基于BIM 的性能化分析手段在建筑防火設計中的研究與實踐

陸 揚

(上海現代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

近年來，重大火災經常發生，傷亡嚴重的大部分都在建筑物內，火災中的生命安全和財產安全受到極大的威脅，隨著博物館自身的特質，館中人員密集，展品價值昂貴，且大多具有不可復制性，若出現火情，則極易發生重大傷亡事故和財產損失，火災中人員疏散是一個重要問題。一般火災避難演習模擬，大多利用人員實際驗正法，投資許多人力與物力，而且必須要等設計完成后實施，且花費甚巨不符合經濟效益評估。因此，本研究依據了BIM建筑信息模型與FDS程序虛擬評估，確保消防安全是否達到設計要求。

1 建筑信息模型

建筑信息模型[1]是在數字化的建筑中用虛擬建筑構件表達現實中建筑物的構件，所有的內容都是以獨有的構件形式存在，比如墻、梁、樓板、屋頂、門、窗等。每個構件都有相應的尺寸與信息內容，這些信息內容可以通過手工文件映射的方法或針對性能化防火分析進行二次開發，將信息轉換為火災模擬所需要的參數，如圖1所示，墻可以根據實際要求設置構造層，附于相應的厚度和材質。

圖1 墻的構造和材料

圖2根據建筑防火等級確定構件的耐火極限，并可以在轉換為火災模型時自動進行分類。

為了實現防火總體目標和功能目標，建筑材料、建筑構件、系統組件以及建筑方法等必須滿足一定性能水平的要求。以往做火災模擬由于軟件本身的局限性，所有的模型和構件信息、建筑材料參數必須重新定義，而這些信息將對建筑的防火分隔、火災探測與報警系統、防排煙系統，甚至自動噴水滅火系統的性能提出要求。圖3是直接利用建筑信息模型根據構件提取的參數信息，如比熱容、密度、傳導率、熱阻、熱導系數等。圖4是FDS火災模型中的材料參數以及噴淋頭和煙感。

2 火災煙氣擴散模擬模型

2.1 火災幾何模型

FDS程序可以借助其它三維造型軟件和網格生成工具，處理較為復雜的幾何場景，但這種方式是不含有任何數據信息的。FDS除了可以解決火災發生及煙氣的發展和蔓延過程，還包含分析火災探測器和水噴淋滅火系統的功能模塊，可研究相應的消防設施對于火災發展的影響。

FDS幾何模型尺寸的建立主要是依據建筑信息模型，整個博物館功能包括展覽區、演示區、創作區、交流區、內部辦公區、藏品庫房和設備用房等。北側作為辦公和創作，中部為展覽區，南側為主入口與公共活動區。通過空間尺度和椎體比例的變化、場所感的營造等手段來展示藝術家的作品，使得人們在參觀的行進過程中有不同的體驗和感受。圖5是通過建筑信息模型轉換為火災模型的三維視圖。

在使用建筑信息模型的軟件中將數據信息進行歸類，設計火災發生的場景并設置材質的相關參數采用文件映射的方法輸出，火災模擬軟件結構樹如圖6，圖7是總結如何將建筑信息模型轉換到火災模擬軟件并進行分析的工作流程圖。

2.2 火災場景模型

由于文章篇幅所限，僅對風險性大的火災場景中央通高序廳進行分析，本項目采用二級耐火等級設計，建筑高度20 m。20 m中央通高序廳為交通組織樞紐，具有內部空間大、使用功能復雜、火災載荷大、人員密度大等多方面的特點。如果序廳或序廳周邊房間一旦失火，火勢可在連通的空間里迅速蔓延，造成火源、產煙量及發熱量的擴大;同時高溫煙流在上升過程中受到周邊壁面或房間冷卻導致煙氣層逐漸下降，并侵入序廳周邊的廊道或房間，致使煙氣充滿整個序廳及其相鄰建筑空間，煙氣的迅速蔓延會使安全疏散造成很大的困難。序廳共設兩組坡道，將人流引導至各個展廳，是整個博物館的核心交通空間。序廳采用高位電動排煙窗，采用自動掃描射水高空水炮滅火裝置2套，流量10L/s，標準圓形保護半徑20m，水炮為探測器與水炮一體化設計。

模擬選用的參數描述如下:

1)通過保守考慮該區發生火災時按t2快速火發展，熱釋放速率為1.8MW;

2)建筑內部和外部溫度相同;

3)入口大廳對外的門打開，由此補風;

4)排煙方式采用屋頂排煙窗自然排煙;

5)所有通往外部的門在探測到火災后保持開啟狀態;

6)噴淋系統啟動后，火源熱釋放速率保持穩定;

7)模擬時間:1 200s。

圖8為1 200s內煙氣擴散三維視圖。序廳發生火災時，火災產生的熱煙氣在走道空間迅速上升，51s煙氣開始向四周擴散，112s煙氣擴散到旁邊的展廳，525s部分煙氣從頂部的排煙窗排出，但仍有煙氣聚集在屋頂下。

圖9為火源縱剖面溫度分布圖。Y=28的位置，火災發生1 200s后，大部分區域溫度低于60℃，序廳屋頂周圍溫度較高。

圖10為距地面2m處能見度視圖。在2m標高位置，火災發生1 200s后，大部分區域能見度很高，大于20m。

圖11為距地面7m處能見度視圖。在7m標高位置，火災發生1 200s后，大部分區域能見度很高，大于10m。

圖12為距地面12m處能見度視圖。在12m標高位置，火災發生430s后，大部分區域能見大于10m，之后能見度逐漸降低，對疏散造成危險。

圖13為距地面2m和7m處溫度分布視圖。1 200s溫度基本上都小于60℃。

圖14為距地面12m處溫度分布視圖。184s溫度小于60℃，之后逐漸增大超過人體所受極限值。

圖15為距地面2m處CO2分布視圖。火災發生540s時，濃度低于1%。到1 200s之間序廳內的二CO2濃度積聚增大。圖16為距地面7m處CO2分布視圖。火災發生236s時，濃度低于1%。圖17為距地面12m處CO2分布視圖。火災發生56s時，濃度低于1%。

通過對各火災場景模擬計算，得到火災環境可提供的人員安全疏散時間ASET為540s。即從火災發生到建筑內煙氣中CO2濃度、溫度、能見度等達到人體所能承受的最大限度所經歷的時間。火災模擬過程及結果表明各火災場景均可將火災環境維持在人員相對安全的水平，并有一定的安全余量，表明這些消防措施基本合理。大空間頂部兩側必須有開啟排煙窗，保證足夠面積的排煙窗，并有一定數量的補風口，從而能保證煙氣有效排出。

3 人員安全疏散

在進行人員疏散分析之前必須先要得到模型信息，然后再描述逃生事件，圖18是總結如何將建筑信息模型轉換到疏散模擬軟件并進行分析的工作流程圖。

圖18 工作流程圖

火災中影響人員疏散的因素除了煙氣溫度、煙氣能見度和CO、CO2濃度外，建筑內環境和消防管理以及人員等因素也對建筑內人員的疏散產生了不同程度的影響。影響人員安全疏散的因素很多，人的因素，物的因素、環境的因素和管理的因素等共同作用。

從時間的觀念上來講，在人員疏散過程中影響人員安全的因素歸結起來主要有:火災探測時間、人員響應時間、疏散行動時間和危險來臨時間。人員疏散過程中疏散時間的組成[3]見圖19所示。

圖19 人員安全疏散時間準則

出口和樓梯的位置、個數和寬度要滿足《建筑設計防火規范》[4]的規定。本項目共有疏散樓梯5部，所有封閉樓梯間均利于可開啟外窗采用自然排煙，根據設計要求一層平面使用人數為300人，夾層平面使用人數為63人，二層平面使用人數為140人。根據SFPE消防手冊標準[2]確定人員疏散時水平速度為1.19m/s，樓梯下行速度為 0.86m/s，模型內的待疏散人員分布如圖20所示。

圖20 模型內的待疏散人員分布

可提供的人員安全疏散時間(ASET)應為在火災環境尚未達到人員耐受極限前人員疏散到相對安全區域(比如封閉樓梯間、室外等)即人員所需疏散時間(RSET)的1.2倍，則能認為人員可以安全疏散。該準則即ASET＞1.2RSET，該規則為澳大利亞BCA中的規則，為國際上通用并認可的人員疏散可接受的標準。

如果以所有人員全部撤離室外來判斷安全性標準，那么有部分區域在特定火災場景下，人員疏散時間較緊，但是實際上這些區域人員在火災影響到他們原來所處區域前已經撤離到一個相對安全的區域，因此，需要分階段分區域疏散的時間來判定人員安全性能。

表1 人員疏散運動時間

表1給出了三個火災場景下人員疏散運動時間的比較，圖21－圖23給出了不同場景下人員疏散的路線分布。總的需要疏散時間RSET見表3，計算公式:RSET=感知時間+響應時間+行動時間。

表2 英國《BSDD240:1997Fire Safety Engineering In Buildings》中推薦的人員響應時間[5]

表3 總的需要疏散時間

通過疏散模擬軟件對人員疏散過程進行模擬，通過對得到人員安全疏散需要時間RSET的結果，并于煙氣模擬所得到的有效疏散時間ASET作比較，進行了人員安全性分析。

表4 人員安全性分析

4 結語

本研究證實運用BIM建筑信息模型根據火災模型的要求進行相關設置并提取相應的信息是可行的，并解決了以往必須要在第三方軟件里面重建模重設參數的狀況。同時在虛擬的建筑信息模型里就可以在設計過程中充分考慮火災發生、發展和蔓延的基本規律與煙氣蔓延規律，能夠實現確保人員安全疏散的前提下，減少防火投資，增加建筑使用面積，顯著提高建筑的經濟效益與社會效益，對今后大型公共建筑火災安全疏散性能化設計具有重要的指導意義。

[1]何關培.BIM總論(M)中國建筑工業出版社，2011.

[2]“The SFPE hand book of Fire Protection Engineering”第三版.

[3]范維澄，孫金華，陸守香等.火災風險評估方法學(M).北京科學出版社，2004.

[4]GB50016－2006，建筑設計防火規范(S).

[5]BSDD 240:Part1:1997 Fire Safety Engineering in Buildings.Guide to the Application of fire safety.

[6]唐方勤，任愛珠，徐峰等.火場人員疏散的虛擬現實模擬研究[J].土木建筑工程信息技術，2009，1(2):32-36.

[7]許鎮，任愛珠.基于Vega的建筑火場與結構火災反應同步模擬[J].土木建筑工程信息技術，2009，1(1):63-66.