基于BIM技术对建筑消防管理及火灾人员疏散的可行性探索分析

2022-07-27赵梓皓刘路瑶李颜旭王小希太史泓羽刘辉

智能建筑与智慧城市 2022年7期

关键词：消防设备建筑物救援

赵梓皓，刘路瑶，李颜旭，王小希，太史泓羽，刘辉

（1.吉林建筑大学经济与管理学院；2.吉林建筑大学应急科学与工程学院）

1 背景介绍

建筑的消防问题作为事关住户生命财产安全的重要环节一直都引发全社会的关注，本文着重就消防领域中应急救援环节展开研究。

1.1 消防概念

“消防”即是消除隐患，预防灾患。目的是降低火灾造成的破坏程度，减少人员伤亡和财产损失。从狭义方面讲，消防主要指（扑灭）火灾。

1.2 近些年火灾情况

查阅应急管理部消防救援局的公开数据（见表1）。

1.3 火灾救援现状

由以上数据可知，近年来火灾依然处于高发态势。2021 年火灾总数达到新高，尽管我国在消防应急救援方面工作投入力度不断加大，但依然面对越来越复杂多样的任务类型和任务场所，使火灾处置难度加大。我国消防救援形势依然严峻。

1.4 数据对比分析

经过对搜集的公开数据纵向对比发现，火灾发生又呈现出很强的时间特征。冬春时节火灾高发，以2021 年为例，冬春季节共发生火灾43.7 万起，占全年火灾总数的58.6%。仅除夕当天的火灾发生数就是平时的3倍。

通过对火灾发生时段的纵向对比分析，我们发现：10时至20时这个阶段，火灾发生率较高，占总数的61.2%，但死亡人数仅占33.9%；而22 时至6 时的夜间，火灾发生率仅为17.3%，但死亡人数却占了41.9%。

1.5 火灾成因分析

经分析，之所以呈现出鲜明的时间特征，主要与居民的用电习惯与作息时间有关。白天是居民的用电高峰期，较易发生火灾。但此时间段内发生的火灾容易发现，居民在发现火灾后能够第一时间自主扑灭或逃生自救。反之，在夜间用电量少，因此火灾发生率较低，但一旦发生火灾，居民不易发现，加之部分小区楼设备老旧，烟雾报警器失灵，往往发现时，火势已经难以控制。

2 问题分析

2.1 人员疏散时存在的问题

1）火灾危害程度大

火灾的危害一方面是高温，另一方面是燃烧所造成的浓烟。近些年来，高层建筑数量增多，2020年全球建成了106 座200m 及以上高度的建筑，其中，中国有56 座，占比达53%（数据来源：CTBUH 前瞻产业研究院整理）。这类建筑由于体量巨大，结构复杂，内部管线众多，设备空间位置分布复杂，发生火灾的风险更高，加之一旦发生火灾，内部人员逃生相较于普通建筑更为困难。高层建筑由于层数高，荷载受到限制，高层不能使用传统的砌筑结构，需要使用钢结构。而钢结构的最大的问题之一便是不耐高温，在高温下容易发生形变，一旦火势蔓延，使钢结构发生损坏形变，将会对整个建筑的结构造成严重损毁，导致建筑坍塌。而火灾导致的烟雾会在建筑的电梯井、管道井、排风管道等竖井迅速蔓延，导致建筑内人员窒息。

2）人员疏散困难

当火灾发生后，火势迅速蔓延，火灾产生的浓烟和高温气体会迅速蔓延整个建筑。人员会在自然状态下陷入恐慌，此时，如果室内人员对建筑结构不熟悉，无秩序地进行逃散，将有可能导致更严重的踩踏事故。人群在逃散过程中无序涌向安全出口，导致效率低下。加之在紧急情况下，人群做出不当的逃生行为，将会对逃生人员造成严重的二次伤害。

3）应急管理预案浮于纸面，实操性低

部分应急管理预案在编制过程中不注重实操性，未能充分考虑火灾的突发性和紧急性。火灾现场情况复杂，如果应急预案在编制过程中未能充分考虑现场发生的各种情况，在理想化条件下编制预案，会使该预案失去实操性，在应急事故发生时，难以起到应有的作用。

2.2 消防安全管理存在的问题

1）消防设备信息缺乏系统性

消防设备信息主要包括两个方面。①在设计、施工阶段已有的设备信息；②在设备运维阶段产生的运维信息，主要包括消防设备的几何信息参数、空间位置参数信息、运维信息、安装维修信息等[1]。首先，消防设备的寿命周期依附于建筑的全寿命周期，根据建筑的全生命周期管理理念，消防设备信息在建筑的运维阶段会在初始设备的基础上不断更新增加，需要对既有信息进行动态更新管理。再者，消防设备信息数量大，种类多，为管理增加了困难。由于社区内消防设施数量众多，如何将其有效整合管理便成为消防管理工作的重点，而目前社区内消防设施缺少有效的系统管理。

2）设备维护浮于表面

消防设备由于检修困难，检修成本高，且设备资料不齐全，已有的设备信息分散在各部门，导致难以组织行之有效的设备检修。设计、施工方和物业的信息脱节，导致物业在运维过程中无法准确获知管线分布情况，使消防设备的保养维护浮于表面，无法达到预期效果。

3）消防设备环境可视性差

消防设备环境管线众多。在相关人员有足够的资料可以进行有效的设备维护时，也同样会由于复杂的管线而增加维护时间。传统的建筑消防设备是在二维平面图纸上呈现的，但由于其系统复杂、设备类型繁多，相关人员在维检时不能直观了解各个设备的三位空间信息，当设备发生故障时，相关人员则需要耗费时间根据二维图纸中平面图、立面图、剖面图等确定故障设备的位置，此时，更多依靠的是相关人员的三维空间想象能力，可能会因为该过程而失去抢修设备、降低损失的最佳时间。

3 BIM技术的引入

针对以上问题，我们提出一种解决火灾逃生疏散和应急救援路径选择的思路：即将BIM（Building Information Modeling）技术运用于火灾逃生和应急救援路径规划中，运用BIM技术可视化、参数化的特点，充分模拟还原火灾现场中的烟雾分布扩散、人群逃生、应急救援路径规划模拟。

3.1 BIM技术的概念

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，可提高生产效率、节约成本和缩短工期。

3.2 可视化与参数化

BIM具有可视化的特点。BIM可以将建筑物模型三维化呈现，直观反映建筑物的构造及各消防设备的空间位置信息。

首先，在建筑的设计阶段。高层建筑物在设计时较多使用钢结构。钢结构受到高温时，其钢晶体内部组织发生变化，对应钢结构的各项性能参数诸如屈服强度、弹性模量等均会发生较大变化，进而导致很多钢结构建筑物一旦发生较为严重的火灾，往往会产生重大损失。因而，在这一过程中，设计人员需要充分考虑建筑物的消防工作。在设计阶段引入BIM技术，利用其可视化参数化的特点，提前设置好各构件、节点部位的各项性能参数，利用可视化模拟分析灾害发生时的各项可控或不可控因素，分析论证设计，进而在设计阶段就探索出消防控制管理的最优方案。

当火灾发生时，可为管理人员迅速判断分析形势，组织疏散工作提供保障。帮助被困人员快速了解建筑物构造，缓解恐慌情绪，迅速找到消防设施或逃生通道，避免进入危险地带。

除可视化特征外，参数化模型是BIM 模型的另一个重要特征。这方面我们可以利用参数化模型建模，建好的建筑模型每个构件都被赋予参数化特征。在此，我们考虑利用Dijkstra算法自动计算在不同条件下的人员逃生路径，该过程一方面可在建筑物设计阶段，对突发情况进行模拟演练；另一方面，在运维阶段使用该算法技术，在火灾发生时可对人员逃生疏散提供指引，从而大大缩短人员疏散逃生时间，使灾害带来的损失最小化。

3.3 多专业协同工作

BIM模型可以整合各专业信息，包括供暖、给排水、电气等，很大程度上解决了管线冲突问题。在此基础上，我们可以整合建筑物的全寿命周期信息，从建筑物的设计施工阶段到运维阶段、从设备的安装到每一次维护，所有的信息都可以集成体现在该模型之中。解决了由于信息脱节造成的消防设施维护成本高的问题，也可以使建筑物设备信息高度系统化，做到动态系统更新，便于定位寻找（见图1）。