基于BIM的建筑火灾模拟研究

王一诺，张丽丽，代洪涛，李光子，王鑫妍

摘要：以電影院为研究对象，利用3DMax软件建立电影院BIM建筑模型，导入火灾模拟软件Pyrosim中，模拟火灾来临时排烟开启和排烟失效两种工况，对电影院温度场进行分析，并将分析结果与电影院实体火灾试验结果进行对比。研究表明：设计阶段常用软件3DMax模型优化后可完整导入火灾模拟软件中，避免二次建模，从而提高模拟效率；有排烟场景烟气温度比无排烟场景更紊乱，上层烟气温度更高；模拟场景火源上方最高温度与实体火灾场景相当，验证了BIM模型导入火灾模拟工况的可靠性。

关键词：BIM模型；电影院；火灾模拟

引言

随着我国社会经济的不断发展，为满足社会民众的实际需求，建筑朝着超高层、综合体等方向不断发展，一旦发生火灾，极易发生蔓延，造成严重的财产损失与人员伤亡。传统的消防规范难以满足上述超高层、大型商业综合体等建筑的设计要求，因此针对这些建筑，一般会采用消防性能化分析，通过火灾模拟分析确定火灾风险。目前，国内外建筑火灾模拟一般使用FDS软件。FDS建模方式需要输入命令语言，或是在FDS的前处理器PyroSim中构件三维模型。以上几种方式均需对CAD二维图纸文件进行识读和二次建模，在此过程中就会出现对模型把握不够精确、误操作等错误，造成模拟的模型与实际工程之间产生偏差。

随着信息化时代到来，建筑行业逐渐从二维图纸向着三维信息模型开始转变，BIM技术开始应用于建筑行业。针对BIM技术的相关研究有很多，学者王婷[1]等提出基于BIM模型与疏散模型的关系；李石磊[2]等提出利用BIM技术建立建筑能耗监测系统；武炜[3]等提出BIM与无人机倾斜摄影测量融合技术；道吉草[4]等提出基于Revit模型导入FDS。目前，建筑行业设计阶段常用软件为3DMax，属于BIM前端设计软件，但直接利用该软件导入火灾模拟软件的相关研究和实践尚较少。因此，本研究探讨该技术路径的可行性，以实际电影院工程为例，研究模型导入FDS后，其模拟结果与实体火灾场景对比，判定其是否接近真实火灾工况。

一、BIM模型导入火灾模拟软件路径

在建筑设计阶段，目前常用软件为3DMax。以3DMax软件为对象，探讨其模型导入火灾模拟软件的可行性。火灾模拟为计算流体力学范畴，一般其软件由前处理、求解器和后处理三部分组成。火灾模拟主流软件为FDS，其前处理为Pyrosim，后处理为Somkeview。前处理Pyrosim软件的几何模型可以由DXF格式导入，而3DMax可以导出该格式，使用该方法可以直接将设计模型导入火灾模拟软件中，实现BIM模型从设计阶段到工程模拟阶段的转换，从而打破建筑不同阶段的壁垒。3DMax有直接三维建模和二维建模拉伸生成三维模型两种方式（如图1）。

在导入过程中，二维拉伸生成三维模型可以在Pyrosim中显示，而直接三维建模的模型会在Pyrosim中丢失，在修改菜单中，选择专业优化后再导出的模型在Pyrosim中可以完整呈现，从而解决该问题。经测试，专业优化级别需小于100%，否则导出模型将成为一个整体，而不是按构件区分（如图2）。

中专业优化设置成功导入Pyrosim后，需添加网格、火源、排烟等参数信息（如图3），进入FDS模拟火灾过程，计算结果在后处理Smokeview里进行查看。

二、火灾模拟设计

以某电影院工程为案例，设计火灾场景。火灾发生从起火到旺盛燃烧阶段，释热速率大体按指数规律增长，与火灾时间的平方成正比关系。火灾增长速度一般分为慢速、中速、快速、超快速四种类型，其中中速火一般为棉与聚酯纤维弹簧床垫、木制办公桌等制品，因此本次火灾模拟设计工况采用中速火进行设计。

NFPA手册[5]中提出可堆叠的椅子放热率，12把堆叠椅子的热释放速率峰值可达2.25MW，相当于燃烧大约17分钟的中型火灾。《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017[6]给出了常见的各类场所火灾热释放速率建议，《建筑设计防火规范》GB50016—2014[7]中对电影院没有明确分类，因此考虑规范中的其它建筑相关标准，设有喷淋的其它建筑火灾规模为2.5MW。按保守设计，火灾模拟设计如下：火灾规模2.5MW；火源功率为中速火；初始环境温度设置为20℃；模拟时长1800s。火灾场景考虑排烟有效和排烟失效两种工况，具体设置如表1所示。

三、模拟结果分析

C1及C2工况火灾模拟现象如图4所示。

C1及C2工况火焰上空测温点温度曲线图如图5所示。

在影院火灾模拟场景中，对比有排烟设施及无排烟设施场景的热电偶测点时间温度曲线图可以发现：C1有排烟的场景烟气温度要比C2无排烟场景烟气温度更紊乱，上层烟气温度更高，这与我们一般印象中有排烟工况危险来临时间大于无排烟工况的认识似乎有出入，但实则不然。首先，在无排烟工况中，上下两个流体层之间掺混很微弱，时间温度曲线图较为平缓，而设置排烟工况下，烟气会受机械排烟的干扰，层流状态变为紊流状态，且高度越高，气流越紊乱，这与热电偶测点记录现象一致。其次，由燃烧机理可知，空间内对流条件越好，火焰越旺，影院设置有门洞，在排烟工况中，排风补风条件均良好，因此火焰较无排烟工况更旺，顶部烟气层温度越高。由于热烟不断排出该空间，导致热烟沉降速度较慢，所以无排烟工况烟气温度要高于有排烟工况。由下图可知，排烟有效工况，顶层烟气温度较高且较为紊乱，但中下层温度较低；排烟失效工况，烟气温度较为平缓，中下层温度较高。

根据《电影院高透声织物音响遮蔽系统防火性能试验研究》中的试验数据，对比其与模拟工况相同位置热电偶测点温度可以发现，实体火灾测点距离火源越近则温度越高，而模拟工况测点高度越高则温度越高[8]。这是因为模拟计算中采用影院实际模型，处于墙角位置的高度为5m，在烟气到达顶棚后，先向水平扩散，后逐渐积累形成烟气层。而实体火灾试验的场地层高较高，烟气没有在5m处产生聚集，因而测点温度受距离火源远近影响。在影院实体火灾试验数据中，火源上方最高温度可达到728℃，该试验未设置排烟，对比火灾模拟C2排烟失效工况，该工况相同位置测点最高温度为800℃，实体试验火源温度与火灾工况温度水平相当，说明BIM模型导入火灾模拟软件的模拟结果接近真实工况。

结语

设计阶段常用软件3DMax，其模型优化后可完整导入火灾模拟软件中，避免二次建模，从而提高模拟效率；有排烟场景烟气温度比无排烟场景更紊乱，上层烟气温度更高；模拟场景火源上方最高温度与实体火灾场景相当，验证了BIM模型导入火灾模拟工况的可靠性。

通过本研究发现，BIM技术在建筑防火领域有着良好的适用性，充分利用BIM技术可提高建模精度，增加工程模拟效率。但BIM技术普及程度不够，复合型人才不足，导致利用BIM技术二次开发在建筑设计施工阶段的应用仍停留在理论阶段。随着BIM技术的日渐成熟，未来可应用于施工图纸消防审查、消防管理等领域。

参考文献

[1]王婷，杜慕皓，唐永福，等.基于BIM的火灾模拟与安全疏散分析[J].土木建筑工程信息技术，2014，6（06）：102-108.

[2]李石磊，李静，陈阳.基于BIM技术的建筑室内能耗可视化监测系统设计[J].北京工业职业技术学院学报，2023，22（01）：39-43.

[3]武炜，张丽丽，司典浩，等.BIM+无人机倾斜摄影测量融合技术在雄安昝岗再生水厂工程中的应用[J].北京工业职业技术学院学报，2022，21（02）：1-5.

[4]道吉草，史健勇.基于BIM的建筑火灾安全分析[J].消防科学与技术，2017，36（03）：391-394.

[5]Clay W.NFPA 92 guides smoke control system design[J].Consulting-specifying Engineer，2018，55（04）：34-39.

[6]GB 51251-2017，建筑防烟排烟系统技术标准[S].

[7]GB 50016—2014，建筑设计防火规范[S].

[8]王一诺，李磊，周莲.电影院高透声织物音响遮蔽系统防火性能试验研究[J].建筑科学，2021，37（05）：108-112.