基于BIM的施工現場火災人員疏散研究

李博 崔邯龍 孟文清 趙志剛

摘 要：針對施工現場火災發生頻率高、人員疏散困難等問題，本文以某施工現場生活辦公區為例進行研究。其間利用BIM技術建立生活區工棚及辦公區三維模型并將其導入PyroSim和Pathfinder中，通過火災模擬得出人員可用安全時間來設置各關鍵位置的通行狀態，然后進行人員疏散模擬，并結合Fuzor和VR技術進行人員可視化安全教育。

關鍵詞：建筑信息模型;施工現場;火災模擬

中圖分類號：TU17文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0018-03

Abstract： In view of the high frequency of fires at the construction site and the difficulty of evacuation of personnel， this paper took the living and office area of a construction site as an example for research. In the meantime， BIM technology was used to build 3D models of living area workshops and office areas， and imported them into PyroSim and Pathfinder， through fire simulation， the available safety time for personnel was used to set the traffic status of each key location， and then the personnel evacuation simulation was carried out， and Fuzor and VR technology were combined for personnel visual safety education.

Keywords： building information model;construction site;fire simulation

在往年的火災事故統計中，建筑施工現場工棚和技術人員辦公區發生的火災占了一大部分。例如，2012年，西安市黃草坡村中鐵十八局施工現場活動板房發生火災，導致13人死亡，25人受傷;2019年，河北省張家口一在建小區工棚發生火災，雖然火災未造成人員傷亡，但濃煙不斷向四周蔓延，引起了當地居民恐慌。以上案例表明，這些臨時設施易發生火災，同時由于消防配套設施、疏散指示與應急報警系統不完善，一旦其發生火災，就會對施工現場人員生命財產安全造成嚴重威脅。

隨著信息化技術的快速發展，計算機仿真技術運用在建筑火災人員疏散研究中。李琰、張燕以高層連體復雜宿舍樓為例，分別運用PyroSim和Pathfinder軟件對火災蔓延特性和人員疏散過程進行了模擬[1];徐旻洋對醫院建筑進行了火災模擬和人員逃生分析，并詳細概述了大型醫院進行火災模擬和逃生分析時的技術路線[2];王印、易賽莉通過Revit和FDS軟件，實現BIM模型向火災模擬模型的自動轉化，并對城市地下綜合管廊進行了火災模擬研究[3]。

前人研究對象大多是擁有完善防火滅火系統的永久建筑，而對于施工現場臨時建筑研究的較少。本文通過BIM技術，結合PyroSim和Pathfinder軟件對辦公區和生活區工棚進行數值模擬研究。其間通過PyroSim軟件得出樓梯間和出口處的可用安全時間，并設置各關鍵位置的通行狀態進行人員疏散模擬;然后根據模擬結果，進行建筑消防設計方案的合理性分析，并進一步優化人員疏散方案;接著運用VR和Fuzor技術進行人員可視化安全教育，使數值模擬結果發揮更大價值。

1 工程概況

辦公區呈L形分布，南北方向長為43 m，寬為8 m;東西方向長為83.5 m，寬為8 m。首層及二層層高為3.4 m。縱橫向各有1個自動平移門，正對門口方向分別有鋼樓梯，分別命名為1號～3號樓梯，西、南兩側出口處各有1個雙扇玻璃門。生活區工棚長為85.7 m，寬為6.8 m，首層及二層層高為2.85 m，走廊兩側各有1個單跑樓梯，中間位置有雙跑樓梯，分別命名為4號～6號樓梯。

2 火災數值模擬

2.1 BIM模型建立

為了確保火災模擬結果的準確性，本研究制定了BIM建模標準。根據CAD圖紙建模，要正確設置門窗尺寸、材質屬性，同時要賦予各構件對應的面層厚度。為了真實還原模擬場景，BIM模型可以放置各種生活辦公用品，除了Revit軟件自帶的族外，可以使用構件塢、品茗HiBIM等插件進行完善。為了減少分析任務量，將模型中臺階、文字標注、欄桿扶手等刪除，然后轉換為DXF文件格式導入PyroSim軟件中。在BIM模型中，不要將構件成組，否則在PyroSim軟件中模型是一個整體，無法進行單個構件查看與編輯。辦公區與工棚三維模型如圖1所示。

2.2 火災場景設置

依據最不利原則，辦公區火源設置在首層資料室，此處位于走廊相交處，而工棚火源設置在二層靠近樓梯房間內，一旦兩處位置著火，煙氣會大量向走廊和樓梯間蔓延。假設工棚發生火災時工人正在房間內休息，兩處起火原因是電線短路發熱引起聚氨酯材料燃燒。為了最大限度地讓煙氣在走廊、樓梯間蔓延，設定除著火房間大門打開外，其他房間門窗關閉。

2.3 火災模擬參數設置

本文采用[t2]火模型，火災發展系數為0.046 9 kW/s2，最大熱釋放率為6 MW，著火面積為1 m2。生活區工棚網格劃分為16×86×14，辦公區網格設置為2個區域，分別為156×22×14、16×86×14，單元格大小都為0.5×0.5×0.5。為了測定二層各樓梯口、首層出口處的物理參數值，分別在相應的位置距離樓層地面2 m處設置探測設備，生活區工棚四周為開放邊界，發生火災時走廊兩端樓梯受煙氣影響較小，一直保持正常通行狀態，模擬時不進行考慮，網格模擬時間分別為500 s和600 s。

2.4 火災模擬結果與分析

本研究通過火災模擬軟件PyroSim來測定溫度、CO體積分數、可見度三項參數達到人體臨界值的時間來確定人員可用安全時間。

2.4.1 溫度分析。根據人體對對流熱的耐受極限，為了保證人員生命安全，本文選取60 ℃作為危險臨界溫度值。由圖2溫度變化曲線可得，1號、2號樓梯受溫度影響較小，其二層樓梯口分別在407 s和415 s時達到60 ℃。3號、5號樓梯的二層樓梯口溫度分別在268 s和253 s時達到人體溫度臨界值。辦公區走廊最左側M1處離火源最遠，溫度一直在60 ℃以下，M2～M4出口處分別在447、214、238 s時溫度達到臨界值。

2.4.2 CO體積分數分析。參考相關文獻可知，當環境中的CO體積分數為5×10-4 mol/mol時，人體不易長時間停留，因此，選取CO體積分數5×10-4 mol/mol作為臨界值。由圖4 CO體積分數變化曲線可得，當火災發生時，建筑內產生大量CO氣體，各測量點CO數值不斷增大。1號、2號、3號樓梯的二層樓梯口CO體積分數分別在304、310、196 s時達到625 mg/m3，此時已經影響人體呼吸功能，5號樓梯在252 s時達到臨界值。M1～M4出口處分別在293、273、158、167 s達到臨界值。

2.5 人員可用安全時間確定

通過上面對二層各樓梯口和出口處的各種物理量的討論，人員可用安全時間取同一位置物理參數達到相對應的臨界值所需要的最小時間，各位置人員可用安全時間如表1所示。

3 人員疏散數值模擬

3.1 人員疏散模型創建

相關研究者在人員疏散分析中多未考慮日常生活辦公品對模擬結果的影響，本文為解決這一問題，在BIM模型中按照實際尺寸添加辦公桌、辦公椅、沙發等構件，然后將模型導出IFC文件格式，再導入Pathfinder中，進行提取和適當處理。在Pathfinder中，辦公區與工棚一層物品俯視圖如圖3所示。

3.2 人員疏散參數設置

人員數量按辦公區每層60人、工棚每間宿舍8人取值。施工現場人員以青年男性為主，設定女性人員占比為10%。其中，男女平均身高分別取1.68 m和1.58 m，平均肩寬分別為427 mm和391 mm。

人員速度參考美國消防工程師協會（SFPE）編寫的《消防工程手冊》，將人員的水平疏散速度設定為1.2 m/s，下樓速度設定為0.6 m/s。參考相關文獻，火災報警時間（[TA]）取10 s，人員準備疏散時間（[TR]）取20 s，疏散人員總共停滯時間為30 s。根據火災模擬結果得出的人員可用安全時間來設置樓梯與出口處的通行狀態，時間一旦達到，相對應的位置將不允許人員通過。

3.3 人員疏散結果與分析

時間為40 s時，辦公區樓層人員大部分疏散到走廊，時間為107 s時，辦公樓全部人員安全疏散到室外。人員疏散時間[TRSET]由[TA]、[TR]與1.5[TM]三部分構成，最終[TRSET]為146 s。此時，1號樓梯與2號樓梯正常通行，并且M1、M2出口沒有達到危險狀態，能夠滿足人員全部安全疏散到室外的要求。生活區工棚人員在215 s時全部安全撤離到室外，[TRSET]為308 s。由于生活區工棚樓梯梯段過窄，二層人員在各樓梯口相互擁擠，并且在LT5處出現人員往返現象，此處人員疏散存在安全隱患。

3.4 消防設計方案優化

為了最大限度地保障人員的生命安全，本文通過優化消防設計方案來減少[TRSET]數值。施工現場臨建多為裝配式建筑，樓梯調整比較靈活，因此從樓梯角度出發進行優化。

辦公區首層M3出口處[TRSET]最小，故對3號樓梯進行優化。方案如下：擴大樓梯梯段寬度0.15 m;將樓梯改為單跑樓梯，梯段寬為1.8 m，坡度為35°。

同理，生活區工棚優化方案如下：5號樓梯左右側各2個宿舍人員使用此樓梯疏散，其余人員使用兩側樓梯;將兩側樓梯梯段加寬0.5 m;1、2種方案相結合。

在其他參數不變的情況下，重新進行模擬。辦公區優化方案1、方案2的[TRSET]分別為132 s和126 s，結果表明，第2種效果最好，將[TRSET]提前20 s。工棚優化方案1、方案2、方案3的[TRSET]分別為341、255、211 s，結果表明，方案1加大[TRSET]，工棚發生火災時兩側樓梯是人員疏散的主要限制因素，而第3種方案更能提前人員疏散時間，節約97 s。

4 可視化安全教育

在生活辦公區模型基礎上完善施工現場模型，將三維模型同步到Fuzor軟件進行渲染，并將模型轉化為移動端格式的文件，結合工地的VR安全體驗館，配合VR眼鏡、移動式手柄等進行身臨其境的體驗。

5 結論

本文利用BIM技術對施工現場生活辦公區進行火災模擬和人員疏散模擬，得出以下結論。生活區工棚樓梯梯段較窄，人員會在各樓梯口處互相擁擠，同時5號樓梯口處人員疏散會出現折返現象，造成人員所需安全時間加大。而辦公區消防安全設計合理，沒有人員折返現象發生。將工棚兩側樓梯梯段寬度擴大0.5 m并進行人員引導，可避免人員折返現象發生，有效減少人員所需安全時間97 s。對辦公區3號樓梯進行優化，結果表明，擴大梯段寬度0.15 m可減少[TRSET]，將3號樓梯變為單跑樓梯的疏散效果最明顯，[TRSET]提前20 s。利用BIM技術除了可以保證模擬結果的準確性，還可以進行可視化安全教育。研究方法可為施工現場生活辦公區人員疏散、消防設計優化提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]李琰，張燕.連體宿舍樓火災模擬與安全疏散研究[J].中國安全生產科學技術，2019（1）：163-168.

[2]徐旻洋.醫院建筑火災模擬及逃生分析研究與實踐[J].土木建筑工程信息技術，2019（4）：39-47.

[3]王印，易賽莉.基于BIM的城市地下綜合管廊火災模擬[J].消防科學與技術，2019（12）：1704-1707.