BIM與CFD聯合模擬在建筑防排煙設計中的應用研究

引言

建筑火災是一種突發事件，煙氣的擴散和控制直接影響人員安全與建筑物損害程度。傳統的防排煙設計依賴經驗判斷和簡化計算方法，難以全面模擬火災煙氣流動情況，導致系統優化程度有限。BIM技術可實現對建筑信息的三維可視化管理，而CFD技術可通過流體動力學分析，精確模擬煙氣擴散過程。兩者結合能夠顯著提升建筑防排煙設計的科學性和合理性。

一、BIM與CFD在建筑防排煙設計中的理論基礎

（一）BIM技術概述

BIM技術是一種基于數字化信息管理的建筑設計方法，能夠在建筑全生命周期內提供高效的數據管理和協同支持。通過三維建模，BIM可以實現建筑結構、管線布局及設施設備的可視化呈現，使設計團隊能夠更直觀地理解建筑空間結構，優化防排煙系統的布置方案。在防排煙設計中，BIM還能夠整合建筑內外部氣流數據、通風設備參數及火災模擬信息，為CFD分析提供精確的幾何模型及邊界條件，提高煙氣擴散模擬的準確性。BIM平臺能夠存儲、分析和管理建筑數據，為建筑運維階段的防火管理和應急響應提供支持，使防排煙系統的運行狀況可視化、可預測、可優化[1]。BIM技術在建筑防排煙設計中不僅提升了設計效率和精準度，還增強了建筑安全性，為防災減災工作提供了重要的技術支撐。

（二）CFD技術概述

CFD（Computational FluidDynamics）技術是一種利用數值方法求解流體流動和傳熱問題的技術，在建筑防排煙設計中發揮著重要作用。CFD能夠模擬火災條件下煙氣的擴散路徑、溫度變化、空氣流動特性及能見度等關鍵參數，為防排煙系統的設計提供科學依據。以煙氣擴散模型為例，通過引人Navier-Stokes方程進行定量描述：

該方程揭示了流體流動過程中質量守恒的基本原理。其中 _，ρ 為流體密度， 為速度矢量， Ψ_t 為時間， P 為壓力 _，μ 為動力黏度， 為外力。同時，搭配一個簡單圖表，示意方程中各參數在火災煙氣擴散場景中的對應含義。公式是Navier-Stokes方程中各參數在火災煙氣流動中的直觀表示，箭頭表示速度矢量 u 的方向和大小，不同顏色或陰影區域代表密度的變化。這些參數共同作用于火災煙氣的擴散過程，影響著煙氣的流動路徑、速度和濃度分布，進而決定了建筑內人員的疏散路徑和排煙系統效率[2]

（三）BIM與CFD結合的優勢

BIM與CFD的結合突破了傳統防排煙設計的局限，能夠提高設計精度，優化防排煙系統布局。BIM技術通過提供建筑結構與設備參數，為CFD模擬煙氣擴散提供精確的幾何模型和邊界條件，使防排煙系統的設計滿足實際需求[3]。CFD 技術基于BIM 模型進行火災煙氣模擬，分析不同火災場景下的煙氣流動路徑、溫度分布和能見度變化，從而優化防排煙系統的布局和排風口設置，提高煙氣擴散模擬的準確性，如表1所示。二者結合不僅提升了防排煙系統的精細化設計水平，還能通過三維可視化技術直觀呈現模擬結果，便于設計團隊進行協同管理和優化調整。BIM與CFD的聯合應用還可以在建筑全生命周期內發揮作用，從設計階段的系統優化到施工階段的動態調整，再到運維階段的消防安全評估，都能提供高效的數據支持和模擬分析，從而大幅提升建筑火災防護能力和安全管理水平。

二、BIM與CFD在建筑防排煙設計中的關鍵技術

（一）建筑模型的BIM構建

在防排煙設計中，BIM需建立精確的建筑三維模型，該模型應涵蓋房間結構、通風管道、排煙風機及其他相關設備的詳細信息。為了確保BIM數據的完整性，建模過程中需綜合考慮建筑幾何信息、材料屬性、設備參數等因素，以提供精確的建筑信息基礎[4]。三維建模不僅能提高空間布局的合理性，還能為CFD模擬提供高質量的幾何輸入，確保煙氣擴散分析的準確性。BIM技術的參數化特性允許設計人員根據不同的火災場景快速調整建筑結構和排煙系統配置，提高設計的靈活性和適應性。在BIM平臺上集成防排煙系統，還能通過碰撞檢測發現潛在的設計沖突，優化設備布置，減少施工中的修改成本。BIM技術在防排煙設計中的應用不僅提高了模型的可視化程度，還能結合CFD技術模擬煙氣流動特性，為科學合理的防排煙設計提供數據支撐。

（二）CFD火災煙氣模擬的參數設置

在CFD火災煙氣模擬中，需合理設置邊界條件，以確保計算結果的準確性和工程應用的可行性。火源位置的選擇至關重要，應根據建筑結構和火災風險評估設定合理的火源區域，同時定義熱釋放速率，以反映不同類型火災的燃燒強度。空氣流動速度是影響煙氣擴散的重要因素，應結合室內外通風狀況、HVAC系統運行參數以及建筑物內外氣壓差進行綜合設定。煙氣生成速率直接決定了火災初期煙氣的蔓延速度，應基于燃燒材料的特性進行數值設定。在研究中，需充分考慮建筑內外環境因素，如風速、溫度、濕度等，這些參數在火災發展過程中會對煙氣運動模式產生顯著影響。室內溫濕度決定了煙氣的浮升特性。通過科學設定這些參數，并結合實測數據進行校核，可提高CFD模擬結果的可靠性，為防排煙系統的優化設計提供準確的數據支持。

（三）計算網格劃分與數值求解方法

合理的網格劃分對CFD計算精度至關重要，應結合計算區域的幾何復雜性和流場特性合理劃分網格。通常采用非結構化網格對火源區域進行細化，以提高計算精度，同時在遠離火源的區域采用較為粗略的網格，以減少計算量并提升計算效率。為更準確地描述湍流特性，應選擇合適的湍流模型，如k-模型 ?×k-?ω-SST 模型或大渦模擬（LES）等，針對不同的火災場景和流場特性，選擇最優模型，以確保數值模擬的準確性。在求解過程中，需合理設置邊界條件和離散格式，選用合適的數值求解方法，如有限體積法（FVM）或有限差分法（FDM），以保證計算的收斂性和穩定性。還需進行網格無關性分析，通過對比不同網格密度下的計算結果，確保計算精度滿足工程應用需求。合理的網格劃分與數值求解方法相結合，可有效提高CFD模擬的精確度，優化防排煙系統設計，為建筑消防安全提供科學依據。

（四）結果分析與優化調整

模擬完成后，需對煙氣流動路徑、溫度分布、能見度等關鍵數據進行全面分析，以評估防排煙系統的性能并優化設計方案。通過CFD模擬可以直觀地呈現煙氣在不同時間節點的擴散情況，分析高溫區與低溫區的分布，評估火災對不同區域的影響。溫度分布分析有助于確定關鍵疏散通道是否受到高溫威脅，并判斷防火分區的有效性。能見度作為火災環境下影響人員安全的重要因素，其分布情況直接決定了人員的疏散難度。CFD模擬可以提供不同高度層的能見度數據，幫助優化照明系統和逃生路線。根據模擬結果，可進一步調整排煙口的位置、尺寸及風機功率，以提高排煙效率。例如，如果某區域的煙氣滯留時間較長，可以通過增加局部排煙口或提升風機功率來加速煙氣排放，從而改善疏散條件。模擬可驗證不同工況下的防排煙系統運行效果，如自然通風與機械排煙結合方案的優劣。通過反復優化和驗證，確保最終設計方案能夠在實際火災場景中提供高效的排煙能力和良好的人員疏散環境，提高建筑的整體安全性。

三、案例分析

（一）工程背景

以某高層商業建筑為案例，探討BIM與CFD聯合模擬在防排煙設計中的應用。該建筑總高度約100米，包含地下三層和地上二十層，主要功能包括商場、寫字樓及停車場。建筑內部設有多個防火分區，采用機械排煙和自然排煙相結合的方式。由于建筑面積大、人員密集，一旦發生火災，煙氣的擴散速度及其影響范圍將對人員疏散和消防救援構成重大挑戰。在設計階段，應用BIM與CFD技術對防排煙系統進行優化，以提高煙氣控制能力和通風效率。基于BIM技術構建建筑模型，并結合CFD模擬分析不同火災場景下的煙氣流動情況，評估現有防排煙系統的性能。重點關注火源位置對煙氣擴散的影響、不同通風模式下的排煙效率以及溫度分布對疏散路徑的影響。通過調整排煙口的位置、通風系統風量和消防聯動控制策略，優化防排煙系統布局，確保在火災發生時能有效控制煙氣蔓延，提高人員疏散的安全性。本案例研究不僅驗證了BIM與CFD聯合模擬在建筑防排煙設計中的可行性，還為類似高層建筑的消防安全設計提供了數據支持和優化方法。

（二）BIM建模與CFD模擬

BIM技術用于構建詳細的建筑三維模型，包括建筑結構、房間布局、通風系統及消防設施等關鍵數據，并確保所有參數與實際情況高度匹配。在CFD模擬環境中導入BIM模型后，需要對防排煙系統的關鍵要素進行優化設定，如煙氣流動路徑、通風口布局及排煙風機參數等。本文假設火災發生于地下停車場，設定火源熱釋放速率為5MW，并結合不同火災場景調整火源位置。為了精確模擬煙氣擴散特性，采用Navier-Stoke方程進行計算，該方程描述了流體在控制體積內的質量、動量及能量守恒關系：

其中 ?_Sρ 為流體密度， u 為速度矢量， P 為壓力 ，μ 為流體動力黏度， g 為重力加速度。這些參數決定了火災煙氣的流動特性，影響煙氣的蔓延速度、壓力分布及溫度變化。在CFD計算過程中，需進一步定義邊界條件，包括火源區域的熱釋放速率、環境風速、初始溫度場及建筑內部空氣流動特性。同時，為了提高計算精度，采用 k-ε 湍流模型，計算湍流擴散效應。該模型的標準形式為：

其中， k 為湍動能， 為湍能耗散率， G_k 為湍流生成項， C₁，L_c2，σh，σ∈ 為經驗常數。這些方程可用于計算火災煙氣流動的湍流特性，評估煙氣擴散速度及湍流混合情況。在數值求解方面，采用、有限體積法（FVM）進行離散化計算，并通過網格無關性分析確保計算精度。通過數值模擬，可以得到不同時間節點下的煙氣擴散特性，包括煙氣蔓延速度、溫度分布、能見度變化及氧氣濃度變化等，進而評估防排煙系統的有效性。基于計算結果，提出優化方案，如調整排煙口位置、優化通風系統布局或增加補風策略，并對比優化前后的計算結果，以評估調整方案對排煙效率和人員疏散條件的改善程度，從而為建筑防排煙設計提供科學依據。

（三）結果分析

模擬結果表明，火災發生后，煙氣迅速沿著建筑內部通道蔓延，僅3分鐘內便擴散至上層通道，導致局部溫度顯著上升，能見度大幅下降，影響人員疏散和消防救援。煙氣的快速傳播主要受到建筑內部氣流組織、火源熱釋放速率以及通風系統運行狀況的影響。

高溫煙氣在火源周圍形成熱羽流，并在浮升力作用下向上擴散，遇到天花板后沿著水平路徑傳播，最終導致火災區域周圍的能見度下降至不足5米，嚴重影響逃生通道的可行性。為了改善排煙效果，通過調整排煙口位置、優化通風系統參數，并增加風機功率，使得煙氣排放效率提高，排煙時間縮短 20% ，有效抑制了煙氣的擴散范圍，如表2所示。優化后，火災發生后5分鐘內關鍵疏散通道的溫度下降至安全閾值，能見度提高至10米以上，極大地改善了人員逃生條件，同時降低了高溫煙氣對建筑結構的破壞風險。該模擬結果表明，合理配置防排煙系統、優化風機功率及排煙口布局，能夠顯著提升建筑的防火安全性，為防排煙系統的進一步優化提供科學依據。

結語

BIM與CFD聯合模擬技術在建筑防排煙設計中具有顯著優勢，可提高煙氣擴散模擬的精準度，優化排煙系統布局，提高建筑安全性能。未來，隨著計算能力的提升和算法優化，BIM與CFD技術在智能建筑防災系統中的應用將更加廣泛，為建筑安全提供更科學的技術支撐。

參考文獻

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