基于建筑信息模型与Pyrosim软件的地铁车站火灾模拟仿真方法*

吕希奎 白娇娇 陈 瑶

（石家庄铁道大学交通运输学院，050043，石家庄∥第一作者，教授）

地铁车站火灾应急演练，以及火灾发生后的人员安全疏散和救援是地铁应急管理的重要内容之一。针对地铁车站火灾的应急管理，文献［1］以某地铁车站为例，使用FDS（火灾烟气模拟）软件研究了火灾时温度和烟尘的分布情况。文献［2，4，11，13］以FDS软件和Pathfinder人员疏散模拟软件，建立了地铁车站人员疏散模型，从人员逃生率、可用安全疏散时间利用率等方面进行了分析。文献［3，5，10］采用buildingEXODUS软件，对地铁车站的人员疏散时间进行了模拟。文献［6］利用Pyrosim软件、文献［7］采用Anylogic，软件对地铁列车环境的人员疏散进行了仿真。文献［8］采用火灾场模拟和人员疏散动力学模拟的方法，对高架车站的站厅火灾时的烟气蔓延过程和人员疏散过程进行了计算。文献［9］利用网络优化计算方法，建立了地铁火灾人员安全疏散的模型。文献［14］基于Unity3D平台在 BIM（建筑信息模型）中将疏散过程实现了三维可视化展示。

BIM技术能够集成三维建筑模型，提供精确、全面的建筑信息和建筑物全寿命周期的数据共享。当出现火灾等突发事件时，结合BIM的可视化和BIM技术的动态模拟，能够为地铁火灾应急管理提供全新的信息化手段，有利于提高当前地铁车站应急管理的信息化水平，提升应急处理能力和处置能力，有利于优化紧急疏散方案。

Pyrosim是由美国国家标准与技术研究院研发的、以FDS软件为基础发展起来的专门用于火灾动态仿真模拟的软件。本文将BIM与Pyrosim软件结合，针对二者之间数据交流不顺畅、数据接口和数据传输等关键问题，研究建立了一套完整的基于BIM的地铁车站火灾模拟仿真方法。在此基础上，选取地铁车站典型火灾工况进行模拟，从而得到火灾模拟信息和各关键位置的可用安全疏散时间。

1 Revit软件与Pyrosim软件的数据接口

1.1 Revit与Pyrosim之间通用文件格式分析

为保证火灾模拟仿真结果精度，BIM和Pyrosim软件之间的数据接口和数据传输是关键。Revit是专门针对BIM设计的软件，可提供建筑设计和文件管理支持。Revit软件支持的输出文件格式与Pyrosim软件支持的导入文件格式对照见表1。

表1 Revit输出与Pyrosim输入的文件格式对照表

从表1可知，Revit软件和Pyrosim软件数据流通的通用文件格式为DXF格式。因此，可将车站应急管理BIM从Revit软件中以DXF格式导出，然后将此DXF文件导入Pyrosim软件中。

1.2 DXF格式文件进行数据交流存在的问题

通过分析DXF格式文件的结构可知，在Revit软件中建立的建筑构件会先被拆分为点、线、面等一些比较基本的几何元素，然后这些基本几何元素以一定的规则被存储于DXF文件中。在传输和存储的过程中，BIM中所携带的重要信息（如材质等）会丢失；而某些构件的材质信息会对火灾走向、发展趋势等有重要影响，并直接关系到能否得到准确的、符合实际情况的模拟结果。因此，如何快速、准确地实现BIM中参数信息的提取显得尤为重要。

1.3 基于Revit软件二次开发实现材质参数提取

通过Revit软件明细表导出材质或DBLink插件方式，需要人工处理大量数据。为了实现材质信息的快速自动提取，利用Revit软件应用程序编程接口二次开发技术可实现对材质参数信息（参数、密度、比热、热传导率等）快速、全面、准确地提取，使得Revit软件与Pyrosim软件间数据交流更顺畅，进而得到更客观的火灾模拟分析结果。以提取墙材质参数信息为例，其程序运行流程如图1所示。

经对比发现，二次开发提取出来的数据与试验模型中的数据一致，证明了该程序的准确性，避免了DXF格式文件导入Pyrosim软件后需要手动查询材质参数信息的低效率方式，也避免了个别构件属性被遗漏的情况。

图1 提取墙材质信息参数程序流程图

2 基于BIM的地铁车站火灾模拟

以某地铁车站为例建立了Revit模型。其站台层公共区域长118.0 m，宽12.0 m；站厅层公共区域长95.0 m，宽19.3 m。站台层与站厅层高度差5.1 m。有3部自动扶梯、2处楼梯、1处直升电梯。车站有出入口4个，检票口4个（2个进站口和2个出站口）。各检票口设4个闸机，各闸机净宽0.50 m。相邻闸机的中心距离为0.85 m，跨度1.20 m。基于Revit软件建立的BIM站厅层和站台层平面图分别如图2和图3所示。

图2 某地铁车站站厅层平面示意图

图3 某地铁车站站台层平面示意图

2.1 Pyrosim软件火灾模拟流程

使用Pyrosim软件对Revit软件建立的地铁车站模型进行火灾动态模拟，模拟出不同火灾场景下烟气流动、温度分布，以及有毒气体浓度等情况，得出的模拟分析结果可为地铁车站后期应急优化措施提供数据支撑。火灾模拟仿真流程如图4所示。

图4 Pyrosim软件环境下火灾模拟流程图

2.2 地铁车站火灾条件下人员安全疏散的判定

地铁车站火灾情况下，乘客能否全部疏散到安全区域主要取决于“可用安全疏散时间（ASET”和“人员疏散时间（RSET）”这两个特征时间的比较。前者用tASE表示从“火灾发生时刻”到“火势导致乘客处于危险状态”的时间段；后者用tRSE表示站内所有人员疏散到安全区所需时间。如果在火势达到危险状态前站内人员不能全部撤离到安全区，即tASE

2.3 tASE的判定依据

地铁车站火灾的危害性主要体现为烟气（有毒气体、无毒气体、悬浮颗粒等）、高温、热辐射等3个方面的影响程度。这3个参数会直接影响疏散效率，严重时会引起人员伤亡及财产损失。火灾烟气对人员疏散影响如图5所示。

基于上述分析并参考人体耐受极限相关指标，采用CO的质量分数、能见度、温度等3个参数的参数值作为判断危险状态的依据。火灾模拟中对各个关键点位置的上述3个参数进行模拟仿真，取出三者分别达到危险状态的时间进行比较，选出最短的时间作为tASE。具体设定的火灾临界危险状态为：①2 m高度处温度超过60℃；②2 m高度处能见度低于10 m；③2 m以下空间内的烟气层中的CO的质量分数大于1 400×10-6。若某一时刻某区域符合以上任意一个条件，则该区域待疏散人员将处于危险环境中，从而确定火灾发生至此刻的时间段为

该区域乘客可利用的逃生时间，即tASE。

图5 火灾危害对人员疏散的影响关系图

3 火灾模拟参数设置

3.1 火灾场景的设定

本文选取了典型的火灾工况进行模拟。设定的火灾工况为：站内无列车停靠，站台公共区起火，模拟火灾发生位置为站台公共区，火源位置在站台层中部。为模拟较不利的火灾工况，根据ISO/TS 16733《火灾安全工程第4部分：设定火灾场景和设定火灾的选择》选取的火灾增长类型为快速火，火灾规模取5 MW，火源功率增长系数取为0.046 9 kW/s2。

3.2 地铁车站火灾模拟网格的确定

本文的火灾模拟主要考虑公共区。根据所选车站模型，建立了125.0 m×26.5 m×15.0 m的长方体网格。为提高模拟精度，在长方体网格模型中，空间将被划分为多个小区域，每个区域都与相邻的区域相连。采用Exodus的精细网络法，将长方体网格划分为0.5 m×0.5 m×0.5 m规格的共计397 500多个立方体小网格，在保证模拟精度的同时，实现尽可能减少计算量，提高计算网格的经济性。

网格划分完成后得到的最小网络的长、宽、高为1∶1∶1，这样能保证模拟精度达到一个最佳的状态。由于超出网格边界的物体会被自动排除在外不参与FDS软件的计算，所以划分网格时需要保证参与模拟的物体在网格边界范围内。

3.3 切片及热电偶的布置

在4个出入口与站厅层交接位置分别模拟布置4组热电偶，用来测量对应关键位置点随时间变化的温度。热电偶具体布置如图6所示，图中将遮挡物进行适当隐藏，使得热电偶分布能直观地呈现出来。

图6 地铁车站火灾模拟热电偶布置图

在站厅层和站台层距地板高1.5 m处分别布置切片（如图7所示），用于查看温度、能见度及CO的质量分数等随时间变化的分布情况。

图7 地铁车站火灾模拟切片布置图

3.4 模拟初始条件的设定

火灾模拟的某些初始条件是系统默认的，有一部分需要根据实际模拟情况进行设定。相关参数设置如表2所示。

表2 火灾模拟基本参数设置

3.5 火灾模拟结果与分析

将火灾发展过程中关键时间点的烟气、能见度、温度、CO的质量分数分布情况等参数进行仿真。为了更直观地展示各参数的分布情况，在不影响模拟结果的前提下，对车站模型进行剖切或隐藏处理。3.5.1 火灾工况下烟气模拟

地铁车站内火灾烟气发展过程见图8。由图可知快速火很快产生大量烟气，在51 s时通过离火源较近的楼梯口蔓延到站厅层，然后到达站厅层顶部并向周边蔓延；在71 s时站厅层烟气通过扶梯口进入站台层；在157 s时站台、站台层公共区域充满烟气。

图8 地铁车站火灾模拟下烟气蔓延情况

3.5.2 火灾工况下温度模拟

地铁车站火灾模拟过程中温度分布情况如图9所示：158 s时站台层中间楼梯口周围处于危险状态，疏散人员应尽量选择两侧的楼梯或扶梯通道；234 s时站台层左侧扶梯处及中间楼梯口处达到危险状态，疏散人员应避开这两处通道，工作人员此时应尽量组织疏散人员从右侧楼梯到达站厅层；423 s时站台层主要疏散通道附近大面积温度达到60℃，影响人员逃生；600 s时站厅层高温区域主要集中在中间楼梯口处，4个出入口处温度均没有超过临界危险温度，对出入口部分的疏散不构成威胁。

图9 地铁车站火灾模拟下切片温度分布情况

3.5.3 火灾工况下能见度模拟

地铁车站火灾模拟中能见度分布情况如图10所示：38 s时火源周围能见度出现下降；48 s时站厅层中间楼梯口能见度开始下降；159 s时左侧扶梯口及中间楼梯口能见度降为10 m以内，不利于人员疏散；243 s时站厅层、站台层绝大部分区域能见度低于10 m；327 s时出入口能见度不满足疏散要求。

图10 地铁站台火灾工况下切片能见度分布情况

3.5.4 火灾工况下CO的质量分数模拟

地铁车站火灾模拟中CO的质量分数云图分布如图11所示：在火灾发生的很短时间范围内，产生了大量有毒气体CO；约在350 s时，站台层最左侧CO的质量分数较高，妨碍乘客进行疏散；600 s内站厅层CO的质量分数相较于站台层较低，对疏散效率无较大影响。

图11 地铁车站火灾工况下切片CO的质量分数分布情况

通过对危险临界值以及火灾模拟过程中各关键位置能见度、温度等物理量的分析，整理出该火灾工况下站厅层和站台层各关键位置点的tASE如表3所示。

4 结语

本文将BIM技术有效地应用到地铁车站火灾应急管理中；并基于BIM与Pyrosim火灾模拟软件相集成的技术，解决了两者之间的数据传输问题，实现了对BIM中材质信息的有效、快速、准确的提取，提高了软件之间数据交流的效率，节省火灾模拟前的准备时间，优化了此环节原有的工作流程。在此基础上，选取了地铁车站的典型火灾工况进行模拟，并得到该工况下各关键位置的可用安全疏散时间。

表3 地铁车站关键位置点的tASE s