基于BIM技術的高層建筑應急疏散仿真研究

涂人方

(華中科技大學，湖北 武漢 430074)

隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，人口的急劇增加，我國的各類建筑正朝著大型化、多功能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。但是在合理利用空間、構建立體網(wǎng)絡的同時，現(xiàn)代化建筑樓層高、占地面積大、結構復雜、人員集中等特點也使得人員在地震中疏散困難，為此帶來的安全隱患值得人們高度重視。

在研究高層建筑的應急疏散時，可以先建立BIM模型重現(xiàn)建筑內(nèi)部構造[1]。之后，通過建立最短路徑規(guī)劃模型，得到最短疏散線路。但是，以往的研究成果，在仿真模擬的過程中忽略了在疏散過程中應急疏散指示牌等尋路標志對人員擇路的影響[2,3]。如果能夠在模擬疏散過程中，獲取疏散人員的眼部采集數(shù)據(jù)，識別各種路標和路況，有利于掌握人員在尋路過程中的尋路選擇趨向，使仿真模擬更加的真實有效。

因此，本文以梧桐邑五期7#樓為例，通過建立BIM模型研究該建筑的主要結構。構建最短路徑規(guī)劃模型，得到梧桐邑五期7#樓最短疏散路徑；開展眼動實驗，通過采集人員的眼動數(shù)據(jù)，研究人們在應急疏散過程中的尋路習慣，將其數(shù)據(jù)化，分析人們在尋路過程中的心理行為以及不同人群的尋路選擇趨向，為安全標志的安裝放置提供理論依據(jù)，增加空間建筑的安全性。最后利用pathfinder疏散仿真模型驗證實驗的有效性。

1 疏散空間的最短路徑規(guī)劃

1.1 抽象要素的說明(見表1)

表1 抽象要素的說明

1.2 模型的引入

在樓棟的路線規(guī)劃問題中可以用0—1規(guī)劃的方法對模型進行求解。下面給出其求解原理：

首先假設一個虛擬的起始節(jié)點1，沿著箭線的方向可以到達終點節(jié)點n。對任意變量Xij,i,j=1,2,…,n，如果經(jīng)過箭線i-j，則Xij取值為1，如果沒有經(jīng)過節(jié)點Xij則取值為0[4]。即：

Xij=1或0

以節(jié)點i為平衡節(jié)點，當有箭線進入節(jié)點i時+1，反之則-1，但是始終應該保持節(jié)點的總和為0即：

x1,i+x2,i+…+xi-1,i-xi,i+1-xi,i+2-…-xi,n=0

對于起點節(jié)點1，由于沒有進入的節(jié)點，則有：

-x1,2-x1,3-…-x1,e=1

其中e表示與1節(jié)點相連的最后一個節(jié)點。

同理，對于終點節(jié)點n，由于沒有出去的節(jié)點，所以終點節(jié)點的公式如下：

xo,n+xp,n+…+xq,n=1

其中o,p,q分別表示與終點節(jié)點直接相連的節(jié)點。

以最短疏散路徑為目標函數(shù)，建立目標函數(shù)如下：

minW=l12x12+l13x13+…+lmnxmn

其中l(wèi)12、l13、lmn分別表示從1節(jié)點到2節(jié)點、1節(jié)點到3節(jié)點、m節(jié)點到n節(jié)點的路徑長度。

綜上所述，可以得到關于最短路徑的0-1規(guī)劃模型如下：

min=l12x12+l13x13+…+lmnxmn

1.3 案例分析

梧桐邑五期7#樓是位于宜昌的一棟高層居民樓，將梧桐邑的每一個門作為一個疏散節(jié)點對一層進行分析如圖1所示。

圖1 一層節(jié)點圖

將上圖抽象成網(wǎng)絡圖如以1節(jié)點為起始節(jié)點可以得出其簡化的網(wǎng)絡節(jié)點圖。

所以根據(jù)引入的模型，1節(jié)點的0-1規(guī)劃模型如下：

minW=12x1,2+70x2,9+44x9,35+11x35,36+

68x35,37+89x35,38+99x35,39

可以得出1節(jié)點的最短疏散路徑為：1→2→9→35→37。同理，最后可以得出每個節(jié)點到安全出口的最佳疏散路徑。

2 虛擬場景尋路實驗

2.1 為眼動實驗創(chuàng)建漫游環(huán)境

以梧桐邑五期7#樓為例，本文針對該高層建筑結構布局來為眼動實驗創(chuàng)建漫游環(huán)境。并且根據(jù)0—1規(guī)劃得出的最短疏散路徑在BIM模型中安裝應急疏散指示牌，將模型導入Lumion軟件進行實時渲染并且通過Tobii軟件采集人眼在渲染模型尋路中的眼動數(shù)據(jù)。

2.2 眼動追蹤實驗分析

在尋路過程中，眼睛在空間環(huán)境因素的刺激下會產(chǎn)生生理反應，經(jīng)眼部神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X，再經(jīng)大腦的處理形成相應心理感受并通過神經(jīng)系統(tǒng)反饋給眼睛[5]。眼動儀可精確測量相關眼動數(shù)據(jù)，并記錄多項眼動尋路數(shù)據(jù)。通過對這些指標的綜合分析能得出人們在疏散過程中的尋路習慣，從而為疏散仿真提供參數(shù)[6]。在Tobii中對采集到的眼動數(shù)據(jù)進行分析得出人在尋路過程中的視覺熱點圖如圖2所示。

圖2 大廳視覺熱點圖

由圖2可知在人進行尋路的時候大多數(shù)時間會被應急疏散標志所影響，根據(jù)安全標志的指示方向擇路，當面對多種安全出口選擇的時候首先看的標志會產(chǎn)生一種先入為主的作用從而影響人的判斷。大多數(shù)人在應急疏散中會選擇從最中間的門出去。

由2.4節(jié)案例分析可知，這并非最短疏散路徑，為了糾正人群疏散的擇路傾向，在36、37號側門兩端加上應急疏散指示牌作為著重強調標志，再次采集到行人眼動數(shù)據(jù)，分析得出人在尋路過程中的視覺熱點圖如圖3所示。

圖3 糾正后的大廳視覺熱點圖

由此可知，在通過應急疏散標志對行人擇路傾向進行糾正之后，行人更加傾向于從目標的最短疏散路徑撤離。

3 應急疏散仿真

在確定人員疏散擇路傾向之后，可以通過使用Pathfinder軟件對實際的疏散現(xiàn)場進行仿真，對人員疏散效率進行評估。

3.1 依據(jù)尋路習慣應急疏散模擬

根據(jù)眼動實驗得出的人員疏散尋路習慣，為每一個疏散人員設置疏散行為，優(yōu)先考慮從大廳的正門出去，在擁堵狀態(tài)下重新計算最短路徑。

在Pathfinder中進行人員疏散的模擬實驗可以看見一層到第六層的詳細疏散時間如表2所示。

表2 疏散時間表

經(jīng)過運行疏散結果可以知道全部人群疏散完畢所用的時間為126秒。

3.2 依照最短路徑應急疏散模擬

當針對人員的尋路習慣進行糾正，使疏散人員對大廳兩側門的使用頻率上升，疏散的路徑變短，有利于人員更快的疏散。用Pathfinder對人員的疏散狀況進行仿真模擬可以得出從一層到第六層的詳細疏散時間如表3所示。

表3 糾正后的疏散時間

經(jīng)過運行疏散結果可以知道全部人群疏散完畢所用的時間為120s，較之之前的疏散模擬，當正確糾正人員的疏散習慣后整體疏散時間有所提升。

可以看出當疏散人群在面臨多出口選擇的時候，應當給予疏散人群適當?shù)囊龑В热邕M行語音播報、安排疏導人員、改變安全指示標志的擺放位置，將有利于疏散的安全出口標志牌放在更加顯眼的位置等這樣會加快人員疏散，縮短疏散時間。

4 結 語

(1)本文將0—1關鍵線路規(guī)劃模型應用到應急疏散最短路徑規(guī)劃中，并且該方法適用于pathfinder仿真模擬。

(2)為了能夠提高疏散效率，可以在疏散人群在面臨多出口選擇的時候，應當給予疏散人群適當?shù)囊龑В涌烊藛T疏散，縮短疏散時間。