基于BIM信息模型的高校教学楼智能疏散系统研究

涂劲松，程 瑞,李瑞霞

(1.皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012；2.皖西学院 电子与信息工程学院，安徽 六安 237012)

基于BIM信息模型的高校教学楼智能疏散系统研究

涂劲松1，程 瑞1,李瑞霞2

(1.皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012；2.皖西学院 电子与信息工程学院，安徽 六安 237012)

疏散安全问题一直是公共建筑物的核心问题，在商场、教学楼这样趋于大型化、多功能化及复杂化的建筑里，人员密集，建筑火灾、突发事件时有发生，在造成人员伤亡和财产损失时也成为社会热点关注问题。笔者以内地某一教学楼疏散安全问题为研究对象，通过数据采集和模拟分析，研发了智能疏散指示系统和疏散照明导向装置，该装置与控制室的三维BIM模型对接，实现实时精准疏散导向，大大提高了人员密集的公共建筑疏散效率，降低了安全风险。

疏散速度；路径选择；BIM模型；动态逃生；疏散指示系统

近些年来，我国高校不断扩招，各类高等教育在校学生总规模超过3 500万人。学校人数的增加，相应教学仪器设备、危险化学产品存有量都增加，同时原有建筑面对增加的人数让学校管理难度加大，学校火灾隐患随之增加，突发事件造成的影响也随之变大[1]。教学楼疏散成为热点问题，因此怎样在火灾、突发事件发生时使师生逃生更安全、更准确、更迅速，如何利用现代信息控制手段，比如运用三维BIM模型与数据测点对接，进行实时预报，对教学楼防灾进行预警等成为研究的新课题。

1 高校教学楼人员疏散现状分析

图1是在内地一所高校教学楼下课时进行的数据图样采集情况，从图中可以看到这所教学楼在上下课期间十分拥挤，并且经常有同学反映在人流中受伤。

图1 教学楼一个出口

为进一步对教学楼中人员密度、步行速度、疏散速度进行分析，通过采集数据建立数学本构模型。图2中曲线表示的是从建筑物的一个地方到另外一个地方的运动时间计算的关键是速度和人员的流动。

图2 人员密度与行走速度的关系

在速度和人员流动两个之间的关系可以通过一个等式来表示F=v×D×W(F是每一时间间隔通过一指定点的人流量；v是人员行走速度，D是人流密度，W是疏散通道的宽度)在通道的运动速度和人流量密度有关，密度和行走速度成线性关系，当密度达到5.5人/m2时，行走速度会降为0[2](P37-46)。人员之间的距离和人员之间的密度两者理论上的关系可以用下面等式来表示：

人员的行走速度和人员的密度有直接关系，在队列中的人们之间的距离越大，人们可以以正常的步伐快速行走，反之人与人之间的间隔越近行走速度就会变慢，最后只能慢慢移动脚步[3]。实验测得不同人员密度下队列流动情况见表1。

表1 不同人员密度下队列的流动情况

在研究该栋教学楼疏散人流的时候发现该教学楼人流疏散存在羊群行为，部分通道人员密度很大，造成严重堵塞，但是有些通道却几乎没有人，这样的无序疏散，造成在部分出口大量人群聚集的同时还会造成流体压缩现象，这样不但影响疏散，还会造成严重的后果。这样的无序疏散只会导致疏散时间的增加，减少群体的整体疏散时间就必须有一个正确的路径选择，在疏散目的地不明确的情况下，中间过渡选择显得很重要，会影响最终出口的选择[4]。在后面的人群看不到前面的情况，不知道前面拥堵了，还会继续进去通道，加剧了拥挤程度。

针对教学楼疏散问题在学校对学生进行了问卷调查[5]，问卷内容从不同维度进行设计，共随机发放418份，除去信息不完整问卷，回收有效问卷350份。在超过99%的概率保证度和0.05的抽样误差下，根据公式计算(以学校在校生数量总数1.5万)满足最小样本容量，保证数据满足研究需要。教学楼疏散问题问卷结果见表2。

表2 教学楼疏散问题问卷结果

在进入教学楼时候，有47.1%的同学不会去主动熟悉安全出口或逃生路线，这样在发生日常疏散中或者紧急事故中就会原路返回或者从众，他们不知道整个教学楼的布局，没办法去判断选择疏散路径。从众和原路返回的同学占了总人数的48.57%，这个数据在设计问卷的时候没有预期到，只有半数是同学会自己根据现场情况进行选择逃生路线，这样的结果使得整个教学楼的疏散无序性更加明显。在避免人流高峰问题上，大部分的同学表明会选择距离长一点的路径下楼，不会在人流高峰期去下楼。在选择智能疏散指示系统上面，绝大同学表示会根据指示逃生，但是小部分同学质疑设备可靠度。

鉴于以上数据和问卷分析，没有一个合理动态的疏散路线指示系统，教学楼里面的同学在发生火灾等突发事件下很难逃生，事故发生的概率大幅度提高。现有的智能系统只能实现火灾报警系统的联动，自动获取火灾的发生位置等情况，通过预定的算法或者预定的路线生成最佳疏散路线[6]，改变疏散指示灯的方向从而使人们沿着最佳路径达到安全地带，但是这个系统存在一定的弊端，会使局部人流量剧增，人员密度增加导致整个疏散速度降低。

2 基于BIM精准联动的智能疏散指示系统和疏散照明导向装置设计

如何通过建立建筑物BIM精准模型，实现BIM模型与智能疏散指示系统和疏散照明导向装置联动是问题的关键。一是通过在建筑内放置火灾探测装置，装置由烟雾探测、光电探测、温度探测器组成，当火灾探测装置被触动后，发送信号给控制室的BIM建筑模型的关联位置，并触动控制器，同时启动室内视频装置。在控制室人员对建筑物BIM模型精准定位后，控制器可以自动给予疏散照明导向装置信号，同时控制室可以人工判断控制疏散照明导向装置信号。系统工作原理框图见图3。

图3 系统原理框图

人流量监测装置主要安装在疏散通道(楼梯、室内通道)位置，按照通道尺寸，将人流量分为拥挤，一般拥挤，正常，控制器能处理，给疏散照明导向装置控制信号，同时在控制室内可以看到整个建筑的人员流量情况，配合BIM三维建筑模型和现场视频控制疏散照明导向装置控制。整个建筑人员流量情况可以在楼的BIM模型上显示，同时发送给楼内的人员手机上，让人员合理安排出行计划和规划路径。

疏散照明导向装置有三种装置，分别按照在走道中部(图4)，左部疏散通道(以楼梯为例)，右部疏散通道(图5)。该1号装置分上下左右四个方向，内部为LED灯，每个方向显示灯互不相关，灯有红黄绿三色，其中绿灯对应正常，黄灯警示，红灯禁止，在发生火灾或者其他断电情况下，有人员向指示红灯方向会有语音警示。禁止通行。这个装置有一键检测系统，检测时候，可以打开所有开关，检查电路和LED情况。采用供电和蓄电池结合的电源装置，日常对蓄电池充电，断电情况下使用蓄电池。2号装置安装在房屋左右端部 ，如楼梯口，圆形灯表示是否可以进去，同时也是按照红黄绿三色概率设计，作用相同。

该系统和装置适用于教学楼正常情况下、发生非火灾突发事件下，组织师生正常疏散下楼，主要通过不同通道人流量来选择疏散路径。在应对发生火灾时候，火灾探测装置和人流量感应装置同时发挥作用，采集教学楼内数据，从而判断疏散路径。

图4 导向装置图

图5 导向装置图

3 pathfinder验算疏散装置的合理性

运用pathfinder和Revit建模软件计算了实例中的学校的另一栋新建的教学楼，该教学楼2014开始使用，也出现上下课很拥堵的同样问题。教学楼共有5个可以疏散的楼梯(按照图6依次从左向右编号为12345号)，其中5号楼梯由345层连廊链接在隔壁办公楼处，办公楼人员较少。

图6 模型南立面图

图7 模型背面图

在pathfinder设置两种模式，第一种根据实际调查情况，大多数同学都是从3号4号楼梯进去教学楼，下课期间大多数同学从3号、4号下楼，而5号楼梯几乎很少有同学使用。现场试验了几组数据，在上午1～2两节课下课时间从6楼选择不同通道下楼，试验过程中有部分同学在上楼，3号4号通道发生严重的拥堵，下楼时间见表3从5号楼梯下楼的实际步行距离最远，但是时间却是最快，其他通道都发生了不同程度的拥堵，其中3号楼梯、4号楼梯由于有同学上楼，拥堵程度很大，移动缓慢。

表3 下楼时间

根据pathfinder计算出来整个教学楼所有成员都疏散完时间是519.8 s。

第二种模式设置模拟了在steering模型下人员的疏散，最后用时390.4 s。两种模式相差179.4 s，模拟表明发生拥堵时候疏散会使整体疏散时间大大增加，选择合理的疏散路径会使整体疏散时间降低。智能疏散指示系统和疏散照明导向装置就是在发生火灾或者突发事件时候，合理分配人流和疏散路径，避免因为拥堵从而疏散时间降低。

4 结论

从文章的分析可以看出，人群在疏散的时候，密度过大会导致人群整体疏散速度的降低，在教学楼这样人群高度密集的地方，经常发生由于拥堵导致疏散速度降低的情况，还会使踩踏事故等事件发生的概率提高，紧急疏散一方面需要合理安排人员规划疏散路径和控制疏散人流量，另一方面还需要加强学生对相关疏散逃生知识的学习。文中提到的智能疏散指示系统和疏散照明导向装置可以根据现场情况对人员进行疏散导向，通过pathfinder软件模拟论证这样的疏散时间可以较原来的模式大大减少。

[1]张志魁.基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火灾数值模拟和安全疏散研究[D].天津：天津理工大学(硕士学位论文)，2015.

[2]李引擎.建筑防火性能化设计[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]杨毅.商业建筑防火与安全疏散设计的研究[D].天津：天津大学(硕士学位论文)，2007.

[4]朱孔金.建筑内典型区域人员疏散特性及疏散策略研究[D].合肥：中国科学技术大学(博士学位论文)，2013.

[5]赵国敏，黄晨.复杂建筑人员个体特征及疏散行为规律调查研究[J].天津城市建设学院学报，2012(4)：296-299.

[6]王卉，陈静.智能应急疏散照明系统的应用[J].智能建筑电气技术，2012(4)：16-19.

Research on the Evacuation for Teaching Buildingin University Based on BIM Model

TU Jinsong1, CHENG Rui1, LI Ruixia2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China;2.SchoolofInformationEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China)

Evacuation safety is the core issue of public buildings, shopping malls and academic building becoming large-scale, multi-functional and complex building, personnel intensive, building fire emergencies, has also become a hot social concern in causing casualties and property losses. In this paper, the evacuation safety of a teaching building in the mainland is studied in this paper, Research and development of intelligent evacuation system and evacuation lighting guiding device through the data collection and analysis, 3D BIM model of docking the device and the control room, to achieve real-time accurate evacuation guidance, greatly improving the personnel intensive public building evacuation efficiency, reduce the safety risk.

evacuation speed; evacuation route choice; BIM model; dynamic evacuation; evacuation indication system

2016-11-03

安徽省教育厅自然科学基金重点项目“基于cloud-BIM工程项目管理设计施工协同机制研究”(KJ2016A743)；国家级大学生创新训练项目(201510376009、201510376010)。

涂劲松(1977-)，男，安徽霍邱人，硕士，副教授，研究方向：BIM全过程寿命周期管理；程瑞(1995-)，男，安徽庐江人，本科生，研究方向：火灾人员疏散。

TU244.3

A

1009-9735(2017)02-0129-04