及疏散防灾能力的重要指标。针对未来大型复杂结构建筑将面临的建筑控制效果低下、可靠性不高及火灾事件感知困难等问题，还提出了一种基于建筑整体的分布式控制框架。与会专家讨论认为：地铁火灾经济损失是一个重要指标，在地铁火灾风险预警与分级响应中应予以考虑；针对地铁火灾应急响应处置，必需了解地铁人员类型以及其对疏散出口的了解程度，针对不同人群，采取不同的措施；通过移动物联网包括智能手机等手段，增强人员安全疏散能力与预警能力；火灾预警要结合传感器信息、火灾动力学预测数据，相互修正反馈，进行应急响应；同时，要考虑地铁运营业务的持续性与防火控制的有效结合。五、会议共识及专家建议（一）应高度重视我国城市地下空间的火灾安全问题1、在当今我国社会经济发展和中国城镇化建设加快的背景下，地铁交通系统建设迅猛发展，一旦发生火灾，极易造成群死群伤特大事故，全社会都应充分认识到地铁系统火灾对我国经济与社会危害的巨大影响。2、地铁火灾安全是我国城市公共安全体系的重要组成部分，直接面向国家重大需求，与国计民生和社会发展密切相关，需要引起政府部门的高度重视，也需要科技界的协同创新。（二）应重点聚焦的若干关键科学问题1、地铁系统火灾的成因与动力学行为预测研究地铁系统火灾危险源辨识方法，建立地铁系统火灾危险源空间分布与燃烧特性数据库，揭示复杂环境下地铁系统火灾孕育机制；研究地铁系统火灾的确定性与随机性规律，以及地铁系统复杂边界条件下火灾的非线性、非定常特征；建立典型可燃物燃烧有毒有害气体的表征方法，揭示复杂气流条件下地铁隧道狭长空间内（移动/固定火源）火灾的行为演化规律，揭示多作用力耦合下隧道狭长空间内火灾烟气的输运与时空演化规律；研究地铁列车活塞效应、隧道与车站通风排烟系统等对地铁车站关键区域火灾烟气输运的耦合作用机制；发展适用于多驱动力耦合作用下地铁车站关键区域火灾烟气输运的预测模型。2、地铁系统火灾条件下的结构安全研究地铁系统建筑构件在火灾非均匀强变热流条件下的温度场与应力场变化规律，以及温度场和应力场耦合的热-力响应规律、热-流-固耦合行为特征，揭示火灾条件下建筑结构的失效机制；发展热-力耦合作用下建筑构件（结构）内的温度、应力、应变复杂分布规律的数值预测方法，建立火灾诱发建筑结构失效的预测模型和抗火有效性评价与设计方法。3、地铁系统防火控烟与人群疏散协同优化研究基于火灾烟气输运与时空演化过程的防排烟优化控制方法，揭示通风、排烟与灭火等火灾控制措施的耦合影响及其协同作用机制；建立大规模人群运动与疏散特性数据库，揭示地铁系统内人群密度的时空分布规律与火灾烟气环境中人群运动基本特征，研究复杂火灾环境下超高密度人群疏散规律与疏导方法，发展地铁系统防火控烟与人群疏散协同优化的火灾风险控制方法。4、基于地铁系统火灾风险评估的风险预警与应急响应处置研究地铁系统火灾本质安全的设计理论与方法，分析地铁火灾事件的非常规突发事件的特点，考虑整个宏观过程的可能性与后果严重性，考虑直接与间接经济损失、人员伤亡等指标，建立地铁系统火灾风险评估方法；利用火灾传感器实时局部动态信息，建立火灾反演模型与趋势预测模型，发展火灾风险分级、分区预警方法，建立基于情景分析的火灾应急处置平台，提出地铁系统火灾分级分区应急响应处置预案方法。（三）城市地下空间火灾安全的对策和建议1、把握机遇，防患于未然，推进我国地铁系统火灾安全基础的研究。当前应针对我国地铁系统大建设现状和火灾安全问题，做好顶层设计和规划，把地铁系统火灾安全纳入国家长期发展战略规划，推进我国地铁系统火灾安全关键科学问题的系统研究。2、围绕我国地铁火灾风险控制的重大任务，集中力量解决基础科学问题。应分析提炼我国地铁系统复杂边界的特点，比如地下深埋、多线换乘、复杂连通、狭长通道空间、复杂关键结合部、含水覆层、移动火源、地铁网络、活塞风效应、单面坡等；同时，应充分考虑我国地铁系统火灾的特征要素，分析高密度人群、中国人心理行为、地域地区差异等特征，研究解决我国地铁系统火灾基础科学问题，建立地铁系统火灾风险评估与本质安全的设计理论与方法，提高地铁系统防御火灾的主动能力，提升我国科技创新与服务国家发展的能力。3、加强联合攻关和学术交流。应组织跨领域、跨学科的学术力量，针对地铁系统火灾安全研究领域中的重大科学与技术问题，联合攻关，尽快启动专项研究。进一步加强与国际同行的学术合作与交流，吸纳国际先进理念、概念、技术、方法和工具，高度关注从不同视角开展的相关研究工作，以服务于我国地铁系统火灾安全的科技创新。