吳 貝，時 雨

(天津大學仁愛學院，天津 301636)

1 引言

地鐵與高鐵等交通方式為人們出行帶來了便利，符合人們快節(jié)奏生活方式對于出行條件逐漸增長的要求，但地鐵與高鐵等出行方式也存在很多不安全因素[1]，原因是車站空間相對封閉與窄小，若在這樣的環(huán)境中出現(xiàn)火災等突發(fā)狀況，在實施車站客流消防應急疏散過程中，乘客易于出現(xiàn)驚恐與絕望的心理狀態(tài)，造成少數(shù)乘客開始抓狂，出現(xiàn)錯誤的逃生行為[2]，增加嚴重人員傷亡的數(shù)量。

傳統(tǒng)分析車站安全疏散問題的方式是疏散演習，疏散演習具有浪費時間、成本高與存在安全隱患等缺點，降低疏散結果的普遍性與有效性，不能有效解決車站本身設計的問題，延長后期修改的時間[3]。而計算機仿真可有效解決耗時長與成本高等問題，能夠經(jīng)過不斷模擬與計算全方位研究乘客的疏散行為特征，及時發(fā)現(xiàn)可能影響安全疏散的車站布局問題。BIM模型具有構建建筑環(huán)境模型準確性高的優(yōu)勢，能夠精準與全面地展示出建筑環(huán)境的所有細節(jié)，與實際建筑環(huán)境更為接近[4]。BIM模型能夠描繪建筑從設計、施工到運營不同階段的全部真實信息，分別是尺寸與材料屬性等幾何(非幾何)形狀信息；同時BIM模型還能夠提供較好的三維可視化圖像，利用Unity3D軟件便能生動地呈現(xiàn)出車站客流消防應急疏散的全部過程，易于理解[5]。擴展的非均勻格子氣模型屬于一種處于微觀與宏觀間的建模方法，適合用于仿真車站客流消防應急疏散過程，提升計算速度。為此研究BIM集成應用下的車站客流消防應急疏散仿真，仿真不同情況下車站客流消防應急疏散過程，改善車站布局，提升車站安全性。

2 BIM集成應用下的車站客流消防應急疏散仿真

2.1 設計方案

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)集成應用下的車站客流消防應急疏散仿真方法是：利用BIM建模軟件構建疏散BIM模型[6]；分析車站乘客疏散行為特征獲取疏散參數(shù)；提出火災和人員交互作用的疏散模擬算法，即擴展非均勻的格子氣模型疏散算法；將疏散環(huán)境與疏散人員數(shù)據(jù)導入擴展非均勻的格子氣模型疏散算法內(nèi)，實施車站客流消防疏散仿真。BIM集成應用下的車站客流消防應急疏散的設計方案如圖1所示。

圖1 車站客流消防應急疏散的設計方案

BIM集成應用下的車站客流消防應急疏散的具體步驟如下：

步驟1：構建車站客流消防應急疏散BIM模型，以完工車站BIM模型為基礎，利用實地考察的方式完善車站客流消防應急疏散BIM模型[7]，車站客流消防應急疏散BIM模型為應急疏散仿真提供一個精準與全面的疏散環(huán)境模型[8]；

步驟2：分析車站乘客疏散行為特征，獲取計算機仿真的乘客人員疏散參數(shù)，其中包括疏散總人數(shù)與疏散速度等；

步驟3：構建火災和人員交互作用的疏散仿真算法[9]，將擴展非均勻的格子氣模型作為疏散仿真算法；

步驟4：車站客流消防應急疏散仿真，將車站客流消防應急疏散BIM模型與車站乘客疏散行為特征導入擴展非均勻的格子氣模型算法內(nèi)，依據(jù)車站疏散規(guī)范的規(guī)定實施車站客流消防應急疏散仿真；

步驟5：車站客流消防應急疏散仿真過程的可視化展示，利用Unity3D平臺融合車站客流消防應急疏散BIM模型與車站客流消防應急疏散仿真過程，展現(xiàn)出三維的與可視化的車站客流消防應急疏散過程。

2.2 基于擴展非均勻的格子氣模型的疏散算法

基于擴展非均勻格子氣模型中處于各人員附近的格子屬于動態(tài)的，與密集人群疏散情況更為接近。在該模型中加入火災場和乘客交互作用的因素，獲取不同個體在可能移動方向上的概率模型，公式如下

(1)

出口信息因子B的表達公式如下

Bi，j=Bcosθi，j

(2)

每個測點在各時間的溫度Ti，j是由FDS(Fire Dynamics Simulator，火災動力學模擬工具)火災模擬計算獲取的溫度值。在臨界溫度T0低于個體位于元胞格子的溫度情況下，即χi，j=0，說明這個個體屬于受傷狀態(tài)；在χi，j=1情況下，說明這個個體不屬于受傷狀態(tài)。受傷個體的處理方式是將其作為墻壁處理，受傷個體對其余個體的平均作用力是GUn。此時受傷個體不參與疏散，停止于該個體受傷時位于的地點。擴展的非均勻格子氣模型內(nèi)利用溫度描繪火災和疏散個體間的彼此物理作用，溫度即熱力，由Gmg代表。Gmg的計算公式如下：

(3)

其中，目標元胞格點的溫度是Tm；該目標元胞格點的鄰域元胞格點的溫度是Tn；κ屬于一個常數(shù)，且κ≥0，κ值的大小與火災場對個體的作用力呈正比。

煙氣濃度對個體移動速度的影響公式如下

(4)

其中，消光系數(shù)是Ks(m-1)；η=0.706ms-1；τ=0.057m2s-1。消光系數(shù)Ks與個體疏散速度呈反比。

能見度與個體疏散速度成反比，在車站火災環(huán)境中，個體各時間步均能移動大于等于一個小元胞格子的距離，同時需滿足低于五個小元胞格子。個體各時間步為0.3s，通過式(4)與一些小的處理獲取移動的小元胞格子數(shù)量，數(shù)量取值為整數(shù)。

2.3 疏散BIM模型與疏散算法的交互

車站客流消防應急疏散過程的相關文本數(shù)據(jù)是通過擴展非均勻的格子氣模型的疏散算法得到的文本數(shù)據(jù)，其中疏散過程相關的文本數(shù)據(jù)包括疏散時間、疏散人數(shù)和疏散地點等；為提升車站客流消防應急疏散仿真過程的直觀性與生動性，利用BIM模型的可視化優(yōu)勢，將車站客流消防應急疏散仿真結果由疏散BIM模型呈現(xiàn)出來。因為擴展非均勻的格子氣模型疏散算法獲取的車站客流消防應急疏散仿真結果與疏散BIM模型格式不同，所以利用Unity3D軟件將二者融合，解決格式不同問題[10]。通過Unity3D融合后的三維車站客流消防應急疏散數(shù)據(jù)讀取與展示的流程如圖2所示。

圖2 三維車站客流消防應急疏散數(shù)據(jù)讀取與展示流程

通過Unity3D軟件是利用驅(qū)動乘客在車站內(nèi)運動解決車站客流消防應急疏散仿真過程可視化展示問題，使乘客經(jīng)過車站樓梯與通道等地點到達安全位置的全部動態(tài)行為能夠生動地展示出來[11]。Unity3D融合擴展非均勻的格子氣模型疏散算法獲取的車站客流消防應急疏散仿真結果與疏散BIM模型的具體步驟如下：

步驟1：Unity3D軟件在車站客流消防應急疏散仿真結果內(nèi)提取各位疏散乘客在不同時間點的相關編號、地點與狀態(tài)等數(shù)據(jù)，構建乘客的運動路徑[12]；

步驟2：利用3Ds Max軟件構建疏散乘客模型；

步驟3：對應連接疏散乘客模型和乘客疏散運動路徑；

步驟4：利用疏散BIM環(huán)境模型將車站客流消防應急疏散仿真過程以三維可視化形式展示出來。

3 實驗分析

以某地鐵站為實驗對象，利用本文方法對該地鐵站出現(xiàn)火災時實施車站客流消防應急疏散仿真，測試本文方法疏散仿真的有效性。該地鐵站屬于雙層導式地鐵站，站臺與站廳間共有兩個扶梯與兩個樓梯，站臺兩側屬于軌道區(qū)域，軌道寬度是3.5m，存在24根支撐立柱，站廳層包含4個出口；該地鐵站高峰時段客流高達4900人/h，疏散速度與疏散方案如表1和表2所示。

表1 疏散速度(m/s)

表2 疏散方案

其中，有無導流是指在車站客流消防應急疏散時，有無工作人員指引乘客往人群密度低的方向疏散。

3.1 不同方案時的疏散仿真

為分析不同方案對車站客流消防應急疏散過程的影響，利用本文方法實施不同方案時車站客流消防應急疏散仿真，因為人員分布的隨機性，為驗證本文方法的穩(wěn)健性，使仿真結果與實際情況更為接近，假設需要疏散人數(shù)為4593人，將4個疏散方案各實施5次仿真，4個疏散方案疏散時間的仿真結果如表3所示，疏散時間為車站客流消防應急疏散時最后一名乘客到達安全地點的時間。

表3 不同疏散方案的疏散時間(s)

根據(jù)表3可知，方案1的 5次仿真平均疏散時間為360.3s；方案2的5次仿真平均疏散時間為373.4s；方案3的5次仿真平均疏散時間為240.2s；方案4的5次仿真平均疏散時間為363.1s；經(jīng)過對比得知，扶梯運行的疏散方案優(yōu)于扶梯停運的疏散方案，存在導流的疏散方案優(yōu)于無導流的疏散方案，疏散時間最短即疏散效率最高的疏散方案為扶梯運行同時存在導流時的疏散方案。實驗證明：疏散時間的標準是低于6min；在出現(xiàn)火災時，只有扶梯運行且存在導流的方案能夠滿足疏散時間的標準。

3.2 不同人員分布時的疏散仿真

為分析不同人員分布對車站客流消防應急疏散過程的影響，利用本文方法實施不同人員分布時車站客流消防應急疏散仿真，隨機人員分布總人數(shù)分別為350人與700人兩種情況，具體人員分布情況如表4所示。

表4 人員分布情況(人)

利用本文方法對這兩種人員分布情況實施車站客流消防應急疏散仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3 兩種人員分布情況的疏散時間仿真結果

根據(jù)圖3(a)可知，隨著站臺層人數(shù)的不斷提升，人員平均疏散時間與最大疏散時間也不斷提升，即站廳層人數(shù)與平均疏散時間和最大疏散時間呈反比，原因是疏散出口在站廳層，站臺層人員數(shù)量直接影響連接站廳與站臺的樓梯與扶梯的疏散壓力，兩者呈正比關系，人員數(shù)量越多疏散時間越慢；根據(jù)圖3(b)可知，人員數(shù)量較多情況下，站廳層初始人員比較多，導致疏散出口很早便出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，為疏散進程增加了難度，進一步延長疏散時間，隨著站臺層人員數(shù)量越多，一方面延長從站臺層到站廳層的所需疏散時間，另一方面卻可降低疏散出口的疏散壓力，緩解站廳層擁擠現(xiàn)象，縮短總的疏散時間，這就是圖3(b)出現(xiàn)拐點的原因。實驗證明：人員初始數(shù)量較少時，站臺層人員分布數(shù)量與平均疏散時間和最大疏散時間呈正比；在人員初始數(shù)量較多時，隨著人員分布數(shù)量的提升，疏散時間呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。

3.3 不同提升高度時的疏散仿真

為分析不同提升高度對車站客流消防應急疏散過程的影響，利用本文方法實施不同提升高度時車站客流消防應急疏散仿真，設置客流量為2000人，站臺到站廳的提升高度分別是10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m、24m，不同提升高度時本文方法的車站客流消防應急疏散仿真結果如圖4所示。

圖4 不同提升高度時的疏散仿真結果

根據(jù)圖4可知，站臺到站廳的提升高度在16m以內(nèi)時，疏散人數(shù)與疏散時間都符合《地鐵設計規(guī)范》與《地鐵設計防火標準》的條件，能夠在規(guī)定時間(疏散時間少于6min)內(nèi)完成人員疏散；站臺到站廳的提升高度在16m與18m之間時，疏散人數(shù)出現(xiàn)小幅度下降以及疏散時間出現(xiàn)小幅度上升的趨勢，疏散時間依舊符合標準；站臺到站廳的提升高度高于18m時，疏散人數(shù)出現(xiàn)大幅度下降以及疏散時間出現(xiàn)大幅度上升的趨勢，此時疏散效率明顯下降，說明當站臺到站廳的提升高度高于18m時，已有的樓梯與扶梯數(shù)量已不能滿足車站客流消防應急疏散需求，需增加樓梯與扶梯數(shù)量。實驗證明：站臺到站廳的提升高度低于16m時能夠減輕樓梯與扶梯處的擁擠狀況，當提升高度高于18m時，會擴展疏散距離，延長疏散時間，使疏散設施的工作效率下降。

4 結論

研究BIM集成應用下的車站客流消防應急疏散仿真，充分發(fā)揮BIM的精準、全面及可視化等優(yōu)點，提升車站客流消防疏散仿真的準確性，使仿真結果與實際情況更為接近，同時還可提供可視化界面，降低人們理解難度；本文僅研究了BIM技術在車站客流消防應急疏散中的應用，并未涉及其它領域，以后還可研究BIM技術在火災消防智能設施設備管理與火災安全疏散培訓等中的應用效果。