基于建筑信息模型與Pyrosim軟件的地鐵車站火災模擬仿真方法*

呂希奎 白嬌嬌 陳 瑤

（石家莊鐵道大學交通運輸學院，050043，石家莊∥第一作者，教授）

地鐵車站火災應急演練，以及火災發生后的人員安全疏散和救援是地鐵應急管理的重要內容之一。針對地鐵車站火災的應急管理，文獻［1］以某地鐵車站為例，使用FDS（火災煙氣模擬）軟件研究了火災時溫度和煙塵的分布情況。文獻［2，4，11，13］以FDS軟件和Pathfinder人員疏散模擬軟件，建立了地鐵車站人員疏散模型，從人員逃生率、可用安全疏散時間利用率等方面進行了分析。文獻［3，5，10］采用buildingEXODUS軟件，對地鐵車站的人員疏散時間進行了模擬。文獻［6］利用Pyrosim軟件、文獻［7］采用Anylogic，軟件對地鐵列車環境的人員疏散進行了仿真。文獻［8］采用火災場模擬和人員疏散動力學模擬的方法，對高架車站的站廳火災時的煙氣蔓延過程和人員疏散過程進行了計算。文獻［9］利用網絡優化計算方法，建立了地鐵火災人員安全疏散的模型。文獻［14］基于Unity3D平臺在 BIM（建筑信息模型）中將疏散過程實現了三維可視化展示。

BIM技術能夠集成三維建筑模型，提供精確、全面的建筑信息和建筑物全壽命周期的數據共享。當出現火災等突發事件時，結合BIM的可視化和BIM技術的動態模擬，能夠為地鐵火災應急管理提供全新的信息化手段，有利于提高當前地鐵車站應急管理的信息化水平，提升應急處理能力和處置能力，有利于優化緊急疏散方案。

Pyrosim是由美國國家標準與技術研究院研發的、以FDS軟件為基礎發展起來的專門用于火災動態仿真模擬的軟件。本文將BIM與Pyrosim軟件結合，針對二者之間數據交流不順暢、數據接口和數據傳輸等關鍵問題，研究建立了一套完整的基于BIM的地鐵車站火災模擬仿真方法。在此基礎上，選取地鐵車站典型火災工況進行模擬，從而得到火災模擬信息和各關鍵位置的可用安全疏散時間。

1 Revit軟件與Pyrosim軟件的數據接口

1.1 Revit與Pyrosim之間通用文件格式分析

為保證火災模擬仿真結果精度，BIM和Pyrosim軟件之間的數據接口和數據傳輸是關鍵。Revit是專門針對BIM設計的軟件，可提供建筑設計和文件管理支持。Revit軟件支持的輸出文件格式與Pyrosim軟件支持的導入文件格式對照見表1。

表1 Revit輸出與Pyrosim輸入的文件格式對照表

從表1可知，Revit軟件和Pyrosim軟件數據流通的通用文件格式為DXF格式。因此，可將車站應急管理BIM從Revit軟件中以DXF格式導出，然后將此DXF文件導入Pyrosim軟件中。

1.2 DXF格式文件進行數據交流存在的問題

通過分析DXF格式文件的結構可知，在Revit軟件中建立的建筑構件會先被拆分為點、線、面等一些比較基本的幾何元素，然后這些基本幾何元素以一定的規則被存儲于DXF文件中。在傳輸和存儲的過程中，BIM中所攜帶的重要信息（如材質等）會丟失；而某些構件的材質信息會對火災走向、發展趨勢等有重要影響，并直接關系到能否得到準確的、符合實際情況的模擬結果。因此，如何快速、準確地實現BIM中參數信息的提取顯得尤為重要。

1.3 基于Revit軟件二次開發實現材質參數提取

通過Revit軟件明細表導出材質或DBLink插件方式，需要人工處理大量數據。為了實現材質信息的快速自動提取，利用Revit軟件應用程序編程接口二次開發技術可實現對材質參數信息（參數、密度、比熱、熱傳導率等）快速、全面、準確地提取，使得Revit軟件與Pyrosim軟件間數據交流更順暢，進而得到更客觀的火災模擬分析結果。以提取墻材質參數信息為例，其程序運行流程如圖1所示。

經對比發現，二次開發提取出來的數據與試驗模型中的數據一致，證明了該程序的準確性，避免了DXF格式文件導入Pyrosim軟件后需要手動查詢材質參數信息的低效率方式，也避免了個別構件屬性被遺漏的情況。

圖1 提取墻材質信息參數程序流程圖

2 基于BIM的地鐵車站火災模擬

以某地鐵車站為例建立了Revit模型。其站臺層公共區域長118.0 m，寬12.0 m；站廳層公共區域長95.0 m，寬19.3 m。站臺層與站廳層高度差5.1 m。有3部自動扶梯、2處樓梯、1處直升電梯。車站有出入口4個，檢票口4個（2個進站口和2個出站口）。各檢票口設4個閘機，各閘機凈寬0.50 m。相鄰閘機的中心距離為0.85 m，跨度1.20 m?；赗evit軟件建立的BIM站廳層和站臺層平面圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 某地鐵車站站廳層平面示意圖

圖3 某地鐵車站站臺層平面示意圖

2.1 Pyrosim軟件火災模擬流程

使用Pyrosim軟件對Revit軟件建立的地鐵車站模型進行火災動態模擬，模擬出不同火災場景下煙氣流動、溫度分布，以及有毒氣體濃度等情況，得出的模擬分析結果可為地鐵車站后期應急優化措施提供數據支撐?；馂哪M仿真流程如圖4所示。

圖4 Pyrosim軟件環境下火災模擬流程圖

2.2 地鐵車站火災條件下人員安全疏散的判定

地鐵車站火災情況下，乘客能否全部疏散到安全區域主要取決于“可用安全疏散時間（ASET”和“人員疏散時間（RSET）”這兩個特征時間的比較。前者用tASE表示從“火災發生時刻”到“火勢導致乘客處于危險狀態”的時間段；后者用tRSE表示站內所有人員疏散到安全區所需時間。如果在火勢達到危險狀態前站內人員不能全部撤離到安全區，即tASE

2.3 tASE的判定依據

地鐵車站火災的危害性主要體現為煙氣（有毒氣體、無毒氣體、懸浮顆粒等）、高溫、熱輻射等3個方面的影響程度。這3個參數會直接影響疏散效率，嚴重時會引起人員傷亡及財產損失。火災煙氣對人員疏散影響如圖5所示。

基于上述分析并參考人體耐受極限相關指標，采用CO的質量分數、能見度、溫度等3個參數的參數值作為判斷危險狀態的依據。火災模擬中對各個關鍵點位置的上述3個參數進行模擬仿真，取出三者分別達到危險狀態的時間進行比較，選出最短的時間作為tASE。具體設定的火災臨界危險狀態為：①2 m高度處溫度超過60℃；②2 m高度處能見度低于10 m；③2 m以下空間內的煙氣層中的CO的質量分數大于1 400×10-6。若某一時刻某區域符合以上任意一個條件，則該區域待疏散人員將處于危險環境中，從而確定火災發生至此刻的時間段為

該區域乘客可利用的逃生時間，即tASE。

圖5 火災危害對人員疏散的影響關系圖

3 火災模擬參數設置

3.1 火災場景的設定

本文選取了典型的火災工況進行模擬。設定的火災工況為：站內無列車?？?，站臺公共區起火，模擬火災發生位置為站臺公共區，火源位置在站臺層中部。為模擬較不利的火災工況，根據ISO/TS 16733《火災安全工程第4部分：設定火災場景和設定火災的選擇》選取的火災增長類型為快速火，火災規模取5 MW，火源功率增長系數取為0.046 9 kW/s2。

3.2 地鐵車站火災模擬網格的確定

本文的火災模擬主要考慮公共區。根據所選車站模型，建立了125.0 m×26.5 m×15.0 m的長方體網格。為提高模擬精度，在長方體網格模型中，空間將被劃分為多個小區域，每個區域都與相鄰的區域相連。采用Exodus的精細網絡法，將長方體網格劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m規格的共計397 500多個立方體小網格，在保證模擬精度的同時，實現盡可能減少計算量，提高計算網格的經濟性。

網格劃分完成后得到的最小網絡的長、寬、高為1∶1∶1，這樣能保證模擬精度達到一個最佳的狀態。由于超出網格邊界的物體會被自動排除在外不參與FDS軟件的計算，所以劃分網格時需要保證參與模擬的物體在網格邊界范圍內。

3.3 切片及熱電偶的布置

在4個出入口與站廳層交接位置分別模擬布置4組熱電偶，用來測量對應關鍵位置點隨時間變化的溫度。熱電偶具體布置如圖6所示，圖中將遮擋物進行適當隱藏，使得熱電偶分布能直觀地呈現出來。

圖6 地鐵車站火災模擬熱電偶布置圖

在站廳層和站臺層距地板高1.5 m處分別布置切片（如圖7所示），用于查看溫度、能見度及CO的質量分數等隨時間變化的分布情況。

圖7 地鐵車站火災模擬切片布置圖

3.4 模擬初始條件的設定

火災模擬的某些初始條件是系統默認的，有一部分需要根據實際模擬情況進行設定。相關參數設置如表2所示。

表2 火災模擬基本參數設置

3.5 火災模擬結果與分析

將火災發展過程中關鍵時間點的煙氣、能見度、溫度、CO的質量分數分布情況等參數進行仿真。為了更直觀地展示各參數的分布情況，在不影響模擬結果的前提下，對車站模型進行剖切或隱藏處理。3.5.1 火災工況下煙氣模擬

地鐵車站內火災煙氣發展過程見圖8。由圖可知快速火很快產生大量煙氣，在51 s時通過離火源較近的樓梯口蔓延到站廳層，然后到達站廳層頂部并向周邊蔓延；在71 s時站廳層煙氣通過扶梯口進入站臺層；在157 s時站臺、站臺層公共區域充滿煙氣。

圖8 地鐵車站火災模擬下煙氣蔓延情況

3.5.2 火災工況下溫度模擬

地鐵車站火災模擬過程中溫度分布情況如圖9所示：158 s時站臺層中間樓梯口周圍處于危險狀態，疏散人員應盡量選擇兩側的樓梯或扶梯通道；234 s時站臺層左側扶梯處及中間樓梯口處達到危險狀態，疏散人員應避開這兩處通道，工作人員此時應盡量組織疏散人員從右側樓梯到達站廳層；423 s時站臺層主要疏散通道附近大面積溫度達到60℃，影響人員逃生；600 s時站廳層高溫區域主要集中在中間樓梯口處，4個出入口處溫度均沒有超過臨界危險溫度，對出入口部分的疏散不構成威脅。

圖9 地鐵車站火災模擬下切片溫度分布情況

3.5.3 火災工況下能見度模擬

地鐵車站火災模擬中能見度分布情況如圖10所示：38 s時火源周圍能見度出現下降；48 s時站廳層中間樓梯口能見度開始下降；159 s時左側扶梯口及中間樓梯口能見度降為10 m以內，不利于人員疏散；243 s時站廳層、站臺層絕大部分區域能見度低于10 m；327 s時出入口能見度不滿足疏散要求。

圖10 地鐵站臺火災工況下切片能見度分布情況

3.5.4 火災工況下CO的質量分數模擬

地鐵車站火災模擬中CO的質量分數云圖分布如圖11所示：在火災發生的很短時間范圍內，產生了大量有毒氣體CO；約在350 s時，站臺層最左側CO的質量分數較高，妨礙乘客進行疏散；600 s內站廳層CO的質量分數相較于站臺層較低，對疏散效率無較大影響。

圖11 地鐵車站火災工況下切片CO的質量分數分布情況

通過對危險臨界值以及火災模擬過程中各關鍵位置能見度、溫度等物理量的分析，整理出該火災工況下站廳層和站臺層各關鍵位置點的tASE如表3所示。

4 結語

本文將BIM技術有效地應用到地鐵車站火災應急管理中；并基于BIM與Pyrosim火災模擬軟件相集成的技術，解決了兩者之間的數據傳輸問題，實現了對BIM中材質信息的有效、快速、準確的提取，提高了軟件之間數據交流的效率，節省火災模擬前的準備時間，優化了此環節原有的工作流程。在此基礎上，選取了地鐵車站的典型火災工況進行模擬，并得到該工況下各關鍵位置的可用安全疏散時間。

表3 地鐵車站關鍵位置點的tASE s