基于BIM+AHP的地鐵火災疏散與救援聯動機制

王炳華

(南寧軌道交通集團有限責任公司,南寧 530029)

引言

地鐵是城市的生命線，作為現代化程度的重要標志，對促進城市繁榮、實現經濟和社會發展有著深遠影響[1]，但由于地鐵結構復雜、出入口少、疏散路線長、電氣設備種類多、人員密集等因素，地鐵火災隱患大，一旦發生火災，后果不堪設想[2]。地鐵火災事故有垂直高度深、逃生途徑少、營救路線單一、撲救難度大等特點[3]。因此，加強地鐵消防管理、模擬消防演練、消防方案研究等一系列地鐵火災疏散救援措施成為各監管部門關注重點[4]。

本文以南寧朝陽廣場站為例，進行了基于BIM+AHP的地鐵火災疏散與救援聯動機制研究。

1 地鐵火災疏散救援總體布置

朝陽廣場站為廣西南寧軌道交通1號線一期工程地鐵站，按沿朝陽路布置。該站全長321.7m，地鐵站層數為四層，設有雙島疊式站臺。該站設有三個防火分區，分別為劃站廳、站臺層和設備區； 119控制中心與綜控室設在站廳層設備區。

針對地鐵垂直落差大、結構復雜、人員密度大等不利因素，結合AHP方法和BIM平臺的優勢，建立消防總隊與南寧地鐵消防應急救援聯動機制，科學實施應急方案。

BIM平臺優勢在于平臺高度集成了建筑模型信息，并基于所擁有的信息進行智能化的云決策和線上協同管理。而AHP方法的特點在于其層次性的分析邏輯，可對地鐵龐大的信息進行分類處理，能有效地評估各方案的重要性。因此BIM平臺可為AHP方法提供完整的地鐵信息數據和指標，AHP方法可以為BIM平臺的消防應急方案進行科學性評估。基于BIM平臺和AHP方法，地鐵消防應急救援聯動機制如圖1所示。

圖1 地鐵火災疏散與救援聯動機制圖

消防應急救援聯動機制分三個階段：

(1)偵查階段

綜控室傳輸現場信息等到BIM平臺[5]，再由平臺歸總分類傳給119指揮中心。119指揮中心了解應急廣播、消防排煙、消防送風等消防設備開啟狀態，掌握各區域受困人員數量及其所在位置，制定消防聯動應急方案，根據評估系統做出有序性方案評估，采取相應的救援疏散措施。

(2)疏散階段

BIM平臺將現場火情及設備狀態信息進行實時共享，119指揮中心指導綜控室開啟火災模式，打開車站檢票口和安全出口，通過應急廣播發出火災警報，按評估后的疏散方案確定人員撤離路線，科學調動救援力量到火災現場，派出救援隊伍在對應的區域組織引導乘客快速撤離，疏散途中加強安撫乘客、保證有序撤離。

(3)攻堅搜救

按照決策后的應急救援方案，集中搜救人員組成幾人一組的攻堅隊，以梯隊形式或縱橫形式展開。發生火災后，需搜救的地鐵受困人員分為三種：行動自如但因恐慌迷失方向的人員； 行動不便但距離搜救隊伍近的人員； 完全昏迷且所處位置難以確定的人員。根據攻堅搜救方案，結合綜控室傳來的信息，對不同類型受困人員進行針對性搜索。

2 基于BIM平臺的地鐵火災應急管理系統

通過消防應急輔助平臺(即BIM平臺)，對朝陽廣場站設備、環境、結構等信息進行匯總和邏輯處理，實時監控地鐵車站的預警報警信息和調用視頻監控信息到消防應急中心，遠程輔助指導火災偵查、緊急疏散、搜救支援等功能，形成地鐵消防可視化管理[6]，提高地鐵消防應急管理的智能化和信息化水平。

圖2 BIM平臺項目駕駛艙

2.1 GIS地圖模塊

GIS地圖模塊是城市大腦地圖中心，將廣西省南寧市地鐵站地理位置信息與環境信息進行交互式聯動，為地鐵站的消防管理提供了信息支持。在火災發生時，GIS地圖展示了每個站點的詳細位置和環境，包括按照等級重點標明的控制點和報警點，平臺前端可查看車站BIM模型及周邊道路、設施的環境信息。這些為消防應急方案制定提供了充足的信息，包括AHP評估法所需的環境設施信息和調度時程，實現消防在平臺上的初步聯動交互[7]。

2.2 可視化管理模塊

在GIS地圖上點擊單個站點，進入到單體站點BIM模型中，平臺核心為BIM模型，GIS地圖綁定了地鐵模型，將所有的相關信息都附加在對應的模型構件中，實現了地鐵全信息一覽，可為消防應急方案提供車站狀態具體信息，包括地鐵結構、地鐵列車、電氣設備、消防系統等，并對防火設施設備進行特殊標注，促進了火災消防的可視化管理。

圖3 可視化管理

2.3 監測預警模塊

平臺中BIM模型與地鐵站內監測預警系統對接，在BIM模型中對重點監測點進行著重標注，一旦發生預警事件，平臺可自動推送預警信息到相關人員，可迅速定位著火點，應急指揮中心通過BIM模型可查看距離著火點最近的視頻監控，用于輔助火情偵查，人員疏散及進場撲救，并能及時了解周邊環境，為緊急疏散和搶救做好準備。

2.4 消防資產維保

輔助地鐵運維人員結合BIM模型對車站消防資產進行可視化維護保養，形成可追溯的維保數據。

2.5 應急聯動流程

平臺判斷地鐵火災種類，按類別設置不同的應急流程，將應急流程上傳平臺，基于流程指揮中心做出應急方案，聯動評估系統進行方案的有序性評估，便于救援疏散工作的科學性實施。

3 基于AHP的地鐵火災應急方案評估系統

地鐵火災發生時疏散和救援必須綜合考慮各方面因素，因此需要進行系統化手段對火災狀況進行評估，對應出臺的應急方案也應具有層次性、系統性[8]。

根據BIM平臺傳來的火災下地鐵狀態信息、受困人員信息以及應急中心現存救災資源，本文采用層次分析法分析并提取模擬火災下的應急指標，構建地鐵火災應急方案評估結構模型，以評估地鐵火災應急方案的有序性，形成基于AHP的地鐵火災應急方案評估系統。評估流程如圖4。

圖4 地鐵火災應急方案評估流程

3.1 地鐵火災應急方案評估結構模型

根據火災下地鐵內外因素和BIM平臺傳來的信息，借鑒層次分析法，確立三項一級應急指標：B1調度資源因素、B2地鐵狀態因素、B3被救人員因素。各項一級應急指標根據其不同的性質，分為二級應急指標，其中，一級應急指標B1的3項二級應急指標為：C1救援設備、C2救援力量、C3調度時程； B2的6項二級應急指標為：C4地鐵結構、C5地鐵列車、C6電氣設備、C7消防系統、C8環境設施、C9預警系統； B3的5項二級應急指標為：C10行動自如人員、C11行動不便人員、C12完全昏迷人員。地鐵火災應急方案評估結構如圖5。

3.2 地鐵火災應急方案評估判斷矩陣

判斷矩陣的實際意義是指與某一級指標層某項評估指標關聯的下級評估指標(即同類指標)間的相對重要程度。設某一同類指標判斷矩陣為A=(aij)n×n，n為該類指標項數，且判斷矩陣為正互反矩陣。按照尺度法[9]，判斷矩陣元素aij的數值定義如表1。

aji=1/aii

根據模擬火災下地鐵狀況，請相關專家對各級指標重要性評分，按表1的數值定義確定數值，得出4個判斷矩陣：一級指標層中3項指標構成的1個判斷矩陣A0和二級指標層C中12項指標構成的3個判斷矩陣B1、B2、B3，如表2、表3。

3.3 同類指標權重確定及評估系統形成

(1)同類指標權重確定

1)求解地鐵火災應急方案評估判斷矩陣A的最大特征值λmax

2)求出對應的特征向量ω，其中，Aω=λmaxω。

3)將ω標準化，即為同類指標中各項評估指標的權重。

(2)一致性檢驗

當某層指標較多時，判斷矩陣的一致性很難保證，因此需要剔除無數學意義的方案評估判斷矩陣，進行一致性檢驗[10]。

圖5 地鐵車站火災應急方案評估結構模型

表1 指標相對重要性與判斷矩陣值

表2 一級指標判斷矩陣值

表3 二級指標判斷矩陣值

表4 隨機性參數表

1)計算一致性檢驗參數CI

CI=(λmax-n)/(n-1)

2)選取隨機性參數RI，如表4。

3)計算一次性參數比例CR

CR=CI/RI

若CR<0.1，則矩陣A滿足一致性。否則，需對A進行修改。

(3)評估系統初步形成

按以上步驟，算出朝陽廣場地鐵站火災應急方案評估一級指標層和二級指標層的各項指標權重，并進行一致性檢驗，初步評估結果見表5。由表5可知，4個判斷矩陣均有一致性參數比例CR<0.1，符合一致性要求，火災應急方案評估系統初步形成。

表5 模擬火災的初步計算

3.4 火災應急方案總排序

表6 方案層總排序

表7 消防應急排煙方案總排序

由此可確定火災下方各應急方案的排序，以此來做出應急方案的決策。以朝陽廣場地鐵站的模擬消防應急排煙方案為應用案例，編排各方案，方案如下：

方案P1(站廳層應急排煙方案)：起火點在站廳層時，站廳風機排煙，站臺風機送風，結合起火部位在站廳層放下防火卷簾和擋煙垂壁，將煙氣限制在一定區域，阻止煙氣向站臺層及其他防煙區流竄。如煙氣較大，可利用移動排煙裝備在疏散及進攻樓梯口進行送風，另一側出口設置排煙機進行排煙。

方案P2(站臺層應急排煙方案)：站臺層開啟機械排煙，同時站廳層進行機械送風，在站臺與站廳連接處形成向下氣流，將火災煙氣控制在起火站臺層內。視情在站臺與站廳的連接的通道處設置移動排煙進行送風。

方案P3(隧道內應急排煙方案)：火災發生在列車頭部時，從列車尾部疏散乘客，隧道內排煙系統啟動，疏散方向進行機械送風，站臺另一側風機進行機械排煙； 火災在尾部時，從列車頭部疏散乘客，疏散方向進行機械送風，另一側進行機械排煙； 火災發生在中部時，先疏散靠近出口的乘客，若列車位置靠近站臺1，則組織乘客向站臺1疏散，站臺1進行機械送風，另一側站臺2進行機械排風，組織其余乘客向站臺1疏散。

根據應急方案評估體系，代入方案P1、P2、P3相關指標，得出評估排序結果。由表7可知，排煙方案優先級為P3>P2>P1。

4 結論

本文以南寧朝陽廣場地鐵站為例，通過利用BIM技術和AHP方法，對地鐵火災疏散與救援聯動機制進行了整合，研究得出：

(1)消防應急救援聯動機制按三個階段部署，實現了偵查階段受災情況的查明和信息傳遞、疏散階段受災人員的疏導撤離、搜救階段受困人員的緊急補救。

(2)消防應急輔助平臺(即BIM平臺)可實現地鐵可視化，實時監控地鐵火災狀態，并與消防應急中心、應急方案評估系統聯動，具備遠程輔助指導火情偵查、消防疏散、火災逃生等功能，提高消防管理的信息化水平。

(3)聯動BIM平臺，通過AHP算法對地鐵火災應急方案進行系統性評估，進行層次化方案排序，有利于促進消防救援行動的科學決策和高效施策，完善地鐵火災疏散與救援聯動機制。

(4)由于本方法是基于消防總隊與南寧地鐵綜控室的聯動而研究的，與該情況不同的地鐵站應用本方法得出的結論不相同，從而可能產生一定的偏差，具有局限性。