基于BIM技术的公共建筑应急疏散预案的研究

徐 伟，时圣强

(内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

1 引言

随着我国城市化步伐不断加快，建筑领域建设技术不断提高，我国建筑逐渐向多功能、综合性、大型化发展。据官方数据资料,截至2019年底,我国常住人口城镇化率为60.60%[1],预计我国2025年常住人口城镇化率稳步提升到65%,2030年达到70%[2]。在城镇化快速推进的背景下,目前我国每年新增建筑面积20亿m2,几乎达到全球新增建筑面积的50%,超过所有发达国家每年新增建筑面积总和[3，4],各种高层、超高层、大型城市综合体快速涌现,在提升城市生活品质和现代化水平的同时,也增加了巨大的消防安全风险。

近年对于公共建筑火灾及疏散的研究已有较多的成果，但这些成果往往是基于消防设备都完好的状态下进行的研究，而火灾事故现场，情况复杂多变，火灾研究过程中任何环节的遗漏都有可能导致研究结果与实际相差甚远，任何数据的偏差都有可能导致惨痛事故的发生，为了解决此类问题，本文在喷淋系统及机械排烟都失效的极端条件下研究火灾的发生，同时引用BIM技术整合建筑信息，防止建筑信息丢失，结合Pyrosim及Pathfinder软件，最真实的模拟火灾及疏散研究，使研究结果接近实际。

2 公共建筑数值模拟

2.1 物理模型的建立

研究选取内蒙古包头市包商银行商务大厦为实例模型，该建筑位于包头市建设路与建华路交叉口西南角，研究楼座为总部办公楼，共27层，其中1～3层为银行营业厅，4层以上为办公场所，10层为避难层。通过CAD图纸建立BIM三维物理模型，再对模型进行合理简化，最后以DXF格式导出，实现BIM与Pyrosim的数据对接，进而完成火灾模型及疏散模型的建立。

2.2 火灾场景的模拟

研究目的为机械排烟及喷淋系统等消防设备均失效的极端条件下，火灾对建筑的影响，通过分析结果得出人员极限疏散条件，为后文疏散预案的研究提供理论基础。根据建筑实际使用功能，该建筑1～3层为银行营业厅及大堂，易燃物品较少，往往不会轻易发生火灾，一旦发生火灾能够及时发现，而4层以上为办公室、会议室及资料室等办公场所，具有大量纸质资料、装饰用品、桌椅电器、电线电路等易燃物品，因此火灾地点设置在4层以上楼层，由于本建筑共27层，为提高模拟效率将建筑划分为低、中、高3个区域，以4、11及19层为着火楼层，以此研究火灾及烟气的竖直蔓延规律。

2.3 参数设置

(1) 本文遵循最不利保守原则，选取火源功率为6 MW，火源按照t2型快速火发展[5]。

(2) 根据相关标准[6]，当发现火灾后，从报警和指挥中心处警到消防队员开始出水扑救要在11 min之内，则设定火灾模拟时间为660 s。

(3) 火灾模型的网格划分为1×1×1总网格数为469000个，在单台计算机上模拟的时间为6 h。

2.4 模拟结果分析

在着火楼层发生火灾时，设定机械排烟、喷淋系统均失效的情况下，模拟整个建筑温度、CO浓度及烟气分布情况，模拟结果如图1所示。

通过所得数据可知，建筑内某一楼层发生火灾时，温度和CO对建筑内人员安全的影响主要集中在着火楼层，对其他楼层影响不大，基本不会影响人员生命安全，而火灾产生的烟气会随着竖井向其他楼层蔓延，为了进一步研究火灾烟气是否影响人员安全，对各层出入口进行能见度变化进行检测，所得数据如图2～4所示，从数据中可知大部分楼层能见度基本降至为零，反映出现场存在大量火灾产生的固体颗粒物，此时不仅严重影响人员安全疏散，也严重威胁现场人员生命安全，为了减少人员伤亡，提高人员疏散效率，对安全疏散进行研究，可以看出各楼层出口达到危险极限疏散的时间最短为200s左右，为了使各层人员在200s之前疏散至安全区域，利用Pathfinder软件对人员疏散进行模拟，制定不同应急预案，提高人员疏散效率，减少人员伤亡。

图1 火灾模拟结果

图2 4层发生火灾各层出口能见度变化

3 疏散预案分析

3.1 疏散模型的建立

由于建筑内部，装修装饰等材料对人员疏散没有影响，将BIM模型利用Revit软件进行合理精简，再次导入Pathfinder中，完成建筑物理模型与疏散软件的数据对接。

3.2 疏散场景的设置

根据建筑实际使用情况，本建筑第10层是避难层，制定紧急应急疏散预案如表1所示，若模拟结果无法满足建筑内人员疏散，则根据建筑实际使用情况进行预案优化。

图3 11层发生火灾各层出口能见度变化

3.3 疏散参数的设置

(1)人员行走速度及肩宽参照《消防工程手册》如表2所示[7]。

(2)疏散人数：根据实地考察，在人员高峰期楼层最多320人，按照最不利原则设定各层人数均为320人，则整个建筑内共8640人。

(3)疏散时间：通过前文得出最早达到极限疏散条件的楼层为200 s左右，为了提高模拟效率，将模拟时间690 s设定为300 s。

图4 19层发生火灾各层出口能见度变化

表1 预案一及预案二疏散路线

表2 人员行走速度及肩宽设置

3.4 模拟结果分析

通过对预案一及预案二进行模拟，各层人数变化如图5及图6所示，根据前文数据可知，各层出口200s之前达到危险疏散时间，若此时各层仍有人员存在，则生命安全会受到威胁，所以对预案一及预案二不能作为紧急情况下人员疏散预案，应进行优化。

图5 疏散预案一各层人数变化

图6 疏散预案二各层人数变化

通过对现场实地考察发现该建筑屋顶为平屋顶，且建有直升机停机坪，必要时可利用直升机疏散被困人员，所以设定预案三如表3所示，此外增设20层为避难层，设计预案四如表3所示。

表3 预案三及预案四疏散路线

通过模拟可以看出，预案四在200s之前，各层人数可以降至为零，即在达到危险极限疏散状态时，各层人员都能转移至安全区域，因此预案四可以用做紧急情况发生时人员疏散的应急预案(图7、图8)。

图7 疏散预案三各层人数变化

图8 疏散预案四各层人数变化

4 结论

(1)通过火灾模拟研究可以发现，火灾发生时温度和CO对着火层影响较大，基本不会影响其他楼层人员生命安全，但是烟气会随着竖井向其他楼层蔓延，影响整个建筑的人员安全疏散，可以考虑在各层增加自然排风口，有助于火灾发生时烟气的排放。从烟气蔓延规律可以发现，烟气主要通过竖井蔓延，可以考虑在电梯井等竖井增设防烟前室，以延缓烟气的蔓延。

(2)通过疏散模拟研究，应急疏散预案四疏散效率最高，可以用做紧急情况下人员的安全疏散，即：建议将20楼改设为避难层，当出现紧急状况时，着火层以下人员向1楼疏散。着火层以上楼层按照预案四进行疏散， 1～4层人员向1楼疏散；5～14层人员向10楼疏散；15～23层人员向20楼疏散；24～27层人员向楼顶疏散。