鐵路地下隧道及車站之防火性能設計研究

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國立交通大學

機械工程學系

碩士論文

鐵路地下隧道及車站之

防火性能設計研究

The Study of Fire Safety Engineering Design for Underground Railroad Tunnel and Station

研究生：楊智欽

指導教授：陳俊勳教授

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鐵路地下隧道及車站之防火性能設計研究

The Study of Fire Safety Engineering Design for Underground Railroad Tunnel and Station 研究生：楊智欽 Student：Chih-Chin Yang 指導教授：陳俊勳 Advisor：Chiun-Hsun Chen 國立交通大學機械工程學系碩士論文 A Thesis

Submitted to Department of Mechanical Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University In Partial Fulfiillment of the Requirements

For the Degree of Master of Science In Mechanical Engineering

June 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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鐵路地下隧道及車站之防火性能設計研究

學生：楊智欽指導教授：陳俊勳

國立交通大學機械工程學系碩士班

摘要

因地下場站防火設計無法以一般規格性法規來進行設計，因此本研究

利用性能式設計法（performance-based design method）之驗證程序和步驟，以及數值火災模擬軟體FDS（Fire Dynamics Simulator）和 SIMULEX 人員逃生避難軟體分別針對地下車站公共區以及軌道區進行案例分析，來確保其消防設備的性能能夠確實的達到保障人員安全的目標。另外，針對地下隧道進行案例分析，探討隧道通風設備對煙流的影響。本研究共模擬兩個案例，案例一主要分為軌道區火災及車站火災模擬兩個部份。案例二為隧道火災模擬。在分析的過程中，首先以火災模擬軟體 FDS 模擬火災的煙層流動情形、CO 濃度分佈、溫度分佈及能見度分佈來計算出所能提供人員疏散的時間。接著再利用動態避難模擬 SIMULEX 模擬計算人員避難逃生情形和避難所需時間，以評估人員避難安全。由案例一模擬結果可得，由於車站內採用分區排煙設計，此設計可以集中排煙風機的抽風能力，對特定區劃進行排煙，增強排煙效果，因此可減緩煙塵影響逃生避難空間的速度，增加旅客逃生避難的時間。另外，經由軌道區火災案例之模擬結果發現，利用UPE(Under Platform Exhaust)切換 OTE(Over Track Exhaust)並隨後開啟 TVF(Tunnel Ventilation Fan)的控制模式，有助於延後月台層逃生環境受到火災影響的時間。而在案例二模擬結果可得，增設隧道通風設備能有效控制煙流的方向，增加人員逃生的時間。最後經由數值模擬結果比對逃生時間後可得知，所有案例均能滿足人員生命安全的標準，並可讓地下車站建築設計者作為逃生避難及煙控設計之參考。關鍵字：FDS；SIMULEX；地下車站；隧道；煙流

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The Study of Fire Safety Engineering Design for Underground Railroad Tunnel and Station

Student：Chih-Chin Yang Advisor：Chiun-Hsun Chen Department of Mechanical Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The fire safety design of underground station generally cannot meet the requirements by building and fire codes, therefore, this research carried out the case studies for track and public areas of underground station by utilizing the design procedures of performance-based design method and the numerical simulation softwares, FDS（Fire Dynamics Simulator）and Simulex. It needs to ensure that the performance of fireproof equipments can retain the goal of occupant safety. In another case, it is to analyze the smoke movement in the underground railroad tunnel for investigating how the smoke management system affect its movement in tunnel.

In this research, two case studies were chosen. Case 1 was further divided into three fire scenarios; fire sources were located at track (scenario 1), platform (scenario 2) and concourse (scenario 3) areas, respectively. Case 2 concerned on the fires occurred in tunnel. In the process of simulation, FDS was firstly used to simulate the fire growth and smoke movement, CO concentration and temperature distributions, and visibility. After that, a dynamic egress model, SIMULEX, was applied to calculate the situations of evacuating occupants and the corresponding available evacuation time to justify the safety level of egress. From the simulation results in Case 1, they showed that the station area, including the platform and concourse, facilitates

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the sub-compartmental desmoke system so that can utilize the full capacity of smoke exhaust fan for the particular region, such as fire origin area, to enhance the smoke effect and to mitigate the smoke influence on occupant traveling speed. Therefore, the evacuation time can be prolonged. As to the train fires at underground station trackway, it was found to turn off the under platform exhaust (UPE) and turn on the over track exhaust (OTE) simultaneously, and start tunnel ventilation fan (TVF) later can effectively exhaust smoke to keep the whole station attainable. Such installations and desmoke procedure are very helpful for mitigating the fire/smoke influence on the evacuation route that increase the escaping time from the platform to the safe area. From the simulation results of tunnel fire, they showed that the existing tunnel ventilation facilities are capable of controlling the direction of smoke effectively so that the available evacuation time in tunnel can be increased. To summarize, all of the fire protection designs in the station are found to be able to comply with the life safety requirements for occupant evacuation. And the results of this research can serve as a proper reference for smoke control system design and evacuation plan for underground station.

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誌謝

時光飛逝，轉眼間兩年研究所的生活已悄悄的結束，在這一段時間非常感謝恩師陳俊勳教授不厭其煩的指導，不僅讓我在學術上獲得專業的知識，同時也培養我擁有獨立自主的能力。在撰寫論文的過程中，老師不辭煩苦逐字斧正，使本論文得以順利完成，謹在此向老師致上最崇高的感謝與敬意。同時特別要感謝中台技術學院徐一量教授與台灣警察專科學校邱晨瑋教授於口試期間給予的指正與建議，使得本論文更加完善。在兩年的研究生涯中，非常感謝文耀、彥成、維義、成陽、家維、靖山、宏一、彥佐、昇宏等學長在生活及課業上的指導。同時一起畢業的金輝、振稼、致瑋與長新，還有非常好的朋友思賢以及在其他學校奮鬥的同學們，這兩年有你們的陪伴，讓我忘卻學業上的辛苦，還有信錡、瑋琮等學弟幫我處理一些繁瑣雜事，讓我能順利地完成論文。最重要的是感謝女友雅琪在這段求學與做研究期間的陪伴，在喜怒哀樂的生活中，有妳一路的支持與鼓勵，成為我向前的動力，使我在學校能順利完成學業。最後，將這份榮耀獻給我最摯愛的家人，非常感謝生我、育我的爸爸、媽媽以及常關心我的老哥，還有從小看著我長大的爺爺、奶奶還有外婆，感謝你們在這段期間給我無後顧之憂的念書環境以及一路的支持及鼓勵。

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目錄

摘要……….………I ABSTRACT ... II 誌謝 ...IV 目錄 ... V 表目錄 ...VIII 圖目錄 ... X 符號表 ... XXII 第一章緒論 ... 1 1.1 研究動機與目的... 1 1.2 文獻回顧... 3 1.3 研究內容... 7 第二章地下場站空間型態之特性分析與避難... 9 2.1 地下場站空間之特性... 9 2.2 火災燃燒過程... 10 2.3 火源設計... 11 2.4 煙層流動特性... 15 2.5 煙控之設計... 17

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2.6 避難安全界定標準... 20 第三章性能式防火設計方法... 28 3.1 性能設計法之目的... 28 3.2 性能式設計法規介紹... 29 3.3 建築技術規則性能式設計規定... 31 3.4 性能式防火安全設計程序... 35 第四章火災模擬軟體及理論基礎介紹... 49 4.1 FDS軟體理論基礎與數值分析方法 ... 49 4.1.1 流體力學之統御方程式... 49 4.1.2 差分方程式 ... 51 4.1.3 燃燒模式 ... 53 4.1.4 熱輻射之統御方程式... 54 4.1.5 邊界條件 ... 55 4.2 逃生模擬軟體(SIMULEX)... 57 第五章案例分析... 66 5.1 前言... 66 5.2 地下化車站(案例一) ... 66 5.2.1 火源設計、煙控設計及相關設定... 66

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5.2.2 FDS模擬情境設定... 72 5.2.3 FDS模擬結果... 73 5.2.4 Simulex參數設定及模擬結果 ... 79 5.3 地下隧道(案例二) ... 82 5.3.1 火源設計、煙控設計及相關設定... 82 5.3.2 FDS模擬情境設定... 83 5.3.3 FDS模擬結果... 84 第六章結論與建議... 143 參考文獻 ... 145

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表目錄

表1.1 世界各國捷運及地下鐵系統重大火災事故一覽表... 3 表2.1 火災案例 ... 13 表2.3 人體承受危害程度指標值分析表(SFPE及紐西蘭設計)... 20 表2.4 建議人員逃生安全環境要求... 21 表3.1 適用建築物防火避難安全性能驗證技術手冊之建築物 ... 33 表3.2 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊可替代之法規 ... 34 表3.3 火災後果分級表... 43 表3.4 發生機率分級表... 43 表3.5 風險等級矩陣... 44 表4.1 Simulex提供之人體尺寸 ... 58 表4.2 Simulex提供不同人群模式之男女分布表 ... 59 表5.1 排煙系統啟動時間(情境一) ... 68 表5.2 排煙系統啟動時間(情境二) ... 68 表5.3 排煙系統啟動時間(情境三) ... 69 表5.4 軌道區風機參數設定... 69 表5.5 隧道通風口設定... 70 表5.6(a) 格點配置表 ... 70 表5.6(b) 格點配置表 ... 71

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表5.6(c) 格點配置表 ... 71 表5.7 格點測試(720 秒之平均溫度) ... 71 表5.8 模擬情境... 72 表5.9 模擬情境之各項參數... 73 表5.10 格點配置圖(情境一) ... 74 表5.11 格點配置圖(情境二) ... 76 表5.12 格點配置圖(情境三) ... 78 表5.13 模擬避難時間表(月台層疏散完畢) ... 81 表5.14 模擬避難時間表(穿堂層疏散完畢) ... 81 表5.15 模擬避難時間表(總疏散完畢) ... 81 表5.16 模擬避難時間表(NFPA計算時間) ... 82 表5.17 隧道通風設備設定... 83 表5.18 隧道模擬情境... 84 表5-19 模擬情境之各項參數 ... 84

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圖目錄

圖2.1 火災發展過程圖... 22 圖2.2 火災成長曲線圖... 23 圖2.3 不同熱釋放率之火災成長曲線圖... 24 圖2.4 T-Square火災成長曲線圖 ... 24 圖2.5 Kisok實際量測之火災成長曲線圖（NIST,1995） ... 25

圖2.6 正煙囪效應（Normal Stack Effect）... 25

圖2.7 逆煙囪效應（Reverse Stack Effect） ... 26

圖2.8 自然排煙口設計... 26 圖2.9 機械排煙設計... 27 圖2.10 光電分離式探測器... 27 圖3.1 性能式法規階層架構圖... 46 圖3.2 避難安全驗證方式... 46 圖3.3 性能式設計基本流程圖... 47 圖3.4 評估試驗設計流程圖... 48 圖4.1 FDS分析執行計畫流程圖 ... 60 圖4.2 FDS與Smokeview之組織架構與工作流程圖 ... 61 圖4.3 Simulex模擬避難流程 ... 62 圖4.4 電腦模擬人體尺寸示意圖... 63

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圖4.5 人員間的接觸距離... 63 圖4.6 人員間距離與步行速度之關係... 64 圖4.7 避難人員超越之角度... 64 圖4.8 Simulex模擬不同方向阻礙下之超越路線圖 ... 65 圖5.1 車站模型... 86 圖5.2(a) 穿堂層防煙區劃圖 ... 86 圖5.2(b) 月台層防煙區劃圖 ... 86 圖5.3 車站排煙設備... 87 圖5.4 軌道上、下方排氣系統... 87 圖5.5(a) 火源位置I ... 88 圖5.5(b) 火源位置II... 88 圖5.5(c) 火源位置III ... 88 圖5.6(a) 月台層量測點位置 ... 89 圖5.6(b) 穿堂層量測點位置 ... 89 圖5.7 月台層 1.8 米高度溫度分佈圖(情境一)... 90 圖5.8 月台層 1.8 米高度CO分佈圖(情境一) ... 90 圖5.9 月台層 1.8 米高度能見度分佈圖(情境一)... 90 圖5.10 穿堂層 1.8 米高度溫度分佈圖(情境一)... 91 圖5.11 穿堂層 1.8 米高度CO分佈圖(情境一)... 91

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圖5.12 穿堂層 1.8 米高度能見度分佈圖(情境一)... 91 圖5.13 t=120 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 92 圖5.14 t=240 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 92 圖5.15 t=360 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 92 圖5.16 t=480 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 92 圖5.17 t=600 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 93 圖5.18 t=720 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 93 圖5.19 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 93 圖5.20 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 93 圖5.21 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 94 圖5.22 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 94 圖5.23 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 94 圖5.24 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境一) ... 94 圖5.25 t=120 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 95 圖5.26 t=240 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 95 圖5.27 t=360 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 95 圖5.28 t=480 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 95 圖5.29 t=600 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 96 圖5.30 t=720 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 96

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圖5.31 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 96 圖5.32 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 96 圖5.33 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 97 圖5.34 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 97 圖5.35 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 97 圖5.36 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境一)... 97 圖5.37 t=120 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 98 圖5.38 t=240 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 98 圖5.39 t=360 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 98 圖5.40 t=480 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 98 圖5.41 t=600 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 99 圖5.42 t=720 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 99 圖5.43 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 99 圖5.44 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 99 圖5.45 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 100 圖5.46 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 100 圖5.47 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 100 圖5.48 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境一) ... 100 圖5.49 t=120 秒煙流分佈圖(情境一)... 101

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圖5.50 t=240 秒煙流分佈圖(情境一)... 101 圖5.51 t=360 秒煙流分佈圖(情境一)... 101 圖5.52 t=480 秒煙流分佈圖(情境一)... 101 圖5.53 t=600 秒煙流分佈圖(情境一)... 102 圖5.54 t=720 秒煙流分佈圖(情境一)... 102 圖5.55 熱輻射分佈圖(情境一) ... 102 圖5.56 月台層 1.8 米高度溫度分佈圖(情境二)... 103 圖5.57 月台層 1.8 米高度CO分佈圖(情境二) ... 103 圖5.58 月台層 1.8 米高度能見度分佈圖(情境二)... 103 圖5.59 穿堂層 1.8 米高度溫度分佈圖(情境二)... 104 圖5.60 穿堂層 1.8 米高度CO分佈圖(情境二) ... 104 圖5.61 穿堂層 1.8 米高度能見度分佈圖(情境二)... 104 圖5.62 t=120 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 105 圖5.63 t=240 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 105 圖5.64 t=360 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 105 圖5.65 t=480 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 105 圖5.66 t=600 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 106 圖5.67 t=720 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 106 圖5.68 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 106

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圖5.69 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 106 圖5.70 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 107 圖5.71 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 107 圖5.72 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 107 圖5.73 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境二) ... 107 圖5.74 t=120 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 108 圖5.75 t=240 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 108 圖5.76 t=360 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 108 圖5.77 t=480 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 108 圖5.78 t=600 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 109 圖5.79 t=720 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 109 圖5.80 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 109 圖5.81 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 109 圖5.82 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 110 圖5.83 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 110 圖5.84 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 110 圖5.85 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境二)... 110 圖5.86 t=120 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 111 圖5.87 t=240 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 111

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圖5.88 t=360 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 111 圖5.89 t=480 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 111 圖5.90 t=600 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 112 圖5.91 t=720 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 112 圖5.92 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 112 圖5.93 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 112 圖5.94 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 113 圖5.95 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 113 圖5.96 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 113 圖5.97 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境二) ... 113 圖5.98 t=120 秒煙流分佈圖(情境二)... 114 圖5.99 t=240 秒煙流分佈圖(情境二)... 114 圖5.100 t=360 秒煙流分佈圖(情境二)... 114 圖5.101 t=480 秒煙流分佈圖(情境二)... 114 圖5.102 t=600 秒煙流分佈圖(情境二)... 115 圖5.103 t=720 秒煙流分佈圖(情境二)... 115 圖5.104 熱輻射分佈圖(情境二) ... 115 圖5.105 月台層 1.8 米高度溫度分佈圖(情境三)... 116 圖5.106 月台層 1.8 米高度CO分佈圖(情境三) ... 116

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圖5.107 月台層 1.8 米高度能見度分佈圖(情境三)... 116 圖5.108 穿堂層 1.8 米高度溫度分佈圖(情境三)... 117 圖5.109 穿堂層 1.8 米高度CO分佈圖(情境三) ... 117 圖5.110 穿堂層 1.8 米高度能見度分佈(情境三) ... 117 圖5.111 t=120 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 118 圖5.112 t=240 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 118 圖5.113 t=360 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 118 圖5.114 t=480 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 118 圖5.115 t=600 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 119 圖5.116 t=720 秒月台層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 119 圖5.117 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 119 圖5.118 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 119 圖5.119 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三)... 120 圖5.120 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三) ... 120 圖5.121 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三) ... 120 圖5.122 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米溫度分佈圖(情境三) ... 120 圖5.123 t=120 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 121 圖5.124 t=240 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 121 圖5.125 t=360 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 121

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圖5.126 t=480 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 121 圖5.127 t=600 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 122 圖5.128 t=720 秒月台層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 122 圖5.129 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 122 圖5.130 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 122 圖5.131 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 123 圖5.132 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 123 圖5.133 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 123 圖5.134 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米CO分佈圖(情境三)... 123 圖5.135 t=120 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 124 圖5.136 t=240 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 124 圖5.137 t=360 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 124 圖5.138 t=480 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 124 圖5.139 t=600 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 125 圖5.140 t=720 秒月台層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 125 圖5.141 t=120 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 125 圖5.142 t=240 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 125 圖5.143 t=360 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 126 圖5.144 t=480 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 126

(21)

圖5.145 t=600 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 126 圖5.146 t=720 秒穿堂層距地面 1.8 米能見度分佈圖(情境三) ... 126 圖5.147 t=120 秒煙流分佈圖(情境三)... 127 圖5.148 t=240 秒煙流分佈圖(情境三)... 127 圖5.149 t=360 秒煙流分佈圖(情境三)... 127 圖5.150 t=480 秒煙流分佈圖(情境三)... 127 圖5.151 t=600 秒煙流分佈圖(情境三)... 128 圖5.152 t=720 秒煙流分佈圖(情境三)... 128 圖5.153 熱輻射分佈圖(情境三) ... 128 圖5.154 月台層逃生出口與人員配置... 129 圖5.155 穿堂層逃生出口與人員配置... 129 圖5.156 出口封閉圖(情境二) ... 129 圖5.157 人員逃生分佈圖(情境三) ... 129 圖5.158 隧道模型... 130 圖5.159 通風口位置... 130 圖5.160 隧道量測點分佈圖... 130 圖5.161 t=60 秒垂直地面溫度分佈圖(情境一)... 131 圖5.162 t=120 秒垂直地面溫度分佈圖(情境一)... 131 圖5.163 t=240 秒垂直地面溫度分佈圖(情境一)... 132

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圖5.164 t=360 秒垂直地面溫度分佈圖(情境一)... 132 圖5.165 t=480 秒垂直地面溫度分佈圖(情境一)... 133 圖5.166 t=600 秒垂直地面溫度分佈圖(情境一)... 133 圖5.167 t=60 秒煙流分佈圖(情境一)... 134 圖5.168 t=120 秒煙流分佈圖(情境一)... 134 圖5.169 t=240 秒煙流分佈圖(情境一)... 135 圖5.170 t=360 秒煙流分佈圖(情境一)... 135 圖5.171 t=480 秒煙流分佈圖(情境一)... 136 圖5.172 t=600 秒煙流分佈圖(情境一)... 136 圖5.173 t=60 秒垂直地面溫度分佈圖(情境二)... 137 圖5.174 t=120 秒垂直地面溫度分佈圖(情境二)... 137 圖5.175 t=240 秒垂直地面溫度分佈圖(情境二)... 138 圖5.176 t=360 秒垂直地面溫度分佈圖(情境二)... 138 圖5.177 t=480 秒垂直地面溫度分佈圖(情境二)... 139 圖5.178 t=600 秒垂直地面溫度分佈圖(情境二)... 139 圖5.179 t=60 秒煙流分佈圖(情境二)... 140 圖5.180 t=120 秒煙流分佈圖(情境二)... 140 圖5.181 t=240 秒煙流分佈圖(情境二)... 141 圖5.182 t=360 秒煙流分佈圖(情境二)... 141

(23)

圖5.183 t=480 秒煙流分佈圖(情境二)... 142 圖5.184 t=600 秒煙流分佈圖(情境二)... 142

(24)

符號表

D 擴散係數（m2/s） f _{外力（包含撒水頭之拖曵力）（N/m}3_） g _{重力加速度（m/s}2_） H 總壓力 h _{焓（kJ/kg）} l h _l_{物種之焓值（kJ/kg）} k _{熱傳導係數（kW/mk）} n _{1,2,3,4,…..} p _壓力（N/m2_） o P _{外界壓力（N/m}2_） P~ 擾動壓力（N/m2） Q _{火源的熱釋放率（kW）} r q _{輻射熱通量（kW/m}2_） T 溫度（℃） t _{時間（s）} 0 t _{有效的著火時間（s）} g t _{有效的燃燒後的時間（s）} u _{流體速度（m/s）} uv _速度向量 • ′′′ l W l物種單位體積生成率 i Y _第_{i 種之質量分率}

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l Y _l_{物種之質量分率} α _{火源的成長係數（kW/s}2_） α _{衰減係數(attenuation coefficient)（m}-1_） ρ _{密度（kg/m}3_） τ _{黏滯剪應力張量（N/m}2_）

( )

t Tref Δ _{煙層下降至測點的溫度與環境溫度的溫差（℃）}

(

z t

)

T _all, 煙層至某測點的溫度（℃）

( )

all amb z T _{當時所在的環境溫度（℃）} gZ ∞ ρ _靜壓（N/m2_） g Q _{控制體積的熱生成量(kW)} t Q _{由周遭傳入控制體積之熱量(kW)} m _{質量流率(kg/s)} i h _{進入控制體積之焓(kW/s)} e h _{離開控制體積之焓(kW/s)} KE Δ _{動能變化量(kW /kg)} PE Δ _{位能變化量 (kW /kg)} w _{由周遭所作的功(kW)} ζ _0.7 1 C _0.071 8 C _0.0081 Z 煙流高度(m) P T _{煙流在高度}_{Z 之平均溫度(℃)}

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a

T _{環境溫度(℃)} P

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第一章緒論

1.1 研究動機與目的

軌道運輸系統為一個國家經濟發展之重要動脈，同時為旅客載運量最高之運輸工具。萬一發生災害，常釀成重大的人員死傷與財物損失，對社會造成極大的衝擊。而災害發生之各種因素有時會先後發生並互成因果或同時發生，使情況更加複雜。隨著世界人口持續的成長，生活水準的提升，人類對於食物、物質、能源及生活空間之需求不斷增加。由於人口的增加造成耕地及生活空間的減少，在地上資源、空間不敷需求之情形下，人類開始往地下發展，諸如在臺灣，就開始進行鐵路地下化、大眾捷運系統地下化、隧道、地下街、地下停車場、地下建築物等，所以各式各樣的地下空間利用迅速成長，儼然形成地下城市，其中最具代表性為臺北車站，除三鐵共構外（隧道）亦包括有相連通的地下街及地下停車場，形成以地下軌道交通為中心向外延伸發展而成的地下城市。由於地下運輸系統其構造及使用特性較為特殊，加上地下隧道通風對煙流的影響，由過去重大災例之發生可知除了由火災所引起外，仍不外乎是濃煙毒氣遮蔽視線、避難逃生路徑遭阻斷、消防防災系統功能失效，滅火困難延誤搶救時效等因素。因此地下運輸系統在發生災害時，除了使消防、排煙設備維持正常運作外，有效的進行避難與疏散也是非常重要的。根據過去相關資料統計，歷年來發生在世界各國地鐵及捷運系統中之重大火災事故（詳見表1.1），就奪走超過 500 條人命，其中又以 2003 年發生於南韓大邱捷運系統之火災傷亡最為慘重。為了保障人民的生命安全，世界各國對於建築物的防火消防與逃生避難，均有其相關的法律要求，而目前台灣所制定的火災安全法規為內政部「各類場所消防安全設備設置標準」[1]與「建築技術規則」[2]作為一般建築物建造時之標準，此為傳統式的規格性規範（prescriptive-based codes）。建築設計者只要確實依照法規的範圍設置防火避難設備，理應有一定水準的消防安全，但是近年來拜經濟

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成長所賜，國內陸續有著各種特殊的建築物出現在我們的四周，例如特別挑高的中庭（往往會有三、四層樓高甚或更高）的大樓、具有巨型內部空間的建築（如巨蛋球場）或者是大型的地下建築空間（如地下捷運站）等，對於這些特殊的建築物，都是無法依循傳統式的規格性建築法規來加以設計規範。例如「各類場所消防安全設備設置標準」中第 188 條，條文中規定於地下建築物中樓地板面積每 300m2 內應以防煙壁區劃與防煙壁下垂之深度為80 公分、排煙量大小等設計，以及在「建築技術規則」第 202 條，地下建築物總樓地板面積在1000 平方公尺以上者，應按每 1000 平方公尺，以具有一小時以上防火時效之牆壁、防火門窗等防火設備以區劃分隔，對於地下車站來說，在建築及消防法規上的設計皆無法符合其規定設計。故為了給予建築型態與使用上更大的自由，並確保建築物之消防設備能於火災發生時能有效的保護人員的安全，利用性能式火災安全設計方法（performance-based fire safety design method）來評估建築物消防設備之有效性乃是有效解決前述問題的一種方法。另外，交通部於 97 年 7 月 29 日 頒布「鐵路隧道及地下場站防火避難設施及消防安全設備設置規範」錯誤! 找不到參照來源。]，作為鐵路隧道及地下場站防火避難設施及消防安全設備規劃設計時之參考依循，此外配合美國防火協會（Nation Fire Protection Association，NFPA）公佈有關固定式軌道運輸系統之設計標準，NFPA 130 「Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems」[4][5]，係針對地上或地下車站本體結構、軌道、隧道、緊急通風系統、運輸列車、機廠及維修站、緊急應變程序、通信連絡等詳加規範，並具體提供消防排煙通風及避難時間計算方法以檢討避難安全性能。因此本研究利用性能式火災安全設計方法來評估建築物消防設備能在火災發生時有效保護人員的安全，在經濟效應的因素以及能依照個別建築物給予精確的消防安全設計，此乃本文之動機所在。

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表 1.1 世界各國捷運及地下鐵系統重大火災事故一覽表日期重大火災事故死亡人數受傷人數備註 2005.7.7 英國倫敦地鐵車站火災 56 700 連續 3 起人為恐怖攻擊炸彈爆炸案件 2003.2.18 南韓 Daegu 捷運系統火災 198 147 人為縱火 1995.10.28 亞塞拜然Baku 地鐵火災 289 265 列車底盤電氣設備起火引發之火災 1994.5.26 台灣台北車站 0 10 地下二層繼電器電線走火 1987.11.18 英國 King’s Cross 捷運車站火災 31 27 香菸掉落造成木製電扶梯失火引發之火災 1979.1.17 美國舊金山地下捷運火災 1 58 列車底盤電氣設備起火引發之火災 1972.11.6 日本國鐵北陸隧道 714 30 運行中的餐車漏電起火，在隧道內緊急停車 1968 日本東京日比谷線神谷町電車火災 0 11 剎車系統故障，一節車廂失火全毀 1976 英國倫敦地鐵火災 0 25 月台層配電室起火引發火災

1.2 文獻回顧

NFPA 92B [6]提供了大空間建築物，為排除因火災造成煙流的相關方法論，包括煙控系統之設計、安裝、測試、操作、及維護之技術基礎。NFPA

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130 規範涵蓋載客軌道，地下、平面、與高架固定軌道輸送系統，並包括車體、固定軌道運輸車站與車體維修及儲存區域之防火需求，以及固定軌道運輸車站、行車路線、車體、和戶外車體維修及儲存區域內之防火逃生措施。NFPA 130 的目的在於建立最低需求，以提供消防及其相關危害之合理的安全措施。在 2000 版 NFPA 130 附錄 B 修訂可維生之環境( Tenable Environments)標準，針對火場中維持一段時間內可維生環境之因素訂定標準，如溫度、氣流中的CO 濃度、濃煙遮蔽度（能見度）、輻射熱通量等，在保障人身安全上更進一步。

Petterson [7]利用 McLeans Island 的房間進行火災實驗，實驗之火源大小分別為55kW、110 kW，以及進行 Us Navy Hanger 的大型火災實驗，實驗之火源大小分別為 5580kW、6670kW，實驗並與 FDSv2.0 版所計算的模擬結果進行比較。結果顯示，在紊流強度較弱時（小空間之房間火災），格點加密的比較結果（100mm、150mm、300mm）下，FDS 在 100mm、150mm 的預測數值準確性較高；但在紊流強度較強之大空間，格點加密（300mm、 600mm、1800mm、3600mm）的比較結果下，反而在 1800mm 較大格點的預測數值比較準確，在格點大小300mm、600mm 所預測的溫度偏高。因此，格點的尺寸越小，模擬所的結果不一定會更準確，而應使用適當的格點大小，同時也可減少計算的時間。蔡尤溪[8]利用 FDS 與 FLUENT 進行大空間煙流的模擬，由格點分析的結果，FDS 對於遠離火場溫度的預測值，有相當高的精確度，因此可利用非均勻分佈格點，火場附近處加密格點，遠離火場可上適當加大格點尺寸，以減少運算時間；而 FLUENT 由於使用許多簡化假設，因此所得結果與實驗和 FDS 相差較大。且在格點加密的部份，的測試，發現局部加密的結果以正方體格點（寬高比aspect ratio 為 1：1）時，收斂的結果、反應的火載量與溫度的現象最平穩，而aspect ratio 最好不要大於 1：4。

Simcox 等人[9]利用小尺寸實驗與電腦模擬 King's Cross 地下鐵火災，並將實驗與模擬結果相互比對。比對結果發現King's Cross 地下鐵火災，因煙蒂掉落在電扶梯的齒輪，使火焰集中在電扶梯溝渠的一角落，加上冷空

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氣注入角落而產生漩渦狀的vortex，產生溝渠效應(trench effect)，使得火勢沿著電扶梯的側壁向上傳播，延燒至木製廣告看板及天花板，加上鋪板及廣告夾板上的塗料具有高度可燃性，因此更加速了火勢之延燒擴大。他們並發現影響火勢大小的主要原因為溝渠效應，而火車進站時所產生的活塞效應(piston effect)對於火勢影響則較小。 Oka 和 Atkinson [10]利用實驗的方式量測火災的大小、位置以及形式對臨界速度的影響。經由實驗得知火災的大小對於臨界速度的影響較小，但是如果火源大小佔據了一半以上的隧道寬度，臨界速度會相對地減小。於實驗中也可發現，如果可得知Froude scaling，進而可藉由小尺寸隧道所量測出的臨界速度，計算得知大尺寸隧道的臨界速度。張文嘉[11]利用CFX4 模擬軟體，討論列車進出站所形成之活塞效應 (piston-effect)對月台層火災之影響，並且分析著火列車靠站以及站內軌道區火災之煙流。月台層火災因列車進出站產生活塞效應，帶入速度 3m/s 的風，建議採取的煙控模式為啟動TVF 和UPE，在啟動TVF 和UPE 的作用下，月台層與隧道間會形成較大的壓差將濃煙抽離。而著火列車靠站之案例，建議採取的煙控模式也為啟動TVF 和UPE，使著火列車產生的濃煙完全經由隧道段空間被抽離，沒有任何濃煙飄散至月台層和穿堂層。站內軌道區火災由於啟動TVF 和UPE ，形成的強大吸力將濃煙從隧道段抽離，所以月台層之煙霧濃度與溫度甚低，並不影響能見度，因此對月台層人員沒有立即的危險。因此可得知當月台層以及軌道區發生火災時，TVF 和UPE 在煙控上扮演著相當重要的角色，不僅可減緩濃煙的蔓延，同時降低環境溫度和一氧化碳濃度，使乘客擁有足夠的時間安全地逃生。陳榮進[12]利用 CFAST 與 FDS 火災模擬軟體做為輔助工具，預測火災之煙沈積速度，模擬捷運車站月台層發生火災時，捷運車站月台層之濃煙煙層高度沈降速率及煙層溫度分佈。並且針對捷運車站避難系統設計進行分析，利用 NFPA130 配合日本建築中心對捷運系統避難逃生時間進行討論與計算。並與動態避難模擬分析（SIMULEX）所模擬之避難時間相互比對，評估各避難路徑之安全性。最後，整合煙控與避難系統，完成最新型之捷

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運地下車站之緊急運轉模式。 Chow 等人[13]針對隧道火災的各種不同的煙控方式，利用 CFD 軟體（PHOENICS）進行模擬比較。模擬結果可得知，增通風速度會導致火載量提高，並於火場附近 20 公尺處的煙流溫度可達到 700℃，對於隧道通風系統法規規定須達到 1 小時 250℃之防火時效而言，通風系統的耐熱是不足的，此外，其他環境因素例如氣象條件、運載量，以及交通工具的種類都是需考慮至隧道火災安全的設計中。 Lin 和 Chuah[14]利用 FDSv3.1 模擬捷運車站火災，火源位置位於車站大廳與月台層，熱釋放率分別為2.5 MW 和 1.0 MW。火災發生後，車站大廳之排煙系統提供 15m3/s；月台層之排煙系統提供 13m3/s。由模擬結果可得知，排煙系統與防煙垂壁能有效的控制並減緩煙層的擴散與沉降速度，且能見度為逃生環境安全設計最關鍵的指標。

柯建明[15]以 FDS（Fire Dynamics Simulator）和 Star-CD 兩套軟體來模擬比較地下車站火災時狀況且預測火災之煙沈積高度，和高度沈降速率。模擬結果顯示 FDS 與 STAR-CD 兩套軟體模擬溫度分佈情況類似，但在煙沈積速度，由於FDS 與 Star-CD 兩套軟體模擬理論並不相同，Star-CD 對火災模擬是利用熱輻射原理來模擬火災對四周環境溫度變化，因此溫度變化是漸進的增加，所以利用 N％來判斷煙沈積曲線也是漸進的沈積至最低高度。而 FDS 則可直接輸入燃料種類，並藉由所設定之火災成長曲線進行燃燒模擬，以接近真實火災情況，不論是燃燒化學材質、傳導方式以及火災對四周環境的影響皆真實模擬，所以曲線在火災初期煙沈積高度就立即下降。但火災發展至穩態後，兩個程式之模擬結果皆呈現相同之煙層積高度，獲得一致之結果。 Chiam[16]利用 FDS 模擬列車火災，火源位置分別位於列車座位上（縱火）、列車裡的某一角落（縱火或電器設備故障）以及列車底盤（電器設備故障）。經由模擬結果可得知，當火災發生於角落的區域，強制通風(forced ventilation)的速度較小，促進火災成長；反之，當火災發生於列車底盤時，燃燒的面積大於火災發生於角落的區域，並且擁有較大的強制通風，但是

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火源的大小決定於燃燒的時間長短。Chiam 並且發現當強制通風的速度過大時，容易發生閃燃(flashover)的現象，因此當火災發生時，必須關閉列車門，以防止火災發生後產生閃燃現象，造成火勢的蔓延。Chiam 並建議當火災發生於站內軌道區時，最大火載量為5 MW，當火災發生於隧道中時，建議最大火載量為10 MW。陳昱勳[17]針對捷運列車於隧道中發生火災事件做分析與研究，以 FDS(Fire Dynamics Simulator)火災模擬軟體，模擬列車外底盤電阻格閘高溫起火引起底盤著火與列車車廂內蓄意縱火之兩種情境。由模擬結果可得知，如火災如為原兩倍設計火載量（24MW）相同臨界風速下亦可以阻止煙回流。且發現隧道風速未達臨界風速的狀況下，無法阻止煙霧蔓延，而且也觀察到因為隧道風速的不同之火災煙與熱的分佈差異，過大的隧道風速不但阻礙人員逃生速度且增加不必要的設備容量。

Van Maele 和 Merci[18]利用 FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬隧道火災案例，分析三種不同長度的隧道其溫度的差異性以及隧道不同傾斜角對煙流的影響。模擬結果得知，在三種不同長度的隧道火災模擬中，在相同時間下，瞬間的溫度會有較大的差異；但在同一段時間下的平均溫度值是相近的，故可在隧道火災模擬中，縮短隧道長度作計算，以降低計算實際長隧道網格數多的時間。而在不同坡度隧道模擬結果顯示，有坡度的情況下會造成煙囪效應，煙只會往單一邊流動，考慮最嚴重的情況下，在模擬隧道火災中建議採用水平的隧道模擬。

1.3 研究內容

煙控設計及避難系統為建築物消防設計的重要考量，煙控系統最主要的目的是可適當延阻煙層的擴散或沉降時間，使建築物內部之人員不被火災產生的濃煙所傷害，而增加人員避難安全的逃生時間。因此，在性能式設計法中必須同時評估煙控以及避難系統上之配合，以發展出最適合之共生系統。本研究的內容將以性能式設計法之驗證程序和步驟，並使用國內實際

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之地下化車站及隧道，進行煙控系統設計分析，並利用數值模擬軟體分析煙控及避難設計是否達到安全標準。

本研究之模擬主要分為兩大部分，第一部份將以車站公共區、軌道區進行火災案例分析；第二部份則針對地下隧道火災進行模擬分析。首先探討各案例之初始條件，火源位置及熱釋放率，邊界條件，排煙系統設定，接著再以美國NIST（National Institute of Standards and Technology）所發展的火災模擬軟體FDS [19]（Fire Dynamics Simulator），對於火災發生時之流場、溫度場及煙層流向作三維模擬分析，分析模擬結果所得之流場、溫度場、一氧化碳濃度、能見度及熱輻射強度，驗證車站排煙系統之設計性能是否能符合人員安全逃生之環境要求，並在改變必要參數（如隧道通風系

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第二章地下場站空間型態之特性分析與避難

安全標準設定

2.1 地下場站空間之特性

地下場站等地下空間具有密閉化、地下化等特性，在地下這個封閉且黑暗的有限空間裡，災害事故發生時往往造成人員避難與災害搶救上的困難，因而加重災害的危害程度。在軌道運輸系統地下交通設施之火災意外，是被認為具有較高的公共危險性及社會成本嚴重損失的潛在危害，因此必須瞭解地下空間所存在於火災時之避難危險性，才能清楚的得知火災發生情況，甚至加以預測分析，以減少預防火災的發生，進而減少生命財產的損失。地下場站空間之火災危害特性如下：一、地下空間型態之特徵： 1. 空間封閉，位置辨識困難，容易迷失方向感。 2. 到達地面仰賴樓梯設施，垂直距離長，向上步行容易疲累。 3. 步行距離明顯受通往地面之出入口數量、位置、大小之限制。 4. 自然光與外氣供應有限，換氣不良，易蓄積有害氣體。 5. 地面難以掌握地下空間之內部狀況；地下空間內部亦不易掌握地面外界之各種情況。二、地下空間火災特性： 1. 外氣供應受限，火災時易因不完全燃燒或悶燒產生大量濃煙。 2. 開口有限，排煙困難，火災發生地點及火勢狀況難以辨識掌握。 3. 地下層結構複雜，用途分歧，火勢蔓延快速，火災現場瞬息萬變。 4. 空間密閉，散熱困難，易蓄積高溫，火場溫度上升快。 5. 大量高溫燃氣，一旦接收新鮮空氣進入，容易產生二次爆炸或回燃之風險。三、避難逃生不易： 1. 火災之熱、煙、毒氣難以排出室外，而易蓄積並流入避難路徑。

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2. 地下空間火災時，火煙擴散蔓延之流動路徑常與避難方向相同。 3. 採光或照明不足，因濃煙遮蔽，視線不良，影響逃生路徑判斷。 4. 群眾因急欲求生之本能，產生不安、恐慌之負面心理，而造成盲從、壓迫、擁擠之危險行為。 5. 排氣效果不佳，需仰賴大規模耐高溫之通風換氣及排煙設備。四、消防搶救困難： 1. 消防進入搶救活動與避難路徑方向相反，容易延誤搶救時機。 2. 受地下空間地形、距離及設施之阻隔，內外通信連絡困難。 3. 受出入口及空間限制，同時間不易容納大量消防搶救人員及裝備進入內部救災。 4. 消防人員需仰賴空氣呼吸器具，容量有限，搶救活動範圍受限。 5. 因滅火大量用水，排放不易，造成嚴重水損。

2.2 火災燃燒過程

在設計火災模式時，需先由火災發展的過程探討，一般而言火災燃燒過程為規則性，隨著燃燒時間的增長，可分為五個發展階段描述燃燒過程： 1.引燃（Ignition）、2.成長期（Growth）、3.閃燃期（Flashover）、4.完全發展期（Fully Developed）以及 5.衰退期（Decay），發展過程如圖 2.1 所示。各階段所代表的特徵與意義如下：（1）引燃（Ignition）當環境中具備可燃物、氧氣、熱能三要素時便可能起火燃燒。並於燃燒放熱過程中，導致周圍環境溫度大幅升高，稱之為引燃（Ignition），引燃可開始於點燃性燃燒及自發性燃燒。（2）火災成長期（Growth）生命安全的初始危害風險是在於火災成長期產生之熱量與煙。隨著有火焰之燃燒發生後，火災逐漸發展並傳播至鄰近可燃物，此為火災成長期。火焰的成長速率受限於燃燒的型態以及種類、環境的交互

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作用和氧氣供應程度；在此時期由於火場溫度較低，且火焰的位置也多半還在火源附近的區域，因此火災成長期為逃生避難的黃金時期。（3）閃燃期（ Flashover）於燃燒不完全的可燃物粒子散佈在空氣中達成一定量，再加上燃燒產生的熱與壓力，在瞬間將空氣中的可燃物粒子全部引燃，造成猛烈燃燒，此即為閃燃（Flashover）現象。一般而言，若空間內的溫度達到600℃時，或地板表面積之熱輻射約達 20 kW/m2，即有很高的機會發生閃燃。在閃燃之後因火場的高溫、高濃度一氧化碳、濃煙及氧氣缺乏，幾乎無人可在火場中生還。（4）完全發展期（Fully Developed）當火災發展至閃燃後，火災進入擴展階段，此時火場具有相當高的溫度與熱釋放率，此階段火災為通風控制（小空間）或燃料控制（大空間）。如在密閉之小空間中，火場燃燒的速率受到火場開口流進之空氣量所支配，而此時火場內的溫度將可高達1200 ℃以上。（5）衰退期（Decay）當可燃物逐漸耗盡，其能量釋出銳減，導致火場內氣體平均溫度陡降，此時燃燒情形由通風控制狀態轉為燃料控制狀態，若無法維持最大燃燒速率時，則燃燒會逐漸衰退。一般以燃料消耗至80%的時間來定義。

2.3 火源設計

火源的設計對於煙控系統來說有決定性的影響，並且於設計時，需考慮隨時間變化的熱輸出值。在火災的初期階段，熱釋放率由燃燒體之性質、數量及大小來決定。如果火源持續擴大，導致閃燃的發生時，此刻的煙控系統就會失效。但是如果火源發生的區域在與大空間連接的小區域內，經由門或窗進入大空間的煙流仍可利用煙控系統加

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以控制，以避免煙流的擴大。因此，火源的成長期為人員逃生避難的最佳時期，同時也是消防煙控設計的關鍵時期。

設定火源大小是火災危險評估（fire hazard assessment）中最重要的部分，因為火災產生之濃煙的沈積與煙控系統（smoke management system）之設計均受設定的火源大小影響。一般火災強度的設定分為穩態火源（Steady fire）、非穩態火源（Unsteady fire）以及實驗量測火災成長曲線三種方法。 1. 穩態火源（Steady fire）一般在自然狀態下火源是不穩定的，但爲使火源較容易描述以及研究上的需要，因此將火源假設為穩態火源。穩態火源與非穩態火源的最大差異處為穩態火源之熱釋放率為定值，非穩態火源之熱釋放率則會隨時間以及可燃物的性質改變。在應用上，通常採用穩態火源做為設計。Klote（2002）[20]建議將商業、住宅區每單位樓層面積之熱釋放率可大約估計為 500kW/m2，而辦公室建築每單位面積之熱釋放率則為225kW/ m2。在特殊大空間建築中，依據可燃物之多寡，比照商業建築將每單位面積之熱釋放率可大約估計為 500kW/m2 （44Btu/s-ft2），對於存放少許可燃物之大空間，每單位面積之熱釋放率則可大約估計為 225kW/m2（20Btu/s-ft2）。而特殊空間穩定火源設計的基準量，於大型空間中存放少許可燃物最小火源，火源大小設計的基準量為 2000kW，而於大型空間中存放可燃物最小火源則為 5000kW，此外一般大型火源則制定為 25000 kW。軌道運輸系統目前多以耐燃材料作設計，因此火災發生之機會以人為縱火或機電設備故障引起之火災機率較大，可燃物來源除了電扶梯及列車車廂等設備外，主要包括旅客行李、車站內廣告招牌、垃圾桶等。就火災熱釋放率大小而言，由表 2.1 所列模擬案例可知，一般旅客行李火災火源熱釋放率之設計值約為 1MW，至於非行李火災所採用之設計火源熱釋放率約介於2 MW 至 5 MW 間。

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表2.1 火災案例數據來源位置火場規模「高雄捷運 R3 車站月台層公共區及軌道區火災煙控模擬」[21] 月台層 1MW 新近英國倫敦地鐵Jubilee Line 延伸線 [22] 公共區行李火災 1MW 「台北捷運新莊線DK-193 標；蘆洲線 DL131、DL132/133 標細部設計」 [23][24][25] 地下捷運車站公共區火災 2MW 「高雄都會區捷運系統地下車站之緊急煙控策略及避難動線分析之檢討」 [26] 地下捷運車站公共區火災 2MW 萬華地下車站測試月台區與隧道區排煙系統模擬分析[27] 月台區 5MW 「高速鐵路左營站車站大廳煙控系統設計分析」[28] 車站大廳 5MW 2. 非穩態火源（Unsteady fire）在NPFA 92B 中，則是認為大多數的燃燒火源在發展期間的熱釋放率非常低，且其熱釋放率會隨時間變化，因此將火災成長狀況理想化，以拋物線方程式表示（Heskestad , 1984），也就是將式（2.1）中的n 取 2 並且加入不同火源成長時間的觀念成為如式（2.2）所示，意即當火源成長至一臨界點後，其熱釋放率會與時間的平方成正比，如圖2.2(a)、2.2(b)所示。

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Q

=

α

(

t

−

t

0

)

n （2.1） Q_{：火源的熱釋放率（kW）} α ：火源的成長係數（kW/s2） t_{：開始燃燒後的時間（s）} t0：有效的著火時間（s） n_{：1,2,3,4,…..}

Q

=

α

t

g2 （2.2） tg：有效的燃燒後的時間（s）此式稱為"T-Squared Fires"，NFPA92B 使用成長時間的觀念，時間 tg 定義為有效燃燒之成長至 1,055kW 以後之時間，而 T-Squared Fires 依火源成長速率又可區分成 Ultra-fast、Fast、Medium 及 Slow 四

種成長曲線，各種型式的火源成長係數與成長時間如表2.2 所示。因火源防護作用或燃燒空氣缺乏，其熱釋放率會成長至一臨界點後便會停止，而後其熱釋放率可視為常數，如圖 2.3 所示。各種火源成長型式及其各類替代物質如圖2.4 所示。表2.2 火源成長模式係數項目成長係數成長時間

T-Squared Fires Α（kW/s2） α（Btu/s2） tg（s）緩慢（Slow） 0.002931 0.002778 600 普通（Medium） 0.01127 0.01111 300

快速（Fast） 0.04689 0.04444 150 極快速（Ultra Fast） 0.1878 0.1778 75

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3. 實驗量測火災成長曲線

定義火源熱釋放率的方式為火災發生時啟動撒水系統裝置，並將火源熱釋放率控制使達到穩定狀態，抑制閃燃現象發生的狀況。

實驗量測火災成長曲線是指利用 Cone-Calorimetry、Bench-Scale Test 或 Full-Scale Test 等方法實際量測可燃燒物質之熱釋放率，進而

得到實際發生火災的熱釋放率。圖 2.5 為美國國家標準與技術研究所

（NIST, National Institute of Standards and Technology）與建築物火災研究實驗室（BFRL）進行全尺度燃燒測試實驗，量測販賣亭（kiosk）於燃燒時之火災的熱釋放率成長曲線。

2.4 煙層流動特性

煙從一空間流至另一空間，主要的驅使力（Driving Force）依其性質可分為兩大類：一為自然式（Passive），二為主動式（Active）。自然式驅使力包括：煙囪效應、浮力、熱膨脹、自然風。而強制式驅使力有空調系統與電梯活塞效應兩種。在自然式驅使力中，浮力與熱膨脹為煙的溫度所引起。煙囪效應及自然風則受當時氣象條件中的外氣溫度與風的大小、方向影響。而強制式驅使力中的空調系統和電梯活塞效應，則為建築物內的設施所致。上述六種驅使力會在隔離物、牆、樓地板之間產生壓力差，而影響煙的流動。 1. 煙囪效應（Stack Effect）當建築物室內空氣溫度高於室外時，由於室內外空氣密度的不同而産生浮力。建築物內上部的壓力大於室外壓力，下部的壓力小於室外壓力。當外牆上有開口時，通過建築物上部的開口，室內空氣沿樓梯間、電梯井、管道井等豎井流動而流向室外；通過下部的開口，室外空氣進入豎井流動而流向室內，這就是建築物的煙囪效應。它是由高層建築物內外空氣的密度差造成的，高層建築的外部溫度低於內部溫度而形成的壓力差將空氣從低處壓入，穿過建築物向上流動，然後從高處流出建築物，這種現象被稱

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爲正煙囪效應（Normal Stack Effect）如圖 2.6 所示；反之，若建築物外部溫度高於內部溫度時，所形成的壓力差將空氣從高處壓入，則建築物豎井空間則有向下的氣流產生，稱這現象為逆煙囪效應（Reverse Stack Effect）如圖2.7。火災時，由於燃燒放出大量熱量，室內溫度快速升高，建築物的煙囪效應更加顯著，使火災的蔓延更加迅速。一般煙火災煙氣在垂直方向的擴散流動速度較大，通常爲1～5m/s。在樓梯間或管道井中，由於煙囪效應産生的拉力，煙氣流動的速度可達6～8m/s。 2. 浮力（Buoyancy）因火焰上方的高溫氣體與周圍冷空氣之間的密度不同，煙的密度較低，相對的產生煙的浮力。當煙從火場流出後，本身溫度會因熱增關係（Heat Gain）而降低，因此煙受浮力影響會因距離愈遠而愈小，也會隨火場的成長而有所改變。 3. 熱膨脹（Expansion）火場的高溫除了會產生浮力驅動煙外，能量的釋放也會有熱膨脹的現象，而使煙流動。根據氣體膨脹定律，可推算出著火期間著火區域內的氣體體積將擴大3 倍，其中 2/3 氣體將轉移到建築物的其他部分。而且膨脹過程發生相當迅速，並造成相當大的壓力，這些壓力如果不採取措施減弱，就會迫使煙從著火層往上和往下向建築物其他部分流動。 4. 自然風效應（Wind Effect）外界的風對煙的流動有顯著的效應。建築物窗戶、門被打開時，風可以影響到建築物內煙的流動。室內風向、風力、風速對高層煙霧流動有顯著影響，且這種影響隨建築物的形狀與規模而變化。氣密較好的建築物而言，風的影響較不顯著。但是火場常發生窗戶玻璃受到火災現場的高溫而膨脹破裂，建築物的氣密性則遭破壞。外界的風可輕易影響內部煙的流動。若再加上前述的煙囪效應，則外界氣象條件，

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即風與溫度，將會對建築物內部煙的流動造成顯著影響。 5. 空調系統（HVAC System）建築物內通風、空調系統對建築物內壓力的影響，取決於供風和排風的平衡狀況。如果建築物內各處的供風和排風是相同的，那麽空調系統對建築物內的壓力不會産生影響，在建築物某區火災中，該區空調系統的供氣超過排氣，該區便出現增壓現象，空氣就從該區流流向建築物內其他區域部分。反之，該區空調系統的排氣超過供氣，則出現相反的現象。火災發展時，空調系統將大量的煙送至它所供給的區域。且空調系統還可能將大量新鮮空氣到火場，助長燃燒。故在警報器偵測到火或煙時，便把空調系統電源關掉，使得空調系統不繼續送風或換氣。但為避免空氣經由風管竄到空調系統所供給的區域。可在各送風管回風管的開口，裝上防煙/防火閘門（Fire Smoke Damper），則煙不致沿著空調系統，跑得整棟建築物。

建築物內通風、空調系統可依照某種預定而有益的方式設計，以控制建築物內的煙霧流動。如在發生火災時，空調系統亦可運用來做為強制排煙系統，使空調系統在平時或緊急狀態都能發揮效用。

6. 電梯活塞效應（Elevator Piston Effect）

當電梯在一豎井中移動時，會在豎井內產生瞬間壓力（Transient Pressure）。向下移動的電梯，將會迫使在電梯以下部分的空氣，因受擠壓而產生向豎井外的氣流。在電梯以上部分的空氣，會被吸入而產生向豎井內的氣流。換言之，電梯可視為一個活塞，壓出並吸入上下方的空氣，形成氣流，造成壓力差。

2.5 煙控之設計

現今在我國條例式的法規中，煙控系統部份於「各類場所消防安全設備設置標準」第 188 條上有相關規定，其規定防煙區劃大小、防煙垂壁下

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降之深度、排煙量大小及排煙口之位置及大小等。但此法規並無充分考慮建築物特性，如地下車站、挑高中庭、體育館等。因此針對不同需求之建築物，發展各自適合的煙控系統，為性能式防火設計的重點之一。以下將詳細說明一些常用之煙控系統之性能式設計理念：（1）排煙系統設計 1. 自然排煙自然排煙是指利用煙之浮力，經由開設於建築物之天花板或外部牆面之開口，直接將濃煙排向外部。自然排煙不僅要達到煙之排除，且希望能達到將煙稀釋效果。在典型挑高中庭設計中大多將自然排煙口設置於蓄煙區的頂部或側邊。當火災發生時，可先將煙蓄積在頂部蓄煙區，再經由自然排煙口將煙排出，達到所需煙控性能，如圖2.8。自然排煙口之設計大多分為三種，包括外推式、滑動式與破裂式。外推式常用於蓄煙區之側面，設計時需考量建築物外風向對排煙的影響。滑動式常用於蓄煙區之頂端，發生火災時利用電力或人力開啟。破裂式較類似滑動式，於發生火災時藉由人力或連動破壞，進行排煙。 2. 機械排煙機械排煙是指將所產生之濃煙藉由排煙機排出至外部的方法。排煙機動作中，火災室的内壓變低，故不僅是煙的排除，同時能在開口處發揮遮煙效果，如圖2.9。（2）補氣設計利用蓄煙區或自然排煙作為煙控設計時，皆必須於建築物底部設置補氣設計，以造成推拉（Push-Pull）效應，才能有效達到之煙控設計。補氣量和補風位置及面積，為設計煙控系統時之重要考量。如補氣量不足，則煙將無法順利排出；反之，如補氣量太大，則火場會形成更大的紊流，加速煙的沈積速度。而補氣位置如果太高，將會使煙層成為紊流狀態，導致煙更難控制；如補氣於火災發生點，則會產生助燃的效果，使火勢更加難以

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控制。因此補氣設計為煙控系統設計之重要一環。（3）探測器設計火警探測器大多裝置於建築物的頂部，發生火災時，煙與火藉由熱浮力效應上升至建築物頂端，而做動火警探測器。但挑高中庭建築物頂端之蓄煙區，受到日照產生輻射熱，導致蓄煙區內的溫度可能達到 50℃以上。熱空氣層形成後，沈積在蓄煙區裡。當火災發生時，煙的溫度因於上升的過程中受到周圍空氣的冷卻，使煙氣溫度比蓄煙區裡的熱空氣低，導致煙氣無法上升至挑高中庭頂部。因此若火警探測器裝置於建築物的頂部，將無法感測到火災發生，煙控系統也無法連動，增加人員逃生的危險性。為避免上述情形發生，可採用較先進之火警探測器，例如光電式偵煙器（Beam Smoke Detector），裝置於挑高中庭兩側邊，以偵測煙層發展狀況，進而啟動煙控系統，配置情況如圖2.10。（4）避免產生 Plugholing 現象和換氣率設計 1. 避免產生 Plugholing 現象 Plugholing 現象為當機械排煙風機運轉時，由於蓄煙區之煙量不足，使排煙風機不僅抽到煙氣，同時也抽到了大量空氣，導致排煙效率降低，煙氣在建築物內部蔓延擴散，影響逃生避難安全。因此必須制定正確之機械排煙運轉策略，使煙氣於蓄煙區沈積到某一厚度後，再啟動機械排煙，達到良好的煙控性能。 2. 換氣率設計性能式設計中有關機械排煙量之設計依據為換氣率大小。換氣率的定義為某空間於某一段時間內，完全換氣次數。NFPA101－人命安全法規( Life Safety Code )內有相關規定，若設置機械排煙設備，排煙量不得小於其體積的6 次/小時換氣量。

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2.6 避難安全界定標準

火場中所產生的有毒氣體含有相當多的刺激性與痲痺性成份，因此當濃度過高或暴露其中的時間過長，則容易導致人員吸入過多有毒氣體而昏迷、休克，嚴重的話甚至會導致死亡。在防火安全工程的SFPE Handbook[29] 中有詳細的規定，而紐西蘭設計指針[30]的危險指標即是參考 SFPE Handbook 制定，其規定如表 2.3 所示。表2.3 人體承受危害程度指標值分析表(SFPE 及紐西蘭設計) 危害類型承受極限熱對流氣流層溫度≦65℃(不能超過 30 分鐘以上的暴露時間) 煙吸光率在煙層下能見度不能低於 2 公尺毒性 CO≦1500ppm CO2≦5% HCN≦80ppm O2≧12% (以上氣體濃度範圍一般僅能承受 30 分鐘以下) 熱輻射上層的輻射流≦2.5KW/m2(承受時間 20 秒以下) 其中毒性危害中以CO 對人體危害性最高，因 CO 會阻礙血液吸收 O2，造成死亡比例較高，而除了有毒氣體外，火場所產生高溫也會經由對流效應對人體產生危害，濃煙也會使逃生路線遭受阻礙。另外在NFPA130 分別對 CO 濃度、溫度以及能見度建議值如下：火場內 CO 含量，數秒內最大濃度 2000ppm，現場最初 6 分鐘平均濃度低於1500ppm 以及 15 分鐘內平均濃度低於 800ppm，之後平均暴露濃度低於 50ppm。在濃煙狀況下 CO 之產生，應在 30 分鐘內平均濃度不超過 800ppm，之後應隨時間遞減。火場內維生之環境其溫度限制如下：最高140℉（60℃）數秒，現場最

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初 6 分鐘允許暴露平均 120℉（49℃），之後可維生環境之溫度限制得隨時間遞減。

火場內能見度避難人員須有10 米的可視距離才能安全離開煙區。依據以上SFPE Handbook 及 NFPA 130 中所建議，針對 CO、溫度、能見度以及熱輻射量制訂出在人員全部完成逃生避難之前建築物內之性質需維持一定的條件如表2.4 所示。表2.4 建議人員逃生安全環境要求項目建議人員逃生安全環境要求 (1.8m 高度逃生路徑空間內) 1 逃生環境氣體溫度＜60℃ 2 CO 濃度＜1500ppm 3 能見度>10m 4 輻射熱＜2.5 kW/m2 5 煙層高度>1.8m

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階段 Stage 成長 Growth 燃燒 Burning 衰退 Decay 火災行為 Fire behavior 燃料控制 Fuel controlled 通風控制 Ventilation controlled 燃料控制 Fuel controlled 人類行為 Human behavior 避難 Escape 死亡 Death 偵測 Detection 煙偵測器 Smoke detectors 熱偵測器 Heat detectors 外部的濃煙及火焰 External smoke and flame

主動控制 Active control 手動滅火、撒水器或消防設施 Extinguished by hand, sprinklers or Fire Service 消防設施控制 Control by Fire Service

被動控制 Passive control 發焰性、火焰表面散播 Flammability, surface spread of flame 防火抑制衰竭

Fire prevention, restrain, collapse

圖2.1 火災發展過程圖 潛伏期 成長期 完全發展期 衰退期 開始衰退 閃燃 撒水器作動 點火

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圖2.3 不同熱釋放率之火災成長曲線圖堆疊草堆 (高 1m ) 各型紙箱 (高 4.6m ) 木板床墊 (高 1.5m ) 衣櫃 (薄夾板 ) 池型甲醇快速燃燒的大型傢俱

U ltra Fast Fast

M edium Slow 時間 (sec) 600 400 200 0 熱釋放率 (K W ) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 棉製 /聚酯彈簧床墊 800 圖2.4 T-Square 火災成長曲線圖

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圖2.5 Kisok 實際量測之火災成長曲線圖（NIST,1995）

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圖2.7 逆煙囪效應（Reverse Stack Effect）

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圖2.9 機械排煙設計圖2.10 光電分離式探測器熱釋放量Ｑ(kw) 煙層高度排煙量ｍ發光部受光部因光線被遮蔽而偵測到煙

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第三章性能式防火設計方法

因應社會之發展與進步，國內許多建築物因用途、構造特殊或其他特別需求，於建構時未能、也未必需要完全符合建築法規之要求，依建築法第98 條之規定：「特種建築物得經行政院之許可，不適用本法全部或一部之規定」，所謂「特種建築物」乃應運而生。因此對於建築物防火安全的規範，已逐漸從規格式法規（Prescriptive-Based Codes ）轉換至性能式法規（Performance-Based Codes）。主要的原因是希望對於不斷創新的新式建築和防火材料，能以科學方式來驗證其於規格式法規無詳盡規範的部分之防火安全性能，使建築物能達到防火安全性能的同時，也讓設計者的創意能自由發揮。我國近年來性能式設計之案例已有不少。例如：台灣高鐵、台北地下捷運車站及機場航廈等。以台灣高鐵為例，台灣高鐵車站龐大，需廣大的空間因應大量人潮，以及車站因講究設計與美感，採用挑高設計、屋頂形狀不規則等，因此難以符合建築技術規則設計施工篇第79 條和第 101 條，有關防火區劃規定和排煙設備之構造規定，因此必須採用性能式規定設計。由上述可知，性能式設計法已為現今設計之趨勢，以下將針對性能式設計法做詳細介紹。

3.1 性能設計法之目的

傳統式法規根據不同建築物用途而制定之基本要求，規定往往過於嚴苛，也限制了新建材和新建築技術的使用。而性能式法規為具體描述出目標需求的法規，通常是為了達到某種需求，除了考慮現行法規外，所提供之另一種解決方式，同時也符合經濟效應，降低建造成本。有關於性能法規之目的如下列幾點[31][32]：（1）技術要求的理由及目的合理化：明確規定建築計畫中技術要求的理由及目的，讓缺乏建築專門技術者也能清楚地了解法規規定的目的。（2）增大設計自由度：

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對於建築物所需具備的性能需求加以明確的敘述，使建築設計的自由度增加、建築成本降低及增加建築物創作性。（3）促進技術革新：建築技術規則制定時並未對材料或技術的演進做一應變措施，因此許多建築技術被法規所限制。例如大規模的中庭天井、地下建築物、發泡性耐火塗料等等，都是在規格式法規制定時所無法預期的。因此以規格式法規達到審查認定的階段需要較長的時間，若以「性能」來對工學之材料、施工法加以評估，將能促進各種新技術的開發。（4）法規的合理修正：建築技術規則雖已修正多次，但仍會因時間的關係而不合時宜。若加強建築物對時效性上有問題之設計加以嚴格要求，或者為達到相同之目的而可以採取不同設計，以及為達不同目的之設計而產生矛盾的狀況，都可加以改善。

3.2 性能式設計法規介紹

性能法規詳列防火和消防安全之各項目標（Goal）、各種手段之目的（Objectives）以及各種機能需求（Functional Requirements），同時列出各種可符合法規要求的設計方法（Alternative Design Method）。

近年來，世界各先進國家：例如英、紐、澳、加、美等國所推行之性能法規共通特色可歸納如下： 1. 以達到特定安全水準之設計目標為依歸 2. 以成熟工程技術設計所需目標 3. 以定量方法評估各種不同設計，使性能設計目標達到最低損失 4. 允許各種代替設計方法由各國性能式法規訂定的架構來看，多以階層式架構，分別描述不同層次的目標需求，可分為以下五層架構，如圖3.1。第一層是以與基本社會