基于養老建筑智能防火系統設計的探究＊

肖凌楓，張 寧，王慶智

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083）

1 引言

隨著2021年第七次人口普查結果的結束，新一輪的老齡化問題再次成為社會各界探討的話題。此次普查結果顯示：60歲及以上人口為26 402萬人，占18.70%，與2010年相比，上升了5.44%，老齡化程度再一次加深。而如何養老，成了社會各界都在持續關注的一個嚴峻問題。

養老院等養老機構成為了許多人的選擇，而這些養老建筑的消防安全是每個人都十分重視的要求。近些年，養老建筑的火災次數逐漸增加，重特大火災事故時有發生。一方面是因為養老機構在防火系統上的滯后；另一方面是因為老年人群自身行動能力的不便和對火災感知能力的滯后。正是在如此迫切危急的情況下，火災前的火警監測、火災時的防火遏制與火災后的應急救援成為了智能防火系統里重要的組成部分。針對這三方面，對現有的養老建筑防火系統進行了研究分析，并設計出更為高效且智能化的防火系統，以完善現有養老建筑的防火系統精度，降低火災的影響程度。

ZigBee無線傳輸技術以耗資小、安裝維護方便等優點，成為許多防火系統設計師們的首選。并以此為媒介，利用傳感器采集數據，快速匯總至監測系統后臺處理器，對其進行有效分析，做出決策。

使用符合耐火極限等要求的新型建筑材料，關鍵在合適處布置必要的消防設備并連入監測系統，組成防火結構系統，及時防止火災蔓延，減少更多的傷亡。

利用以可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性為5大特點的BIM技術，以建筑整體結構為藍本，通過監測系統里傳感器體系對火情發生地點的迅速捕捉以及救援系統模塊對火情危險程度的判斷與分析，在救援系統軟件中利用5大模塊模擬機算出最優逃生路線并提前預演，指導養老建筑內工作人員和老人們有效地安全撤離。

2 智能防火系統

2.1 火警監測系統

長期以來，火警監測同為人民生命財產安全、社會安定密切相關問題，而樓宇作為人們聚集場所則更應該注重火警的監測。通過調研現有的北京某知名長者公寓，可以從中發現目前的有線消防監測系統在建設過程中，大多存在大量的預埋管和管內穿線工作，成本高，建設周期長；同時在建成后，檢查和擴建麻煩，耗費大量的人力和物力。因此，針對目前有線消防監測系統存在的問題，開發一種低成本、布置簡單、誤報率低、快速高效的火災自動監測系統迫在眉睫，根據該要求設計出了基于ZigBee技術的無線自適應火警監測系統。

2.1.1 組成部分

無線自適應火警監測系統主要由2部分組成：傳感器節點部分和網絡控制中心部分。網絡控制中心部分是將ZigBee節點、協調器以及路由器通過邊緣為星形的網狀拓撲連接而成；傳感器節點部分所設計的傳感檢測器是由煙霧、火焰、溫度和氣體多重傳感融合而成，以彌補單純使用單一傳感器所存在的不足，很大程度上提高監測火災能力，降低了誤警率。同時在傳感器的選擇上，本系統溫濕度傳感器選擇DHT21，火焰傳感器選擇R2868，煙霧傳感器選擇MQ-2，氣體傳感器選擇MQ-7[1]，4種傳感器各自向處理器發送數據，處理器融合四路信息作出決策，實現多傳感融合，提高系統精度。

2.1.2 工作原理

本系統的工作原理如圖1所示[2]，當網絡覆蓋范圍內某處物理位置發生火警時，此物理位置范圍內的傳感器節點監測到火警發生并將其通過ZigBee無線傳感器網絡傳播出去，經過網關傳送到手持設備或PC機軟件中并顯示火災位置，以此完成了火警位置的體現；進入火災現場的消防人員隨身攜帶移動節點,它向其周圍位置已知的節點發送位置命令消息進行雙向信息反饋,接收到命令消息的節點將其所在位置包含的已知物理信息傳遞給位置未知的移動節點，進而估算出移動節點與火警發生附近節點的位置關系。網絡協調器可將網絡內信息傳送到PC中，從而可了解網絡節點工作情況以及移動節點的位置[3]。

圖1 無線自適應火警監測系統示意圖

2.1.3 系統性能

該系統從節點的層面上看，各智能型節點具備休眠、喚醒、聯動、定位、自檢等功能，且具備節能特點，平時處于休眠狀態，對任一節點附近出現的火災能迅速反應并喚醒系統中的其他所有節點，使處在監測區域內的各處都能獲得事故發生點的信息，為及時處理火災事故贏得時間。在該系統各節點的功能方面，ZigBee網絡主要由PC機、網關、路由節點、目標節點4部分構成，其中PC機主要負責網關指令的發送、網關數據的接收，由此實現人機交互目的;網關主要負責將計算機所發送的指令、傳感器節點數據、路由節點數據的完成，將所接收的數據向計算機傳輸;路由節點主要負責當網關無法同傳感器節點通信時，作為傳感器節點、網關二者間的中介達成通信任務，路由通信功能也由此達成，其中目標節點任務主要為控制設備、采集數據。從系統的層面上看，這樣的系統能適應各種復雜的環境場合，無線通信的方式可適應各種應用場合的快速布點和擴充；具備自組織和自愈合的功能，系統中個別節點“失效”也不影響系統的整體功能，有很高的可靠性。

2.2 防火結構系統

2.2.1 防火材料

養老設施內所有的裝修材料，都是防火阻燃的，采用不燃性材料和燃燒性能為A級的保溫材料，取材困難時可采用難燃性材料，并應按照《建筑防火設計規范》中規定的材料耐火極限進行鋪設。

常用的防火材料包括防火板、防火門、防火玻璃、防火涂料、防火包等。

1）石膏板。石膏板吊頂是目前建筑市場上比較常見的一種防火板，通常被用來制作建筑吊頂。

石膏板的板芯中有很多非常微小的氣泡，而空氣的導熱系數是非常小的，再加上石膏板通常采用雙層結構，所以對于養老建筑內的居室來說，保溫隔熱的效果十分顯著，能夠讓居室的溫度基本保持穩定。

石膏板的主要材料是石膏，而石膏受熱時要釋放化合水其耐火極限可達2 h以上。石膏芯本身不燃，且遇火時在釋放化合水的過程中會吸收大量的熱，延遲周圍環境溫度的升高。因此，雙層的石膏板具有更加良好的防火阻燃性能。

相較于木板吊頂，石膏板吊頂因其具有保溫隔熱、防火防潮、穩定抗裂、隔音美觀、輕質利施等優點，逐漸占據市場主流，被廣泛采用于許多重要建筑的吊頂施工。

2）PVC防火塑膠板。作為現代建筑行業使用最廣的材料之一，PVC有著其他材料不曾具備的優勢。而利用PVC材料制成的防火塑膠板，更是被頻頻應用于建筑地板等領域。

PVC防火塑膠地板的主要原料是聚氯乙烯，具有良好的氣密性和不透水性。質量合格的該類地板的防火指標達到了B1級別，有著遇水即黏的特性的同時也會做防滑處理（耐磨層花紋），在環保性能方面相較于會釋放甲醛等有害物質的木地板有著絕對的優勢。一般的PVC塑膠地板重量為2～3 kg/m2，不足普通地面的10%，在高層養老建筑中有助于減輕樓體承重并且節約空間。此外，這種地板質地柔軟，在重物沖擊下具有良好的彈性恢復能力，再加之可達20 dB的吸音效果，備受養老建筑設計師們的青睞。

2.2.2 消防設施

1）防火門。根據《建筑防火設計規范》要求，防火隔墻上必須設置的門、窗采用乙級防火門、窗。通風、空氣調節機房和變配電室的門采用甲級防火門，消防控制室等其他設備房的門采用乙級防火門。電纜井、管道井、排煙道等豎向井道的井壁上的檢查門采用丙級防火門。

而養老建筑內，日常人流量較大的防火門最好保持開啟狀態，但火情發生后第一時間自動關閉并反饋信號至消防控制室；其他位置的防火門平時呈緊閉狀態，并貼有“保持防火門關閉”的明顯提示標語。

2）消火栓和自動灑水噴頭。在養老建筑內設置與供水系統直接連接的消防軟管卷盤，并在關鍵位置布置，如電梯間、活動區、餐飲區等。消防軟管卷盤的設置間距不大于30.0 m。

養老建筑內設置自動滅火系統，通過火警監測系統識別滅火源，利用房間內或是過道內的自動噴水裝置（灑水噴頭）實施滅火。

3）消防應急照明和疏散指示燈。設置在安全出口和人員密集場所疏散門的正上方；設置在疏散走道及其轉角處距地面高度1.0 m以下的墻面或地面上。燈光疏散指示標志的間距不大于20 m；對于袋形走道，不大于10 m；在走道轉角區，不大于1.0 m。

養老建筑內疏散照明的地面最低水平照度不低于10.0 lx；消防設備房應設置備用照明，其作業面的最低照度不應低于正常照明的照度。

2.3 應急救援系統

在對北京知名養老院長者公寓進行走訪調查后，發現現有的應急逃生管理體系存在許多漏洞，無法滿足火災發生時針對不同情況的逃生需求，從而可能會導致不必要的傷亡，因此，為了提升老年公寓在火災事故時的人員疏散速度，設計合理的疏散指示標志系統，并結合具體位置進行逃生路線優化指導，提高疏散的效率。

此次研究中，將利用BIM技術的方法，設計改善優化老年建筑消防疏散速度的系統。

2.3.1 組成部分

由BIM建立建筑信息模塊，結合利用當前先進的人工智能系統，以防火設計模塊、火災模擬模塊、人員安全疏散模塊、消防應急預案模塊、消防信息管理模塊和包含老年公寓在修建之初所使用的BIM建筑信息模板為基礎，組成智能化的應急救援系統。系統整體結構如圖2所示[4]。

圖2 系統整體結構設計

2.3.2 工作原理

在火情發生時，系統通過預先設置好的數據庫，獲取建筑整體結構模型，并根據火情發生的地點和危險程度，通過對某個老人不同逃生線路的整體模擬分析以及在計算機軟件中模擬不同逃生路線狀況對老人的逃生路線提前模擬預演，并根據老人的身體狀況及時修改路線，及設計消防設計模塊，并在此過程中利用傳感器技術、計算機建模技術以及計算機模擬演算實現老年公寓中的老人在火災過程中的逃生路線推演。

系統的具體工作流程原理如下：當火情發生時，系統通過傳感器體系捕捉火情發生的時間地點信息，通過火災模擬模塊準確計算火災初始參數，并對火災火焰的強度、火災所產生的濃煙程度以及火情模擬老年公寓內相關火情區域擴散形勢的現場情況，同時將火災現場收集到的各種數據上傳云端，通過云端窮舉法，計算出火災可能的擴散路線及擴散趨勢，從而根據此計算結果規劃相關逃生方案，為消防疏散救援提供可靠依據。

利用人員安全疏散模塊針對火災情況制定老年人優化的疏散方案，針對老年人的身體狀況，行動能力，體力等制定最安全的疏散方案，并通過對不同樓層的地形狀況分析，合理安排不同年齡段老人的居住結構，以便于在緊急情況做到對老人的有序疏散，對某些有特殊情況的老年人制定特化疏散路線或者提供特殊應急救援方案，為老年公寓消防救援提供最優化的救援方案。

消防應急預案模塊以上述3個模塊為基礎，同時根據火災現場實際情況，針對某些特定的人員疏散情況采取人工介入操作的方式，制定一些特化的臨時應急預案，便于應對在消防疏散過程中可能出現的特殊情況，從而快速制定適合老年人的救援方案。

消防信息管理模塊可管理消防救援過程中系統收到信息的整合記錄，通過對歷史火情記錄的整理分析，歸納出適應本建筑的最優消防方案，同時可在以后方便隨時查閱。經過多方面考證模擬測試結果顯示，該系統可準確構建老年公寓的建筑信息模型，提升消防疏散過程計算精度，有利于消防疏散與應急預案的準確制定。

3 結語

正處于探索階段的智慧養老這種新型養老方式，已然成為當代養老服務行業的一大潮流，巧妙結合迅速蓬勃發展的智能技術，旨在降低行業成本的同時，提高老年人的生活質量。而針對養老建筑的智能防火系統，本研究進行了火警監測、防火結構和應急救援三方面的研究。以ZigBee網絡技術為核心設計火警監測系統，以防火材料和消防設施為核心設計防火結構，以BIM技術為核心設計應急救援系統，構成智能防火系統的重要的三個子系統。在實際應用和后續優化過程中，還需針對系統的實用性與安全問題，以及系統硬件軟件設計方面進行具體的應用可行性檢查，以提升該系統的精準性和實用性。