基于BIM的地铁车站火灾模拟与安全疏散研究

2022-10-28邓朗妮孔令虎

广西科技大学学报 2022年4期

杨洲，邓朗妮，孔令虎

（广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006）

0 引言

截至2021 年12 月，我国共有51 个城市开通运营城市轨道交通线路269 条，运营里程达8 708 km。地铁工程具有周期长、投资大、难度技术大等特点，并且工程施工时站内人流量较大、空间封闭；因此需要对地铁车站施工期的安全管理进行重点考虑。基于地铁车站的特殊性，当地铁车站内发生火灾时，人员拥堵、疏散不及时等问题会威胁到站内人员生命安全以及造成巨大的财产损失，所以对地铁车站火灾安全疏散的研究具有重要意义。

国内学者在火灾安全疏散方面进行了一系列研究。阎卫东等利用BIM 技术通过观察各层人员疏散情况和设置不同起火位置进行了图书馆火灾疏散模拟研究，并基于疏散情况提出了图书馆安全管理建议；王印等利用BIM技术和Pyrosim软件模拟了不同通风系统场景下和是否添加消防措施条件下地铁车站火灾的发展情况；陈绍宽等通过火灾模拟软件将热释放速率、火源数量及位置等变量设置参照组，对影响火灾发展的因素进行了全面的分析，结合通风条件与人员疏散情况，为地铁站台火灾提出了有效的设计布局和安全疏散的建议；周方等以BIM 技术为基础，提出BIM 快速建模技术，并结合实际地铁车站探讨发生火灾时的疏散新思路；吕希奎等对BIM 技术进行了二次开发，建立了一套基于BIM 的地铁车站火灾模拟仿真方法。上述学者们对地铁车站等火灾疏散的研究比较充分，对通风条件、起火点、热释放速率等变量对火灾的影响都有深入研究，但对于建筑物不同建设时期发生火灾的研究较少。考虑到地铁建设期长、人流量大的特点，地铁车站施工期的安全管理也应引起重视。

本文以地铁车站突发火灾为模拟情况，研究地铁车站施工期与运营期的火灾模拟和人员安全疏散情况。利用BIM技术，结合Pyrosim、Pathfinder软件得到更精确的模拟结果，通过分析CO质量浓度（本文简称CO浓度）、温度、可见度的变化计算出可用安全疏散时间，分析人员安全疏散情况，计算得出必需安全疏散时间，从而对地铁安全设计进行评估，并对地铁车站安全管理提出优化建议。

1 地铁站概况与建模

1.1 工程概况与建筑模型绘制

地铁车站位于南宁市交通轨道三号线创业路地铁站，具有人流密集、人员结构复杂、建筑环境复杂的特点。如图1所示，车站为地下2层结构，负一层为站厅层，负二层为站台层，公共区域中部T-1、T-2楼梯连接站台层和站厅层。车站设出入口4个、风亭2组、纽冷却塔1个和安全出入口1个。

图1 地铁车站模型图

依据地铁工程图纸基于BIM 技术绘制建筑模型，在Revit 软件中新建项目设定工程信息，设定相应的轴网与标高后绘制场地。建筑主体结构按照“柱-梁-板-墙-楼梯”的顺序绘制；在主体框架上完善建筑节点，绘制“门窗洞口-构造柱-圈梁-过梁”等二次结构；最后绘制“房间-墙面-地面-踢脚”等结构。

1.2 FDS模型和人员疏散模型

利用Pyrosim 软件进行地铁火灾模拟，其中FDS是基于流体动力学和牛顿定律的原理进行火灾烟气流计算。利用软件，结合数值方法对流体力学的相关方程进行求解，并模拟流动、换热等相关物理现象，同时遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，再列式进行偏微分求解，具体可表示为：

质量守恒方程：

式中：表示密度，单位：kg/m；表示时间，单位：s；∇表示的散度；表示速度矢量，单位：m/s。

动量守恒方程：

式中：表示速度的二阶张量，其中=[,,]，表示速度张量的行列式；表示压力，单位：Pa；表示重力加速度，单位：m/s；表示外部力矢量，单位：N；τ表示牛顿流体黏性应力张量，单位：N。

能量守恒方程：

利用Pathfinder 软件进行人员疏散模拟，以地铁车站为疏散区域，以疏散人员建模，建立以疏散时间最小化为目标的疏散模型。当前结合BIM 技术的人员疏散仿真模型分为连续性仿真模型和离散性仿真模型。其中连续性仿真模型以流体力学、热力学、运动学为基础，疏散人员的位置与时间都具有连续性，且考虑人员与环境相互作用，比较适合地铁、高层建筑等大型复杂建筑物。而离散型仿真模型以库仑定律为理论支撑，是以单元格划分建模的理想求解模型。Pathfinder 软件中的运动模式包括SFPF 模式和Steering 模式，本次模拟选用Steering 模式，该模式应用了连续性仿真模型，通过分析人员流量、出口利用率和人员碰撞来规划安全疏散路径，并会根据疏散情况及时更新疏散路径，更加符合真实情况。

按照《地铁设计规范》（GB 50157—2013），对于上升高度不超过3层的车站，乘客从站台层撤离到安全区域的时间（）应按下面公式计算：

式中：表示疏散移动时间，单位：min；表示超高峰每小时1 列进站列车的最大客流断面流量，单位：人/h；表示超高峰每小时站台上的最大候车乘客数量，单位：人/h；表示一台自动扶梯通过能力，单位：人（/m·min）；表示疏散楼梯的通过能力，单位：人（/m·min）；表示自动扶梯数量，单位：台；表示疏散楼梯的总宽度，单位：m。

1.3 BIM技术结合Pyrosim、Pathfinder软件

利用BIM 技术进行地铁可视化、施工信息管理的研究越来越多，该地铁项目已进行过可视化研究，本文将BIM 技术继续结合Pyrosim、Pathfinder 软件来模拟分析火灾情况，大致流程如下：将Revit 建筑模型以DⅩF 格式导出，并导入Pyrosim中。DⅩF格式会对“墙-板-柱-楼梯”等结构进行提取，并提取部分构件的材质参数。传统的Pyrosim建模速度慢，而结合BIM后，建模效率和精准度都得到提高。由于个别构件的材质参数会影响到火势大小和火灾趋势，最后还需将部分因模型迁移而遗漏参数的构件列出，并在Pyrosim数据库中查询材质参数信息进行参数补充。

将建筑模型及火灾模型以IFC 格式导入Pathfinder，能得到精准的建筑模型和建筑内的烟气流运动情况。精确的建筑坐标和火灾数据为障碍物设置、人员疏散、实时路径规划提供了计算基础，也使得人员安全疏散数据更加真实。BIMPyrosim-Pathfinder 软件数据交流就是以BIM 技术的建筑三维坐标系为基础，结合模拟软件的相应功能实现建模的简化与精准度的提高。

2 火灾疏散理论和参数设定

2.1 地铁安全疏散基本要求

地铁车站发生火灾时需要对地铁车站的疏散时间进行计算，从而判断地铁设计的安全性，并制定相应的应急预案。地铁车站发生火灾时用可用安全疏散时间（）和必需安全疏散时间（）2 个时间参数判断人员能否安全疏散。其中表示火灾发展到对人体构成危险所用的时间；表示人员疏散到安全区域所需的时间。当＞时，表示地铁内人员能安全疏散，地铁安全设计符合标准；当＜时，表示地铁内人员不能全部安全疏散，安全设计考虑不足，需要对应急预案做出优化。

2.2 火灾疏散理论

火灾疏散研究在降低火灾人员伤亡、财产损失和指导公共建筑安全设计方面意义重大，火灾疏散理论从人员环境和建筑环境两方面探究了建筑物发生火灾时影响疏散时间的因素。其中人员环境包括：性别比例、年龄比例、疏散速度、疏散行为、心理状况等。疏散速度直接决定疏散时间，疏散速度设定越快，疏散用时越短。人群里成年男性疏散速度最快，不同的年龄和性别比例能间接影响疏散时间；而疏散过程中推搡、搀扶等行为和应急恐慌、从众等心理都会影响疏散时间。

建筑环境包括：通道参数、建筑复杂程度、人流量、安全疏散指标、火源等。通道数量及宽度直接影响疏散时间；人流量、火源都会对疏散过程中的人员心理和行为产生影响，从而间接影响到疏散时间。因此，火灾模拟和疏散模拟前的参数设定是关键的一步，需要分别确定各项模拟参数。

2.3 火灾烟气流及参数设定

火灾会释放大量热能并通过烟气流运动传递。典型的烟气流运动有火羽流和顶棚射流，在这2种烟气流的作用下，烟气会在封闭狭小的空间迅速扩散。毒害气体、温度、可见度是火灾模拟研究的3个主要因素，其中毒害气体主要以CO为主。根据美国防火协会标准（NFPA）要求，同时参照文献[19-21]，可见度、温度、CO 浓度对人体产生危害的临界值详见表1。

表1 危险系数参考指标

热释放速率是火灾模拟变化的重要参数，考虑最不利原则：将起火点设定在站台层的左端部；运营期旅客行李起火，热释放速率为2 MW；施工期变电箱故障导致火灾，热释放速率为5 MW。在关键点（T-1楼梯、T-2楼梯、出口A、B、C、D）分别设置热电偶传感器、CO 传感器、烟气传感器和感应切片，从而测量这3个因素随火灾时间的变化情况；传感器和切片（横向布置）都设置在1.6 m 人眼特征高度处。检测器分布位置见图2。

图2 检测器分布位置

2.4 安全疏散及参数设定

必需安全疏散时间由Pathfinder 数据模拟计算得出。从火灾发生到人员完成安全疏散的总时间由灾情发现时间（）、疏散反应时间（）、疏散移动时间（）组成，其中《地铁设计规范》（GB 50157—2013）规定火灾发现预警时间和人员疏散预反应时间之和不超过60 s。

模拟疏散时间为360 s，地铁车站内各通道的通行能力都符合规范要求。疏散人群按照儿童、成年男性、成年女性、老人等4种类型设定，并确定相应比例和移动速度，平均肩宽定为0.43 m。结合劳动力计划表和客流量等信息确定人员数量，基于最不利原则考虑较差环境下，即人员较多时的安全疏散情况，以相应人数的1.5 倍设定疏散人数，得到表2的空间人数分布情况。

表2 空间人数分布

2.5 地铁车站施工期模拟要点

地铁车站施工时具有施工人员多、施工周期长、工况复杂等特点，因此地铁车站施工期的模拟研究需要区别于运营期。基于施工期的特殊情况，从建筑模型、火灾模拟和安全疏散模拟3个方面考虑施工期的模拟要点。

施工期的建筑模型相对运营期的建筑模型在结构上更简单，减少了墙面、地板和吊顶等装饰构件，只含主体框架。运营期装修材料为阻燃材料，可燃物较少，而施工期易燃物件较多，其燃烧火势相对较猛。

同时，施工期火灾情况也与运营期相差较大，施工期地铁站内会有大量的易燃材料堆积，会使热释放速率更快并加速火灾发展，所以热释放速率定为5 MW。将施工期建筑模型导入Pyrosim 后，在各层空地、墙角、楼梯下增加材料堆构件并设置相应的材质参数。施工期的火灾模拟不设置机械排烟、排风、喷淋系统，其火灾模拟条件比运营期更加恶劣。

在施工期安全疏散中，不设置防火门和闸机，与地铁隧道连接的出口关闭。施工期杂乱的材料堆会影响人员疏散，在相应位置设定障碍物。由于施工期人员较为特殊，同时考虑最不利原则，仅设置成年男性、成年女性两类疏散人员，人员比例为8∶2。

3 地铁车站火灾模拟分析

3.1 Pyrosim火灾模拟

Pyrosim 软件能够模拟建筑物发生火灾的真实情况，本次模拟的场景分别是施工期变电箱故障起火和运营期旅客行李起火，对地铁车站火灾情况进行研究，起火点都设在站台层左端部。将建筑模型导入软件后，分工况设置材料堆、热释放速率、消防条件等参数；再开始模拟地铁车站火灾情况，并开启Smokeview 模式，结合监测器的监测数据生成三维动画，观察烟气、温度、可见度、CO 浓度的变化情况。火灾模拟结束，截取火灾时间（）为60 s、90 s、180 s、240 s、360 s的烟气扩散图，结合火灾模拟监测数据对火灾发展情况进行分析并计算可用安全疏散时间。

3.2 施工期火灾情况分析

地铁车站施工期烟气随火灾发生时间的扩散情况如图3所示。从图3可以看出，火灾发展情况如下：

图3 （网络版彩图）施工期烟气扩散图

1）火灾发生初期火源附近烟气聚积，温度和CO浓度迅速超过临界值，＝60 s时，烟气靠近T-1楼梯，火源周围可见度降低。

2）≈90 s时，烟气快速蔓延至站厅层并到达T-2楼梯口，站台层可见度快速下降，T-1楼梯附近温度和CO浓度上升，该处疏散难度加大。

3）≈180 s 时，T-1 楼梯可见度达到临界值，高温烟气充斥站台层并向站厅层扩散，站厅层中部和两个楼梯口的温度、CO 浓度都达到临界值，相应位置不再适合逃生。

4）为240 s后，地铁车站内各关键位置的CO浓度、温度、可见度都达到临界值，在相应区域疏散会有生命危险，280 s 时地铁被烟气笼罩，不再适合疏散。

烟气随火羽流作用垂直向上扩散，而地铁车站施工期的层净高较高，烟气蔓延进度较慢，扩散到楼梯口和站厅层所用时间较多，留给站内人员相对安全的疏散时间较多。同时数据显示温度和CO浓度造成危害的关键位置和时间基本一致，说明二者在地铁车站施工期火灾的扩散运动轨迹相似。

3.3 运营期火灾情况分析

地铁车站运营期烟气随火灾发生时的扩散情况如图4所示，火灾发展情况如下：

图4 （网络版彩图）运营期烟气扩散图

1）＜60 s 时，火源周围温度迅速上升，烟气迅速扩散至T-1楼梯口，站台层端部可见度迅速降低；最后烟气蔓延至站厅层，楼梯口部分区域可见度小于10 m。

2）60 s ≤＜90 s时，楼梯附近温度和火源区域CO浓度迅速上升，并接近临界值，人员疏散难度加大。

3）90 s ≤＜180 s时，楼梯口附近烟气浓度增加，在接近180 s时可见度达到临界值，且CO浓度增强、平均温度接近50 ℃，楼梯口不再适合人员疏散。

4）180 s ≤＜240 s时，站台层温度下降，但扩散区域增大，CO 浓度增加且扩散区域增大，站厅层中部温度快速上升到50 ℃以上，CO浓度达到临界值，此时站厅层不再适合逃生。

5）240 s ≤＜360 s时，浓烟充斥站厅层右端出口以外的区域使可见度达到达临界值，疏散难度大并伴有生命危险。

地铁车站运营期在装修后层净高降低，烟气在火羽流、棚射顶流作用下快速扩散蔓延到楼梯口和站厅层，可见度降低，并较早地影响到人员疏散。但运营期的热释放速率较小，所以整体烟气浓度比施工期小，安全疏散时间延后。整个地铁车站运营期火灾模拟过程中，大部分区域的温度和CO浓度虽然未达到临界值，但都普遍较高，仍然会对人员的疏散产生较大影响。

通过Pyrosim火灾模拟软件计算出施工期和运营期的安全评价指标最短临界预警时间分别为150 s、180 s。结合疏散理论与上述火灾情况分析，在施工期150 s和运营期180 s内，站内人员仍然能够进行较为安全的疏散行为，因此将施工期和运营期可用安全疏散时间确定为150 s和180 s，符合安全疏散要求。对比两个火灾场景发现：地铁车站内可见度在安全疏散时间内都处于可见范围内；火源处的温度和CO浓度始终是最高的；站厅层右端可用疏散时间最长；楼层净高会改变烟火气流的运动情况。

4 人员疏散模拟分析

4.1 Pathfinder安全疏散模拟

Pathfinder 软件能够模拟紧急情况下人员疏散情况，本次模拟的是施工期和运营期2种不同疏散条件下发生火灾时人员的疏散情况，并以疏散人员为模拟对象。将建筑模型和火灾模型导入软件中，首先按不同工况设置人员疏散条件；再设定建筑环境；最后选定Steering 运动模式开始人员安全疏散模拟。并在模拟结束后得到各出口的人员流动数据和疏散轨迹图。导入建筑和火灾模型后，能准确反应地铁车站内烟气流的空间分布情况，结合起火位置合理规划出合适的疏散路径，计算出合理的必需安全疏散时间。

4.2 施工期人员疏散分析

图5为施工期疏散人数、滞留人数随火灾时间的变化曲线图，图中曲线的拐点都出现在25 s，说明站内人员从收到火灾预警开始疏散到完成疏散的最快时间为25 s；约65 s时疏散人数曲线与滞留人数曲线相交，此时疏散人数和滞留人数持平；约80 s时，疏散曲线斜率减小，此时人员都到达出口附近，使出口出现拥堵；当所有人员都进入出口后，疏散节奏加快，曲线快速下降；约124 s 时地铁车站内人员全部疏散完毕。

图5 （网络版彩图）施工期人员疏散随火灾时间变化

图6 为施工期楼梯疏散人数随疏散时间变化图。由图6分析可知，站台层左侧靠近火源处的人员最先发现火灾并通过T-1楼梯进行疏散，右端和中部人员随后疏散；人员从发现火灾到逃离到T-1、T-2楼梯口最快用时分别为5 s和10 s，约36 s、38 s时人员疏散曲线达到峰值；随后人员陆续到达站厅层，曲线开始下降。同时分析得出T-1、T-2楼梯疏散总用时分别为64 s、52 s，此时温度、CO 浓度、可见度都在安全范围内；T-1 楼梯的总疏散人数高于T-2楼梯的总疏散人数。

图6 （网络版彩图）施工期楼梯疏散人数随疏散时间变化

图7为施工期各出入口人流量随疏散时间变化曲线图，图8为施工期站厅层疏散轨迹图。综合图7、图8分析可知，出口A人流量最高，出口D人流量最低；疏散轨迹图反映了从T-1楼梯疏散的人员主要选择出口A、B 继续疏散，向出口B 疏散的部分人员在中途会因为从众心理掉头流向出口A；从T-2楼梯疏散的人员绝大部分选择了出口A，其次选择了出口C。所以在安全疏散过程中出口A、C承担了主要的疏散任务，出口A利用率最高，其疏散时间最长，用时为124 s，即施工期人员必需安全疏散时间为124 s，此时各出入口的温度、可见度、CO浓度都处于安全范围内且能保证人员安全疏散。

图7 （网络版彩图）施工期各出入口人流量随疏散时间变化

图8 （网络版彩图）施工期站厅层疏散轨迹图

4.3 运营期人员疏散分析

图9为运营期疏散人数、滞留人数随火灾时间的变化曲线图。由图9分析可知，从发生火灾28 s开始有乘客从地铁车站成功疏散；≈80 s时疏散人数和滞留人数持平；运营期站厅内的出口指示标志对疏散有一定指示作用，所以图中没有明显反应拥堵的线段；≈162 s时地铁车站内人员全部疏散完毕。

图9 （网络版彩图）运营期人员疏散随火灾时间变化

由图10 可知，楼梯处的疏散情况同施工期一样，靠近火源的左侧乘客最先发现火灾并逃生，T-1、T-2楼梯人员疏散曲线达到峰值时所用疏散时间分别为55 s 和75 s。最后T-1、T-2 楼梯疏散总用时分别为76 s、80 s。虽然运营期人流量增大，但指示标志起到了分流的作用，所以T-2楼梯疏散总人数较施工期增多。由于T-2楼梯存在拐角，当疏散人员增加时会产生较长时间的拥堵，导致疏散总用时更长。在2 种工况下的火灾模拟中，T-1 楼梯疏散人数总是比T-2楼梯疏散人数多，一方面由于T-1 楼梯靠近起火点，最先用于人员疏散；另一方面是人员的从众心理。T-1楼梯口在50 s时CO浓度接近临界值，此时人员未完全进入楼梯口，存在一定危险性；T-2 楼梯在疏散时间内各项指标都未超过临界值，能保证人员的安全疏散。

图10 （网络版彩图）运营期楼梯疏散人数随疏散时间变化

图11、图12 分别为运营期各出入口人流量随疏散时间变化曲线图和站厅层疏散轨迹图。综合分析图11、图12 可知，人员流向以及人员疏散情况同施工期一致：出口A人流量最高，出口D人流量最低。这是因为T-1 楼梯和T-2 楼梯都离出口A 较近，两楼梯疏散人流在出口A叠加；人员的从众心理；出口A 的宽度更大。另一方面出口B、C、D利用率有所提升，其原因是运营期人流量增大，站厅内的出口指示标志对疏散人员进行了分流。最终出口A 用时162 s 完成疏散，即运营期人员必需安全疏散时间为162 s，此时各出口的温度、可见度、CO 浓度都处于安全范围内，仅小部分在临界值波动，但都能保证人员安全疏散。综合汇总各个阶段关键位置的疏散时间见表3。