基于BIM技術的公共建筑應急疏散預案的研究

徐 偉，時圣強

(內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 014010)

1 引言

隨著我國城市化步伐不斷加快，建筑領域建設技術不斷提高，我國建筑逐漸向多功能、綜合性、大型化發展。據官方數據資料,截至2019年底,我國常住人口城鎮化率為60.60%[1],預計我國2025年常住人口城鎮化率穩步提升到65%,2030年達到70%[2]。在城鎮化快速推進的背景下,目前我國每年新增建筑面積20億m2,幾乎達到全球新增建筑面積的50%,超過所有發達國家每年新增建筑面積總和[3，4],各種高層、超高層、大型城市綜合體快速涌現,在提升城市生活品質和現代化水平的同時,也增加了巨大的消防安全風險。

近年對于公共建筑火災及疏散的研究已有較多的成果，但這些成果往往是基于消防設備都完好的狀態下進行的研究，而火災事故現場，情況復雜多變，火災研究過程中任何環節的遺漏都有可能導致研究結果與實際相差甚遠，任何數據的偏差都有可能導致慘痛事故的發生，為了解決此類問題，本文在噴淋系統及機械排煙都失效的極端條件下研究火災的發生，同時引用BIM技術整合建筑信息，防止建筑信息丟失，結合Pyrosim及Pathfinder軟件，最真實的模擬火災及疏散研究，使研究結果接近實際。

2 公共建筑數值模擬

2.1 物理模型的建立

研究選取內蒙古包頭市包商銀行商務大廈為實例模型，該建筑位于包頭市建設路與建華路交叉口西南角，研究樓座為總部辦公樓，共27層，其中1～3層為銀行營業廳，4層以上為辦公場所，10層為避難層。通過CAD圖紙建立BIM三維物理模型，再對模型進行合理簡化，最后以DXF格式導出，實現BIM與Pyrosim的數據對接，進而完成火災模型及疏散模型的建立。

2.2 火災場景的模擬

研究目的為機械排煙及噴淋系統等消防設備均失效的極端條件下，火災對建筑的影響，通過分析結果得出人員極限疏散條件，為后文疏散預案的研究提供理論基礎。根據建筑實際使用功能，該建筑1～3層為銀行營業廳及大堂，易燃物品較少，往往不會輕易發生火災，一旦發生火災能夠及時發現，而4層以上為辦公室、會議室及資料室等辦公場所，具有大量紙質資料、裝飾用品、桌椅電器、電線電路等易燃物品，因此火災地點設置在4層以上樓層，由于本建筑共27層，為提高模擬效率將建筑劃分為低、中、高3個區域，以4、11及19層為著火樓層，以此研究火災及煙氣的豎直蔓延規律。

2.3 參數設置

(1) 本文遵循最不利保守原則，選取火源功率為6 MW，火源按照t2型快速火發展[5]。

(2) 根據相關標準[6]，當發現火災后，從報警和指揮中心處警到消防隊員開始出水撲救要在11 min之內，則設定火災模擬時間為660 s。

(3) 火災模型的網格劃分為1×1×1總網格數為469000個，在單臺計算機上模擬的時間為6 h。

2.4 模擬結果分析

在著火樓層發生火災時，設定機械排煙、噴淋系統均失效的情況下，模擬整個建筑溫度、CO濃度及煙氣分布情況，模擬結果如圖1所示。

通過所得數據可知，建筑內某一樓層發生火災時，溫度和CO對建筑內人員安全的影響主要集中在著火樓層，對其他樓層影響不大，基本不會影響人員生命安全，而火災產生的煙氣會隨著豎井向其他樓層蔓延，為了進一步研究火災煙氣是否影響人員安全，對各層出入口進行能見度變化進行檢測，所得數據如圖2～4所示，從數據中可知大部分樓層能見度基本降至為零，反映出現場存在大量火災產生的固體顆粒物，此時不僅嚴重影響人員安全疏散，也嚴重威脅現場人員生命安全，為了減少人員傷亡，提高人員疏散效率，對安全疏散進行研究，可以看出各樓層出口達到危險極限疏散的時間最短為200s左右，為了使各層人員在200s之前疏散至安全區域，利用Pathfinder軟件對人員疏散進行模擬，制定不同應急預案，提高人員疏散效率，減少人員傷亡。

圖1 火災模擬結果

圖2 4層發生火災各層出口能見度變化

3 疏散預案分析

3.1 疏散模型的建立

由于建筑內部，裝修裝飾等材料對人員疏散沒有影響，將BIM模型利用Revit軟件進行合理精簡，再次導入Pathfinder中，完成建筑物理模型與疏散軟件的數據對接。

3.2 疏散場景的設置

根據建筑實際使用情況，本建筑第10層是避難層，制定緊急應急疏散預案如表1所示，若模擬結果無法滿足建筑內人員疏散，則根據建筑實際使用情況進行預案優化。

圖3 11層發生火災各層出口能見度變化

3.3 疏散參數的設置

(1)人員行走速度及肩寬參照《消防工程手冊》如表2所示[7]。

(2)疏散人數：根據實地考察，在人員高峰期樓層最多320人，按照最不利原則設定各層人數均為320人，則整個建筑內共8640人。

(3)疏散時間：通過前文得出最早達到極限疏散條件的樓層為200 s左右，為了提高模擬效率，將模擬時間690 s設定為300 s。

圖4 19層發生火災各層出口能見度變化

表1 預案一及預案二疏散路線

表2 人員行走速度及肩寬設置

3.4 模擬結果分析

通過對預案一及預案二進行模擬，各層人數變化如圖5及圖6所示，根據前文數據可知，各層出口200s之前達到危險疏散時間，若此時各層仍有人員存在，則生命安全會受到威脅，所以對預案一及預案二不能作為緊急情況下人員疏散預案，應進行優化。

圖5 疏散預案一各層人數變化

圖6 疏散預案二各層人數變化

通過對現場實地考察發現該建筑屋頂為平屋頂，且建有直升機停機坪，必要時可利用直升機疏散被困人員，所以設定預案三如表3所示，此外增設20層為避難層，設計預案四如表3所示。

表3 預案三及預案四疏散路線

通過模擬可以看出，預案四在200s之前，各層人數可以降至為零，即在達到危險極限疏散狀態時，各層人員都能轉移至安全區域，因此預案四可以用做緊急情況發生時人員疏散的應急預案(圖7、圖8)。

圖7 疏散預案三各層人數變化

圖8 疏散預案四各層人數變化

4 結論

(1)通過火災模擬研究可以發現，火災發生時溫度和CO對著火層影響較大，基本不會影響其他樓層人員生命安全，但是煙氣會隨著豎井向其他樓層蔓延，影響整個建筑的人員安全疏散，可以考慮在各層增加自然排風口，有助于火災發生時煙氣的排放。從煙氣蔓延規律可以發現，煙氣主要通過豎井蔓延，可以考慮在電梯井等豎井增設防煙前室，以延緩煙氣的蔓延。

(2)通過疏散模擬研究，應急疏散預案四疏散效率最高，可以用做緊急情況下人員的安全疏散，即：建議將20樓改設為避難層，當出現緊急狀況時，著火層以下人員向1樓疏散。著火層以上樓層按照預案四進行疏散， 1～4層人員向1樓疏散；5～14層人員向10樓疏散；15～23層人員向20樓疏散；24～27層人員向樓頂疏散。