基于BIM技术的在建建筑火灾蔓延规律模拟研究

张 维, 雷 鸣通信作者, 黄 震, 孟 桐, 万 健

1.长江大学城市建设学院,湖北 荆州434023 2.荆州市恒通公路桥梁有限责任公司,湖北 荆州 434000

0 引言

我国近几年的火灾发生数呈上升趋势,火灾不仅造成了巨大的经济损失,还造成大量的人员伤亡,通过对近10年全国在建建筑火灾数据的收集和分析,可发现近10年间(2012—2022年)火灾造成了至少每年3 500人的伤亡。建筑火灾数量多、危害大。自2012年起,在建建筑的火灾平均数为3 450起。2007年起,《中国消防年鉴》将“建筑工地”这一项分场所的火灾统计数据纳入其中,反映出在建建筑的火灾呈现出频发的特点,说明在建建筑火灾是不可忽视的一类火灾[1]。

目前,数值模拟是火灾分析的主要方法之一,刘晓东 等[2]利用PyroSim软件进行高层住宅火灾模拟,分析建筑内不同场景火灾产物的变化规律,发现封闭消防连廊会使烟气往楼梯间蔓延,影响人员疏散。孙鹏飞[3]对地铁站进行火灾数值模拟,通过模拟结果分析扶梯开口处的风速对火灾烟气的影响。陈益迪 等[4]通过BIM与FDS技术对某活动中心进行数值模拟,研究发现楼梯间处窗户的开启状态比火源处窗户的状态对火灾产物的影响更大。

建筑工地是一个多工种、密集型、立体交叉混合作业的场地,在工程施工期间,明火作业多、流动作业工种多,存在诸多的火灾隐患。由于在建建筑自身的特性,与大多数已建建筑发生火灾的危险性存在很大的区别。因此本文选用在建建筑作为研究对象,以数值模拟的方式分析研究在建建筑的火灾蔓延规律,从而实现对在建建筑火灾事故的防范与预警,为施工单位实施自救和消防单位灭火提供理论依据和技术支持。

1 数值模型建立

1.1 在建建筑工程概况

本文研究的在建建筑工程层高3.1 m,建筑总高度21.5 m,设计使用年限为50年,建筑结构为框架结构,结构安全等级为2级,房屋耐火等级为2级。

1.2 BIM结合PyroSim技术

利用BIM技术进行建筑的可视化处理以及施工信息管理已经越来越普遍,其中Revit软件作为BIM技术中应用相对成熟的软件,可精准定义建筑物的材质属性,提高模型的精细化程度和建模效率。因此本文考虑使用Revit软件与PyroSim相结合,共同模拟分析在建建筑的火灾情况,利用Revit软件建立模型,并将其以DXF的格式导入软件,在PyroSim软件中进行部分材质参数的信息补充。

2 火灾模拟

2.1 火灾参数设置

火灾增长因子与最大热释放速率是火灾燃烧过程中影响较大的2个参数,针对在建建筑施工阶段的特点,由于装修阶段会堆积较多泡沫材料及木板,取火灾增长因子α为0.095 0 kw/s2。火灾设置考虑最不利原则,假设建筑中无喷淋系统及排烟装置,将火灾规模设置为8.5 MW,为保证模拟的精确性,采取网格尺寸为0.7 m×0.7 m×0.7 m,总网格数为496 275个,模拟时间为10 min。

2.2 火灾数值模拟分析

火灾发生后,会释放大量的热量并通过烟气流运动进行传递,在空间内迅速扩散,对人体产生较大的危害。有毒气体CO、温度高、能见度低是火灾模拟研究中对人体产生危害的3种主要因素,设置探测器模拟监测3种因素的蔓延规律,并通过获得的数据分析各产物的变化趋势。

2.2.1 CO浓度分析

火灾在燃烧过程中会产生多种有害气体,其中CO对人体的危害更为显著,CO浓度过高会导致人体头晕、呼吸不畅,严重者甚至会中毒死亡,因此将CO浓度500 mg/L设置为危险临界值[4]。在火源层各安全疏散出口处设置探测器,研究各安全疏散出口处CO浓度的上升规律(见图1)。研究发现,中间楼梯间的CO浓度产量及上升速率远大于其他位置,但中间1号楼梯间CO浓度的上升速率与最大值高于2号楼梯间。所有楼梯间CO浓度上升趋势相同,均在300 s时间内上升至最大值,然后达到动态平衡。第207 s时,中间2号楼梯间CO浓度上升至500 mg/L,达到危险临界状态。223 s时,中间1号楼梯间达到危险临界状态,中间失去疏散,其他楼梯间CO浓度在模拟时长内均未上升至危险临界值,未达到危险状态,可进行安全疏散。

2.2.2 温度分析

火灾会通过热对流的方式将产生的热量往外扩散,高温烟气会灼伤人体的呼吸道以及皮肤表层,通过对相关文献进行收集分析风险人体能忍受的烟气层温度临界值为60 ℃[6]。在各安全出口处设置温度探测器,对其数据进行收集与分析后得到温度变化曲线(见图2)。对温度变化趋势研究分析后发现,中间2楼梯间上升速率较快,且2个楼梯间的温度上升幅度大致相同。左右侧在模拟时间内均未达到危险临界温度。因单层建筑面积过大,高温烟气扩散范围较小,左右侧的楼梯间的温度未升至人体临界温度60 ℃,中间1号楼梯间在第190 s时温度达到60 ℃,2号楼梯间则是在第187 s时达到温度危险临界值。中间楼梯间在200 s时间内已失去疏散能力。

图1 CO浓度变化曲线图 图2 温度变化曲线

2.2.3 能见度分析

能见度是建筑发生火灾后人员是否能安全疏散的决定性因素,考虑在建工程中人员对于建筑较为熟悉,将10 m作为能见度的危险临界值[7]。在离地2 m距离处各出口设置能见度探测器,各安全出口的能见度变化趋势如图3所示。对图3进行分析后发现,各楼栋楼梯间能见度均在模拟时长内降至10 m以下,但位置能见度下降速率不同,中间位置能见度下降速率明显快于其他位置,右侧位置的能见度下降速率慢于中间,但是快于左侧。第76 s时,中间1号楼梯间能见度下降至10 m之下,83 s时,中间2号楼梯间能见度降低至临界值之下,左侧楼梯间在388 s、486 s时分别降低至10 m之下,右侧楼梯间则分别在第252 s、315 s时降低至临界值,在486 s时,所有楼梯间均达到危险状态,失去疏散能力。

图3 能见度变化曲线

3 优化措施

通过对火灾模拟结果中各火灾产物的蔓延规律进行分析,发现能见度的下降对于人员疏散影响最大,在本次模拟试验中,各安全出口能见度在模拟时长内均下降至临界值10 m之下,在486 s时,本模拟建筑中各楼梯间均达到危险状态,失去疏散能力,分析可发现各楼梯间达到危险状态的时间不同。因此在优化时,主要考虑进行人员疏散路径优化,减少人员在危险楼梯间的通过率,设置安全指示标志和安全管理人员协助人员疏散,使人员在疏散时分流,尽量多选择较为安全的楼梯间进行疏散。

4 结束语

本文通过对某在建建筑进行火灾数值模拟,并通过分析其烟气、CO浓度、温度及能见度各火灾产物的变化趋势,得到以下结论。

1)在建建筑因其门窗均为打开状态,且火源热释放速率大,各火灾产物蔓延速率快,其中能见度较CO浓度与温度而言至临界值速率更快,对人员疏散影响更大。

2)通过对比火灾产物对不同位置中楼梯间造成的影响,可发现中间位置较左右两侧而言火灾产物造成的危害更大,这是由于可燃物及火源点设置在中间位置,因此应尽量避免将可燃物堆积在楼梯间旁边,影响后续的人员疏散。

3)通过对侧立面的烟气蔓延图进行观察分析,发现烟气都是由火源层向上蔓延,会影响火源层上层人员的疏散,因此应减少在一层堆积可燃物,避免发生火灾时,烟气往上蔓延影响上层人员疏散。

4)建议施工单位应做好用电、用气、用火及易燃易爆物品的管理工作,禁止非专业人员进行动火作业;合理规划施工现场平面布局,应保证消防疏散通道畅通;同时应定期进行疏散演练,保证施工人员具有基本的自救逃生能力。