李 娜 王自勵(lì)

(寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

BIM系統(tǒng)在樓宇自動(dòng)化消防模擬中的應(yīng)用★

李 娜 王自勵(lì)

(寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

隨著BIM技術(shù)的高速發(fā)展，在工程前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)中，BIM模型的關(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性、模擬性以及可優(yōu)化性在火災(zāi)分析、模擬、優(yōu)化過程中發(fā)揮其巨大的優(yōu)勢(shì)。模擬建筑火災(zāi)時(shí)煙氣的散播、火災(zāi)的發(fā)展，其結(jié)果中可以輸出建筑物火災(zāi)時(shí)的溫度、能見度等物理量的變化，人員疏散過程中疏散路徑的優(yōu)化等，為建筑各階段防火減災(zāi)提供依據(jù)和參考，從而縮短工期、降低成本、提升效率。

BIM，樓宇自動(dòng)化，消防模擬

BIM概念的提出由來(lái)已久，BIM技術(shù)應(yīng)用的開發(fā)也是各個(gè)廣義建筑軟件廠家必占之高地，它的優(yōu)勢(shì)在于通過對(duì)所描述構(gòu)件附以工程建設(shè)中所需要的屬性，并以三維數(shù)字模型形式呈現(xiàn)，使得在規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程中，不同階段、不同部門、不同人員按照其需求可以從統(tǒng)一模型中提取各自所需的數(shù)據(jù)，依據(jù)權(quán)限實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共建、共享。所有的建筑構(gòu)件、組件、系統(tǒng)之間都是相互聯(lián)系、相互制約、互相影響的有機(jī)整體。擺脫了各幅圖紙之間互相獨(dú)立，一處修改張張修改的尷尬處境，BIM技術(shù)的發(fā)展使得這種尷尬得到有效的解決，一處修改處處跟著變化，材料消耗自動(dòng)更新計(jì)算[1,2]。隨著精細(xì)化施工的發(fā)展，在前期做好能耗分析、緊急疏散模擬、熱傳導(dǎo)的計(jì)算。

在運(yùn)行階段，防火及火災(zāi)逃生、地震人員疏散等日常緊急情況的處理方式，其多路徑、多因素的復(fù)雜情況。使用人工推演的方法制定應(yīng)急預(yù)案及逃生路徑，無(wú)法獲得或者很難獲得在多因素約束下的最優(yōu)逃生路徑。BIM技術(shù)的出現(xiàn)使得此過程變的簡(jiǎn)單?？梢岳糜?jì)算機(jī)的高速計(jì)算，制定出緊急情況下合理的逃生路徑。達(dá)到應(yīng)急預(yù)案有模擬有分析有演練，做到臨事而不慌、井然而有序，從而由粗放型往高效型進(jìn)一步轉(zhuǎn)變[3-5]。

1 FDS火災(zāi)模擬軟件簡(jiǎn)介

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)出來(lái)的一款政府福利性免費(fèi)軟件,是火災(zāi)和疏散模擬分析類軟件之中比較優(yōu)秀的軟件之一，其在可靠性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性上都能較好的反映客觀實(shí)際。對(duì)火災(zāi)發(fā)生以及影響因素提供了詳盡的輸入接口。它也在火災(zāi)時(shí)煙霧播散速度、路徑，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)溫度場(chǎng)影響中，有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

FDS模型主要由兩大模塊構(gòu)成。一部分為分析計(jì)算部分，需要用戶輸入計(jì)算所需的建筑物信息，以及制約火災(zāi)發(fā)生的條件信息、火災(zāi)發(fā)展的約束信息、可供人員疏散的路徑信息等。需要以文本命令流格式輸入。第二部分為將第一部分計(jì)算輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)在后處理界面以動(dòng)態(tài)畫面演示出來(lái)，使得軟件使用者直接了然的觀察火災(zāi)的發(fā)展，從而推演在火災(zāi)時(shí)人員疏散路徑的合理性，在人員疏散的路徑上受火災(zāi)煙氣、溫度場(chǎng)的影響，從而確定在此路徑上人員安全撤離的最晚時(shí)間。這是火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案需要確定的核心內(nèi)容。隨著計(jì)算者工程經(jīng)驗(yàn)的積累、軟件開發(fā)商對(duì)軟件的完善，使得對(duì)火災(zāi)的模擬愈加準(zhǔn)確。

2 BIM模擬的建立

由于FDS軟件的輸入?yún)?shù)需要文本格式輸入，所以輸入難度較大，而且輸入過程無(wú)法可視無(wú)法檢查輸入?yún)?shù)是否正確，對(duì)使用者的要求較高。在本次建模過程中使用將Revit模型導(dǎo)成CAD文件，原本表示物體信息的圖形隨著輸出格式的不匹配，出現(xiàn)構(gòu)件信息丟失，可以利用現(xiàn)有的圖形進(jìn)行重新定義，簡(jiǎn)化前期建模的工作量，見圖1。

Revit軟件與Pathfinder軟件數(shù)據(jù)互不兼容，通過CAD軟件作為過渡，將CAD輸出的DXF文件作為數(shù)據(jù)交換文件，再通過CAD過渡的過程中，構(gòu)件的部分特性會(huì)丟失，所以需要在Pathfinder軟件中重新賦予構(gòu)件特性[5-9]。各層需要重新定義樓板及內(nèi)墻障礙，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》通過建筑面積計(jì)算疏散人數(shù)。定義人物移動(dòng)速度為1.1 m/s～1.33 m/s以及人物肩寬45 cm～56 cm。

Pathfinder軟件將人員定義為SFPE和Steering兩種人員疏散模式。SFPE疏散模式人員的流動(dòng)由各房間人員密度以及門的寬度兩項(xiàng)參數(shù)控制，人員自動(dòng)選擇最近的出口疏散，疏散速度根據(jù)人員密度調(diào)整。Steering疏散模式采用高級(jí)算法，路徑規(guī)劃以及人員之間相互擁擠碰撞兩種方式綜合考慮的方式控制疏散人員的移動(dòng)，同時(shí)在人員移動(dòng)的過程中路徑可以隨著疏散人員與出口距離以及此條線路上人員的擁擠程度重新選擇規(guī)劃。

3 BIM模擬計(jì)算結(jié)果及分析

在火災(zāi)中，安全疏散時(shí)間是考量人員疏散的最關(guān)鍵參數(shù)。只有可用安全疏散時(shí)間(Available Safety Egress Time, ASET)大于人員安全疏散所需的時(shí)間(Required Safety Egress Time, REST)，人員才能安全的疏散出去。否則，則表明建筑防火設(shè)計(jì)存在一定的缺陷或者防火設(shè)計(jì)不能滿足建筑物防火的需求或者不能滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)者可以進(jìn)一步調(diào)整防火分區(qū)的劃分、防火設(shè)施的布置、疏散路徑的優(yōu)化。

人員所需安全疏散時(shí)間的確定因素與建筑物空間的分割、建筑物的用途、建筑物結(jié)構(gòu)形式以及裝飾材料、火源的性質(zhì)、起火的位置、建筑物層高、建筑物內(nèi)空氣流通路徑以及防火設(shè)施設(shè)備是否能按要求響應(yīng)或動(dòng)作、人員反應(yīng)時(shí)間等都有關(guān)系，呈現(xiàn)多因素非線性關(guān)系。

軟件模擬兩種模式下疏散出人員的數(shù)量和疏散時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，在SFPE模式下，前90 s疏散人數(shù)達(dá)到617人，疏散速率達(dá)6.8人/s。除了一樓外，其他樓層因?yàn)楣灿脴翘輰?dǎo)致樓梯間人員增加而擁擠，使疏散速率下降，在圖2中反映出來(lái)曲線逐漸平緩，反映的實(shí)際問題就是疏散速率由于擁擠而下降。在Steering模式下由于在疏散路徑上出現(xiàn)擁擠，人員會(huì)重新規(guī)劃路徑，使得疏散速率基本沒有大的下降。兩種模型都和實(shí)際的疏散過程有某種程度的不符合，由于人群有“隨大流”現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象已經(jīng)被荷蘭奈梅亨大學(xué)(Radboud University)的一項(xiàng)試驗(yàn)表明是人類一種不可避免的生理現(xiàn)象，而且在緊急狀態(tài)下身邊人的行為被我們無(wú)意識(shí)的參照，所以軟件模擬的結(jié)果是理想狀態(tài)下的疏散時(shí)間，要綜合兩種計(jì)算模式并參照計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)，確定人員的最終疏散時(shí)間?；蛘呖梢杂密浖M疏散時(shí)間乘以一個(gè)大于1的調(diào)整系數(shù)得到最終值。

可以使用BIM軟件的計(jì)算速度優(yōu)勢(shì)，改變裝飾材料、火源的性質(zhì)、起火的位置、防火設(shè)施設(shè)備等因素，重新計(jì)算模擬，必要時(shí)可以使用正交試驗(yàn)方法，確定多因素模式下的火災(zāi)逃生機(jī)制。優(yōu)化建筑的防火設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到更優(yōu)的建筑防火性能。

[1] 林國(guó)海,翟洪遠(yuǎn),張司本.“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題——保溫、防火、結(jié)構(gòu)一體化低能耗建筑技術(shù)[J].建設(shè)科技,2015(21):27-35.

[2] 任 榮.基于BIM技術(shù)的建筑消防系統(tǒng)優(yōu)化[D].鄭州:鄭州大學(xué),2015.

[3] 陳國(guó)良,曲 毅.基于BIM的消防安全管理綜合應(yīng)用系統(tǒng)探討[J].警察技術(shù),2015(1):91-93.

[4] 陸 揚(yáng).基于BIM的性能化分析手段在建筑防火設(shè)計(jì)中的研究與實(shí)踐[J].土木建筑工程信息技術(shù),2011(4):63-71.

[5] 胡培寧,張金月.基于BIM和Ontology的建筑防火設(shè)計(jì)自動(dòng)審查的方法研究[J].工程管理學(xué)報(bào),2017(2):49-53.

[6] 姜子港,劉曉棟,霍非舟,等.基于Pathfinder的商場(chǎng)人員疏散仿真[J].火災(zāi)科學(xué),2014(3):175-181.

[7] 杜長(zhǎng)寶,朱國(guó)慶,李俊毅.疏散模擬軟件STEPS與Pathfinder對(duì)比研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2015(4):456-460.

[8] 徐艷秋,王振東.基于Pathfinder和FDS的火場(chǎng)下人員疏散研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012(2):50-54.

[9] 趙 哲,陳清光,王海蓉,等.基于Pathfinder的公眾聚集場(chǎng)所的應(yīng)急誘導(dǎo)疏散[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013(12):1327-1330.

ApplicationofBIMsysteminbuildingautomationfiresimulation★

LiNaWangZili

(NingxiaConstructionVocationalandTechnicalCollege,Yinchuan750021,China)

With the rapid development of BIM technology, in pre-engineering planning, design, construction and operation, the relevance, coordination, simulation and optimization of BIM model play a huge advantage in fire analysis, simulation and optimization. To simulate the spread of smoke and the development of fire in building, the result can output the temperature of a building fire, changes in physical quantities such as visibility, optimization of evacuation path during evacuation, to provide basis and reference for fire prevention and mitigation in various stages of construction. It can shorten the working period, reduce the cost and improve the efficiency.

BIM, building automation, fire simulation

1009-6825(2017)28-0231-02

2017-07-21★:本文受2015年寧夏自治區(qū)專項(xiàng)基金支持(編號(hào)：NGY2015230)

李 娜(1984- )，女，碩士，工程師

TU998.1

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