捷運地下車站旅客緊急疏散「工程分析」之探討－以高雄捷運O7車站為例

□張博碩／張弘憲聯合建築師事務所 專案負責人
□楊明昌／前田－隆大聯合承攬體 前設計計畫部經理

摘要
        對於具備開闊公共空間之捷運車站建築物而言，若僅是單純地依據條例式法規(Prescription-based codes)，其防火設計能否達到真正的安全性實難以確定。所以國內建築物之防火設計已步向「性能式設計」(Performance Based Design, PBD)之國際潮流，採用CFD(Computational Fluid Dynamics)數值分析方法印證機械煙控系統之性能。
        高雄市政府捷運局於91.7.12基本設計圖說之同意函中列出十三項議題(此即所謂的基設但書)其中第(九)項，要求高雄捷運公司：「應於細部設計階段，針對SUO07車站於規定時間之六分鐘旅客安全緊急疏散進行工程分析，以證明其車站之配置符合安全緊急疏散要求，並提送審查。」
        CO2區段標統包商依據車站設計規範、基設但書及NFPA 130規定提送「SUO07車站旅客六分鐘緊急疏散工程分析報告」，採用CFD三煙控模擬方法印證機械煙控系統之性能是否足以提供旅客安全之火災逃生環境。
        但是在高雄捷運BOT計畫開始施工之前國內尚無「工程分析」(Engineering Analysis)實例以茲遵循。因此統包商在溝通協調並研究探討尋求解答後，歸納綜整出下列三項「工程分析」的綱要性原則提供各界參考。

一、前言

        高雄捷運計畫係由以中國鋼鐵公司為主體的高雄捷運公司(以下簡稱KRTC)以BOT方式所承攬，其中「橘線CO2區段標統包工程」由日商「前田建設」與「隆大營造」組成之聯合承攬體共同承攬。土建工程內容包含O6、O7及O8等三座地下車站及LUO08及LUO09等二段潛盾鑽掘隧道工程。
        07車站(文化中心站)座落在苓雅區中正二路、和平路口下方，為地下兩層島式月台車站，站體長約為207.5公尺、淨寬約18.1公尺，設置四個出入口，為捷運初期路網橘線中央段部份車站。囿於基地路權限制等因素，導致旅客逃生路徑較長，07車站建築配置於基本設計階段已超過「土建及車站設計規範」之六分鐘旅客安全緊急疏散規定；細部設計階段經過詳細檢核可行之建築配置調整後，緊急疏散時間雖然稍微縮短，惟仍然略大於六分鐘之規定。O7車站座落位置詳圖1-1所示。

圖1-1 07車站座落位置圖
        高雄市政府捷運局(以下簡稱KMRT)於91.7.12以高市捷設字第○九一○○○五七四一號函同意核可高捷公司所提送之「橘線CO2區段標統包工程土建/水電/環控工程功能設計圖說」定稿版(即基本設計圖說)，該同意函中列出十三項議題(此即所謂的基設但書)其中之第(九)項，KMRT要求KRTC：「應於細部設計階段，針對SUO07車站於規定時間之六分鐘旅客安全緊急疏散進行工程分析，以證明其車站之配置符合安全緊急疏散要求，並提送審查。」
        統包商基於設計規範及基設但書要求下提送「SUO07車站旅客六分鐘緊急疏散工程分析報告」，並且採用CFD(Computational Fluid Dynamics)數值分析方法，針對車站發生火災緊急狀況下進行旅客整體逃生環境安全性之分析與探討。

二、緊急疏散相關規範

        有關捷運地下車站之六分鐘旅客安全緊急疏散時間之規定係源自於NFPA 130，高雄捷運設計規範與台北捷運規劃手冊均有相關規定，茲分述如下：
(一)NFPA 130 (May 2003 ROP, Preprint)
        捷運地下車站的防火及消防安全設計，視該類場所為特種建築物，以美國國家防火協會NFPA 130( Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems)為準則，用以評估避難安全分析結果與軟體避難時間計算之合理性，由於地下車站空間之特殊性，「各類場所消防安全設備設置標準」之排煙設備規定，已無法滿足該類場所之需求，NFPA 130規範突破了條例式法規規定，納入性能設計概念。
        NFPA 130 Chapter 5規定，捷運車站之設計應以滿足旅客能於六分鐘緊急疏散至安全地點(point of safety)為優先考量，若要容許調整緊急疏散時間，則應根據評估建材熱釋放率、車站空間格局及緊急排煙系統等所作之「工程分析」。
        NFPA 130之定義3.3.16 Engineering Analysis (Fire Hazard/Fire Risk Assessment).將「工程分析」定義為針對各種可能影響消防安全之因素所作之評估，而對於評估方法、內容並沒有提供具體之指引。
(二)台北捷運
        「規劃手冊」第四冊(2004年版)第4.4.9.3-1規定，若因出入口通道過長，6分鐘內無法疏散完畢時，容許例外之條件為提送安全性工程分析報告，內容需包含建材熱釋放率(material heat release)、車站空間格局(station geometric)及緊急排煙系統(emergency ventilation system)三項目之評估，並獲捷運局核可。
(三)高雄捷運
        「土建及車站設計規範」第四篇第2.10.3.4規定，地下車站因特殊環境無法在規定時間內將人員全部疏散至出入口外之安全地點時，應優先採用CFD分析或其他工程分析，如能證明該空間之安全性妥適無虞，則免設防火區隔設施，如分析無法滿足需求，應加設防火區隔設施。
        工程分析內容需包含建材熱釋放率、車站空間格局及緊急排煙系統三項目之評估，並獲得捷運局核可，若環境特殊，經捷運局認可者，無須以工程分析驗證得設防火門。
(四)「工程分析」(Engineering Analysis)
        台北捷運局之規劃手冊將6分鐘內無法疏散完畢視為特殊例外情形，應提送安全性工程分析報告並獲台北捷運局核可，台北捷運與NFPA 130兩者規範之精神均以車站設計應以滿足六分鐘緊急疏散至安全地點為優先考量。
        高雄捷運設計規範規定當無法滿足6分鐘內疏散完畢時，應優先採用CFD分析或其他工程分析，而分析結果仍無法滿足需求時，才得以加設防火區隔設施。也就是說，若分析結果都顯示超過6分鐘逃生是不安全時，方得以採取設置防火區隔設施之方式來滿足6分鐘之規定。
        但是在高雄捷運BOT計畫開始施工之前國內尚無「工程分析」實例，NFPA 130規範僅規定內容需包含建材熱釋放率、車站空間格局及緊急排煙系統等三項目之評估，而對於評估方法則未定有任何標準可供依循。

三、旅客疏散時間計算

        根據高雄捷運系統之設計目標2020年運量估計，進出O7車站總旅運量為尖峰小時8620人次，上午尖峰小時進站旅客運量2,774人/hr，出站旅運量5,846人/hr，下午尖峰小時進站旅客運量5,846人/hr，出站旅運量2,774人/hr。

圖3-1 O7車站穿堂層平面配置圖
        O7車站旅客疏散可經由A、B、C、D四個出入口，其中經由出入口B疏散至地面之時間符合規範規定；而經由出入口A、C、D疏散至地面之時間則均超過6分鐘緊急疏散規定，其中又以經由出入口C之疏散時間最長，為6分47秒。O7車站A、C、D三個出入口步行距離較長，其中又以出入口C須跨越中正路與和平路口，由穿堂層到達出入口之步行距離達74.8M，夾層步行距離達15.6M，因此逃生時間超過6分鐘規定。O7車站穿堂層平面配置詳圖3-1所示。
        車站旅客緊急疏散時間計算依據設計規範第四篇2.10.5規定辦理，假設緊急事故為在尖峰時段內有一列已延誤之列車在失火的情形下駛入車站，在一座穿堂層至地面層電扶梯處於維修狀態下，O7車站出入口C旅客緊急疏散時間計算如下：
        1.列車最大容量2010人/列車         2.月台容納旅客數
        POL=6PEL+2NEL+2010=2652人
        3.運載能力
        靜止電扶梯上走(1M寬)：70人/分
        樓梯每一列數上走速率(L=0.55cm)：35人/min
        4.月台層疏散至穿堂層運載量計算(無電扶梯維修)
        
        5.穿堂層疏散至街面運載量(一座電扶梯維修中)
        
        6.驗票閘門疏散能力(依據土建及車站工程設計規模第四篇2.4.4，2.4.5)
        
        7.月台層安全疏散時間(於4分鐘內疏散)
        W1=承載旅客POL/月台層出口之疏散容量
          =2652/770=3.444<4min符合
        8.(由出入口C至地面層)乘客至月台上距出入口最遙遠的一點，必須在六分鐘以內撤離至安全區域. 逃生時間檢討：
        (1)步行時間：TT=T1+T2+T3+T4+T5=3.35
        
        (2)月台層額外等候時間         Wp=(W1/T1)=3.440.55=2.89min                 (3)由穿堂層公共區逃生人數
‧由緊急逃生梯逃生人數：
        0×35×3.44=0人
        ‧由穿堂層付費區逃生人數：
        COL=POL-緊急逃生梯逃生人數
        =2652−0=2652人
        ‧驗票閘門之疏散通行時間
        W2=COL/驗票閘門之總疏散容量
        =2652/1000=2.652min
        (4)驗票閘門處額外之等候時間：
        Wg=W2-W1=2.65-3.44
        = -0.79min 0.00min
        (5)穿堂層出口之疏散通行時間
        W3=POL/穿堂層出口之疏散容量
        =2652/665=3.988
        (6)穿堂層出口額外之等候時間
        Wc=W3-(W2,W1之大值)
        =3.988-3.44=0.544min
        (7)合計逃生時間
(        8)T=TT+Wp+Wg+WC=3.35+2.896+0+0.544=6.789＞6min NG，故應依車站設計規範第四篇2.10.3.4規定辦理，提送工程分析報告。

四、3D CFD三維煙控模擬

(一)CFD 數值方法簡介
        自從十九世紀建立了嚴謹的計算流體力學數學模式，用以描繪流體運動行為之後，往後的學者無不為了求得這些方程式的解析解而努力。CFD計算流體力學是以數學的方式將流體力學方程式、燃燒方程式、質能轉換方程式、半經驗公式等方程式予以離散化，再配合時間、空間的差分，進行流場的模擬。
        簡而言之，就是將這些微分、偏微分方程式經過數學的轉換，成為電腦看的懂的語言，透過這些語言驅動電腦進行運算以模擬實際的情境，模擬完後，再將數據圖面化或是做成動畫，以虛擬的方式呈現案例，並從中得知相關資訊。
        採用CFD數值分析方法得以印證煙控系統之性能是否足以提供旅客安全之火災逃生環境，FDS等CFD軟體工具成為「性能式法規」設計法之計算、模擬與評估之關鍵技術。
(二)高雄捷運使用之CFD軟體
        高雄捷運火災模擬採用由美國國家標準和技術研究學院(NIST,National Institute of Standards and Technology)建築物與火災研究實驗室(Building andFire Research Laboratory)所研發的FDS(Fire Dynamics Simulator)火災模擬軟體。
        FDS 3.1於2003年4月發行，程式免費下載(http://fire.nist.gov/fds/)。該軟體除了有針對火災設計的前後處理工具之外，含排煙系統、撒水頭系統之模擬，計算結果有速度場、溫度場、濃度場、能見度、輻射熱等。理論模式：Navier-Stokes方程式，包含質量、動量、能量、化學種方程式等。主要採LES (Large Eddy Simulation)數值方法求解。軟體的後處理工具Smokeview，可對溫度場、濃度場等模擬結果作3D 動畫展示。
        模擬參考依據:美國國家防火協會NFPA130(2000版)-環境要求標準，美國國家防火協會NFPA92B(2000版)-火源成長曲線，最新「各類場所消防安全設備設置基準」(93.04.06修正)-第28及188條。
(三)月台層與穿堂層火災CFD
        依據高雄捷運「細部設計工作範疇」規定之環控三維模擬執行項目， O7車站環控三維模擬分析項目為月台層與穿堂層排煙系統之流場分析與排煙效果之模擬，模擬分析的目的在確認其煙控性能之可靠性，以保障營運時之人身安全。
        在O7車站三維模擬分析報告書中，月台層火災模擬是在電腦程式中輸入1MW之非穩態火源，穿堂層火災模擬則設定是一個燃燒6分鐘維持2.5MW穩態之火源條件，所考慮的火災條件與其他高雄捷運標準車站所考慮者相同。
1.月台層火災
        於月台層柱位D5~D4之間發生1.0 MW火災，成長速度為普通之火災情境。經由模擬結果得知，各項判定基準中除長向能見度分佈於火災發生240秒時，除二處防煙垂壁間之小區域空間，其能見度稍有影響外，火場附近之長向能見度，於淨高1.8m以上仍可保持10m以上之能見度。其餘如溫度、CO濃度、短向能見度、與輻射熱強度等全都符合要求，全車站公共區環境皆能提供6分鐘以內之安全逃生環境，如下表4-1所列。
2.穿堂層火災Case 1
        於穿堂層柱位U3~U4之間發生2.5 MW火災，成長速度為極快速之火災情境。經由模擬結果得知，各項判定基準中如溫度、CO濃度、能見度、與輻射熱強度等全都符合要求，全車站公共區環境皆能提供6分鐘以內之安全逃生環境。
3.穿堂層火災Case 2
        於穿堂層柱位C附近位置發生2.5 MW，成長速度為極快速之火災情境。經由模擬結果得知，各項判定基準中如溫度、CO濃度、能見度、與輻射熱強度等全都符合要求，全車站公共區環境皆能提供6分鐘以內之安全逃生環境。
4.O7車站CFD結論
        (1)三維模擬分析結果顯示當月台層或穿堂層發生火災時，全車站站體公共區環境空間皆能提供6分鐘以內之安全逃生環境。
         (2)機械排煙風機之啟動時間，為影響煙控系統性能之重大因素。排煙風機除可藉由火災探測器啟動外，現行法規亦規定必須設置手動式開關，以利人員就近發現火災時，以手動開關啟動排煙風機，進行緊急排煙，可對煙控系統效能有所提升。
(四)軌道區火災CFD
        列車在月台層軌道區失火時，乘客將由距離最近且安全之車門直接進入月台後逃生，不須經由軌道後逃生，由於煙霧會經由開啟的月台門進入車站，因此模擬模型時除了隧道部分外，仍需包含車站部分，以檢視於乘客所須逃生時間內車站是否安全。軌道區列車失火位置如圖4-1、4-2所示。
        軌道區列車失火狀況不包含於O7車站環控三維模擬項目，但依據KRTC 92.09.09 MO92-V3-1690號備忘錄，工程分析報告執行方式之會議結論，相似平面配置型式之車站應可互為引用先完成的工程分析報告結果來編撰。

        高雄捷運地下標準型車站之穿堂層無挑空設計，車站月台層煙控系統之設計原理，為軌道區列車著火時開啟車站兩端之大型隧道通風機(TVF)排煙，以便在向上的逃生梯中產生足夠的向下風速，而阻止濃煙擴散至逃生梯內，乘客可逆著風向往穿堂層與地面逃生。
        R3車站與O7車站同屬地下標準型車站設計，其軌道區列車失火CFD是以列車停靠在軌道區時發生10MW底盤失火之狀況來模擬。KMRT/C3C(英商莫特顧問，Matt McDaunld)同意「O7車站六分鐘旅客緊急疏散工程分析報告」(以下簡稱O7車站工程分析)列車軌道區火災部分得引用R3站CFD以茲驗證旅客逃生環境的安全性。在考慮車廂窗戶及月台門強化玻璃受熱而破裂下，當啟動兩端隧道風機運轉時，由四座樓梯所流入外氣形成逆向風壓，煙塵不會擴散至穿堂層，乘客達月台層樓梯口即可安全逃生，不受軌道側火災之影響。R3車站CFD模擬至480秒時，人員逃生路徑環境之溫度均小於60 °C、CO濃度小於1500 ppm，車站仍至少有二座樓梯可供旅客逃生。模擬時間為500秒，當模擬進行至480秒時，R3車站逃生環境仍符合NFPA 130規定，超過O7車站出入口C逃生時間6分鐘47秒(407秒)。
(一)O7與R3車站空間配置之比較
        O7車站穿堂層、月台層等之公共區空間配置與R3車站亦極為類似，月台長度同為130公尺、寬度同為18.1公尺，兩者均採用不燃性裝修材料，在考慮同等規模的火災情形下，應具有相同的火災風險承受度。從緊急排煙系統效能觀點分析，O7和R3車站亦具有相同的排煙設計標準，同理應具有相同的緊急排煙系統效能。O7與R3車站之車站空間配置比較詳如表4-2所示。
        O7車站緊急疏散時間計算月台層疏散時間為3.44分鐘，即火災發生後207秒，人員已經全數疏散至穿堂層，由R3站CFD模擬結果顯示，啟動兩部TVF風機排煙，煙塵不會擴散至穿堂層，當O7車站旅客由穿堂層逃生至地面層之過程中(即208秒至407秒，200秒之逃生時間) ，整體逃生環境應與R3車站雷同亦符合 NFPA 130安全標準，因此推論O7車站緊急排煙系統能提供500秒以上車站站体的安全環境供旅客疏散。

五、旅客緊急疏散「工程分析」

        O7車站工程分析之目的在於針對旅客緊急疏散時間超過六分鐘車站整體逃生環境之安全性進行分析，依據設計規範第四篇2.10.3.4，工程分析結果若車站逃生環境符合安全規定，則免設出入口通道防火門。
        該工程分析主要內容摘要及其辦理情形分述如下：
(一)主要內容摘要
        1.從建材熱釋放率觀點分析，O7車站使用的都是不可燃建材。以火災風險承受度考量，O7車站和其他高雄捷運標準車站都使用類似的建材均為不燃材料，其抗火災之安全性與其他高雄捷運標準車站是一樣的。
        2.從空間格局觀點分析，O7車站站体的空間格局和其他高雄捷運標準車站類似，排煙系統亦採相同設計標準設計，其抗火災之安全性與其他高雄捷運標準車站是一致的。O7車站穿堂層版採非挑空設計，緊急排煙系統能阻止月台層火災煙塵往上擴散至穿堂層。
        3.從緊急排煙系統觀點分析，O7車站環控三維模擬結果顯示，發生月台層或穿堂層火災時，在360秒模擬時間內全車站站體空間環境之CO濃度、輻射熱強度、能見度、溫度值等均仍在安全之範圍內。
        4.對於旅客逃生時間超過6分鐘部份，引用R3車站列車軌道區失火狀況3D CFD報告，緊急排煙系統能提供500秒以上車站空間的安全環境供旅客疏散。O7車站月台層疏散時間為3.44分鐘，即火災發生後207秒，人員已經全數疏散至穿堂層，由R3站CFD結果顯示模擬時間至485秒時，人員逃生路徑之環境在安全範圍內，當旅客由穿堂層逃生至地面層之過程中(即208秒至407秒間200秒時間之旅客逃生過程) ，O7車站之整體逃生環境符合NFPA 130之相關安全規定。
        5.工程分析第3版結論是，O7車站現有設計和其他高雄捷運標準車站的安全性是一樣的，雖然旅客緊急疏散時間計算值略超過6分鐘，但逃生路徑之環境仍在NFPA 130規範建議安全範圍之內。因此，依據高雄捷運「土建及車站設計規範」第四篇第2.10.3.4規定，建議出入口A、C、D通道不設置任何額外的防火區隔設施。
(二)報告審查狀況
        O7車站工程分析報告審查情形詳述如下：
        1.於94.11.09由 KRTC總經理主持之D版審查會中，該報告即已獲同意依程序完成0版提送KMRT/C3C 核定，D版報告結論為『不設防火門』；但因仍有細設審查單位堅持不同意『不設防火門』之結論，因此於95.05.08 KRTC再度由總經理主持G版審查會，經與會審查單位充分討論及多方考量下會議結論改為『增設防火門』方式 (出入口A、C、D)，以利阻隔火源擴散及旅客逃生。
        2.O7車站工程分析之內容乃依據「O7車站環控三維煙控模擬報告書」中CFD分析結果而論述，然而該CFD報告依據「細設工作範疇」之規定，分析項目為「穿堂層與月台層火災之流場分析與排煙效果」，模擬狀況為穿堂層與月台層火災﹔並非車站軌道區列車失火之情形，故逃生之旅客人數與設計規範2.10.2規定大不相同，並不會有需要疏散滿載列車下車旅客之情形，所需要疏散之旅客數量僅為車站內正常營運時月台尖峰方向及非尖峰方向2分鐘累積之旅客量，即穿堂層火災旅客數僅計294人，因此旅客逃生時間僅為3.33分鐘遠小於6分鐘之規定。
        3.工程分析2版結論是，依照NFPA 130規範及高雄捷運其他標準車站所共同採用的火災規模標準，O7車站的緊急疏散設計符合標準，但是無法保證O7車站空間可以提供超過6分47秒以上之旅客安全逃生環境。
        4.統包商三度與C3C進行溝通，C3C堅持應採用CFD工程分析方式加以驗證車站的整体避難路徑是否安全，不同意設置防火門。最後統包商在KMRT/C3C的指導並同意下，得引用R3車站之CFD報告，工程分析3版終獲核定，免設防火區隔設施，取消出入口A、C、D通道防火門之設置。
(三)檢討與建議
        1.C3C於95.05.24執行CO2區段標「車站細設文件審查查核程序/裝修工程品質管理」稽查作業開列關切事項事宜，藉由O7車站建築裝修工程細設圖(0版)內容與車站設計規範2.10.5(g)規定不符為由，影響O7車站公共區裝修里程碑勘驗，此為C3C不同意設置防火門的具體表現。
        2.在高雄捷運計畫開始施工之前因國內尚無「工程分析」的實例，同時KRTC各設計審查顧問對於捷運地下車站建築之防火設計採用「性能式設計」尚缺乏明確的概念，因此對於出入口通道設置防火門的立場大相逕庭，導致O7車站工程分析報告核定拖延時間達四年之久，因此本文建議各界對於「工程分析」的分析方法與內涵應建構明確的標準，以利遵循並且杜絕爭議。
        3.統包商獨自四處溝通協調並研究探討尋求解答，歸納綜整出三項「工程分析」的綱要性原則，期待可以成為各界之參考範例，茲分述如下：
         (1)首先緊急事故為假設在尖峰時段內有一列已延誤之列車在失火的情形下駛入車站，做為旅客逃生時間之計算基準；
         (2)其次採用CFD分析方法，模擬列車停靠在月台層軌道區時發生規模10MW底盤失火狀況，且火災模擬時間應大於最長的旅客逃生時間，方得以印證煙控系統之性能是否足以提供旅客安全之逃生環境；
         (3)第三，工程分析報告依據上述劇本(SCENARIO)執行後，應就建材熱釋放率、車站空間格局及緊急排煙系統等三項目加以評估論述，驗證站體空間之安全性妥適無虞之下，得免設防火區隔設施。

六、結論

        高雄捷運「土建及車站設計規範」第四篇第2.10.3.4規定，地下車站因特殊環境無法在規定時間內將人員全部疏散至出入口外之安全地點時，應優先採用CFD分析或其他工程分析，如能證明該空間之安全性妥適無虞，則免設防火區隔設施。
        然而在高雄捷運BOT計畫開始施工之前國內尚無「工程分析」實例，NFPA 130規範僅規定「工程分析」內容需包含建材熱釋放率、車站空間格局及緊急排煙系統等三項評估項目，對於評估方法則未定有任何標準可供依循。
        統包商基於車站設計規範及「基設但書」中第二條、第(九)項要求下提送「SUO07車站旅客六分鐘緊急疏散工程分析報告」，採用CFD分析方法，針對車站發生火災緊急狀況下進行旅客整體逃生環境之安全性分析與探討。該「工程分析」報告歷經過四年多十餘次審查修訂，因此本文建議各界對於「工程分析」的分析方法與內涵應建構明確的標準，以利遵循並且杜絕爭議。
        統包商在獨自四處溝通協調並研究探討尋求解答後，歸納綜整出三項「工程分析」綱要性原則提供各界參考。希望藉由CO2區段標統包工程「基設但書」中O7車站「工程分析」之研究與探討，以此為借鏡避免日後類似爭議之再度發生，所謂「工程分析」的因應處理經驗得以傳承，而對於捷運工程設計管理實務能有所幫助與裨益。

參考文獻

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