基于BIM的建筑火災(zāi)模擬研究

王一諾，張麗麗，代洪濤，李光子，王鑫妍

摘要：以電影院為研究對象，利用3DMax軟件建立電影院BIM建筑模型，導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件Pyrosim中，模擬火災(zāi)來臨時(shí)排煙開啟和排煙失效兩種工況，對電影院溫度場進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與電影院實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。研究表明：設(shè)計(jì)階段常用軟件3DMax模型優(yōu)化后可完整導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件中，避免二次建模，從而提高模擬效率；有排煙場景煙氣溫度比無排煙場景更紊亂，上層煙氣溫度更高；模擬場景火源上方最高溫度與實(shí)體火災(zāi)場景相當(dāng)，驗(yàn)證了BIM模型導(dǎo)入火災(zāi)模擬工況的可靠性。

關(guān)鍵詞：BIM模型；電影院；火災(zāi)模擬

引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，為滿足社會(huì)民眾的實(shí)際需求，建筑朝著超高層、綜合體等方向不斷發(fā)展，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易發(fā)生蔓延，造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失與人員傷亡。傳統(tǒng)的消防規(guī)范難以滿足上述超高層、大型商業(yè)綜合體等建筑的設(shè)計(jì)要求，因此針對這些建筑，一般會(huì)采用消防性能化分析，通過火災(zāi)模擬分析確定火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。目前，國內(nèi)外建筑火災(zāi)模擬一般使用FDS軟件。FDS建模方式需要輸入命令語言，或是在FDS的前處理器PyroSim中構(gòu)件三維模型。以上幾種方式均需對CAD二維圖紙文件進(jìn)行識讀和二次建模，在此過程中就會(huì)出現(xiàn)對模型把握不夠精確、誤操作等錯(cuò)誤，造成模擬的模型與實(shí)際工程之間產(chǎn)生偏差。

隨著信息化時(shí)代到來，建筑行業(yè)逐漸從二維圖紙向著三維信息模型開始轉(zhuǎn)變，BIM技術(shù)開始應(yīng)用于建筑行業(yè)。針對BIM技術(shù)的相關(guān)研究有很多，學(xué)者王婷[1]等提出基于BIM模型與疏散模型的關(guān)系；李石磊[2]等提出利用BIM技術(shù)建立建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)；武煒[3]等提出BIM與無人機(jī)傾斜攝影測量融合技術(shù)；道吉草[4]等提出基于Revit模型導(dǎo)入FDS。目前，建筑行業(yè)設(shè)計(jì)階段常用軟件為3DMax，屬于BIM前端設(shè)計(jì)軟件，但直接利用該軟件導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件的相關(guān)研究和實(shí)踐尚較少。因此，本研究探討該技術(shù)路徑的可行性，以實(shí)際電影院工程為例，研究模型導(dǎo)入FDS后，其模擬結(jié)果與實(shí)體火災(zāi)場景對比，判定其是否接近真實(shí)火災(zāi)工況。

一、BIM模型導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件路徑

在建筑設(shè)計(jì)階段，目前常用軟件為3DMax。以3DMax軟件為對象，探討其模型導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件的可行性。火災(zāi)模擬為計(jì)算流體力學(xué)范疇，一般其軟件由前處理、求解器和后處理三部分組成。火災(zāi)模擬主流軟件為FDS，其前處理為Pyrosim，后處理為Somkeview。前處理Pyrosim軟件的幾何模型可以由DXF格式導(dǎo)入，而3DMax可以導(dǎo)出該格式，使用該方法可以直接將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件中，實(shí)現(xiàn)BIM模型從設(shè)計(jì)階段到工程模擬階段的轉(zhuǎn)換，從而打破建筑不同階段的壁壘。3DMax有直接三維建模和二維建模拉伸生成三維模型兩種方式（如圖1）。

在導(dǎo)入過程中，二維拉伸生成三維模型可以在Pyrosim中顯示，而直接三維建模的模型會(huì)在Pyrosim中丟失，在修改菜單中，選擇專業(yè)優(yōu)化后再導(dǎo)出的模型在Pyrosim中可以完整呈現(xiàn)，從而解決該問題。經(jīng)測試，專業(yè)優(yōu)化級別需小于100%，否則導(dǎo)出模型將成為一個(gè)整體，而不是按構(gòu)件區(qū)分（如圖2）。

中專業(yè)優(yōu)化設(shè)置成功導(dǎo)入Pyrosim后，需添加網(wǎng)格、火源、排煙等參數(shù)信息（如圖3），進(jìn)入FDS模擬火災(zāi)過程，計(jì)算結(jié)果在后處理Smokeview里進(jìn)行查看。

二、火災(zāi)模擬設(shè)計(jì)

以某電影院工程為案例，設(shè)計(jì)火災(zāi)場景。火災(zāi)發(fā)生從起火到旺盛燃燒階段，釋熱速率大體按指數(shù)規(guī)律增長，與火災(zāi)時(shí)間的平方成正比關(guān)系。火災(zāi)增長速度一般分為慢速、中速、快速、超快速四種類型，其中中速火一般為棉與聚酯纖維彈簧床墊、木制辦公桌等制品，因此本次火災(zāi)模擬設(shè)計(jì)工況采用中速火進(jìn)行設(shè)計(jì)。

NFPA手冊[5]中提出可堆疊的椅子放熱率，12把堆疊椅子的熱釋放速率峰值可達(dá)2.25MW，相當(dāng)于燃燒大約17分鐘的中型火災(zāi)。《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017[6]給出了常見的各類場所火災(zāi)熱釋放速率建議，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016—2014[7]中對電影院沒有明確分類，因此考慮規(guī)范中的其它建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)有噴淋的其它建筑火災(zāi)規(guī)模為2.5MW。按保守設(shè)計(jì)，火災(zāi)模擬設(shè)計(jì)如下：火災(zāi)規(guī)模2.5MW；火源功率為中速火；初始環(huán)境溫度設(shè)置為20℃；模擬時(shí)長1800s。火災(zāi)場景考慮排煙有效和排煙失效兩種工況，具體設(shè)置如表1所示。

三、模擬結(jié)果分析

C1及C2工況火災(zāi)模擬現(xiàn)象如圖4所示。

C1及C2工況火焰上空測溫點(diǎn)溫度曲線圖如圖5所示。

在影院火災(zāi)模擬場景中，對比有排煙設(shè)施及無排煙設(shè)施場景的熱電偶測點(diǎn)時(shí)間溫度曲線圖可以發(fā)現(xiàn)：C1有排煙的場景煙氣溫度要比C2無排煙場景煙氣溫度更紊亂，上層煙氣溫度更高，這與我們一般印象中有排煙工況危險(xiǎn)來臨時(shí)間大于無排煙工況的認(rèn)識似乎有出入，但實(shí)則不然。首先，在無排煙工況中，上下兩個(gè)流體層之間摻混很微弱，時(shí)間溫度曲線圖較為平緩，而設(shè)置排煙工況下，煙氣會(huì)受機(jī)械排煙的干擾，層流狀態(tài)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，且高度越高，氣流越紊亂，這與熱電偶測點(diǎn)記錄現(xiàn)象一致。其次，由燃燒機(jī)理可知，空間內(nèi)對流條件越好，火焰越旺，影院設(shè)置有門洞，在排煙工況中，排風(fēng)補(bǔ)風(fēng)條件均良好，因此火焰較無排煙工況更旺，頂部煙氣層溫度越高。由于熱煙不斷排出該空間，導(dǎo)致熱煙沉降速度較慢，所以無排煙工況煙氣溫度要高于有排煙工況。由下圖可知，排煙有效工況，頂層煙氣溫度較高且較為紊亂，但中下層溫度較低；排煙失效工況，煙氣溫度較為平緩，中下層溫度較高。

根據(jù)《電影院高透聲織物音響遮蔽系統(tǒng)防火性能試驗(yàn)研究》中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比其與模擬工況相同位置熱電偶測點(diǎn)溫度可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)體火災(zāi)測點(diǎn)距離火源越近則溫度越高，而模擬工況測點(diǎn)高度越高則溫度越高[8]。這是因?yàn)槟M計(jì)算中采用影院實(shí)際模型，處于墻角位置的高度為5m，在煙氣到達(dá)頂棚后，先向水平擴(kuò)散，后逐漸積累形成煙氣層。而實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)的場地層高較高，煙氣沒有在5m處產(chǎn)生聚集，因而測點(diǎn)溫度受距離火源遠(yuǎn)近影響。在影院實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，火源上方最高溫度可達(dá)到728℃，該試驗(yàn)未設(shè)置排煙，對比火災(zāi)模擬C2排煙失效工況，該工況相同位置測點(diǎn)最高溫度為800℃，實(shí)體試驗(yàn)火源溫度與火災(zāi)工況溫度水平相當(dāng)，說明BIM模型導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件的模擬結(jié)果接近真實(shí)工況。

結(jié)語

設(shè)計(jì)階段常用軟件3DMax，其模型優(yōu)化后可完整導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件中，避免二次建模，從而提高模擬效率；有排煙場景煙氣溫度比無排煙場景更紊亂，上層煙氣溫度更高；模擬場景火源上方最高溫度與實(shí)體火災(zāi)場景相當(dāng)，驗(yàn)證了BIM模型導(dǎo)入火災(zāi)模擬工況的可靠性。

通過本研究發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)在建筑防火領(lǐng)域有著良好的適用性，充分利用BIM技術(shù)可提高建模精度，增加工程模擬效率。但BIM技術(shù)普及程度不夠，復(fù)合型人才不足，導(dǎo)致利用BIM技術(shù)二次開發(fā)在建筑設(shè)計(jì)施工階段的應(yīng)用仍停留在理論階段。隨著BIM技術(shù)的日漸成熟，未來可應(yīng)用于施工圖紙消防審查、消防管理等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]王婷，杜慕皓，唐永福，等.基于BIM的火災(zāi)模擬與安全疏散分析[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2014，6（06）：102-108.

[2]李石磊，李靜，陳陽.基于BIM技術(shù)的建筑室內(nèi)能耗可視化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，22（01）：39-43.

[3]武煒，張麗麗，司典浩，等.BIM+無人機(jī)傾斜攝影測量融合技術(shù)在雄安昝崗再生水廠工程中的應(yīng)用[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，21（02）：1-5.

[4]道吉草，史健勇.基于BIM的建筑火災(zāi)安全分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2017，36（03）：391-394.

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[7]GB 50016—2014，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[8]王一諾，李磊，周蓮.電影院高透聲織物音響遮蔽系統(tǒng)防火性能試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2021，37（05）：108-112.