基于多軟件平臺開發的火災可視化模擬與逃生動漫制作
——以云南大學呈貢校區為例

王憲杰 謝宇寧 鐘秋玥 陳嬡錦

（云南大學，云南 昆明 650000）

1 研究背景及意義

我國現代化發展已經進入快速發展期，越來越重視教育的發展，于是學校基礎建筑的安全性問題成為重中之重，然而許多學校仍存在消防設施配備不到位、管理不力等現象，導致火災發生后人員傷亡和經濟損失嚴重。

針對云南大學呈貢校區高綠化植被度、多起火源（實驗室、食堂、宿舍等）的特點，本項目通過BIM+GIS技術、云計算、大數據等技術對云南大學呈貢校區建筑結構及消防設施建立完善的數字化信息數據庫，為火災后的修復提供數據和幫助。此外，基于PyroSim對校園起火點進行可視化的火災模擬，并利用Pathfinder制作火災人員疏散動漫，其結果為校園火災預防、撲救、人員逃生演習及事故的調查等提供理論依據與技術支持，特別是有利于人員密集型場所（教室、宿舍等）為相關人員提供安全保障，避免人員傷亡。此外，本項目還可以為云南大學呈貢校區提供一個合理可行的火災人員疏散方案，為全校師生的安全提供一定的技術保障。

2 GIS分析火災等級區域

項目成員經過在學校內各個建筑調研，觀察建筑的位置、內部設計以及容納人數等因素，加以GIS技術的渲染分析，將整個校園分為四個等級火災風險區，GIS渲染情況如圖1所示：

圖1 GIS渲染圖

2.1 火災高風險區

火災高風險區指可能發生重大火災，火災傷亡或損失較大的地區，占校園面積 10.3%。主要集中宿舍、食堂等人員聚集且存在火災隱患風險的區域。

2.2 火災次高風險區

火災次高風險區指可能發生較大火災，火災傷亡或損失中等的地區，占校園面積 12.1%。主要集中在教學樓等分時段人員有高度聚集的區域。

2.3 火災中風險區

火災中風險區指可能發生一般火災，火災傷亡或損失相對較少的地區，占校園面積9.3%。主要位于各個學院的學院樓分布相對集中區。

2.4 火災低風險區

火災低風險區指發生火災可能性小，火災傷亡或損失小的地區，占市域面積68.3%。主要為學生會堂、圖書館等消防設施齊全，人員稀少的區域。

綜上所述，在運用BIM、Pyrosim和pathfinder針對火災高風險區和火災次高風險區的建筑進行火災模擬并提出優化方案。

3 BIM+Pyrosim的火災模擬

3.1 BIM模型的建立

3.1.1 建模軟件的選擇

BIM體系在不同的階段有不同的軟件應用，最終選擇用Revit軟件作為主要的建模軟件，理由如下：Revit是由族編輯其來創建參數化構件，建模更加方便，準確。支持多種導出模式，方便BIM模型導入其他軟件。BIM模型的三維可視化有效地消除以往常出現的圖面不一致、遺漏、沖突或錯誤的問題。以BIM模型自動提取主結構材料數量，具有很高的精確度，且可進行有效的三維可視化設計查核。

模型的選取：該項目以云南大學——呈貢校區為基礎研究，學校園區大，建筑群多，如將學校所有建筑進行建模，工作量龐大且沒有必要性。故選取校內具有代表性的幾棟建筑進行BIM建模。選取的是學生日常使用的建筑，宿舍樓、教學樓、食堂、圖書館、學生會堂。

圖2 BIM圖

3.1.2 BIM模型的精細度

模型精細度與建模的工作量，成果的準確度密切相關，所以選擇合適的建模精密度對該項目非常重要。該項目BIM模型的精細度是參照美國的建筑師協會制定的LOD等級。該項目BIM模型主要用于導入Pyrosim中進行火災的模擬，精細度需要保證構件的數量，大小，形狀和位置等。在對表1中的各種精細度進行對比后，選擇了符合該項目要求的精細度標準LOD200。

3.1.3 模型的檢查

在BIM模型建立后，為減少導入Pyrosim后的錯誤，要對模型進行檢查。包括模型的整體外觀檢查，外觀是否與建筑圖一致。模型的內部構件檢查，模型內的墻，房間布置是否與建筑圖一致，特別是走廊和樓梯這些重要的通道是否與建筑圖一致。對與建筑圖不一致的位置進行及時的修改。

3.2 模型的導入

利用Pyrosim進行火災的模擬，包括模型的建立，數值模擬和結果分析三個方面的內容。之前建立的BIM模型不能直接導入Pyrosim中，要先在Revit中進行處理，要將門窗等構件刪除后再導入。在導入Pyrosim軟件后，需要創建網格、通風口、火源等，再定義材料與反應得到完整的數值模擬模型。

圖3 FDS模型

3.3 起火點的選取

起火點的選取的合理與否決定了火災模擬情況與真實情況的相似程度。但在實際的情況中，火災的起火點具有隨機性。起火點的設置參考校園起火的大數據統計。在宿舍中主要室違規使用電器，起火點主要設置在桌面和床鋪。實驗室中主要設置在實驗區域。在教學樓中火災多是由于學生抽煙后未熄滅煙頭扔入垃圾簍內引起的火災，故起火點主要設置在樓梯走廊的垃圾簍內。

3.4 參數的選取

在Pyrosim中，網格劃分對模擬非常重要，要將所模擬的建筑劃分成很多個網格，每個網格被稱為基本單元。Pyrosim中，網格劃分越小、越密，計算精度就越高，但是網格過小會給計算機帶來過重的負擔、分析運算時間過長。網格過大，計算精度又會不足，會對最終的結果有影響，所以，合理的劃分網格非常重要。結合實際情況，我們采取的是較為粗糙的網格劃分。

BIM與Pyrosim是一個協同工作的過程，利用Revit軟件進行BIM建模，對建立的模型檢查處理后導入Pyrosim，在Pyrosim軟件中設置相關的參數，最終完成火災的模擬。要清楚兩個軟件協同工作的原理和方式，要在每一個模型中做好檢查，使兩個模型可以順利對接，分析成功。

4 BIM+Pathfinder模式下建筑人群疏散仿真模擬

首先建立Pathfinder火災模型,對云南大學呈貢校區相應人群較為密集的建筑，如教學樓。宿舍樓以及食堂等等進行火災模型的建立，之后再將相應的部分的平面圖進行簡化，采用1：1的比例尺寸對簡化后的商業綜合體進行模型的建立。之后進行火災場景參數設計，火災場景設計應該遵循：最不利原理。若火災發生位置在靠近中庭位置的商鋪，并且中庭部位的自動滅火系統在火災發生時沒有能夠有效啟動。在這種情況下的火災規模可以遵循《建筑防排煙技術規程》對中庭無噴淋的火災熱釋放量，對火災規模取值為4mw。建立完Pathfinder模型之后，運用簡化之后的商業綜合體商場部分的平面圖，對各個房間、各個營業廳、各個防火分區以及各個樓層之間的樓梯進行繪制，各個房間、營業廳、防火分區設置不同的門寬進行連接。

4.1 CO濃度臨界值

火災死亡人數的80%以上屬于煙氣窒息致死，物品的燃燒往往伴隨著大量煙氣的產生，而煙氣當中含有的有毒害氣體，是火災致死率高的主要原因。木材、塑料、橡膠、電氣設備、紡織品及建筑保溫材料，都屬于常見的易燃物品，在高溫環境下，會分解出CO、C02、氫氨酸等上百種化學物質和氣體。在眾多氣體當中，CO中毒對人體的毒害性最強，主要是由于其對人體大腦神經組織、腦細胞產生的損壞，引起呼吸衰竭、頭暈甚至死亡等癥狀。

4.2 煙氣溫度臨界值

火災發展過程中會產生大量的熱輻射，使燃燒物及周邊的空氣溫度不斷上升，建筑中的可燃材料較多，若火勢無法及時得到控制，煙氣溫度可高達上百攝氏度，對人體和建筑本身都會造成不可恢復的傷害。相關研究顯示，當溫度達到35攝氏度至5攝氏度之間時，人體會出現出汗及痛感等情況；當溫度超過65攝氏度時便會造成燒傷，不宜滯留過久；若溫度上升至120攝氏度及以上，則會對身體各項機能造成不可恢復的損傷。

圖4 pathfinder火災疏散模擬

5 不同建筑因素對建筑人群的影響分析

在以上部分的研究分析和理論基礎上和在火災模擬情景下對于人群的模擬仿真疏散結果可以發現，影響人群疏散的因素有很多，也就導致了以往的疏散方式所需時間較長，很難滿足建筑的人員疏散安全要求。因此根據以上數據對不同建筑因素對實際疏散情況的影響結果進行對比分析，最后得出能達到最佳疏散效果的結構參數，參考相關的規范文本對于現在建筑結構進行優化，并且對于總結出的優化方案進行評價驗證。

5.1 疏散人群的影響因素

根據前期的軟件結果分析可以得出在人群疏散的過程中起到主要影響的因素包括火災發生過程中的消防樓梯、疏散設備的狀態和安全出口的狀態，換而言之，在火災發生時高層建筑人群疏散的影響因素主要包括建筑因素和人為因素，可以分為消防通道的通暢程度、安全疏散時間的充足程度、消防疏散設施的完備程度和人員疏散環境的安全程度。

5.1.1 消防通道的通暢程度

消防通道可以說是在火災救援及安全疏散過程中的生命通道，正因如此保證消防通道的通暢性尤為重要，然而在日常生活中可能由于管理不善或設計不當等原因，經常出現消防樓梯等消防通道的私自占用和設計不規范等情況，導致消防車無法靠近火源地進行滅火救援，同時也會導致人員難以快速找到正確的疏散路徑，引發火災中的恐慌心理，是火災中導致人員傷亡的原因之一，因此消防通道的通暢性是保障安全疏散的重要因素。

5.1.2 安全疏散時間的充足程度

校園內的建筑垂直距離長，同時建筑內的人數多，火災發生時更難實現快速疏散。疏散時間越長，人們受到燃燒產物威脅的時間越長。因此，應盡量減少疏散時間，以確保安全疏散。消防樓梯疏散是一種具有安全保障的常規疏散方式，但在火災突發事件中經常發生擁擠，踩踏事故，疏散時間難以保證。疏散時間的長短也關系到人員對建筑環境的熟悉程度。對于熟悉建筑環境的人員，在接到消防信號時，可以快速判斷，接近安全出口。因此，需要采取一些有效措施，減少不必要的時間浪費，確保人員有足夠的疏散時間。

5.1.3 消防疏散設施的完備程度

校園內的建筑作為人員聚集區，對消防安全要求較高。因此為了保證校園內師生和工作人員的安全，校內建筑應配備完善的消防設施，為防火，滅火，自救工作提供有利條件。應設置集中火災報警系統，使建筑物內的防火設備與系統相關聯，觸發自動滅火系統，并在第一時間報告火災情況。確保消防電梯具有在火災發生時幫助人們疏散的功能。

5.2 建筑防火方案不足及應對

隨著校園內基礎設施投資的增加，校園建筑密度不斷增加。此外，由于教學和研究的需要，校園內設置了各種臨時建筑。由于校園沒有完全接受城市規劃部門的監管，學校基礎設施部門在消防規劃上不夠專業，導致校園建筑分區不合理，防火間距不足，消防通道不暢通，缺少消防救援場地，消防水源無法保障。因此，必須加強校園規劃和管理，嚴禁校園建設。建設部門要認真學習有關消防法律法規，聘請相關法律顧問，嚴格遵守規劃法律法規，避免違法建設。同時，應及時拆除校園內的違章建筑，開辟必要的消防通道，預留建筑之間的消防間距，并預留建筑物周圍的綠色廣場，以方便消防疏散和撲救工作。對于一些火災危險性較大的高風險物品和實驗室，應將其轉移到遠離學生宿舍和教室的地方。如有必要，也可修建隔離墻和隔離帶。

對校園建筑電氣線路進行升級改造，更換老舊電氣設備，完善電源，增加電氣線路的自我保護裝置。例如，增加了一些先進的電源管理系統，可以在學生使用非法電器時自動切斷電源，從而全面提高校園供電系統的安全性，從而有效降低火災的發生概率。

加強校園建筑消防設施的建設和維護。根據建筑情況，增加應急照明和火災報警裝置；在人員密集較高的地方配備消防應急箱等滅火疏散設備；為學校安保人員配備必要的消防救援設施；在科研教室、教學樓、學生宿舍安裝智能消防系統，確保火災自動報警、自動噴淋系統等設施的正常運行。加強實驗設備的維護保養，確保實驗設備本身無火災隱患。教室、宿舍、實驗室等公共場所應按照規定安裝滅火器。過期或有缺陷的滅火器應及時修理更換，確保師生在火災時及時找到周圍的滅火器。