基于BIM的建筑物火灾场景构建研究

2022-09-26严晓洁张忠仁

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2022年4期

杨强，严晓洁，张旭，张忠仁

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

建筑火灾是城市灾害应急响应的重要灾种之一，严重威胁着国民经济和人民生命财产安全。随着城市化进程推进，城市地上和地下空间利用率日益提高，超高、超大、超深、超龄、综合体建筑物数量显著增加，给城市火灾应急防控与响应带来严重的压力和困难[1]。结合建筑物的结构、材料和环境等因素，开展建筑物火灾的数值模拟，可以真实地评价或再现建筑物火灾的起火原因、发生位置和发展趋势，揭示建筑物火灾的发生机制和内在规律，科学地支撑建筑物火灾预防和消防的响应策略。因此，火灾的精准模拟与风险评估是建筑物火灾的重要研究内容。

针对建筑物火灾模拟和评估研究，国内外学者从火灾理论、影响因素、过程模型、应急响应和标准等方面做了大量的工作。COLLIER等[2]研究建筑外墙聚苯乙烯夹层板的防火性能时，指出保温外壳的完整性能提高建筑外墙防火性能。NISHINO等[3]采用蒙特卡罗模拟和基于物理的火灾蔓延/疏散模拟相结合的方法来评估各种不确定影响因素的风险性，构建城市震后火灾危险性评价模型。GIACHETTI等[4]在考虑车站几何结构及其通风排烟能力的基础上，构建地铁车站模型，揭示火灾发生时烟气的扩散规律。VANDECASTEELE[5]提出基于语义信息与计算机视觉技术的火灾应急定位与态势感知方法，确定了BIM与视觉成像建筑构建之间的语义关系。同时，基于燃烧模型、流体力学控制方程、能量守恒方程、质量守恒方程等原理，SES、FLUENT、CFX、PHOENICS、FDS等火灾数值模型的研发有力地推动了火灾风险评估和响应研究[6]。

我国建筑物火灾模拟与评估研究虽然处于发展阶段，但取得了一定的成果。刘欣等[7]通过建立解释结构模型定量地分析建筑火灾事故致因要素各层级间的逻辑关系。唐莉青[8]参照最不利原则，基于Pyrosim模型模拟分析了北京某高层住宅的火灾场景，揭示了火灾发展过程中的烟气蔓延发展情况和发展规律。徐坚强等[9]通过构建建筑火灾风险的递阶层次结构模型，从“静态”和“动态”角度确定了建筑火灾风险评估指标体系，同时将贝叶斯网络方法引入到火灾风险定量评估过程中，分析不确定因素对风险评估结果的影响[10]。任中杰等[11]结合机器学习建立定量化建筑火灾风险评估模型，运用多分类器对模型训练和预测，分析和评价模型精度。贾进章等[12]采用定性描述与定量计算相结合，提出了一种基于网络层次分析-灰色聚类法的高层建筑火灾风险评价方法，分析了沈阳某高层建筑火灾的风险等级。同时，针对不同的建筑结构和建筑材料开展了相关研究。YU等[13]采用理论分析、火灾模拟与疏散模拟相结合的方法，构建了典型车站结构的站厅与站台火灾模型，分析多种火灾现场环境因素的分布特征与变化规律。辛晶等[14]通过构建基于贝叶斯网络的情景网络图和符合现场实际的火灾情景推演模型,实现城市商业综合体建筑火灾事故的情景推演。

综上所述，火灾数值模拟与风险评估研究是建筑物火灾预警与应急响应的热点问题，目前研究多集中在火灾致因分析、指标体系构建和风险评估等方面，较少研究关注火灾空间场景和火灾模拟效率。随着建筑物精细化建模技术的发展，建筑信息模型涉及的数据量陡然增加，降低了火灾数值模拟的速度和效率[15-16]。为及时掌握火灾发展过程与趋势，实现火灾的快速模拟与预警，笔者从建筑物火灾发生的影响因素和发展特点出发，根据“现实中最不利影响”的原则，在分析火灾发生影响因素的基础上，提取火灾发生的主要影响因子，并对其进行时空模拟和动态分析，继而结合时空分析方法获取建筑物内相对容易发生火灾的区域，构建火灾发生场景，为建筑物火灾风险区域的重点监控与火灾应急响应提供技术支持和理论依据。

1 研究思路与方法

1.1 建筑火灾场景的构建思路

场景的概念最早应用于农药环境风险评估中。笔者将场景的概念引入到火灾风险评估中，通过对多种火灾致因因素分析和空间叠加分析，建立具有代表性的火灾场景，以提升火灾模拟模型的运行效率和应急响应效率。场景是对单一时间或系列时间及行动的综合描述，用于理解未来时间的不同发展方向，或检测针对未来不确定发展的策略，与传统意义的情景有涵义上的差别。火灾场景是输入到火灾模拟模型中的一组参数，如建筑结构、建筑表皮的材质、室外太阳辐射、室内外温度、室内外风环境等多种影响因素，来模拟火源及其所产生的烟气、温度等灾害因子时空行为，评估火灾可能造成的危害，其更接近实际情况。

在构建建筑火灾场景时，应根据“现实中最不利影响”的原则，尽可能选择现实中存在的最不利因素特征，即选择现实情况下最容易造成火灾发生的影响因素。但是“最不利”并不是指绝对极端糟糕的影响因素，而是指现实中存在的相对糟糕的影响因素，这样才能保证构建出的火灾场景不至于过度保守，也不至于过度失真，才能体现出火灾发生场景的价值。因此，在构建火灾场景时，整体遵循“最不利影响”的原则来考虑火灾因素的影响程度，如建筑结构、建筑表皮、气流活动、太阳辐射与温度等。

1.2 建筑火灾场景的构建方法

与其他建筑物相比，图书馆内部结构相对复杂，人员数据与密度较大，可燃物种类多且密集，是典型的公共集聚区域和火灾易发区域。笔者以南京林业大学图书馆为研究对象，其由主楼与副楼两部分组成，工程总建筑面积为47 230.8 m2，建筑物基地面积为7 651.4 m2，建筑总高度为34.9 m，工程地上建筑7层，地下1层，工程抗震设防烈度为7度，建筑工程耐火等级为一级，结构使用年限为50年，屋面防水等级为一级。一楼至二楼的中间部分为中庭结构，三楼至七楼没有中庭，为口字型结构。馆内设置数目众多的阅览室，内部大走廊通道摆放大量书柜、书籍和桌椅。楼层之间含有多条楼梯通道，分布在楼层中部四个角位置。

根据《建筑防烟排烟系统技术规范》，结合“现实中最不利影响”原则确定相应的火灾参数，运用时空叠加的方法将太阳辐射、室内风环境、建筑表皮空间分布、室内可燃物分布(如桌椅、书橱、书籍等)、燃烧类型、火源功率和机械排烟工作状态等信息进行叠加整合。根据建筑火灾场景构建原则确定建筑内局部太阳辐射值高、气流活动明显和可燃物密集的区域作为场景。

1.3 建筑火灾场景构建的数据源

建筑特征数据主要来源于南京林业大学图书馆BIM模型，其是在建筑设计图、施工图和室内外安装图的基础上进行整合建模获取。同时，气象要素数据从中国气象局官网(NMSDC，http://data.cma.cn)下载获取，如太阳日照时间、温度、风速等数据。其中，结合图书馆的建筑形态(如高度、角度等)，利用太阳辐射传输方程生成建筑顶部的太阳辐射值，利用空间插值方法生成外围太阳辐射的空间分布图。

1.4 火灾增长类型

火灾增长类型是描述火灾发展过程的一种方式。除爆炸性火源外，大部分火灾都符合从开始阶段的缓慢发展到后来的剧烈燃烧阶段，可用t2火灾模型来描述，如式(1)所示。

Qf=at2

(1)

式中：Qf为火源热释放速率；a为火灾增长系数；t为着火时间。t2火灾增长模型分别包含慢速火t2火灾增长类型、中速火t2火灾增长类型、快速火t2火灾增长类型和超快速火t2火灾增长类型，如图1和表1所示。根据图书馆建筑特点和馆内可燃物的种类，将火灾增长类型设为快速火较符合实际情况，即其火灾增长系数设为0.046 9 kW/s2。

图1 火灾热释放图

表1 t2火灾模型4种火灾增长类型

1.5 火源最大热释放速率

火灾规模的大小取决于火源的热释放速率，火灾的热释放速率越大，火灾的危险性越大。不同特点的建筑有着不同的火源热释放率，选择切实可行的火灾热释放速率，才能模拟出真实的火灾发生状况。根据《建筑防烟排烟系统技术规范》中的规定，各类建筑的火灾最大热释放速率如表2所示。南京林业大学图书馆建筑结构为无喷淋的中庭结构，结合“现实中最不利影响”原则，将其最大热释放速率设置为4 MW。

表2 各类公共场所的火源最大热释放速率

2 结果分析

2.1 太阳辐射时空特征分析

基于气象要素中光照时间对图书馆进行日照分析，笔者模拟出建筑物周围在不同季节所受的太阳辐射强度日平均值，每日的模拟时段为8∶00—18∶00。受建筑物遮挡效应的影响，图书馆及其周围的太阳辐射值以建筑物为中心向四周逐渐增大，如图2所示。同时，日均太阳辐射值上半年呈增长趋势，下半年呈下降趋势，其中夏季的日均太阳辐射量最大，最大值达到4 500 W/m2，冬季的日均太阳辐射值最小，最大值基本维持在2 080 W/m2。从空间上看，建筑物外部太阳辐射值在4个季节均高于建筑内部的辐射值。根据“现实中最不利影响”原则，笔者选取4个季度日均太阳辐射最大值作为图书馆火灾场景的构建参数，如表3所示。

图2 图书馆周边四季太阳辐射空间分布特征

表3 四季太阳辐射极值

2.2 室内外风环境时空特征分析

2.2.1 室外风环境的时空特征

根据图书馆所在地区风速、风向的时空模拟结果，如图3所示，该地区全年风向以东南风和西北风为主，偶有东风，气温在夏季最高，冬季最低，如表4所示，其中，春季多为西北风，占比达到62.5%，平均最大风速为4.4 m/s，平均最高气温为19.7℃；夏季多为东南风，占比达到70.1%，平均最大风速为6 m/s，平均最高气温为30.7℃；秋季前期东南风居多，占到秋季的50.2%，平均最大风速为4.7 m/s，后期偶有西北风，占比为21.4%，平均最高气温为30.7 ℃；冬季多为西北风，占比达到73.4%，平均最大风速为5 m/s，全季平均最高气温为8.6 ℃。因此，图书馆若发生火灾，易受到西北风和东南风影响，夏季火势会朝西北方向蔓延，冬季会朝东南方向蔓延。

图3 图书馆外四季风频温度特征

表4 图书馆四季气象条件

2.2.2 室内风环境的时空特征

结合图书馆室外风要素的时空模拟结果，如图4所示，笔者对4个季节图书馆内部的风要素进行时空模拟与分析。1年内图书馆主要受到西北风与东南风影响，且西北区域与东南区域受气流影响较为显著，可作为火灾场景备选区域。

图4 图书馆内四季风速空间分布特征

①春季在西北风(风速为4.4 m/s)作用下，图书馆西面气流涌动明显，气流自西向东沿着图书馆室内走廊流动。在图书馆副楼部分，由于图书馆走廊的障碍物较少，并没有对气流起到明显阻碍作用，故气流沿着图书馆副楼大厅走廊贯通穿过，风速并无过多削弱。在图书馆主楼部分，主要受到西门大门以及主楼西北的侧门两股气流的影响。两股气流在图书馆大厅交汇后方向朝南发生了45°偏转，呈西北流向。因此，从室内气流走向来看，主楼室内西北部区域一旦发生火灾，火势将借着气流影响向室内蔓延。

②夏季的东南风速为6 m/s，作用强度更大，室内气流涌动最为突出，且主楼部分受东南风影响较为显著。气流从主楼的东部及南部进入阅览室，并沿着走廊通道流动，最终来到主楼中庭。同时，气流也从主楼北部区域走廊通道内自东向西穿过。主楼东南部区域阅览室内气流运动明显，覆盖区域较大，对大楼影响最大，一旦该片区域发生火灾，火势产生的烟气可迅速扩散至其他区域，因此，大楼东南部阅览室可视为火灾危险区域。

③秋季风速有所下降，气流分布与夏季类似，大楼的东南部区域依然是气流影响最明显的区域，但局部气流强度略低。从火势影响而言，火灾的危害并不是与气流大小成正比。在建筑内部，气流越强，影响范围越广，可加快烟气向其他区域蔓延，但过快的气流会降低局部烟气浓度，防止局部区域过早地形成烟气浓度偏高的情景，导致烟气浓度阈值过快来临，能见度迅速降低，给局部区域人员的逃生带来困难。

④冬季受强烈西北风的(风速约为5 m/s)影响，主楼西部正门与主楼西北区域的侧门同时受到气流影响明显，局部可达2.3 m/s。两股气流在大厅处汇集方向发生偏转，向主楼东南部自习室与阅览室流动。同时，主楼的北部走廊也有气流自西向东流动。副楼的中央廊道受强气流影响较为突出，尤其副楼西侧大门处，气流强度达到2.5 m/s，并自西向东穿过副楼中央走廊，气流强度逐渐降低，最终从副楼东部流出。因此，从火灾影响程度出发，图书馆主楼的西北部地区可视为火灾危险区域。

2.3 火灾场景位置的空间选择

依据“现实中最不利影响”原则，在选择火灾场景位置时，主要根据火灾最可能发生的地点、火灾对馆内人员威胁和火势发展速度等因素来确定。笔者依据四季典型气象因子作用程度，结合各个楼层和区域的四季太阳辐射极值、室内气流走向和可燃物分布情况，运用空间叠加分析将3个因素相结合，选取太阳辐射强、气流活动明显、可燃物密集的区域作为图书馆火灾场景位，如图5所示。

图5 图书馆内四季火灾易发区域空间分布特征

春季火灾场景可设置在3楼副楼西北部，如图5(a)所示。该区域受东北风影响强烈，风速超过2 m/s，太阳辐射值达到2 170 W/m2，该区域一旦发生火灾，则成为火势的上游区域，加之该区域放置了大量的书橱和纸质藏书，火势会借着西北风迅速蔓延，对主楼产生危害，故该区域可作为图书馆春季火灾场景位置。

夏季图书馆火灾场景可设置在6楼主楼东南角，如图5(b)所示。在夏季高温和东南风的作用下，该区域太阳辐射值超过2 040 W/m2，风速超过2 m/s，且处于东南风上游，有大量的书橱、桌椅等易燃、可燃物，一旦发生火灾，火势会借着东南风迅速蔓延。因此，该区域太阳辐射值、气流活动和可燃物密集程度均符合火灾发生场景的构建要求，具有明显火灾隐患。

秋季图书馆副楼2楼东南角区域受到太阳辐射和东南风的影响相比其他区域较为显著，如图5(c)所示。该区域受太阳辐射影响，局部太阳辐射值超过1 130 W/m2，东南风超过2.5 m/s，且该区域藏有书橱等可燃物，加之位于东南风上游位置，具有重大火灾危险隐患。综合太阳辐射、室内气流和可燃物分布状况等多种因素考虑，图书馆该区域同时具备这些场景构建要求。

冬季图书馆主楼6楼西北部区域太阳辐射值超过940 W/m2，局部风速更是达到2.75 m/s，布置有大量书橱等可燃物，且处于西北风上游，一旦发生火灾，火势将借着风势迅速蔓延，如图5(d)所示。综合考虑太阳辐射强度、室内气流和可燃物密集程度等，该区域均符合建筑火灾暴露场景构建要求，而馆内其他区域均不满足“现实中最不利影响”原则。