带有上盖物业开发的苏州地铁2号线太平车辆段综合基地通风及防排烟设计

摘要 ：对带有上盖开发车辆段综合基地通过计算流体动力学CFD分析方法建模，

再结合具体作业班组、作业模式进行平时的机械通风设计，对大库及盖下无建筑区域的防排烟设计的分区及排烟量进行探讨并提出了具体方法。

关键词：带有上盖开发的车辆段综合基地、计算流体动力学CFD分析方法、机械

通风设计、防排烟设计

1.工程概况：

随着城市建设的迅速发展，城市土地资源日益紧俏，综合利用土地、提高土地的利用效率，也日益成为城市地铁建设中重点关注的问题，根据国家 “提倡节约土地、大力发展联合空间开发，实施节约型社会”的大政方针，苏州市政府确定了轨道交通2号线太平车辆段进行上盖开发，以带动周边的区域发展，提高土地的综合利用价值。

苏州轨道交通2号线太平车辆段上盖物业综合开发总用地29.4万㎡，其中车辆段占地面积182407㎡，消防站占地面积3459㎡，白地面积108134㎡。物业开发建筑面积约60万㎡，其中盖上住宅38.6万㎡、商业综合体12.0万㎡、地下停车库8.2万㎡以及公建配套1.2万㎡，一层平台标高9米、面积18万㎡，二层平台标高16米、面积17万㎡（详见图1.1～图1.2）。

项目功能分区：

一层主要为车辆段功能，建筑面积约9.0万㎡，位于一层平台下，分别为车辆段综合楼、停车列检库、联合车库、工程车库、物资库一、物资库二、洗车璇轮库、动调试验间、受电弓轮对检测间、机电车间、污水处理站、变电所、材料棚、门卫，消防站等车辆段工艺用房。

图1.1 一层±0.00车辆段总平面图

二层主要为停车交通功能，位于一、二层平台间，均为机动车停车和非机动车停车位，主要为解决上盖住宅的停车问题，小区业主可以直接通过电梯直达住户或是通过局部景观架空空间的楼梯到达平台上方。

图1.2 二层9m标高平台总平面图

二层平台上主要为高层住宅、幼儿园和会所等配套公建，在中部为车辆段办公楼。二层平台上设有景观下沉广场直达一层平台，局部还有采光天井直达一层平面，很好的解决了车辆段采光通风问题。

本文针对带有上盖开发的车辆段综合基地的建筑特点，对其通风及防排烟系统的具体设计予以介绍。

2.通风设计：

由于整个车辆段上部都被面积近18万平方米的用于物业开发的平台所覆盖，严重影响了盖下车辆段的自然通风效果，且目前国内带有上盖开发的车辆段大部分均处于在建阶段，尚无已真正投入使用，成功的案列可以参考借鉴，因此如何在保证盖下车辆段的通风卫生要求的前提下，尽量达到运行的节能是本次设计着重探讨的内容。

本人认为通风系统设计主要应根据建筑物的外形，尽量提高被动式通风，在局部自然通风未能满足通风卫生要求的前提下，增加主动式通风-机械通风。

带有上盖开发的车辆段综合基地在功能布局上主要分为车辆入库区、咽喉区以及大库检修区三个主要区域，车辆入库区的主要建筑特点为一狭长地带，南北向长720米，东西向宽度为80米。咽喉区以及大库检修区的建筑特点为大面积方正建筑，其南北向长370米，东西向宽度为320米。整个车辆段基地呈刀把形。

本项目的通风设计联合高校采用了计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）分析方法，该方法通过搭建建筑物的数学物理模型，求解流体流动控制方程，利用数字风洞模拟实际的流动和通风情况等对建筑的风环境状况进行模拟评价。

对于建筑内风力等级对人体的影响采用Beaufort风力等级来做参考，如表 2-1所示。就本次研究对象的风环境来说，研究区域内风为软风、轻风或微风时（风力等级1～3 级），人们活动感觉较舒适，可以实现自然通风舒适性，满足卫生要求。当研究区域内风力等级为0时，卫生要求就不能满足，需要采取相应的解决措施。

此外，根据风速计算结果的矢量图，找出研究区域内部可能存在涡流的区域，这表明这些区域通透性较差、空气质量不高。如果在人行区出现了该种区域，就应采取相应的改善应对措施。

根据苏州地区夏季主导风向为东南风，平均风速为3.3m/s，冬季主导风向为西北风，平均风速为3.3m/s的气象条件对车辆段进行CFD建模计算，图2.1与2.2分别为夏、冬季车辆段区在人行高度1.5米处的风速云图。

从风速云图可以分析得出，地上车辆段区十一幢单体建筑内部大部分空间的自然通风效果非常差，不能满足卫生要求，车辆段区所有柱子所在的绝大部分区域自然通风效果都很好，完全满足卫生要求，只有单体建筑背风侧及凹角处区域空气流速低，卫生条件差。区域最低风速出现在建筑背风侧、凹角处及单体建筑内部，其最低风速在0.46m/s以下，接近0m/s。

根据CFD模拟计算结果，车辆段每个单体均设置了机械通风系统，在建筑物背风及凹角处亦采取增设机械排风口，建筑专业开设开敞式广场，以及设置通风采光井的形式来改善该处的通风及卫生条件。

通风采光井的构造如图2.3所示，它的顶部是采光玻璃，侧面是通风防雨百叶，通过它可以同时达到二层汽车库采光以及一层车辆段自然通风的效果。

车辆段联合车库、停车列检库为较大的两个单体，建筑面积分别达14467m2和41062m2，盖下无建筑物区域的建筑面积也要将近9万多平方米，而联合车库、停车列检库平时同时工作班组分别仅为3个班组与4个班组，每个班组4人。如果平时两个大库及盖下无建筑区域的风机同时运转，必将大大增加电气变压器的初设容量，相应的变电所建筑面积及配属设施等均将大为增加，直接影响初投资造价。因此本项目以上区域的平时机械通风设计了温控系统，当库内局部温度>29℃时联锁开启该跨内的排风及补风机进行通风降温，以改善工作面的作业环境，当温度<28℃时停止送、排风机的运行，以利于节能。平时的通风风机分为就地控制、BAS远程控制及现场温度控制，其中就地控制为最优先级，以便于现场工作班组根据具体工作岗位予以控制。采用温控联合运行顺序控制的方式可以在满足库区及盖下无建筑物区域通风环境及卫生要求的前提下，降低风机运行的同时使用系数，相应的也就降低了初始通风系统的整体配电功率（可减小电气专业变压器初始设置容量50%），相应的也节约了整个车辆段的初投资。

由表2-2可以计算得出，采用被动通风+局部主动通风年运行耗电较全部主动通风减小972360kWh，年节约运行电费RMB84.3万元。折算标煤为年节约119.5吨标煤，年减少CO2排量331.31吨。

联合车库、停车列检库区每隔18m柱上还请电气专业预留了移动式工业冷气机插座，在夏季室外最恶劣温度环境下可以提供岗位式空调，以改善工作环境，提高舒适度。

3.防排烟设计：

车辆段各建筑单体面积及防火等级详见表3-1。本项目车辆段由于带有上盖开发，没有相应的国家消防规范可以作为设计依据，考虑到盖下单个建筑的面积、体量以及生产人员的分布情况，防排烟设计主要考虑三大区域，分别为盖下无建筑物区域、单体建筑体量较大的停车列检库和联合车库、生产人员相对集中办公的综合办公楼。

根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）9.1.3跳的规定，建筑面积大于5000m2的丁类厂房需设置排烟设施，按照规范停车列检库及联合车库均需考虑排烟，由于这两个大库均位于9m标高的上盖平台下，没有自然排烟的条件，需考虑机械排烟。根据9.4.5条规范室内净高大于6m的空间不划分防烟分区，排烟量按60m3/h·m2计算，如按规范要求，停车列检库及联合车库的机械排烟量分别要达到2463600 m3/h及868020m3/h，而接触网的安装高度为5.7m，结构梁高由于上盖带有住宅开发达到1.6m高，如要满足以上排烟量，势必造成风管断面需加高，相应的需要抬高上盖平台的高度，由此直接带来的是大幅度增加造价，这显然是不尽合理的。

经咨询轨道交通公司运营部门，停车列检库与联合车库检修作业满负荷工作分别为8人及30人，且均集中在两个股道区间作业，且车辆段列车的驱动模式为电源驱动，其火灾危险性远远小于燃油驱动的地下室汽车库，因此参考《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》GB50067-97第8.2.2条规定，利用高度大于500mm的结构梁来划分，确定每个防烟分区的面积为2000m2，下面结合大库的火灾强度及最小清晰度高度来确定机械排烟量。

最小清晰高度计算 ：

Hq = 1. 6 + 0. 1 H （ 1）

式中Hq为最小清晰高度 ，m ； H为排烟空间的建筑净高度 ，m ，本厂房为 9m。

经计算最小清晰高度应为 2.5m。

烟羽质量流量按下式计算 ：

Mρ = 0. 071Qc1/3 Z5/3 + 0. 001 8Qc （ 2）

式中Mρ为烟羽质量流量 ，kg/ s ； Qc为热释放量的对流部分 ，kW ，一般取为 0. 7Q ；其中Q为火灾热释放量 ，本修车库Q取 8 MW ； Z为燃料面到烟层底部的高度 ，m ，取值应大于等于最小清晰高度。取 Z = 3.0 m ，经计算 Mρ = 17.95 kg/ s。烟气平均温度与环境温度的差值按下式计算 ：

Δtp =Qc /Mρcp （ 3）

式中Δtp为烟气平均温度 tp与环境温度 t0的差值 ，℃，Δtp = tp - t0 ；cp为空气的比定压热容 ，一般取 1. 02 kJ / （ kg·℃）。

经计算Δtp为305.9℃。

排烟量按下式计算 ：V=Mρ T/ρ0 T0 （ 4）

式中 V为排烟量 ，m3 / s ；ρ0为环境温度下气体的密度 ，kg/ m3 ，t0 = 20℃时ρ0 = 1. 2 kg/ m3 ； T0为环境热力学温度，K；T为烟气的热力学温度，K，T=T0+Δtp

经计算V=30.58m3/s，排烟量为110088 m3/h，本工程机械排烟量取120000 m3/h。在满足消防要求的前提下大大降低了机械排烟量，相应的也降低了电气的变压器容量配置，节省了造价。且在划分防烟分区时根据作业特点，遵循按车道划分的原则，这样一旦发生火灾可以及时将作业区的烟气排走，有利于人员疏散。

气流组织形式，采用中间顶部排风（排烟），两侧沿结构柱边温控球形喷口侧送风。平时库区的机械通风与火灾时机械排烟合用风机、风管、风口。采用双速低噪声柜式离心风机柜，平时低转速排风，火灾时根据消防信号切换至高转速排烟。平时通风采用低位球形喷口可以直接将室外新风送至人员操作区，降低工作区环境温度，改善空气品质，火灾时通过两侧设置送风口，可以保证人员疏散高度区域一定的正压度，防止烟气入侵，提高人员疏散通道的清晰度，详见附图3.1。

图3.1停车列检库通风及防排烟剖面

由于整个基地地块较大，盖下无建筑区域同样按2000m2每个防烟分区设置了机械排烟系统，风管沿盖较短边东西向设置，一侧为排烟，另一侧为自然补风，此方法较好将盖下着火区域烟气迅速排至该外，较好的保证了盖下无建筑空旷区域为相对安全疏散区域。

综合办公楼按照《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005年版）的要求在盖下部分按地下室防火要求设置机械排烟系统，盖上按规范楼梯间设置机械加压防烟系统，内走道设置了机械排烟系统。

本项目的防排烟系统设计方式于2011年10月15日在江苏省公安厅组织的苏州轨道交通2号线太平车辆段上盖综合开发项目消防设计方案专家评审会上得到了与会专家的同意，并顺利通过了消防评审。

4.设计总结：

带有上盖开发的车辆段通风设计在初始阶段最好能根据建筑外形采用CFD建模计算，与建筑专业紧密配合，尽量在模型显示通风效果较差的区域开设自然采光通风井，以增加主动式通风，最大可能的改善盖下的通风环境。对于单体面积较大的库区应结合其具体的运营、作业模式，采取合理的气流组织及控制模式在保证作业环境卫生通风效果的前提下，减少电气设备的初投资，以节约造价。

对于防排烟系统的设计本人认为应结合《建筑设计防火规范》及《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》合理的确定防烟分区面积，并且按大库的火灾强度、最小清晰高度等来计算排烟量，并进一步核算防烟分区划分的合理性。对于盖下无建筑区域也应合理的布置机械排烟系统，加强盖下疏散的安全性。

我国目前在建轨道交通的城市达到了28个，随着我国城市轨道交通事业的快速发展，综合利用土地、提高土地的利用效率的要求也日益突出，车辆段上部进行上盖开发也将越来越成为发展趋势，如何在保证消防安全以及平时的通风卫生环境要求的前提下优化系统设计、节省造价也将成为我们暖通设计人员不断探索的一个新课题。

参考文献：

【1】陆耀庆 主编 《实用供热空调设计手册》（第二版），中国建筑工业出版社

【2】中华人民共和国公安部 《建筑设计防火规范》（GB50016-2006），中国计划出版社

【3】中华人民共和国公安部 《地铁设计防火规范》（报批稿）

【4】金洪文；刘咏梅；陈乃周；史国华；《大空间火灾机械排烟的数值模拟分析》

消防科学与技术2006年06期

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