基于BIM 技术的建筑火灾模拟人员疏散分析

2023-12-28徐诗杰王建栓王建强

土木建筑工程信息技术 2023年6期

徐诗杰王建栓王建强

（1.河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸 056038；2.天津大学建筑设计研究院，天津 300073；3.河北工程大学，邯郸 056038）

引言

随着我国经济的迅速发展，高层建筑层出不穷，根据应急管理部消防救援局发布近10 年全国高层居住场所火灾情况，2012 年～2021 年，我国共发生住宅现场火灾事故132.4 万起，导致11 634 人死亡、6 738 人受伤，直接经济损失约77.7 亿元。

我国火灾研究相比国外而言，起步较晚，1990 年到1995 年在中国科学技术大学建立了我国第一个国家重点实验室。丁厚成[1]利用火灾仿真软件FDS 对高层建筑进行数值模拟,以研究烟雾流动特征及其有关参数的变动特性,获取了火灾烟雾扩散及对人员安全疏散的影响结果。陶浩文[2]利用火灾仿真软件FDS 对建筑火灾中顶棚射流现象进行模拟，研究了火源热释放速率与火源距顶棚高度不同时等条件的影响。李建伟[3]利用递归坐标二分法,对模型进行了区域划分和进行火灾事故的并行计算,以分析在不同分区数下并行计算的加速效应。李志明[4]采用数值模拟的方法对改造后项目方案在发生火灾时的火灾蔓延、温度场及烟气流动等现象变化规律进行分析。赵平[5]通过FDS 对户外建筑保温材料着火、室内木板材料着火、存放在房间内的保温材料起火的火灾情况进行仿真,得出火灾的参数值的规律。张议丹[6]利用FDS+Evac 和Pathfinder 疏散软件对服装厂建筑内同一火灾场景下人员疏散进行了模拟，得出人员疏散的有效时间。靳自兵[7]运用CFAST3.1.7 区域火灾模拟软件,得出建筑起火房间CO2 和CO 体积分数的变化规律。王印[8]研究BIM 设计软件Revit 和火灾仿真软件FDS 的信息交互技术,以进行BIM 模型向火灾仿真模型的自动转换。张莹[9]得到将BIM 技术和Pyrosim 的火灾仿真软件二者结合,可进一步提高仿真模拟建模的效率、精度,便于开展对比研究工作有着重大的价值。道吉草[10]通过分析了BIM 建模与火灾仿真建模间的差异之处,并采用了Autodesk Revit API 的二次开发技术,成功完成了BIM 建筑模型和FDS 火灾仿真模型之间的转换。

以上对高层建筑不同楼层发生火灾时，烟气、温度和能见度的变化对楼层的影响研究较少，本文以此为研究方向展开研究。

1 BIM 技术与火灾动态模拟

基于BIM 可视化特点，将模型以三维的形式直观展示出来，对于后期火灾仿真模拟，分析人员疏散安全通道有着极大的应用价值；基于BIM 优化性特点，模型完成前，可对该工程存在问题进行及时改善，提升了模型完成效率，确保模型的顺利完成。基于BIM模拟性特点，平时进行的火灾演练，成本大，且演练人员没有紧张感，疏散时常散漫，结果参考价值不大，通过BIM 模拟性特点，大大节约了演练成本，且可以设置合理参数进行多次仿真模拟，结果的精准性能够得到保障，确定其与火灾动力学软件结合的应用价值。

Pyrosim 是由美国国家标准与技术研究院研发的，以FDS 程序为基础的火灾动态模拟软件，本文通过与BIM 技术相结合，以IFC 兼容格式，搭建BIM 技术与Pyrosim 一个中间桥梁，实现火灾模拟的合理转化。导入在Pyrosim 中再通过对表面属性的修改，添加所需的烟雾探测器、温度场、能见度等信息，通过Smoke View 能够直观的观测到火灾烟气、温度和热量的动态扩散过程。

2 BIM 模型与Pyrosim 数值模拟

2.1 建筑概况

该建筑为天津大学高科技楼，地处天津南开区鞍山西道科贸街东侧，南临鞍山西道；东临卫津路；西临天大天财公司；北临天大北五村小区，与天大填料大楼隔路相望。总建筑面积36 818 ㎡，其中，地上31 204 ㎡，地下5 614 ㎡。科技楼由主楼和裙房两部分组成，分为A、B 两区。A 区为主楼，B 区为裙房。建筑主体高度为43.4m。建筑设计使用年限：3 类（50 年）。本工程依据使用性质属高层一类综合办公楼，其耐火等级为一级，地下室耐火等级为一级，裙房的耐火等级为二级。高科技楼由办公用房、公共用房、服务用房和设备用房组成。主楼：一、二层为对外办事大厅、办公楼大厅及咖啡厅；三至十层为开敞办公室及单间办公室；十一层为设备用房（水箱间，电梯机房）。裙房：一、二层为对外办事大厅，员工餐厅；三至四层为大开间办公室；二层有六部楼梯用于逃生；四层有五部楼梯用于逃生；九层有三部楼梯用于逃生。楼梯号按照从左至右的顺序编号，九层平面图如图1 所示。

2.2 Revit 模型建立

在Revit 中提前建立好每一层的立面标高，将CAD 图纸导入到Revit 中，确定好项目基点，确保之后每一层能够一一对应上，根据图纸画出轴网，再进行等比例放大。对墙体赋予材质属性，最后根据图纸进行建模。模型效果图如图2 所示。

图2 Revit 模型效果图

Revit 建立模型完成后，以IFC 格式导出后，在Pyrosim 中打开，工具栏在Model 中Door 删除，即模型中门的位置为门洞，认为门窗处于打开状态，烟气可以从门洞处通过。

2.3 火灾初始条件设置

根据《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017 规定，办公室、教室等无喷淋时火灾达到稳态热释放速率为6MW，如表1 所示。

表1 火灾达到稳态时的热释放速率

初始环境温度：20℃;

初始环境相对湿度：50%;

环境大气压：101 325Pa;

火灾增长类型：快速火；

自然风速:15m/s;

火灾最大热释放量：6WM;

火灾模拟运行时间：500s。

2.4 边界条件及参数设置

该建筑采取非稳态的t²火灾模型，单位热释放速率为1 000KW/㎡，火灾增长系数为0.044KW/s²。根据最不利原则，假设无喷淋及机械排烟设备，采取门窗自然排烟，所有门窗均为开启状态。该楼层呈L 形分布，因考虑到计算机性能和模拟时长，对网格切分为三个区域，在使用多重网格时，根据FDS 使用手册规定，相同精度得网格对齐是被允许的，Mesh-a 网格划分为75*47*27，Mesh-b 为85*47*27，Mesh-c 为85*47*31，单元格尺寸均为1.0*1.0*1.0，网格总数为326 885。在火灾探测点添加热电偶，距离地面1.5m 处，测量该点温度随时间变；CO 探测器，距离地面1.7m，测量CO含量变化；烟雾探测器，距离地面1.8m 处，探测烟雾浓度变化规律；温度，能见度切片均在Z=2m 处，布置为火源点处和各个楼梯口处。

2.5 火灾场景设置

该模型设置三个火灾工况，假设因电路短路发热引发火灾。

（1）工况一。在二层设置两个火源点，分别为A、B 区的操作间，无喷淋及机械排烟设备，自然通风；

（2）工况二。在四层办公室设置火源点，无喷淋及机械排烟设备，自然通风；

（3）工况三。在九层资料室设置火源点，无喷淋及机械排烟设备，自然通风。

3 模拟结果分析

3.1 烟气蔓延分析

火灾发生时产生的烟气对人员疏散有严重的影响，工况一至工况三重要时间点烟气蔓延情况如图3 ～图5所示。

图3 工况一烟雾蔓延情况

火源点着火后，烟气迅速在着火房间蔓延。

（1）工况一。由图3（a）中两个火源点的烟气在6s 时充满整个操作间，并开始通过门窗向外部空间蔓延；左侧火源点35s 时烟气扩散至一号楼梯口，155s 浓度达到100%；右侧火源点烟气在155s 开始扩散到三号楼梯，并通过楼梯向上蔓延，223s 浓度达到100%；图3（b）所示，在330s 时，烟气扩散至整个楼层，并通过四号楼梯向上蔓延。155s 之前在该层未从1 号楼梯口疏散走的人群，需从三号楼梯口撤离。二层以上的人员需在330s 之前从最右侧楼梯疏散；

（2）工况二。烟气在10s 时充满办公室，开始向外蔓延；75s 烟气蔓延至一号楼梯口，并向下扩散；150s时左半区域烟气沿走廊扩散到每个房间，少量烟气扩散至右半区域，四层人员150s 前可在右侧楼梯撤离；330s 时，烟气通过走廊扩散至最右侧楼梯，如图4 所示；

（3）工况三。烟气在6s 时充满房间开始向外扩散，逐渐向一号楼梯蔓延；烟气慢慢填满整个走廊开始向房间扩散，在330s 时，烟气充斥着每个房间，沿着三号楼梯上下蔓延，八层有少量烟气涌入，十层几乎充满了每个房间，如图5 所示。

图5 工况三烟雾蔓延情况

综合分析来看，在火灾初期阶段，距离火源点较远处受到的影响较小，这段时间正是疏散人员的安全时段，能够极大的减少伤亡，但随着火灾的蔓延，房间烟气浓度会迅速激增。在高层建筑中，可增加一些防排烟设备，延长逃生时间。

3.2 温度模拟分析

根据相关研究，人体耐受温度选取60℃作为临界温度。温度变化曲线如图6（a）～（c）所示。

图6 温度变化曲线

（1）工况一。由图6（a）温度变化曲线可知，在火源点的房间温度迅速增加，t=12s 时，操作间的温度达到临界温度值60℃，即火灾发生时，12s 之前必须撤离操作间。随着火灾的蔓延，走廊的温度逐渐升高，各个楼梯口的温度出现变化，一号楼梯口在318s 时达到60℃，即左侧人员若在一号楼梯口撤离，需318s 之前撤离到安全位置。T=433s 和336s 时，四号和五号楼梯达到临界温度，而中部楼梯距离火源点最远且大厅空间较大，温度一直处于安全范围；

（2）工况二。由图6（b）中除了位于火源中心的办公室在t=4s 时温度就达到临界温度，其余楼梯口均处于安全阀值温度；

（3）工况三。由图6（c）中火源中心的资料室在t=3s 时，达到临界温度，需立即撤离，最靠近火源点的一号楼梯，在127s 时，达到60℃。其余楼梯在模拟时间内温度均在安全范围。

综上所述，温度对于人员疏散有很大影响，不同楼层温度达到安全阀值的时间也不同，可根据人员距离各个楼梯口的所在位置达到临界温度的时间，选取合理的逃生通道。

3.3 CO 浓度分析

CO 在火灾中是人员伤亡的一个重要因素，根据相关研究，选取CO 浓度5×10-4mol/mol 为临界温度。各个楼层CO 含量变化曲线如图7（a）～（c）所示。

图7 CO 浓度变化曲线

（1）工况一。图7（a）随着火灾的蔓延，烟气从火源房间扩散到走廊至楼梯口，烟气中CO 含量不断积累，从变化曲线可知，从37s 时开始有缓慢上升的趋势，130s 开始有明显的增长，一直上升到317s 达到峰值，呈小幅度波动后稳定。其中，在145s 时达到临界点，此时会危害到人体安全，且CO 含量还在上升阶段，即人员在145s 之后需避开这一区域进行疏散，从二号楼梯进行撤离。二号楼梯距离火源点较远且外部窗户打开，火灾产生的烟气也随着门窗排除室外，故CO 含量一直维持在一个安全范围。三号楼梯口在153s后出现明显增长趋势，并持续稳步增长，且在180s 时达到人体危险值，需要选择另外的逃生通道进行撤离。四号楼梯在320s 后出现大幅度增长，此时整个楼层CO 含量均达到一个危险数值，严重影响人体安全，需在此之前进行紧急疏散；

（2）工况二。图7（b）中一号、二号楼梯随着烟气的扩散一直持续增长，分别在75s 和95s 时达到安全阈值，在此之后，人员需从右侧楼梯进行紧急疏散。火灾烟气蔓延至右半区域的时间较为缓慢右侧楼梯CO含量能够较长时间维持在安全范围；

（3）工况三。图7（c）一号楼梯在40s 之后大幅度增长，到261s 达到峰值，人员需要紧急避险。二号楼梯和三号楼梯分别在177s 和187s 达到临界点并还在持续增长。故在九层人员需在187s 之前从三号楼梯口全部疏散。

3.4 能见度分析

火灾发生时，烟气不断的在建筑物内蔓延，空气中的有毒气体含量增加，随着大量烟气的积累，建筑物中的能见度逐渐降低，对于人员疏散造成很大的困扰。根据相关规定，选取能见度为5m 作为临界值。图8 ～图10 为能见度切片视图。

图8 工况一能见度切片视图

（1）工况一。如图8（a）～（b）所示,着火房间在8s 内就迅速降至临界值，人员应在8s 前迅速逃离火源房间；80s 时，图8（a）左右两侧楼梯能见度已处于安全阈值之外，此时不利于人员撤离；130s 时，图8（b）烟气扩散至左半区域，人员只能从二号楼梯撤离至安全区域。近三号楼梯口大厅空间较大且烟气从窗户排出，使得能见度能够长时间维持在安全范围之内，有利于人员疏散。

（2）工况二。30s 时，如图9（a）～（b）所示,图9（a）正对火源房间的二号楼梯口已到达临界值，此时人员可从左右两侧楼梯进行疏散；160s 时，烟气蔓延至整个左半区域，能见度降至安全阈值下，且烟气开始扩散至右侧走廊，人员需尽快从右侧楼梯撤离；200s 时，三号楼梯也充满烟气，烟气开始从走廊向房间蔓延；450s 时整个走廊充斥着烟气，楼梯口能见度也降至临界值以下，对人员疏散造成很大困扰。

图9 工况二能见度切片视图

（3）工况三。30s 时，如图10（a）～（b）所示,图10（a）近火源楼梯口已经充斥着烟气，能见度低于临界值，此处楼梯不能用于人员疏散，烟气开始从走廊蔓延至右侧区域；在130s 时烟气蔓延至二号楼梯，145s 时，图10（b）三号楼梯达到临界值，烟气充满整层楼梯，对人员安全由很大影响，故需在145s 前从三号楼梯口撤离。