台鐵新左營站火災煙控性能式設計概述

蔡東宏  技師

煙對人員得傷害 皆比火來的嚴重

一、前言

世界上先進城市皆有大空間地鐵與捷運車站，這些車站大多位於地下層且密閉，旅客出入頻繁與眾多，一但發生火災，必須完全仰賴機械式排煙設備進行排煙，若火災發生時排煙設備發生故障，將會對地下建築物內部使用人員造成嚴重的生命危險。在建築物火災中可發現，火跟煙的發展情況不同，一般情況煙對人員得傷害，無論是從時間上或程度上，皆比火來的嚴重。建築物火災中約75%到85%的死亡人員是由煙氣致死的，煙氣對人的直接危害主要是高溫、遮光性及毒性，可見這些因素往往導致旅客是否能安全避難之重要關鍵。因此，煙控系統之操作或緊急通風運轉策略是個相當重要的課題。

建築技術規則並沒有考慮建築物型態等條件之檢討

近年來，台灣陸續完工啟用很多新型捷運及台鐵、高鐵車站，而此類車站屬非標準型態建築物，且為讓旅客有明亮及舒適的感覺，常於設計時具備挑高中庭（Atrium）與大空間設計，一但發生火災，會形成所謂「煙囪效應」，此種效應會造成中庭空間的煙流迅速由下往上竄升，形成整棟建築物空間，陷於火煙急速擴大及擴散的危險當中，其中危害最大的，將是大空間中之煙流溫度低、濃度也較低，不容易被偵煙設備發現及撲滅，導致容易經由大空間中庭流竄到鄰近空間，直接影響高層居室人員的逃生反應時間。然台灣目前各類建築物建造時，所遵循的火災安全法規為典型條列式法規（Prescription），此種法規要求對於上述非標準型態建築物，就會暴露出規範不足之處。例如建築技術規則第79條中規定之防火區劃條件，只由建築物之總樓地板面積來計算，並沒有考慮各種建築物型態、用途及使用人數等條件，若直接使用上述非標準型態建築物，也許就無法達到確保建築物防火安全，且建造成本為最經濟之條件。

  因此，對於具備挑高及大空間之建築物，典型條列式法規已不能滿足消防的需求，必須利用性能式火災安全設計方法（Pperformance-based Fire Safety Design Method）來作為此類建築物之煙控系統設計依據，以確保建築物之消防設備能於火災發生時有效確保人員安全。

二、台鐵新左營站性能式火災安全設計概述

（一）車站煙控系統設計重點

1.蓄煙區之規劃，即於車站大廳挑空區內，並無設置任何防煙垂壁，當發生火災時，利用挑空區大空間之建築特性，減緩煙層下降速度，提供人員一條無煙之避難逃生路徑。建物挑高區煙流動方向，為圖1中之黑色粗虛線所示。其主要煙流方向控制機制為，利用建築物之既有開口部，進行自然補氣。藉由自然排煙口之開啟，而形成推拉式（Push-Pull）之氣流組織，而將濃煙排除至室外。而人員避難路徑之方向，如圖1中之藍色粗線所示。故進行自然排煙時，必須確認所維持之煙層底部高度，為最高樓層樓地板2.1公尺淨高以上，以確保人員避難安全。

圖1  台鐵新左營站之建築剖面圖 

2.除了上述以車站大廳挑空區所形成之蓄煙區外，於車站大廳屋頂及天窗，設置自然排煙窗。並且採用定址型光電式偵煙火警探測器連動，或手動方式開啟，可將車站大廳挑空區內蓄積之濃煙排至戶外。同時，為顧及季風對於排煙性能之影響，車站採取自然排煙口開啟約至40^o角度，以抵擋迎面之逆風而向上排煙。

台鐵新左營車站之自然排煙窗設置地點分為兩處，一為屋頂正立面，二為車站大廳中央之天窗周圍三面，如圖2所示。

圖2台鐵新左營站自然排煙窗之設置地點示意圖

其中，於屋頂正立面（西面）設置4連窗之自然排煙窗共113組，3連窗之自然排煙窗共1組，設置面積為402.30 m2。有關屋頂側面自然排煙窗之設置方式，如圖3所示。整個車站外觀，如圖4所示。

圖3 台鐵新左營站屋頂正立面之自然排煙窗設置方式（側面）

圖4 台鐵新左營站正面外觀 

（二）電腦模擬之假設條件

台鐵新左營站車站大廳內部具有挑空區之建築型態，其單一防煙區劃面積，超過現行條例式法規所規定之500 m²，因此，將進行3D CFD電腦模擬分析，以確認其替代方案設計之煙控系統性能。本車站所採用之3D CFD電腦模擬程式，為美國國家標準和技術研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）2005年2月所發表之FDS 4.0.5版（Fire Dynamics Simulator）模擬軟體做為工具，其FDS電腦模擬輸入條件，如下表1所列：

表1  FDS電腦模擬輸入條件

（三）模擬結果

為使火災地點之選擇兼具代表性，本車站煙控模擬不同火災情境分析方面，將選擇車站大廳挑空區2樓及3樓各選取一處進行進行火災煙控性能模擬分析。其模擬結果如下：

Case 1：車站大廳2F中央發生火災

台鐵新左營站目前所設置之自然排煙窗，於車站大廳2F中央發生5 MW, Fast之火災情境下，如圖5。從模擬結果資料顯示其溫度分佈、CO濃度分佈、能見度分佈、與煙塵分佈等等火場性質，於火災發生600秒後，仍可提供一條安全無煙之逃生避難路徑，確實保障人身之安全。

圖5  Case 1於台鐵新左營站車站大廳2F中央發生火災

Case 2：車站大廳3F發生火災

台鐵新左營站車站大廳3F發生火災，火災成長速度為Fast，火災規模為5 MW，如圖6。此時台鐵新左營站之自然排煙窗，於火災發生後180秒開啟，進行自然排煙。該假設火災地點位於車站大廳3F較內側之區域，此處之煙氣流動至自然排煙窗之距離為最大，且距離屋頂之高度亦較低，可作為較嚴苛之火災情境。從模擬結果資料顯示，台鐵新左營站目前所設置之自然排煙窗，於車站大廳3F發生5 MW, Fast之火災情境下，從其溫度分佈、CO濃度分佈、能見度分佈、與煙塵分佈等等火場性質，於火災發生600秒後，仍可提供一條安全無煙之逃生避難路徑，確實保障人身安全。

圖6  Case 2於台鐵新左營站車站大廳3F發生火災 

（資料來源：台鐵新左營站「各場類所消防安全設備設置標準」部分規定消防技術審議報告書）

中庭煙控系統在火災中的性能表現是消防工程師一個關鍵課題

三、結論

挑高及大空間車站建築物中庭煙控性能技術是防火安全設計的重要組成部份，中庭一但發生火災，煙控系統是否有效的控制與排出，直接影響人員疏散程度，因此，中庭煙控系統在火災中的性能表現是消防工程師一個關鍵課題。在挑高及大空間車站建築物中，現行「各類場所消防安全設備設置標準」條例式法規之規定設計已無法滿足建築物防火安全需求，所以使用性能化設計方法，既能滿足中庭消防安全需求，更能合理地優化排煙系統，使人員得到所需疏散時間，並確保建築物防火安全且建造成本最經濟的條件。

參考文獻

1. 交通部鐵路改建工程局，2005，台鐵新左營站「各場類所消防安全設備設置標準」部分規定消防技術審議報告書。

2. 楊冠雄，2003，「大空間建築自然煙控設計之全尺度實驗與驗證」，內政部建築研究所專題研究計劃報告。

3. 柯建明，「大型車站建築之火災煙控系統設計與電腦模擬分析」，國立中山大學機械與機電工程研究所碩士論文，92年6月。

4. 李訓谷，「大空間中庭建築性能式煙控系統設計分析」，國立中山大學機械工程研究所博士論文。