基于BIM的建筑火災疏散仿真研究綜述

尹強 王立曉

作者簡介：

尹強（1995- ），男，漢族，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：應急疏散。

摘要：建筑火災威脅到人民生命財產安全，因此研究建筑火災中人員快速有效安全疏散具有重要意義。BIM（Building Information Modeling）技術因其具有可視性、協調性及可模擬性等優點，廣泛應用于建筑火災疏散仿真領域。本文以BIM技術為基礎，以建筑火災下人員應急疏散為角度，從火災仿真、疏散仿真兩個方面進行綜述，歸納BIM技術在國內外火災疏散仿真研究成果的基礎上，分析其不完善之處，為后續學者在關于BIM的建筑火災疏散仿真領域的研究提供一定的借鑒。

關鍵詞：建筑信息模型；綜述；火災仿真；疏散仿真；應急疏散

引言

隨著城市化的日益發展，建筑火災發生的頻率不斷上升，嚴重威脅著人民的生命財產安全。據應急管理部消防救援局數據顯示，2021年共接報火災74.8萬起，死亡1987人，受傷2225人，直接財產損失67.5億元[1]。因此，在建筑火災發生時如何能夠及時有效疏散現場人員，減少生命財產的損失尤為重要[2]。計算機仿真可以進行火災仿真和疏散仿真，直觀地模擬火災下人員疏散行為，有助于制定有效的疏散方案[3]，但以往研究仍存在建模過程復雜和建筑模型不夠精確等問題，降低了仿真的效率。隨著BIM技術的發展，研究者逐漸將BIM應用于火災仿真和疏散仿真，利用BIM建立完整、精確的建筑模型等優勢，解決以往火災仿真和疏散仿真存在的問題，提高了仿真的效率。BIM作為建筑信息模型，因其具有模擬性、可視化、可協調性等優勢[4]，被研究人員廣泛應用于火災仿真和疏散仿真。其模擬性特點可以為疏散救援提供模擬場景，使人們能在電腦上進行消防疏散演習，既能給沒有參與過實際演習的人們帶來火災場景的真實感受，也能降低消防演習的成本；可視化特點為救援疏散提供空間視覺體驗；可協調性特點可以將實際建筑物整合成三維可視化模型，便于漫游體驗，使消防救援人員可以直觀、迅速地掌握火災建筑周邊情況及建筑內部信息[5-6]。

一、BIM技術應用于火災仿真

20世紀70年代，美國火災科學之父H.W Emmons教授將能量守恒、動量守恒和質量守恒原理與建筑火災研究相結合，開創建筑火災過程機制研究先河，并為火災科學的理論研究奠定基礎。20世紀80年代，隨著計算機應用技術的發展與崛起，計算機數值模擬技術開始被引入火災發生后的事故分析，并在第一屆國際火災會議后確定其對于火災人員疏散問題研究的應用價值，標志著計算機數值模擬技術與火災科學研究領域的結合開始進入全面發展階段[7]。最初學者僅僅利用火災軟件對疏散者在火災中疏散的效率進行研究。張志魁[8]、齊珈[9]等學者利用火災仿真軟件Pyrosim建立建筑模型，并模擬火災發生過程煙氣蔓延情況，但是由于對建筑建模時進行了簡化，無法全面反映建筑環境，且簡化后建筑構件細節的丟失會使模型不夠精確，因此準確性有待進一步提升。后續逐漸有學者將BIM技術與火災仿真相結合，解決了由于火災仿真軟件無法建立完整、精確的建筑信息模型的問題，提升了火災仿真的準確性。鄧朗妮[10]、NafisehLotfi[11]、吳夢軒[12]、黃麗蒂[13]等學者利用BIM軟件建立建筑信息模型，導入火災模擬軟件Pyrosim分析煙氣擴散、溫度分布及能見度對人員疏散逃生的影響。研究發現，BIM結合火災仿真軟件，既實現了快速、準確、詳細地建立建筑模型，又提高了模擬結果的準確性。但以上研究在BIM模型與火災仿真軟件之間的數據傳輸依靠的是DWG、DXF等中間文件，在傳輸和存儲的過程中重要信息會丟失，而構件的材質信息會對火災的發展趨勢有重要影響，火災發展的趨勢可能直接影響疏散者的疏散行為[14-16]，并直接影響到模擬結果的準確性和符合實際情況的程度[17]。后續有學者使用二次開發技術，優化BIM與火災仿真軟件之間的數據交流[18]，但火災軟件仍需單獨創建網格、障礙物等繁瑣流程，且BIM平臺與火災仿真軟件的交互還不夠便利[17]。

綜上可知，目前研究者大多數利用BIM具有完整的、精確的建筑信息模型這一優勢與火災仿真軟件結合，研究中仍存在BIM軟件與火災仿真軟件數據傳輸的問題。

二、BIM技術應用于疏散仿真

由于BIM可以建立完整、精確的建筑模型，研究人員將BIM與疏散仿真軟件、GIS和VR等結合進行了研究，BIM不僅解決了疏散仿真軟件中疏散場景不夠真實的問題，而且與GIS相結合，實現了室內外聯合疏散研究。通過與VR的結合實現了動態的疏散路徑規劃，并應用于疏散演練，有利于對疏散行為的分析和對疏散效率的評估。

將BIM和疏散仿真軟件相結合，不僅可以減少疏散仿真軟件建立建筑模型的工作量，還能為疏散仿真提供更符合實際的疏散場景[6]。雖然比以往使用仿真軟件建立建筑模型工作量更小，建筑模型更精確[19]，但由于目前BIM與火災仿真軟件的文件傳輸過程中存在數據丟失的問題，導致BIM的建筑信息不能得到充分利用。

肖木峰[20]、閻衛東[21]、馬亞娜[22]、何欣[23]、張蒙[24]、Rania Wehbe[25]、Hui Zhang[26]等學者利用BIM建立建筑模型，進行簡化后導入疏散仿真軟件Pathfinder進行疏散仿真研究，研究可知使用BIM建立建筑模型工作量更小，比仿真軟件建立的建筑模型更加符合實際。王婷[27]利用BIM建立建筑模型，簡化后導入疏散仿真軟件Building Exodus中進行人員安全疏散分析。Yuchun Tang[28]利用BIM的二次開發技術，將BIM建筑模型導入到疏散仿真軟件Anylogic中進行疏散仿真研究，研究結果有利于對疏散效率的評估，但在BIM建筑模型導入到疏散仿真軟件的過程中，還是會存在建筑材質、門和樓梯構件等丟失的情況，需要自己手動建模來完成。

由以上研究可知，BIM可以使建立建筑模型的工作量減少，但如何充分利用BIM的建筑信息，保證BIM建立的建筑信息模型完整地導入疏散仿真軟件中而不丟失數據，仍值得進一步研究，未來可以研究將疏散仿真軟件和火災仿真軟件整合進BIM平臺，形成基于BIM的火災疏散仿真平臺。

結語

由于建筑火災對人民的生命財產造成重大威脅，建筑火災疏散領域備受國內外學者關注，BIM因其具有模擬性、可視化、可協調性等特點，被研究者廣泛應用于建筑火災疏散仿真，也取得了大量的成果。通過對相關文獻的綜述，得到的結論如下：

第一，BIM模型與火災仿真軟件和疏散仿真軟件之間的數據傳輸存在數據丟失的問題，影響仿真的精度，未來研究者可以將火災仿真和疏散仿真與BIM集成，實現BIM與火災疏散仿真一體化，形成基于BIM的火災疏散仿真平臺。

第二，可以充分利用BIM和GIS的優點，實現室內外一體化疏散仿真，大力增強BIM信息技術的應用能力，但BIM和GIS的結合仍處于起步和探索階段，值得我們進一步研究。

第三，現有基于BIM和VR的火災疏散演練研究中，缺乏對火災情境下疏散者心理的研究，未來研究可通過基于BIM與VR的沉浸式疏散演練，研究行人在疏散時的心理特征對疏散行為的影響。

參考文獻

[1]應急管理部消防救援局.2021年消防接處警創新高，撲救火災74.5萬起[EB/OL].（2022-01-20）［2022-9-17]. https：//www.119.gov.cn/article/46TiYamnnrs.

[2]王衛華，吳淑嫻，程建.建筑物人員疏散方案的數學模型研究[J].武漢理工大學學報，2010，32（11）：155-158+162.

[3]趙一丁.基于BIM的建筑火災及疏散數值模擬方法研究[D].西南交通大學，2018.

[4]黃麗蒂，許欣欣，劉瑩，等.安全視角下的老齡化社區路網應急疏散與路徑優化研究[J].現代城市研究，2022（08）：16-23.

[5]秦艷慧，胡孔知. BIM技術在建筑火災中的應用綜述[J].青島理工大學學報，2022（01）： 58-65.

[6]王付宇，種法雯，陳夢凱. 基于BIM技術的室內火災應急疏散路徑優化問題研究綜述[J].南陽理工學院學報，2017（06）： 6-14.

[7]李志勇.基于BIM的高層公共建筑火災仿真與人員疏散規劃研究[D].天津理工大學，2021.

[8]張志魁.基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火災數值模擬和安全疏散研究[D].天津理工大學，2015.

[9]齊珈.基于PyroSim的火災人員疏散模型研究[D].廣西大學，2018.

[10]鄧朗妮.基于BIM的火災模擬與安全疏散研究[J].施工技術，2017（24）： 79-82.

[11]Lotfi N，Behnam B，Peyman F. A BIM-based Framework for Evacuation Assessment of High-rise Buildings Under Post-earthquake Fires[J]. Journal of Building Engineering（S2352-7102）， 2021， 43： 102559.

[12]吳夢軒.基于BIM的高層建筑火災安全預警模型及仿真研究[D].西安建筑科技大學，2020.

[13]黃麗蒂.老年公寓火災場景人群疏散模擬[J].中國安全科學學報，2020，30（03）：137-142.

[14]郝閔熙，王立曉，孫小慧.考慮參考點異質性的出口選擇行為仿真研究[J].交通科技與經濟，2021，23（06）：32-39+45.

[15]王立曉，于江波，孫小慧.考慮心理異質性的地鐵應急疏散行為決策建模[J].中國安全科學學報，2021，31（10）：119-126.

[16]王立曉，蓋筱培，孫小慧.考慮決策規則異質性的地鐵應急疏散選擇行為研究[J].公路工程，2022，47（06）：180-187.

[17]張博.基于BIM的公共建筑火災疏散仿真及設計優化[D].大連理工大學，2021.

[18]呂?？讒蓩?，陳瑤. 基于建筑信息模型與Pyrosim軟件的地鐵車站火災模擬仿真方法[J].城市軌道交通研究，2019（06）： 147-151.

[19]邵志國，王昕鴻，于德湖.基于Revit和Pathfinder的地鐵車站安全疏散模擬研究[J].青島理工大學學報，2021，42（04）：143-148.

[20]肖木峰，周西華，白剛，等.基于Pathfinder的裝配式建筑施工安全應急疏散研究[J].中國安全生產科學技術，2021，17（07）：124-129.

[21]閻衛東. 基于Pathfinder的高校圖書館火災疏散研究[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2021（04）： 627-633.

[22]馬亞娜. 基于BIM技術的建筑火災安全疏散仿真研究[D].蘭州理工大學，2021.

[23]何欣.基于Revit和Pathfinder的商場類建筑安全疏散研究[J].南開大學學報（自然科學版），2016（06）： 14-20.

[24]張蒙. 基于BIM的高層建筑消防應急疏散仿真研究[D].西安理工大學，2020.

[25]Wehbe R，Shahrour I. A BIM-Based Smart System for Fire Evacuation[J]. Future Internet（S1995-5903），2021，13.

[26]Zhang H，Long H. Simulation of Evacuation in Crowded Places Based on BIM and Pathfinder[J]. Journal of Physics（S1742-6596）. Conference Series，2021，1880（01）： 12010.

[27]王婷.基于BIM的火災模擬與安全疏散分析[J].土木建筑工程信息技術，2014（06）： 102-108.

[28]Tang Y，Xia N，Lu Y， et al. BIM-based Safety Design for Emergency Evacuation of Metro Stations[J]. Automation in Construction（S0926-5805），2021，123： 103511.