某廠區廠房宿舍混合樓消防疏散模擬應用分析

楊雪瀅，袁展伍，王艷紅，吳燁 （廣東海洋大學 海洋工程學院，廣東 湛江 524009）

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術是一種在信息技術與建造技術發展的基礎上所產生的建筑工具，能將建筑信息化、模擬化和虛擬現實化[1]。Revit系列軟件是BIM技術運用地最廣泛的軟件之一，在建筑行業中實行模型信息的運用和優化。

在信息化與智能化的時代背景下，智能化與信息化也漸漸融入了建筑行業中。BIM技術被引入中國以來，在工程建設領域掀起了變革性的浪潮，被譽為CAD之后工程建設領域的第二次革命，隨著BIM技術應用的普及和深化，彰顯了巨大的社會價值和經濟價值[2]。隨著建筑行業改革和整體需求的影響不斷加大，各地方政府先后出臺推廣BIM相關政策。

從火災的基本情況看，初步統計，2020年全國共接報火災25.2萬起，死亡1183人，受傷775人，直接財產損失40.09億元。結合當下消防安全的重要性和形勢，利用BIM技術與Pathfinder對廠房和宿舍樓分別的消防疏散模擬更為廣泛，本文以廠區廠房與宿舍混合樓作為研究對象，宿舍與餐廳屬于人員密集區，廠房建設中工程管線較復雜。因此本項目運用Revit進行模型的基本建造，再導入至Pathfinder完成消防模擬。

1 Revit模型建造

本項目選取的是工業廠區中的某廠房宿舍混合樓為研究對象，以CAD平面圖為基礎，通過Revit建模。BIM三維模型如圖1所示。

圖1 BIM三維模型圖

2 消防模擬

2.1 Pathfinder仿真工程軟件簡介

Pathfifinder仿真工程軟件是美國Thunderhead Engineering公司研發的智能人員緊急疏散逃生評估系統[3]。本項目是直接運用IFC文件導入生成模型。利用“族”這一特性在Revit與Pathfinder進行模型移植時得到了很好的保留[4]。當把Revit生成的IFC導入Pathfinder后，原構件均會按照類別劃分，如樓梯、樓板等，便于定位與修改相關參數。

2.2 模型信息

該混合樓建筑結構形式為框架結構，耐火等級為二級，為丁類二級廠房，總建筑面積為2500㎡，樓層高約16.2m，地上4層，局部5層，首層廠房由組裝班、大線班、原料庫及車間組成，二層餐廳，三四層均為娛樂和宿舍區域，房間疏散門凈寬度為1m，每層有18個宿舍，每個宿舍兩人。該棟的東西兩側各有一個疏散樓梯，樓梯寬度是3m，首層有一個卷簾門，兩個寬度是2.4m和2m的平開疏散門。首層平面圖如圖2所示。

圖2 首層平面圖

2.3 Pathfinder參數設定

建立Pathfinder模型后首要的是處理多余的建筑部分，使模型簡化，然后確定人數。疏散人數與建筑面積、建筑類型等多個因素相關，人員疏散速度也有多方面的影響因素，如性別、年齡等。疏散運動時間（Tmove）受疏散人員密度和行進速度、建筑物疏散走道通行能力、疏散口疏散速率和瞬時人流量等因素影響[5]。

按照工業建筑防火規范要求：丁、戊類廠房，每層建筑面積不大于400㎡，且同一時間的作業人數不超過30人。本項目各層建筑面積約550㎡，首層同一時間作業人數為42人，根據普通辦公室0.25人/㎡，首層中其他房間均有設定2個人員，設定第二層的廠房每人至少0.66㎡。三四層每個宿舍為2人。按照最大人數設定為481，第一層總人數為46人，二層363人，三、四層是36人/層。疏散速度取1.2m/s，人員肩寬取42cm，布置模式選擇隨機模式。

在模擬方式上,通過SFPE模式或Steering模式的行為模型來控制人員運動[6]。Steering模式是路徑規劃、指導機制、碰撞處理相結合控制人員運動[7]。由于Steering模式更貼合實際情況，本文疏散選用Steering模式。假定發生火災時，人員都是遠離著火點，選擇最近的疏散路徑出去，設定安全疏散時間范圍是5min～7min。

2.4 建立模型

首先將Revit宿舍模型導出為IFC文件并導入到Pathfinder中，轉換成仿真模型，再根據原CAD圖紙調整此模型的內容，如門窗、疏散樓梯的布置等，并簡化模型。根據設定條件添加各層人數和設置人員行為。正常人反應速度在300ms左右，設定延遲時間是0.3s。

宿舍疏散所需疏散時間（Trest）計算公式如下：

Trset為工人疏散總時間，單位s；TA為火災報警時間，經過研究得知，TA取值30s；TC為聽到火災警報器響到開始疏散的反應時間，TC取值 0.3s，此參數直接在軟件中設定；TB為學生聽到火災報警響起開始疏散的時間。判定人員能否安全疏散的重要標志是，發生火災時，可用于安全疏散允許時間＞Trset時，可以安全疏散[8]。廠房工人的仿真模擬模型圖如圖3所示。

圖3 工人的仿真模擬模型圖

2.5 場景模擬

本文假設了三種場景進行疏散模擬，分別是正常情況、東側樓梯無法使用、西側樓梯無法使用。首先是正常情況，當火災發生時，人員通過東西兩側樓梯進行疏散。模擬所用時間（Sim Time）為 208.5s，剩余人員數量（Occs-Rem）為0人，模擬總人數是481人，人員距疏散門最短距離為3.5m。根據計算得 Trset=238.5s，約為 3min～4min，安全。

場景二是通過設定東側樓梯不能正常使用，人員只能在西側樓梯通行的模式進行疏散模擬，其他參數不變。由數據可得，模擬所用時間（Sim Time）為365.3s，剩余人員數量（Occs Rem）為0人，模擬總人數是481人，根據計算=395.3s，約為6min～7min，安全。

場景三是假設西側樓梯不能正常使用，人員只能在東側樓梯通行的情景。其他參數不變。由數據可得，模擬所用時間（Sim Time）為 358.5s，根據計算Trset=388.5s，約為6min，安全。較場景2，場景3所用時間較短，說明東側樓梯疏散效率高，西側樓梯疏散時擁擠情況更為嚴重。結合以上三種模擬數據，情況均符合規范中的疏散時間。三種場景下人員移動距離如表所示。

三種場景下人員移動距離

正常情況時，兩側樓梯通行最大人員密度是2.8人/m2，疏散過程中出現樓梯擁堵情況。運行前人群分布均勻。東西側樓梯分別是樓梯1和樓梯2。當兩邊疏散樓梯正常使用時，西側樓梯使用頻率更高。在170.11s時東側樓梯人員疏散結束，而西側樓梯人員于約200.04s時疏散完畢，較東側樓梯多30s。東西兩側一層樓梯使用情況如圖4所示。

圖4 東西兩側一層樓梯使用情況

在場景2中，由于東側樓梯無法正常使用，或假設東側樓梯發生火災，混合樓人員只能從西側樓梯進行疏散，二層人員密度最大，是發生擁擠情況最嚴重的位置。因此在此模擬情況下著重分析二層樓梯使用情況。在運行前，二層人員符合隨機分布原則，西側樓梯最大人員密度達到 0.33m2/人，出現擁堵，且直到二層最后一個人疏散離開是在342.7s，所用時間較長。樓梯服務情況如圖5所示。

圖5 樓梯服務情況

3 場景優化

上述三種場景模擬的疏散時間均符合規范要求。但由場景模擬可得，大部分人流擁擠在樓梯口處，疏散效率較低，為了進一步縮短疏散時間，提高疏散效率，本文利用西側陽臺的空閑位置，增加一個疏散門，以此進行進一步的疏散模擬試驗。由模擬可得，Sim Time為206.3s，經計算得疏散總時長 Trset=236.3s。總時長較正常模擬場景縮短了2s，大大提高了疏散效率。

4 總結

以某廠區廠房與宿舍混合樓為例，基于Revit軟件建立建筑結構模型，應用Pathfinder進行疏散模擬。利用Pathfinder軟件模擬正常情況、只在東側樓梯通行和只在西側樓梯通行三種場景，經分析得三種場景下的疏散時長均符合消防疏散時間要求，且西側樓梯使用強度最高。此外，發現了以下問題，一是在進行疏散時，兩部樓梯的利用率不同，人員在隨機分布設定下，左右疏散出口的人員總數不均，人員進行疏散的時候，樓梯口會出現擁擠的情況，導致疏散時間變長。二是利用Pathfinder軟件模擬時有隨機性，在重新任意布置人員位置時，疏散時間有一定差異。模擬時難體現消防栓等消防用具的作用。綜合模擬情況可得：利用Pathfinder進行疏散模擬并優化設計方案可行，可廣泛應用在類似工程項目中。

基于分析結果和實際情況，廠房與宿舍的工作生活人員應定時舉行消防演習，注重作業習慣和工序，減少或杜絕火災發生。如果發生火災，定時消防演練與培訓能夠使人員在火災中有序疏散，規劃每一個廠房區域的疏散路線，進一步減少疏散時間。