某厂区厂房宿舍混合楼消防疏散模拟应用分析

杨雪滢，袁展伍，王艳红，吴烨 （广东海洋大学 海洋工程学院，广东 湛江 524009）

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技术是一种在信息技术与建造技术发展的基础上所产生的建筑工具，能将建筑信息化、模拟化和虚拟现实化[1]。Revit系列软件是BIM技术运用地最广泛的软件之一，在建筑行业中实行模型信息的运用和优化。

在信息化与智能化的时代背景下，智能化与信息化也渐渐融入了建筑行业中。BIM技术被引入中国以来，在工程建设领域掀起了变革性的浪潮，被誉为CAD之后工程建设领域的第二次革命，随着BIM技术应用的普及和深化，彰显了巨大的社会价值和经济价值[2]。随着建筑行业改革和整体需求的影响不断加大，各地方政府先后出台推广BIM相关政策。

从火灾的基本情况看，初步统计，2020年全国共接报火灾25.2万起，死亡1183人，受伤775人，直接财产损失40.09亿元。结合当下消防安全的重要性和形势，利用BIM技术与Pathfinder对厂房和宿舍楼分别的消防疏散模拟更为广泛，本文以厂区厂房与宿舍混合楼作为研究对象，宿舍与餐厅属于人员密集区，厂房建设中工程管线较复杂。因此本项目运用Revit进行模型的基本建造，再导入至Pathfinder完成消防模拟。

1 Revit模型建造

本项目选取的是工业厂区中的某厂房宿舍混合楼为研究对象，以CAD平面图为基础，通过Revit建模。BIM三维模型如图1所示。

图1 BIM三维模型图

2 消防模拟

2.1 Pathfinder仿真工程软件简介

Pathfifinder仿真工程软件是美国Thunderhead Engineering公司研发的智能人员紧急疏散逃生评估系统[3]。本项目是直接运用IFC文件导入生成模型。利用“族”这一特性在Revit与Pathfinder进行模型移植时得到了很好的保留[4]。当把Revit生成的IFC导入Pathfinder后，原构件均会按照类别划分，如楼梯、楼板等，便于定位与修改相关参数。

2.2 模型信息

该混合楼建筑结构形式为框架结构，耐火等级为二级，为丁类二级厂房，总建筑面积为2500㎡，楼层高约16.2m，地上4层，局部5层，首层厂房由组装班、大线班、原料库及车间组成，二层餐厅，三四层均为娱乐和宿舍区域，房间疏散门净宽度为1m，每层有18个宿舍，每个宿舍两人。该栋的东西两侧各有一个疏散楼梯，楼梯宽度是3m，首层有一个卷帘门，两个宽度是2.4m和2m的平开疏散门。首层平面图如图2所示。

图2 首层平面图

2.3 Pathfinder参数设定

建立Pathfinder模型后首要的是处理多余的建筑部分，使模型简化，然后确定人数。疏散人数与建筑面积、建筑类型等多个因素相关，人员疏散速度也有多方面的影响因素，如性别、年龄等。疏散运动时间（Tmove）受疏散人员密度和行进速度、建筑物疏散走道通行能力、疏散口疏散速率和瞬时人流量等因素影响[5]。

按照工业建筑防火规范要求：丁、戊类厂房，每层建筑面积不大于400㎡，且同一时间的作业人数不超过30人。本项目各层建筑面积约550㎡，首层同一时间作业人数为42人，根据普通办公室0.25人/㎡，首层中其他房间均有设定2个人员，设定第二层的厂房每人至少0.66㎡。三四层每个宿舍为2人。按照最大人数设定为481，第一层总人数为46人，二层363人，三、四层是36人/层。疏散速度取1.2m/s，人员肩宽取42cm，布置模式选择随机模式。

在模拟方式上,通过SFPE模式或Steering模式的行为模型来控制人员运动[6]。Steering模式是路径规划、指导机制、碰撞处理相结合控制人员运动[7]。由于Steering模式更贴合实际情况，本文疏散选用Steering模式。假定发生火灾时，人员都是远离着火点，选择最近的疏散路径出去，设定安全疏散时间范围是5min～7min。

2.4 建立模型

首先将Revit宿舍模型导出为IFC文件并导入到Pathfinder中，转换成仿真模型，再根据原CAD图纸调整此模型的内容，如门窗、疏散楼梯的布置等，并简化模型。根据设定条件添加各层人数和设置人员行为。正常人反应速度在300ms左右，设定延迟时间是0.3s。

宿舍疏散所需疏散时间（Trest）计算公式如下：

Trset为工人疏散总时间，单位s；TA为火灾报警时间，经过研究得知，TA取值30s；TC为听到火灾警报器响到开始疏散的反应时间，TC取值 0.3s，此参数直接在软件中设定；TB为学生听到火灾报警响起开始疏散的时间。判定人员能否安全疏散的重要标志是，发生火灾时，可用于安全疏散允许时间＞Trset时，可以安全疏散[8]。厂房工人的仿真模拟模型图如图3所示。

图3 工人的仿真模拟模型图

2.5 场景模拟

本文假设了三种场景进行疏散模拟，分别是正常情况、东侧楼梯无法使用、西侧楼梯无法使用。首先是正常情况，当火灾发生时，人员通过东西两侧楼梯进行疏散。模拟所用时间（Sim Time）为 208.5s，剩余人员数量（Occs-Rem）为0人，模拟总人数是481人，人员距疏散门最短距离为3.5m。根据计算得 Trset=238.5s，约为 3min～4min，安全。

场景二是通过设定东侧楼梯不能正常使用，人员只能在西侧楼梯通行的模式进行疏散模拟，其他参数不变。由数据可得，模拟所用时间（Sim Time）为365.3s，剩余人员数量（Occs Rem）为0人，模拟总人数是481人，根据计算=395.3s，约为6min～7min，安全。

场景三是假设西侧楼梯不能正常使用，人员只能在东侧楼梯通行的情景。其他参数不变。由数据可得，模拟所用时间（Sim Time）为 358.5s，根据计算Trset=388.5s，约为6min，安全。较场景2，场景3所用时间较短，说明东侧楼梯疏散效率高，西侧楼梯疏散时拥挤情况更为严重。结合以上三种模拟数据，情况均符合规范中的疏散时间。三种场景下人员移动距离如表所示。

三种场景下人员移动距离

正常情况时，两侧楼梯通行最大人员密度是2.8人/m2，疏散过程中出现楼梯拥堵情况。运行前人群分布均匀。东西侧楼梯分别是楼梯1和楼梯2。当两边疏散楼梯正常使用时，西侧楼梯使用频率更高。在170.11s时东侧楼梯人员疏散结束，而西侧楼梯人员于约200.04s时疏散完毕，较东侧楼梯多30s。东西两侧一层楼梯使用情况如图4所示。

图4 东西两侧一层楼梯使用情况

在场景2中，由于东侧楼梯无法正常使用，或假设东侧楼梯发生火灾，混合楼人员只能从西侧楼梯进行疏散，二层人员密度最大，是发生拥挤情况最严重的位置。因此在此模拟情况下着重分析二层楼梯使用情况。在运行前，二层人员符合随机分布原则，西侧楼梯最大人员密度达到 0.33m2/人，出现拥堵，且直到二层最后一个人疏散离开是在342.7s，所用时间较长。楼梯服务情况如图5所示。

图5 楼梯服务情况

3 场景优化

上述三种场景模拟的疏散时间均符合规范要求。但由场景模拟可得，大部分人流拥挤在楼梯口处，疏散效率较低，为了进一步缩短疏散时间，提高疏散效率，本文利用西侧阳台的空闲位置，增加一个疏散门，以此进行进一步的疏散模拟试验。由模拟可得，Sim Time为206.3s，经计算得疏散总时长 Trset=236.3s。总时长较正常模拟场景缩短了2s，大大提高了疏散效率。

4 总结

以某厂区厂房与宿舍混合楼为例，基于Revit软件建立建筑结构模型，应用Pathfinder进行疏散模拟。利用Pathfinder软件模拟正常情况、只在东侧楼梯通行和只在西侧楼梯通行三种场景，经分析得三种场景下的疏散时长均符合消防疏散时间要求，且西侧楼梯使用强度最高。此外，发现了以下问题，一是在进行疏散时，两部楼梯的利用率不同，人员在随机分布设定下，左右疏散出口的人员总数不均，人员进行疏散的时候，楼梯口会出现拥挤的情况，导致疏散时间变长。二是利用Pathfinder软件模拟时有随机性，在重新任意布置人员位置时，疏散时间有一定差异。模拟时难体现消防栓等消防用具的作用。综合模拟情况可得：利用Pathfinder进行疏散模拟并优化设计方案可行，可广泛应用在类似工程项目中。

基于分析结果和实际情况，厂房与宿舍的工作生活人员应定时举行消防演习，注重作业习惯和工序，减少或杜绝火灾发生。如果发生火灾，定时消防演练与培训能够使人员在火灾中有序疏散，规划每一个厂房区域的疏散路线，进一步减少疏散时间。