基于BIM技術的公共建筑應急疏散預案的研究

徐 偉，時圣強

(內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 引言

隨著我國城市化步伐不斷加快，建筑領域建設技術不斷提高，我國建筑逐漸向多功能、綜合性、大型化發(fā)展。據(jù)官方數(shù)據(jù)資料,截至2019年底,我國常住人口城鎮(zhèn)化率為60.60%[1],預計我國2025年常住人口城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步提升到65%,2030年達到70%[2]。在城鎮(zhèn)化快速推進的背景下,目前我國每年新增建筑面積20億m2,幾乎達到全球新增建筑面積的50%,超過所有發(fā)達國家每年新增建筑面積總和[3，4],各種高層、超高層、大型城市綜合體快速涌現(xiàn),在提升城市生活品質(zhì)和現(xiàn)代化水平的同時,也增加了巨大的消防安全風險。

近年對于公共建筑火災及疏散的研究已有較多的成果，但這些成果往往是基于消防設備都完好的狀態(tài)下進行的研究，而火災事故現(xiàn)場，情況復雜多變，火災研究過程中任何環(huán)節(jié)的遺漏都有可能導致研究結(jié)果與實際相差甚遠，任何數(shù)據(jù)的偏差都有可能導致慘痛事故的發(fā)生，為了解決此類問題，本文在噴淋系統(tǒng)及機械排煙都失效的極端條件下研究火災的發(fā)生，同時引用BIM技術整合建筑信息，防止建筑信息丟失，結(jié)合Pyrosim及Pathfinder軟件，最真實的模擬火災及疏散研究，使研究結(jié)果接近實際。

2 公共建筑數(shù)值模擬

2.1 物理模型的建立

研究選取內(nèi)蒙古包頭市包商銀行商務大廈為實例模型，該建筑位于包頭市建設路與建華路交叉口西南角，研究樓座為總部辦公樓，共27層，其中1～3層為銀行營業(yè)廳，4層以上為辦公場所，10層為避難層。通過CAD圖紙建立BIM三維物理模型，再對模型進行合理簡化，最后以DXF格式導出，實現(xiàn)BIM與Pyrosim的數(shù)據(jù)對接，進而完成火災模型及疏散模型的建立。

2.2 火災場景的模擬

研究目的為機械排煙及噴淋系統(tǒng)等消防設備均失效的極端條件下，火災對建筑的影響，通過分析結(jié)果得出人員極限疏散條件，為后文疏散預案的研究提供理論基礎。根據(jù)建筑實際使用功能，該建筑1～3層為銀行營業(yè)廳及大堂，易燃物品較少，往往不會輕易發(fā)生火災，一旦發(fā)生火災能夠及時發(fā)現(xiàn)，而4層以上為辦公室、會議室及資料室等辦公場所，具有大量紙質(zhì)資料、裝飾用品、桌椅電器、電線電路等易燃物品，因此火災地點設置在4層以上樓層，由于本建筑共27層，為提高模擬效率將建筑劃分為低、中、高3個區(qū)域，以4、11及19層為著火樓層，以此研究火災及煙氣的豎直蔓延規(guī)律。

2.3 參數(shù)設置

(1) 本文遵循最不利保守原則，選取火源功率為6 MW，火源按照t2型快速火發(fā)展[5]。

(2) 根據(jù)相關標準[6]，當發(fā)現(xiàn)火災后，從報警和指揮中心處警到消防隊員開始出水撲救要在11 min之內(nèi)，則設定火災模擬時間為660 s。

(3) 火災模型的網(wǎng)格劃分為1×1×1總網(wǎng)格數(shù)為469000個，在單臺計算機上模擬的時間為6 h。

2.4 模擬結(jié)果分析

在著火樓層發(fā)生火災時，設定機械排煙、噴淋系統(tǒng)均失效的情況下，模擬整個建筑溫度、CO濃度及煙氣分布情況，模擬結(jié)果如圖1所示。

通過所得數(shù)據(jù)可知，建筑內(nèi)某一樓層發(fā)生火災時，溫度和CO對建筑內(nèi)人員安全的影響主要集中在著火樓層，對其他樓層影響不大，基本不會影響人員生命安全，而火災產(chǎn)生的煙氣會隨著豎井向其他樓層蔓延，為了進一步研究火災煙氣是否影響人員安全，對各層出入口進行能見度變化進行檢測，所得數(shù)據(jù)如圖2～4所示，從數(shù)據(jù)中可知大部分樓層能見度基本降至為零，反映出現(xiàn)場存在大量火災產(chǎn)生的固體顆粒物，此時不僅嚴重影響人員安全疏散，也嚴重威脅現(xiàn)場人員生命安全，為了減少人員傷亡，提高人員疏散效率，對安全疏散進行研究，可以看出各樓層出口達到危險極限疏散的時間最短為200s左右，為了使各層人員在200s之前疏散至安全區(qū)域，利用Pathfinder軟件對人員疏散進行模擬，制定不同應急預案，提高人員疏散效率，減少人員傷亡。

圖1 火災模擬結(jié)果

圖2 4層發(fā)生火災各層出口能見度變化

3 疏散預案分析

3.1 疏散模型的建立

由于建筑內(nèi)部，裝修裝飾等材料對人員疏散沒有影響，將BIM模型利用Revit軟件進行合理精簡，再次導入Pathfinder中，完成建筑物理模型與疏散軟件的數(shù)據(jù)對接。

3.2 疏散場景的設置

根據(jù)建筑實際使用情況，本建筑第10層是避難層，制定緊急應急疏散預案如表1所示，若模擬結(jié)果無法滿足建筑內(nèi)人員疏散，則根據(jù)建筑實際使用情況進行預案優(yōu)化。

圖3 11層發(fā)生火災各層出口能見度變化

3.3 疏散參數(shù)的設置

(1)人員行走速度及肩寬參照《消防工程手冊》如表2所示[7]。

(2)疏散人數(shù)：根據(jù)實地考察，在人員高峰期樓層最多320人，按照最不利原則設定各層人數(shù)均為320人，則整個建筑內(nèi)共8640人。

(3)疏散時間：通過前文得出最早達到極限疏散條件的樓層為200 s左右，為了提高模擬效率，將模擬時間690 s設定為300 s。

圖4 19層發(fā)生火災各層出口能見度變化

表1 預案一及預案二疏散路線

表2 人員行走速度及肩寬設置

3.4 模擬結(jié)果分析

通過對預案一及預案二進行模擬，各層人數(shù)變化如圖5及圖6所示，根據(jù)前文數(shù)據(jù)可知，各層出口200s之前達到危險疏散時間，若此時各層仍有人員存在，則生命安全會受到威脅，所以對預案一及預案二不能作為緊急情況下人員疏散預案，應進行優(yōu)化。

圖5 疏散預案一各層人數(shù)變化

圖6 疏散預案二各層人數(shù)變化

通過對現(xiàn)場實地考察發(fā)現(xiàn)該建筑屋頂為平屋頂，且建有直升機停機坪，必要時可利用直升機疏散被困人員，所以設定預案三如表3所示，此外增設20層為避難層，設計預案四如表3所示。

表3 預案三及預案四疏散路線

通過模擬可以看出，預案四在200s之前，各層人數(shù)可以降至為零，即在達到危險極限疏散狀態(tài)時，各層人員都能轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域，因此預案四可以用做緊急情況發(fā)生時人員疏散的應急預案(圖7、圖8)。

圖7 疏散預案三各層人數(shù)變化

圖8 疏散預案四各層人數(shù)變化

4 結(jié)論

(1)通過火災模擬研究可以發(fā)現(xiàn)，火災發(fā)生時溫度和CO對著火層影響較大，基本不會影響其他樓層人員生命安全，但是煙氣會隨著豎井向其他樓層蔓延，影響整個建筑的人員安全疏散，可以考慮在各層增加自然排風口，有助于火災發(fā)生時煙氣的排放。從煙氣蔓延規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，煙氣主要通過豎井蔓延，可以考慮在電梯井等豎井增設防煙前室，以延緩煙氣的蔓延。

(2)通過疏散模擬研究，應急疏散預案四疏散效率最高，可以用做緊急情況下人員的安全疏散，即：建議將20樓改設為避難層，當出現(xiàn)緊急狀況時，著火層以下人員向1樓疏散。著火層以上樓層按照預案四進行疏散， 1～4層人員向1樓疏散；5～14層人員向10樓疏散；15～23層人員向20樓疏散；24～27層人員向樓頂疏散。