BIM系統在樓宇自動化消防模擬中的應用★

李 娜 王自勵

(寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

BIM系統在樓宇自動化消防模擬中的應用★

李 娜 王自勵

(寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

隨著BIM技術的高速發展，在工程前期規劃、設計、施工以及運營中，BIM模型的關聯性、協調性、模擬性以及可優化性在火災分析、模擬、優化過程中發揮其巨大的優勢。模擬建筑火災時煙氣的散播、火災的發展，其結果中可以輸出建筑物火災時的溫度、能見度等物理量的變化，人員疏散過程中疏散路徑的優化等，為建筑各階段防火減災提供依據和參考，從而縮短工期、降低成本、提升效率。

BIM，樓宇自動化，消防模擬

BIM概念的提出由來已久，BIM技術應用的開發也是各個廣義建筑軟件廠家必占之高地，它的優勢在于通過對所描述構件附以工程建設中所需要的屬性，并以三維數字模型形式呈現，使得在規劃、建設及運營過程中，不同階段、不同部門、不同人員按照其需求可以從統一模型中提取各自所需的數據，依據權限實現數據共建、共享。所有的建筑構件、組件、系統之間都是相互聯系、相互制約、互相影響的有機整體。擺脫了各幅圖紙之間互相獨立，一處修改張張修改的尷尬處境，BIM技術的發展使得這種尷尬得到有效的解決，一處修改處處跟著變化，材料消耗自動更新計算[1,2]。隨著精細化施工的發展，在前期做好能耗分析、緊急疏散模擬、熱傳導的計算。

在運行階段，防火及火災逃生、地震人員疏散等日常緊急情況的處理方式，其多路徑、多因素的復雜情況。使用人工推演的方法制定應急預案及逃生路徑，無法獲得或者很難獲得在多因素約束下的最優逃生路徑。BIM技術的出現使得此過程變的簡單。可以利用計算機的高速計算，制定出緊急情況下合理的逃生路徑。達到應急預案有模擬有分析有演練，做到臨事而不慌、井然而有序，從而由粗放型往高效型進一步轉變[3-5]。

1 FDS火災模擬軟件簡介

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準與技術研究院(NIST)開發出來的一款政府福利性免費軟件,是火災和疏散模擬分析類軟件之中比較優秀的軟件之一，其在可靠性、準確性以及穩定性上都能較好的反映客觀實際。對火災發生以及影響因素提供了詳盡的輸入接口。它也在火災時煙霧播散速度、路徑，對建筑結構在火災溫度場影響中，有現實的指導意義。

FDS模型主要由兩大模塊構成。一部分為分析計算部分，需要用戶輸入計算所需的建筑物信息，以及制約火災發生的條件信息、火災發展的約束信息、可供人員疏散的路徑信息等。需要以文本命令流格式輸入。第二部分為將第一部分計算輸出的結果數據在后處理界面以動態畫面演示出來，使得軟件使用者直接了然的觀察火災的發展，從而推演在火災時人員疏散路徑的合理性，在人員疏散的路徑上受火災煙氣、溫度場的影響，從而確定在此路徑上人員安全撤離的最晚時間。這是火災應急預案需要確定的核心內容。隨著計算者工程經驗的積累、軟件開發商對軟件的完善，使得對火災的模擬愈加準確。

2 BIM模擬的建立

由于FDS軟件的輸入參數需要文本格式輸入，所以輸入難度較大，而且輸入過程無法可視無法檢查輸入參數是否正確，對使用者的要求較高。在本次建模過程中使用將Revit模型導成CAD文件，原本表示物體信息的圖形隨著輸出格式的不匹配，出現構件信息丟失，可以利用現有的圖形進行重新定義，簡化前期建模的工作量，見圖1。

Revit軟件與Pathfinder軟件數據互不兼容，通過CAD軟件作為過渡，將CAD輸出的DXF文件作為數據交換文件，再通過CAD過渡的過程中，構件的部分特性會丟失，所以需要在Pathfinder軟件中重新賦予構件特性[5-9]。各層需要重新定義樓板及內墻障礙，根據《建筑設計防火規范》通過建筑面積計算疏散人數。定義人物移動速度為1.1 m/s～1.33 m/s以及人物肩寬45 cm～56 cm。

Pathfinder軟件將人員定義為SFPE和Steering兩種人員疏散模式。SFPE疏散模式人員的流動由各房間人員密度以及門的寬度兩項參數控制，人員自動選擇最近的出口疏散，疏散速度根據人員密度調整。Steering疏散模式采用高級算法，路徑規劃以及人員之間相互擁擠碰撞兩種方式綜合考慮的方式控制疏散人員的移動，同時在人員移動的過程中路徑可以隨著疏散人員與出口距離以及此條線路上人員的擁擠程度重新選擇規劃。

3 BIM模擬計算結果及分析

在火災中，安全疏散時間是考量人員疏散的最關鍵參數。只有可用安全疏散時間(Available Safety Egress Time, ASET)大于人員安全疏散所需的時間(Required Safety Egress Time, REST)，人員才能安全的疏散出去。否則，則表明建筑防火設計存在一定的缺陷或者防火設計不能滿足建筑物防火的需求或者不能滿足《建筑設計防火規范》的要求。對于建筑設計者可以進一步調整防火分區的劃分、防火設施的布置、疏散路徑的優化。

人員所需安全疏散時間的確定因素與建筑物空間的分割、建筑物的用途、建筑物結構形式以及裝飾材料、火源的性質、起火的位置、建筑物層高、建筑物內空氣流通路徑以及防火設施設備是否能按要求響應或動作、人員反應時間等都有關系，呈現多因素非線性關系。

軟件模擬兩種模式下疏散出人員的數量和疏散時間的關系如圖2所示，在SFPE模式下，前90 s疏散人數達到617人，疏散速率達6.8人/s。除了一樓外，其他樓層因為共用樓梯導致樓梯間人員增加而擁擠，使疏散速率下降，在圖2中反映出來曲線逐漸平緩，反映的實際問題就是疏散速率由于擁擠而下降。在Steering模式下由于在疏散路徑上出現擁擠，人員會重新規劃路徑，使得疏散速率基本沒有大的下降。兩種模型都和實際的疏散過程有某種程度的不符合，由于人群有“隨大流”現象，而且這種現象已經被荷蘭奈梅亨大學(Radboud University)的一項試驗表明是人類一種不可避免的生理現象，而且在緊急狀態下身邊人的行為被我們無意識的參照，所以軟件模擬的結果是理想狀態下的疏散時間，要綜合兩種計算模式并參照計算者的經驗，確定人員的最終疏散時間。或者可以用軟件模擬疏散時間乘以一個大于1的調整系數得到最終值。

可以使用BIM軟件的計算速度優勢，改變裝飾材料、火源的性質、起火的位置、防火設施設備等因素，重新計算模擬，必要時可以使用正交試驗方法，確定多因素模式下的火災逃生機制。優化建筑的防火設計，來達到更優的建筑防火性能。

[1] 林國海,翟洪遠,張司本.“十二五”國家科技支撐計劃課題——保溫、防火、結構一體化低能耗建筑技術[J].建設科技,2015(21):27-35.

[2] 任 榮.基于BIM技術的建筑消防系統優化[D].鄭州:鄭州大學,2015.

[3] 陳國良,曲 毅.基于BIM的消防安全管理綜合應用系統探討[J].警察技術,2015(1):91-93.

[4] 陸 揚.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[J].土木建筑工程信息技術,2011(4):63-71.

[5] 胡培寧,張金月.基于BIM和Ontology的建筑防火設計自動審查的方法研究[J].工程管理學報,2017(2):49-53.

[6] 姜子港,劉曉棟,霍非舟,等.基于Pathfinder的商場人員疏散仿真[J].火災科學,2014(3):175-181.

[7] 杜長寶,朱國慶,李俊毅.疏散模擬軟件STEPS與Pathfinder對比研究[J].消防科學與技術,2015(4):456-460.

[8] 徐艷秋,王振東.基于Pathfinder和FDS的火場下人員疏散研究[J].中國安全生產科學技術,2012(2):50-54.

[9] 趙 哲,陳清光,王海蓉,等.基于Pathfinder的公眾聚集場所的應急誘導疏散[J].消防科學與技術,2013(12):1327-1330.

ApplicationofBIMsysteminbuildingautomationfiresimulation★

LiNaWangZili

(NingxiaConstructionVocationalandTechnicalCollege,Yinchuan750021,China)

With the rapid development of BIM technology, in pre-engineering planning, design, construction and operation, the relevance, coordination, simulation and optimization of BIM model play a huge advantage in fire analysis, simulation and optimization. To simulate the spread of smoke and the development of fire in building, the result can output the temperature of a building fire, changes in physical quantities such as visibility, optimization of evacuation path during evacuation, to provide basis and reference for fire prevention and mitigation in various stages of construction. It can shorten the working period, reduce the cost and improve the efficiency.

BIM, building automation, fire simulation

1009-6825(2017)28-0231-02

2017-07-21★:本文受2015年寧夏自治區專項基金支持(編號：NGY2015230)

李 娜(1984- )，女，碩士，工程師

TU998.1

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