基于多软件平台开发的火灾可视化模拟与逃生动漫制作——以云南大学呈贡校区为例

王宪杰 谢宇宁 钟秋玥 陈嫒锦

（云南大学，云南 昆明 650000）

1 研究背景及意义

我国现代化发展已经进入快速发展期，越来越重视教育的发展，于是学校基础建筑的安全性问题成为重中之重，然而许多学校仍存在消防设施配备不到位、管理不力等现象，导致火灾发生后人员伤亡和经济损失严重。

针对云南大学呈贡校区高绿化植被度、多起火源（实验室、食堂、宿舍等）的特点，本项目通过BIM+GIS技术、云计算、大数据等技术对云南大学呈贡校区建筑结构及消防设施建立完善的数字化信息数据库，为火灾后的修复提供数据和帮助。此外，基于PyroSim对校园起火点进行可视化的火灾模拟，并利用Pathfinder制作火灾人员疏散动漫，其结果为校园火灾预防、扑救、人员逃生演习及事故的调查等提供理论依据与技术支持，特别是有利于人员密集型场所（教室、宿舍等）为相关人员提供安全保障，避免人员伤亡。此外，本项目还可以为云南大学呈贡校区提供一个合理可行的火灾人员疏散方案，为全校师生的安全提供一定的技术保障。

2 GIS分析火灾等级区域

项目成员经过在学校内各个建筑调研，观察建筑的位置、内部设计以及容纳人数等因素，加以GIS技术的渲染分析，将整个校园分为四个等级火灾风险区，GIS渲染情况如图1所示：

图1 GIS渲染图

2.1 火灾高风险区

火灾高风险区指可能发生重大火灾，火灾伤亡或损失较大的地区，占校园面积 10.3%。主要集中宿舍、食堂等人员聚集且存在火灾隐患风险的区域。

2.2 火灾次高风险区

火灾次高风险区指可能发生较大火灾，火灾伤亡或损失中等的地区，占校园面积 12.1%。主要集中在教学楼等分时段人员有高度聚集的区域。

2.3 火灾中风险区

火灾中风险区指可能发生一般火灾，火灾伤亡或损失相对较少的地区，占校园面积9.3%。主要位于各个学院的学院楼分布相对集中区。

2.4 火灾低风险区

火灾低风险区指发生火灾可能性小，火灾伤亡或损失小的地区，占市域面积68.3%。主要为学生会堂、图书馆等消防设施齐全，人员稀少的区域。

综上所述，在运用BIM、Pyrosim和pathfinder针对火灾高风险区和火灾次高风险区的建筑进行火灾模拟并提出优化方案。

3 BIM+Pyrosim的火灾模拟

3.1 BIM模型的建立

3.1.1 建模软件的选择

BIM体系在不同的阶段有不同的软件应用，最终选择用Revit软件作为主要的建模软件，理由如下：Revit是由族编辑其来创建参数化构件，建模更加方便，准确。支持多种导出模式，方便BIM模型导入其他软件。BIM模型的三维可视化有效地消除以往常出现的图面不一致、遗漏、冲突或错误的问题。以BIM模型自动提取主结构材料数量，具有很高的精确度，且可进行有效的三维可视化设计查核。

模型的选取：该项目以云南大学——呈贡校区为基础研究，学校园区大，建筑群多，如将学校所有建筑进行建模，工作量庞大且没有必要性。故选取校内具有代表性的几栋建筑进行BIM建模。选取的是学生日常使用的建筑，宿舍楼、教学楼、食堂、图书馆、学生会堂。

图2 BIM图

3.1.2 BIM模型的精细度

模型精细度与建模的工作量，成果的准确度密切相关，所以选择合适的建模精密度对该项目非常重要。该项目BIM模型的精细度是参照美国的建筑师协会制定的LOD等级。该项目BIM模型主要用于导入Pyrosim中进行火灾的模拟，精细度需要保证构件的数量，大小，形状和位置等。在对表1中的各种精细度进行对比后，选择了符合该项目要求的精细度标准LOD200。

3.1.3 模型的检查

在BIM模型建立后，为减少导入Pyrosim后的错误，要对模型进行检查。包括模型的整体外观检查，外观是否与建筑图一致。模型的内部构件检查，模型内的墙，房间布置是否与建筑图一致，特别是走廊和楼梯这些重要的通道是否与建筑图一致。对与建筑图不一致的位置进行及时的修改。

3.2 模型的导入

利用Pyrosim进行火灾的模拟，包括模型的建立，数值模拟和结果分析三个方面的内容。之前建立的BIM模型不能直接导入Pyrosim中，要先在Revit中进行处理，要将门窗等构件删除后再导入。在导入Pyrosim软件后，需要创建网格、通风口、火源等，再定义材料与反应得到完整的数值模拟模型。

图3 FDS模型

3.3 起火点的选取

起火点的选取的合理与否决定了火灾模拟情况与真实情况的相似程度。但在实际的情况中，火灾的起火点具有随机性。起火点的设置参考校园起火的大数据统计。在宿舍中主要室违规使用电器，起火点主要设置在桌面和床铺。实验室中主要设置在实验区域。在教学楼中火灾多是由于学生抽烟后未熄灭烟头扔入垃圾篓内引起的火灾，故起火点主要设置在楼梯走廊的垃圾篓内。

3.4 参数的选取

在Pyrosim中，网格划分对模拟非常重要，要将所模拟的建筑划分成很多个网格，每个网格被称为基本单元。Pyrosim中，网格划分越小、越密，计算精度就越高，但是网格过小会给计算机带来过重的负担、分析运算时间过长。网格过大，计算精度又会不足，会对最终的结果有影响，所以，合理的划分网格非常重要。结合实际情况，我们采取的是较为粗糙的网格划分。

BIM与Pyrosim是一个协同工作的过程，利用Revit软件进行BIM建模，对建立的模型检查处理后导入Pyrosim，在Pyrosim软件中设置相关的参数，最终完成火灾的模拟。要清楚两个软件协同工作的原理和方式，要在每一个模型中做好检查，使两个模型可以顺利对接，分析成功。

4 BIM+Pathfinder模式下建筑人群疏散仿真模拟

首先建立Pathfinder火灾模型,对云南大学呈贡校区相应人群较为密集的建筑，如教学楼。宿舍楼以及食堂等等进行火灾模型的建立，之后再将相应的部分的平面图进行简化，采用1：1的比例尺寸对简化后的商业综合体进行模型的建立。之后进行火灾场景参数设计，火灾场景设计应该遵循：最不利原理。若火灾发生位置在靠近中庭位置的商铺，并且中庭部位的自动灭火系统在火灾发生时没有能够有效启动。在这种情况下的火灾规模可以遵循《建筑防排烟技术规程》对中庭无喷淋的火灾热释放量，对火灾规模取值为4mw。建立完Pathfinder模型之后，运用简化之后的商业综合体商场部分的平面图，对各个房间、各个营业厅、各个防火分区以及各个楼层之间的楼梯进行绘制，各个房间、营业厅、防火分区设置不同的门宽进行连接。

4.1 CO浓度临界值

火灾死亡人数的80%以上属于烟气窒息致死，物品的燃烧往往伴随着大量烟气的产生，而烟气当中含有的有毒害气体，是火灾致死率高的主要原因。木材、塑料、橡胶、电气设备、纺织品及建筑保温材料，都属于常见的易燃物品，在高温环境下，会分解出CO、C02、氢氨酸等上百种化学物质和气体。在众多气体当中，CO中毒对人体的毒害性最强，主要是由于其对人体大脑神经组织、脑细胞产生的损坏，引起呼吸衰竭、头晕甚至死亡等症状。

4.2 烟气温度临界值

火灾发展过程中会产生大量的热辐射，使燃烧物及周边的空气温度不断上升，建筑中的可燃材料较多，若火势无法及时得到控制，烟气温度可高达上百摄氏度，对人体和建筑本身都会造成不可恢复的伤害。相关研究显示，当温度达到35摄氏度至5摄氏度之间时，人体会出现出汗及痛感等情况；当温度超过65摄氏度时便会造成烧伤，不宜滞留过久；若温度上升至120摄氏度及以上，则会对身体各项机能造成不可恢复的损伤。

图4 pathfinder火灾疏散模拟

5 不同建筑因素对建筑人群的影响分析

在以上部分的研究分析和理论基础上和在火灾模拟情景下对于人群的模拟仿真疏散结果可以发现，影响人群疏散的因素有很多，也就导致了以往的疏散方式所需时间较长，很难满足建筑的人员疏散安全要求。因此根据以上数据对不同建筑因素对实际疏散情况的影响结果进行对比分析，最后得出能达到最佳疏散效果的结构参数，参考相关的规范文本对于现在建筑结构进行优化，并且对于总结出的优化方案进行评价验证。

5.1 疏散人群的影响因素

根据前期的软件结果分析可以得出在人群疏散的过程中起到主要影响的因素包括火灾发生过程中的消防楼梯、疏散设备的状态和安全出口的状态，换而言之，在火灾发生时高层建筑人群疏散的影响因素主要包括建筑因素和人为因素，可以分为消防通道的通畅程度、安全疏散时间的充足程度、消防疏散设施的完备程度和人员疏散环境的安全程度。

5.1.1 消防通道的通畅程度

消防通道可以说是在火灾救援及安全疏散过程中的生命通道，正因如此保证消防通道的通畅性尤为重要，然而在日常生活中可能由于管理不善或设计不当等原因，经常出现消防楼梯等消防通道的私自占用和设计不规范等情况，导致消防车无法靠近火源地进行灭火救援，同时也会导致人员难以快速找到正确的疏散路径，引发火灾中的恐慌心理，是火灾中导致人员伤亡的原因之一，因此消防通道的通畅性是保障安全疏散的重要因素。

5.1.2 安全疏散时间的充足程度

校园内的建筑垂直距离长，同时建筑内的人数多，火灾发生时更难实现快速疏散。疏散时间越长，人们受到燃烧产物威胁的时间越长。因此，应尽量减少疏散时间，以确保安全疏散。消防楼梯疏散是一种具有安全保障的常规疏散方式，但在火灾突发事件中经常发生拥挤，踩踏事故，疏散时间难以保证。疏散时间的长短也关系到人员对建筑环境的熟悉程度。对于熟悉建筑环境的人员，在接到消防信号时，可以快速判断，接近安全出口。因此，需要采取一些有效措施，减少不必要的时间浪费，确保人员有足够的疏散时间。

5.1.3 消防疏散设施的完备程度

校园内的建筑作为人员聚集区，对消防安全要求较高。因此为了保证校园内师生和工作人员的安全，校内建筑应配备完善的消防设施，为防火，灭火，自救工作提供有利条件。应设置集中火灾报警系统，使建筑物内的防火设备与系统相关联，触发自动灭火系统，并在第一时间报告火灾情况。确保消防电梯具有在火灾发生时帮助人们疏散的功能。

5.2 建筑防火方案不足及应对

随着校园内基础设施投资的增加，校园建筑密度不断增加。此外，由于教学和研究的需要，校园内设置了各种临时建筑。由于校园没有完全接受城市规划部门的监管，学校基础设施部门在消防规划上不够专业，导致校园建筑分区不合理，防火间距不足，消防通道不畅通，缺少消防救援场地，消防水源无法保障。因此，必须加强校园规划和管理，严禁校园建设。建设部门要认真学习有关消防法律法规，聘请相关法律顾问，严格遵守规划法律法规，避免违法建设。同时，应及时拆除校园内的违章建筑，开辟必要的消防通道，预留建筑之间的消防间距，并预留建筑物周围的绿色广场，以方便消防疏散和扑救工作。对于一些火灾危险性较大的高风险物品和实验室，应将其转移到远离学生宿舍和教室的地方。如有必要，也可修建隔离墙和隔离带。

对校园建筑电气线路进行升级改造，更换老旧电气设备，完善电源，增加电气线路的自我保护装置。例如，增加了一些先进的电源管理系统，可以在学生使用非法电器时自动切断电源，从而全面提高校园供电系统的安全性，从而有效降低火灾的发生概率。

加强校园建筑消防设施的建设和维护。根据建筑情况，增加应急照明和火灾报警装置；在人员密集较高的地方配备消防应急箱等灭火疏散设备；为学校安保人员配备必要的消防救援设施；在科研教室、教学楼、学生宿舍安装智能消防系统，确保火灾自动报警、自动喷淋系统等设施的正常运行。加强实验设备的维护保养，确保实验设备本身无火灾隐患。教室、宿舍、实验室等公共场所应按照规定安装灭火器。过期或有缺陷的灭火器应及时修理更换，确保师生在火灾时及时找到周围的灭火器。