基于BIM的火災仿真模擬研究

艾斯卡爾·模拉克，岳麟宣

（新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

0 引言

醫院是重要的公共建筑，由于其功能的特殊性，導致內部人員構成相比其他建筑更加復雜，特別是病患、老人的數量多，導致逃生難度大，一旦發生火災，不能及時疏散，就會造成惡性傷亡事故，社會負面影響極大。2018年8月13日，臺北醫院電線短路引發了火災，造成了14人死亡以及38人受傷。羅馬尼亞東北部醫院2020年11月14 日發生火災，導致10人死亡、10人受傷，其中7人傷勢嚴重。這些慘痛的教訓為我們敲響了警鐘。

BIM技術利用信息共享的思想，把建筑生命周期從設計到后期運維的所有信息集合到一個模型中。筆者通過BIM建立了醫院火災模擬模型，導入Pyrosim軟件進行煙氣運行分析，溫度場和一氧化碳濃度分析，再利用Pathfinder軟件搭建安全疏散仿真模擬平臺，模擬人員疏散情況，這對于防治醫院突發情況造成的人員傷亡和財產損失、加強醫院消防管理、提高醫院火災風險防范能力、推廣BIM技術在火災消防領域的應用具有重要意義。

1 BIM技術在火災模擬方面的優越性

計算機火災模擬首先需要建立一個疏散模型，輸入人員特征參數，通過加載疏散算法來模擬火災逃生路徑。這就需要一個精確的疏散模型，BIM的信息集成性讓BIM成為火災模擬模型的最優選擇，另外應用BIM可生成三維可視化圖像，借助某些技術軟件可以直觀播放火災逃生路徑，其視覺效果相比二維更容易讓人接受和學習，從而提高疏散效率。

BIM技術采用3D技術，通過智能化與數字化的方式對建設工程信息進行模擬，實現建設項目的可視化[1]。美國國家BIM標準對BIM定義如下：BIM是3D數字化信息技術，它集成了建筑項目各個階段的工程信息，BIM技術是對工程項目功能特性和設施實體的數字化表達[2]。BIM模型從項目設計到施工階段得到逐步完善，可以為醫院等大型公共建筑的應急疏散模擬提供準確、全面、與實際情況一樣的疏散環境模型。

用火災模擬軟件建模時，過程繁瑣，需重新設置參數，模型參數又對火災模擬的精確性有影響。用BIM模型可以省去二次建模的工作量，可以二次開發，直接轉化為火災模擬的模型。其在火災模擬中有著不可估量的優越性。

可將Revit建模軟件中的模型導出FDX、FBX等格式，再導入Pyrosim軟件，可對其進行煙氣運行、溫度場、CO濃度分析，可在Pathdfinder內部快速建模，與DXF、FDS等格式的圖形文件的導入建模相結合，可以分析人員逃生路徑。

2 Pyrosim數值模擬

Pyrosim提供的模型建立主要為建立網格、材料定義、創建表面、創建構筑物、添加火源和通風口或者在EVAC狀態下定義人的屬性等過程，最終得到一個完整的火災數值模擬模型[3]。從總體上來講，PyroSim軟件主要包括建立火災模型、模擬運行求解和模擬結果的分析處理三個基本過程[4]。Pyrosim和Pathfinder一樣可以通過BIM模型導入，不過和revit軟件互不兼容，可將revit軟件轉換格式，即可導入。

2.1 數值模擬及參數設定

（1）將建筑BIM模型導出為fbx格式的文件，然后將其導入PyroSim軟件，該軟件可以準確讀取fbx格式的模型文件，并自動按照構件類別進行分組[5]。

（2）網格模型的確定：該醫院主體形狀近似為一個長方體，該模型近似為59.50*36.52*19.00的一個立方體，網格尺寸設定為近似為0.5*0.5*0.42，網格數為362848。

（3）火災場景設置：火災場景的確定應根據最不利的原則確定,選擇火災風險較大的火災場景作為設定火災場景[6]。本建筑為醫院，建筑面積較大，雜物藥品多，人員密集，不可控因素多，一旦發生火災，危險性大，本文火災場景設置為：一層靠近大廳的房間且火災場景設置在一層，火勢和煙氣可以通過樓梯通道迅速發展到二層和三層，設置比較合理。

（4）火災模擬初始條件設定：

1）環境初始相對濕度（Relative Humidity）：50%；

2）環境初始溫度（Temperature）：20℃；

3）火災增長類型（Type）：快速火；

4）消防條件（Fire Condition）：CO探測器、能見度探測器、熱電偶，無自動噴淋；

5）燃燒類型（Combustion Type）：聚氨酯塑料；

6）火災規模（Fire Scale）：6MW；

7）建筑高度（Building Height）：14m；

8）火災模擬運行時間（Run Time）：600s。

（5）設備安裝位置：

為了記錄醫院每個時間段的溫度、煙氣高度、CO 濃度等數據，在每個樓層設置了熱電偶、CO探測器、能見度探測器，設置在同一坐標點，具體一至三樓由下至上三種探測器在每層位置一致，故只列舉一層，設置建筑物左下角為(0、0、2)點，具體位置坐標如下：（3.1、2.4、2.0）、（2.1、28.21、2.0）、（10.6、15.81，2.0）、（17.8、29.2、2.0）、（32.8、12.69、2.0）、（29.1、0.68、2.0）（53.1、28.0、2.0）、（54.6、17.3、2.0）、（52.1、1.9、2.0）如圖1、圖2所示。

圖1 醫院一層火災煙氣模型

圖2 醫院整體煙氣運行模型

2.2 煙氣運行結果分析

在火災發生時，煙氣是對人體傷害最大的因素之一，煙熏致死比例占死亡人數比例高達79.9%。在建筑火災過程中，當煙氣層下降到和人體眼睛接觸時就會對人員疏散造成嚴重影響，并會造成煙熏傷害，另外，由于火災過程煙氣運動的不規律，煙氣可能出現紊流運動，所以在判定煙氣對人體造成傷害的標準時，應當適當的放寬，不能依據煙氣層和人體眼睛接觸為危險判定標準[7]，應依據公式1為判定準則。

Hs為煙氣層高度，Hc為對人造成傷害的臨界高度，Hp為人眼特征高度，Hb為頂棚高度，根據一般情況，設定人眼特征高度為1.7m，Hp根據測量頂棚高度為4.5m，通過公式可知煙氣層對人造成傷害的臨界高度為2.15m。

此外，火災情況下存在一個安全標準，即在疏散過程中煙氣溫度、CO濃度、煙氣溫度控制在一定范圍內不會對人員的生命造成威脅：（1）煙氣溫度：人員疏散過程中煙氣溫度應控制在120℃以下；（2）當CO體積百分比達到0.25%時，人會出現胸悶、頭暈等癥狀，因此CO濃度應控制在0.25以下；（3）煙氣能見度根據結構和面積等因素確定，大型公共建筑一般應大于10m[8]。設煙氣溫度達到120℃的時間為T1，CO濃度體積百分比達到0.25%的時間為T2,煙氣能見度降低到10m的時間設定為T3。為保證人員安全，人員耐受極限應取三者的最小值T=min{T1,T2,T3}。

本文所研究對象為醫院，一場火災場景的模擬時間超過30個小時。通過超過30個小時的模擬運算展現了火災發展的全過程，重要時間點的煙氣蔓延和溫度場模擬結果如圖3至圖7所示：

圖3 煙氣擴散開始至二層

圖4 煙氣開始擴散至三層

圖5 三層煙氣充分擴散

圖6 565s溫度場分布

圖7 煙氣高度分析

通過結果分析：通過Pyrosim的模擬分析，可以直觀地看到火災害發展的全過程。隨著火勢的發展，煙氣隨著時間不斷的在房間的天花板上積累，當煙氣高度累積到房間門高時，煙氣通過門洞向走廊蔓延，由圖2-4至2-8可以看出，測定540 s時煙氣高度下降至危險高度2.15m，同時煙氣沿著中庭不斷向上擴散，并在143s時煙氣在中庭率先到達第二層，在171s時煙氣到達第三層，并在248s時二層煙氣開始向南側疏散樓梯擴散，當煙氣進入疏散樓梯時，不斷向上蔓延，同時中庭的的煙氣也不斷積累和頂棚射流的加劇，煙氣層厚度在三樓也開始向南側逃生通道蔓延，直到煙氣充滿整棟樓。

在整個模擬過程中，隨著火情的加重，在540 s時，某些節點達到120℃，因此Q1= 540s；在541s時，CO濃度達到0.25%，故Q2=541s;在532s時，煙氣能見度縮短至10m；人的耐受極限Q=min{Q1,Q2,Q3}=532 s。因此，人員實際疏散時間必須小于532s。

3 疏散仿真模型的構建

火災情景下疏美國Thunderhead Engineering公司基于AgentBased模型開發出Pathfinder疏散仿真模擬軟件，該軟件中賦予人員高智能，模擬結果較符合真實情況，被廣泛地應用于各領域應急疏散研究[9]。

3.1 將BIM導入Pathfinder

將BIM轉換格式為FBX模式導入Pathfinde，導入后需要適當刪減門窗、墻體、柱體等構筑物，只保留房間框架，使用 Pathfinder 軟件中導入的幾何圖形中的命令提取樓板命令，在軟件模型上提取房間，最終得到圖8。

圖8 疏散仿真模擬圖

3.2 疏散相關參數

（1）疏散準備時間。由于人們所處建筑物的位置“采取的疏散方式”建筑物的功能特點等有一定差異，因此在火災發生時，人們感知火情發生的時間也有所不同[10]。表1是火災反應時間的數據。該建筑物為醫院，人員疏散響應時間應該＜3min, 我們設定響應時間一分鐘=60s。

表1 火災反應時間

（2）人員密度。建筑物疏散人數直接決定疏散的速度，故疏散人數計算是十分重要的，對于本文所研究的醫院綜合樓，屬于人員密度很高的建筑物，并且人員變化幅度較大，夜間人員相對較低白天人員相對密集高，本文采用風險性較高的白天作為研究對象。根據GB50016-2018《建筑設計防火規范》進行計算如，表2。最終設定，第一層人員數量415人；第二層：364人；第三層374人。

表2 人員密度數據表

（3）人員類型及人員參數。醫院作為特殊的大型公共建筑，人員類型復雜，除了成年男人和女人以及小孩，有部分需要醫護人員攙扶的病患，這些人是需要重點關注的人群。因此，醫院內部人員設定為成年男人、成年女人，兒童、老人、病患五種類型，其中男人比例占40%，行走女人占40% ，兒童占5%，老人占5%，病患占10%，行走速度、身體寬度如表3所示[11]:

表3 行走速度和身體寬度

（4）設置好參數，添加人員之后，運行模擬，得到如圖11至圖13：

圖11 人員疏散圖

圖12 143s時人員疏散效果圖

圖13 323s最后一人疏散效果圖

疏散結果分析：

在不考慮人員出現突發情況下，比如突然驚慌失措，碰撞跌倒等額外因素，在相關人員的指引下所有人員可以在324s撤離完畢，小于人員耐受極限532s，可以保證所有人員不受煙氣，CO及高溫的傷害。

4 結語

由于我國建筑業的發展，大型和特大型工程比比皆是，成為我國經濟的強大推力的同時，建筑火災也像高層和超高層發展，由于建筑火災會給我們的生命財產安全帶來嚴重的后果，所以對于建筑火災，尤其是醫院等大型公共建筑火災的研究是十分必要的，建筑火災不管是以什么初衷，讓真人去模擬，都是不人道的，并且費用高昂。在這種背景下，借助計算機軟件進行模擬不同境況的火災發展過程、人員逃生路徑是當今火災研究的熱點話題。本文利用BIM三維建筑模型，基于BIM的建筑信息，進行參數的模擬。全文所做的工作得到以下結論：

BIM模型作為火災模擬的信息平臺是可行的，可從中提取作為火災模擬和人員疏散的信息平臺。

將BIM模型轉換成FBX格式，導入Pyrosim軟件進行火災煙氣模擬、CO模擬和溫度場模擬，得到人員在火災中的耐受極限時間為532s。

Pathfinder軟件模擬人員疏散時間為324s，低于人員耐受極限時間532s，證明人員可以安全撤離。

本文利用BIM技術結合疏散軟件對醫院火災情景下的疏散時間和火勢進行研究，提供了針對BIM技術應用與火災仿真模擬的理論和實際案例，形成了一套智能化的體系，該體系節約了建模的時間和物質成本，使建筑火災仿真模擬具有科學依據。但是，由于BIM技術尚未在全國大面積的展開，所以BIM技術的應用于火災仿真模擬仍然面臨著諸多挑戰。