言 娟,徐黎明

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213000)

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，建筑安全事故具有不確定性，因此對(duì)于建筑應(yīng)急安全問(wèn)題一直是相關(guān)部門(mén)的研究重點(diǎn)[1]。建筑應(yīng)急疏散作為確保建筑應(yīng)急安全方面中重要內(nèi)容，目的是在建筑發(fā)生安全事故的第一時(shí)間，能夠快速撤離人員，避免人員傷亡。針對(duì)建筑應(yīng)急疏散路徑的設(shè)計(jì)是建筑應(yīng)急疏散中的主要內(nèi)容，考慮到在建筑應(yīng)急疏散過(guò)程中不可避免的是人在災(zāi)難面前的恐慌情緒，在此必要前提條件下，為保證建筑應(yīng)急疏散工作能夠順利進(jìn)行，必須優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑，最大限度保證建筑應(yīng)急疏散路徑的合理性以及適用性[2]。因此，對(duì)于建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化最重要的是，能夠解決建筑應(yīng)急人員擁擠問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急人員應(yīng)急疏散功能，選擇最優(yōu)的路徑到達(dá)安全地點(diǎn)。目前建筑應(yīng)急疏散路徑選擇主要是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及遺傳算法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑。此種方法的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，且只能取得局部最優(yōu)解，而非全局最優(yōu)解；另外，為考慮時(shí)空因素，導(dǎo)致建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化存在很大的局限性。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中存在的問(wèn)題，在考慮時(shí)空擁擠度的基礎(chǔ)上，將BIM應(yīng)用在建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中，致力于提高建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的合理度。

1 時(shí)空擁擠度分析

時(shí)空擁擠度是基于時(shí)空維度提出的，主要針對(duì)擁擠度的時(shí)效性特點(diǎn)，即擁擠度會(huì)隨時(shí)間的變化而變化[3]。時(shí)空擁擠度能夠表明在當(dāng)下限定空間內(nèi)，人數(shù)與空間之間的所占比例，人數(shù)與空間之間的所占比例越大，證明時(shí)空擁擠度高，空間擁擠現(xiàn)象越嚴(yán)重；人數(shù)與空間之間占比越小，證明時(shí)空擁擠度越低，空間擁擠現(xiàn)象越輕微。時(shí)空擁擠度主要適用于封閉性建筑中，時(shí)空擁擠度能夠衡量該空間在當(dāng)下時(shí)間中的流通量，一旦在封閉性建筑中出現(xiàn)大量客流滯留的現(xiàn)象，必然會(huì)導(dǎo)致該空間時(shí)空擁擠度上升，空間擁堵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高。因此，本文以時(shí)空擁擠度作為建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)制定有效的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化措施，確保建筑空間客流量在可控范圍內(nèi)。

2 BIM技術(shù)分析

BIM又稱(chēng)建筑信息模型，主要用于表達(dá)建筑施工中難以直觀表示的三維立體圖像與導(dǎo)向類(lèi)建筑物[4]。早在2001年就有學(xué)者將BIM應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中，建立建筑設(shè)計(jì)信息模型，只需要在模型中修改控制當(dāng)量，便可以得到不同參數(shù)形態(tài)下的建筑結(jié)構(gòu)，得出建筑設(shè)計(jì)最優(yōu)的結(jié)果。BIM是以數(shù)字化和信息化來(lái)展示設(shè)計(jì)項(xiàng)目所有信息的一種方式，能夠在建筑領(lǐng)域取得較好的應(yīng)用效果?；诖耍疚膶IM應(yīng)用在建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中，通過(guò)BIM項(xiàng)目虛擬化建模實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑可視化優(yōu)化設(shè)計(jì)。在該模型中，項(xiàng)目管理者可以將建筑應(yīng)急疏散路徑設(shè)計(jì)各個(gè)階段的信息進(jìn)行資源共享和分析。通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容，具體應(yīng)用內(nèi)容，詳見(jiàn)下文。

3 建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法

3.1 設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空指標(biāo)

在建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化過(guò)程中，考慮到建筑應(yīng)急疏散具備實(shí)時(shí)性以及不確定性的特點(diǎn)，本文基于時(shí)空擁擠度中對(duì)于時(shí)空維度的考慮合理設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時(shí)空指標(biāo)[5]。設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時(shí)空指標(biāo)，作為評(píng)判建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度的關(guān)鍵參數(shù)。建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時(shí)空指標(biāo)具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空指標(biāo)

根據(jù)表1可知，本文選取4個(gè)時(shí)空指標(biāo)作為本次建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中衡量時(shí)空擁擠度的核心指標(biāo)，為下文判斷建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度提供基礎(chǔ)指標(biāo)。

3.2 判斷建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度

在設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時(shí)空指標(biāo)的基礎(chǔ)上，基于時(shí)空擁擠度，判斷建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度[6]。首先，設(shè)平均客流密度的計(jì)算表達(dá)式為p，將p代入平穩(wěn)狀態(tài)方程式，可得公式(1)。

(1)

公式(1)中，n表示建筑空間內(nèi)總客流量；s表示建筑空間面積。通過(guò)公式(1)計(jì)算，p值越大證明此時(shí)建筑平均密度空間分布越聚集，建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度越大；反之越小。運(yùn)用時(shí)空擁擠度，直觀描述建筑內(nèi)客流的平均疏散速度。設(shè)客流的平均疏散速度的計(jì)算表達(dá)式為v，可得計(jì)算公式(2)。

(2)

公式(2)中，i表示建筑空間擁堵系數(shù)，為實(shí)數(shù)；h表示建筑空間擁堵系數(shù)的疏散速度。v值越大證明平均速度空間分布越緩慢，建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度越大；反之越小。針對(duì)平均客流密度的計(jì)算以時(shí)空擁擠度中的時(shí)間跨度最小為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)平均客流密度計(jì)算表達(dá)式為j，可得公式(3)。

(3)

公式(3)中，E表示建筑空間擁堵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)刻。j值越大證明建筑瞬時(shí)密度空間分布越聚集，建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度越大；反之越小。最后，計(jì)算建筑客流量密度持續(xù)時(shí)間，設(shè)其表達(dá)式為t，可得公式(4)。

(4)

公式(4)中，k表示時(shí)刻精度。t值越大，表示高于指定密度的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度越大；反之越小。通過(guò)基于時(shí)空擁擠度計(jì)算上述建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時(shí)空指標(biāo)系數(shù)，對(duì)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類(lèi)，進(jìn)而獲取更為準(zhǔn)確的建筑應(yīng)急疏散路徑時(shí)空擁擠度判斷相關(guān)本體類(lèi)[7]。以綜合得出的時(shí)空擁擠度為依據(jù)，盡可能選擇出時(shí)空擁擠度低的建筑應(yīng)急疏散路徑。

3.3 基于BIM技術(shù)計(jì)算建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度

以選擇時(shí)空擁擠度低的建筑應(yīng)急疏散路徑為建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化原則，基于BIM計(jì)算建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度，以此作為判據(jù)，得出建筑應(yīng)急疏散路徑下一步的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[8]?；贐IM中Rhino參數(shù)化，通過(guò)BIM項(xiàng)目虛擬化建模實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑可視化優(yōu)化設(shè)計(jì)，在BIM模型中輸入建筑應(yīng)急疏散路徑結(jié)構(gòu)參數(shù)。將建筑應(yīng)急疏散移動(dòng)空間設(shè)置為C，結(jié)合建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化行進(jìn)方向，設(shè)定建筑內(nèi)人員的自由度設(shè)置為6[9]。通過(guò)BIM計(jì)算建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度，設(shè)建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度為j1(v)， 則其公式如下式(5)所示。

(5)

公式(5)中，τ表示建筑應(yīng)急疏散路徑的信息素量；t表示建筑應(yīng)急疏散時(shí)刻；α表示建筑應(yīng)急疏散路徑啟發(fā)信息權(quán)重；η表示建筑應(yīng)急疏散路徑集合；β表示建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化決策影響程度系數(shù)[10]。通過(guò)公式(5)，得出建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度，選取j1(v)數(shù)值最大時(shí)建筑應(yīng)急疏散路徑作為下一步的轉(zhuǎn)移點(diǎn)位，通過(guò)BIM建筑信息模型統(tǒng)一建筑應(yīng)急疏散路徑信息中的參數(shù)屬性，將建筑應(yīng)急疏散路徑算量信息屬性與BIM模型相關(guān)聯(lián)，如此遞歸迭代下去，實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化。

3.4 建立建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)

在明確建筑應(yīng)急疏散路徑轉(zhuǎn)移點(diǎn)位的前提下，利用BIM建立疏散路徑適應(yīng)度函數(shù)[11]。通過(guò)BIM對(duì)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理可分為兩部分。第一部分為對(duì)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)處理時(shí)，標(biāo)志著建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化偏轉(zhuǎn)角的調(diào)整尺度；第二部分引入蒸發(fā)因子，將切分后影響數(shù)據(jù)精度的環(huán)境因素進(jìn)行ColumnGroup定義，其定義的目的是為后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算提供方便[12]。設(shè)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)為q，可得公式(6)。

q=aj1(v)p(x)+bj1(v)p(y)+cj1(v)p(z)+d

(6)

在公式(6)中，a、b、c表示環(huán)境因素等懲罰系數(shù)，為實(shí)數(shù)；p表示蒸發(fā)因子；x、y、z表示建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化特征聚類(lèi)的融合概率密度函數(shù)；d表示環(huán)境影響系數(shù)，為實(shí)數(shù)。通過(guò)公式(6)，可以有效提高全局收斂性[13]。采用BIM中的啟發(fā)式因子特征分解方法，降維處理建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)，得到建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)的降維表達(dá)式，如公式(7)所示。

(7)

公式(7)中，p(x∩y∩z)指的是建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化特征信息融合的交叉分布概念集。以MySQL為統(tǒng)一格式，結(jié)合TCP/IP服務(wù)器以及A/D轉(zhuǎn)換協(xié)議對(duì)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化信息進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取以及相應(yīng)的管理。

3.5 實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化

建立建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)后，為進(jìn)一步提高建筑應(yīng)急疏散路徑合理度，實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化，還需要剔除掉建筑應(yīng)急疏散路徑中的環(huán)境影響因素，進(jìn)而提高建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的合理度[14-15]。建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化示意圖，如圖1所示。

圖1 建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化示意

通過(guò)圖1可知，通過(guò)全局路徑尋優(yōu)，選擇滿(mǎn)足建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化約束條件的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以及后繼節(jié)點(diǎn)。因此，設(shè)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方程式為PNP，則有公式(8)。

(8)

公式(8)中，f指的是建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化信息特征的權(quán)重。通過(guò)公式(8)可以得出建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化全局尋優(yōu)結(jié)果，將此結(jié)果輸出，作為建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化最終決定方案。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

構(gòu)建實(shí)例分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某城市建筑。該建筑具體信息見(jiàn)表2。

表2 建筑具體信息

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象的建筑具體信息見(jiàn)表2。依據(jù)《通行能力理論》，將客流在建筑內(nèi)平均步行速度設(shè)定為2 m·s-1，駕車(chē)速度為15 m·s-1。在保證實(shí)驗(yàn)具有有效性的前提下，選擇同一個(gè)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為測(cè)試本文基于時(shí)空擁擠度與BIM設(shè)計(jì)路徑優(yōu)化方法與傳統(tǒng)路徑優(yōu)化方法之間的路徑優(yōu)化合理度，路徑優(yōu)化合理度越高證明該路徑優(yōu)化方法規(guī)劃精度越高。在此次的實(shí)驗(yàn)中，首先使用本文設(shè)計(jì)方法優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑，通過(guò)MATLAB測(cè)得路徑優(yōu)化合理度，使其為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)方法優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑，同樣通過(guò)MATLAB測(cè)得路徑優(yōu)化合理度，設(shè)其為對(duì)照組，共進(jìn)行10次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 路徑優(yōu)化合理度對(duì)比

通過(guò)表3可知，本文基于時(shí)空擁擠度與BIM設(shè)計(jì)的路徑優(yōu)化方法建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化合理度明顯高于對(duì)照組，建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化可行性更強(qiáng)，更具有推廣以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述分析與驗(yàn)證，不僅從理論上證明了基于時(shí)空擁擠度與BIM的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的有效性，在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后，也表明了本文方法在實(shí)際應(yīng)用中，規(guī)劃的路徑更加合理，具有較高的實(shí)用價(jià)值，在未來(lái)建議推廣使用。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中存在的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)該堅(jiān)持以時(shí)空擁擠度為核心參數(shù)，應(yīng)用BIM技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化。但本文不足之處在于沒(méi)有針對(duì)建筑應(yīng)急消防通道的設(shè)計(jì)加以深入研究，在后續(xù)研究中可以加以補(bǔ)足，希望為提高建筑的應(yīng)急疏散性能提供專(zhuān)業(yè)化指導(dǎo)。