基于BIM 的性能化分析手段在建筑防火設(shè)計(jì)中的研究與實(shí)踐

陸 揚(yáng)

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

近年來，重大火災(zāi)經(jīng)常發(fā)生，傷亡嚴(yán)重的大部分都在建筑物內(nèi)，火災(zāi)中的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全受到極大的威脅，隨著博物館自身的特質(zhì)，館中人員密集，展品價(jià)值昂貴，且大多具有不可復(fù)制性，若出現(xiàn)火情，則極易發(fā)生重大傷亡事故和財(cái)產(chǎn)損失，火災(zāi)中人員疏散是一個(gè)重要問題。一般火災(zāi)避難演習(xí)模擬，大多利用人員實(shí)際驗(yàn)正法，投資許多人力與物力，而且必須要等設(shè)計(jì)完成后實(shí)施，且花費(fèi)甚巨不符合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。因此，本研究依據(jù)了BIM建筑信息模型與FDS程序虛擬評(píng)估，確保消防安全是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 建筑信息模型

建筑信息模型[1]是在數(shù)字化的建筑中用虛擬建筑構(gòu)件表達(dá)現(xiàn)實(shí)中建筑物的構(gòu)件，所有的內(nèi)容都是以獨(dú)有的構(gòu)件形式存在，比如墻、梁、樓板、屋頂、門、窗等。每個(gè)構(gòu)件都有相應(yīng)的尺寸與信息內(nèi)容，這些信息內(nèi)容可以通過手工文件映射的方法或針對(duì)性能化防火分析進(jìn)行二次開發(fā)，將信息轉(zhuǎn)換為火災(zāi)模擬所需要的參數(shù)，如圖1所示，墻可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置構(gòu)造層，附于相應(yīng)的厚度和材質(zhì)。

圖1 墻的構(gòu)造和材料

圖2根據(jù)建筑防火等級(jí)確定構(gòu)件的耐火極限，并可以在轉(zhuǎn)換為火災(zāi)模型時(shí)自動(dòng)進(jìn)行分類。

為了實(shí)現(xiàn)防火總體目標(biāo)和功能目標(biāo)，建筑材料、建筑構(gòu)件、系統(tǒng)組件以及建筑方法等必須滿足一定性能水平的要求。以往做火災(zāi)模擬由于軟件本身的局限性，所有的模型和構(gòu)件信息、建筑材料參數(shù)必須重新定義，而這些信息將對(duì)建筑的防火分隔、火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)，甚至自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的性能提出要求。圖3是直接利用建筑信息模型根據(jù)構(gòu)件提取的參數(shù)信息，如比熱容、密度、傳導(dǎo)率、熱阻、熱導(dǎo)系數(shù)等。圖4是FDS火災(zāi)模型中的材料參數(shù)以及噴淋頭和煙感。

2 火災(zāi)煙氣擴(kuò)散模擬模型

2.1 火災(zāi)幾何模型

FDS程序可以借助其它三維造型軟件和網(wǎng)格生成工具，處理較為復(fù)雜的幾何場(chǎng)景，但這種方式是不含有任何數(shù)據(jù)信息的。FDS除了可以解決火災(zāi)發(fā)生及煙氣的發(fā)展和蔓延過程，還包含分析火災(zāi)探測(cè)器和水噴淋滅火系統(tǒng)的功能模塊，可研究相應(yīng)的消防設(shè)施對(duì)于火災(zāi)發(fā)展的影響。

FDS幾何模型尺寸的建立主要是依據(jù)建筑信息模型，整個(gè)博物館功能包括展覽區(qū)、演示區(qū)、創(chuàng)作區(qū)、交流區(qū)、內(nèi)部辦公區(qū)、藏品庫(kù)房和設(shè)備用房等。北側(cè)作為辦公和創(chuàng)作，中部為展覽區(qū)，南側(cè)為主入口與公共活動(dòng)區(qū)。通過空間尺度和椎體比例的變化、場(chǎng)所感的營(yíng)造等手段來展示藝術(shù)家的作品，使得人們?cè)趨⒂^的行進(jìn)過程中有不同的體驗(yàn)和感受。圖5是通過建筑信息模型轉(zhuǎn)換為火災(zāi)模型的三維視圖。

在使用建筑信息模型的軟件中將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸類，設(shè)計(jì)火災(zāi)發(fā)生的場(chǎng)景并設(shè)置材質(zhì)的相關(guān)參數(shù)采用文件映射的方法輸出，火災(zāi)模擬軟件結(jié)構(gòu)樹如圖6，圖7是總結(jié)如何將建筑信息模型轉(zhuǎn)換到火災(zāi)模擬軟件并進(jìn)行分析的工作流程圖。

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景模型

由于文章篇幅所限，僅對(duì)風(fēng)險(xiǎn)性大的火災(zāi)場(chǎng)景中央通高序廳進(jìn)行分析，本項(xiàng)目采用二級(jí)耐火等級(jí)設(shè)計(jì)，建筑高度20 m。20 m中央通高序廳為交通組織樞紐，具有內(nèi)部空間大、使用功能復(fù)雜、火災(zāi)載荷大、人員密度大等多方面的特點(diǎn)。如果序廳或序廳周邊房間一旦失火，火勢(shì)可在連通的空間里迅速蔓延，造成火源、產(chǎn)煙量及發(fā)熱量的擴(kuò)大;同時(shí)高溫?zé)熈髟谏仙^程中受到周邊壁面或房間冷卻導(dǎo)致煙氣層逐漸下降，并侵入序廳周邊的廊道或房間，致使煙氣充滿整個(gè)序廳及其相鄰建筑空間，煙氣的迅速蔓延會(huì)使安全疏散造成很大的困難。序廳共設(shè)兩組坡道，將人流引導(dǎo)至各個(gè)展廳，是整個(gè)博物館的核心交通空間。序廳采用高位電動(dòng)排煙窗，采用自動(dòng)掃描射水高空水炮滅火裝置2套，流量10L/s，標(biāo)準(zhǔn)圓形保護(hù)半徑20m，水炮為探測(cè)器與水炮一體化設(shè)計(jì)。

模擬選用的參數(shù)描述如下:

1)通過保守考慮該區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)按t2快速火發(fā)展，熱釋放速率為1.8MW;

2)建筑內(nèi)部和外部溫度相同;

3)入口大廳對(duì)外的門打開，由此補(bǔ)風(fēng);

4)排煙方式采用屋頂排煙窗自然排煙;

5)所有通往外部的門在探測(cè)到火災(zāi)后保持開啟狀態(tài);

6)噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)后，火源熱釋放速率保持穩(wěn)定;

7)模擬時(shí)間:1 200s。

圖8為1 200s內(nèi)煙氣擴(kuò)散三維視圖。序廳發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣在走道空間迅速上升，51s煙氣開始向四周擴(kuò)散，112s煙氣擴(kuò)散到旁邊的展廳，525s部分煙氣從頂部的排煙窗排出，但仍有煙氣聚集在屋頂下。

圖9為火源縱剖面溫度分布圖。Y=28的位置，火災(zāi)發(fā)生1 200s后，大部分區(qū)域溫度低于60℃，序廳屋頂周圍溫度較高。

圖10為距地面2m處能見度視圖。在2m標(biāo)高位置，火災(zāi)發(fā)生1 200s后，大部分區(qū)域能見度很高，大于20m。

圖11為距地面7m處能見度視圖。在7m標(biāo)高位置，火災(zāi)發(fā)生1 200s后，大部分區(qū)域能見度很高，大于10m。

圖12為距地面12m處能見度視圖。在12m標(biāo)高位置，火災(zāi)發(fā)生430s后，大部分區(qū)域能見大于10m，之后能見度逐漸降低，對(duì)疏散造成危險(xiǎn)。

圖13為距地面2m和7m處溫度分布視圖。1 200s溫度基本上都小于60℃。

圖14為距地面12m處溫度分布視圖。184s溫度小于60℃，之后逐漸增大超過人體所受極限值。

圖15為距地面2m處CO2分布視圖?；馂?zāi)發(fā)生540s時(shí)，濃度低于1%。到1 200s之間序廳內(nèi)的二CO2濃度積聚增大。圖16為距地面7m處CO2分布視圖。火災(zāi)發(fā)生236s時(shí)，濃度低于1%。圖17為距地面12m處CO2分布視圖?；馂?zāi)發(fā)生56s時(shí)，濃度低于1%。

通過對(duì)各火災(zāi)場(chǎng)景模擬計(jì)算，得到火災(zāi)環(huán)境可提供的人員安全疏散時(shí)間ASET為540s。即從火災(zāi)發(fā)生到建筑內(nèi)煙氣中CO2濃度、溫度、能見度等達(dá)到人體所能承受的最大限度所經(jīng)歷的時(shí)間。火災(zāi)模擬過程及結(jié)果表明各火災(zāi)場(chǎng)景均可將火災(zāi)環(huán)境維持在人員相對(duì)安全的水平，并有一定的安全余量，表明這些消防措施基本合理。大空間頂部?jī)蓚?cè)必須有開啟排煙窗，保證足夠面積的排煙窗，并有一定數(shù)量的補(bǔ)風(fēng)口，從而能保證煙氣有效排出。

3 人員安全疏散

在進(jìn)行人員疏散分析之前必須先要得到模型信息，然后再描述逃生事件，圖18是總結(jié)如何將建筑信息模型轉(zhuǎn)換到疏散模擬軟件并進(jìn)行分析的工作流程圖。

圖18 工作流程圖

火災(zāi)中影響人員疏散的因素除了煙氣溫度、煙氣能見度和CO、CO2濃度外，建筑內(nèi)環(huán)境和消防管理以及人員等因素也對(duì)建筑內(nèi)人員的疏散產(chǎn)生了不同程度的影響。影響人員安全疏散的因素很多，人的因素，物的因素、環(huán)境的因素和管理的因素等共同作用。

從時(shí)間的觀念上來講，在人員疏散過程中影響人員安全的因素歸結(jié)起來主要有:火災(zāi)探測(cè)時(shí)間、人員響應(yīng)時(shí)間、疏散行動(dòng)時(shí)間和危險(xiǎn)來臨時(shí)間。人員疏散過程中疏散時(shí)間的組成[3]見圖19所示。

圖19 人員安全疏散時(shí)間準(zhǔn)則

出口和樓梯的位置、個(gè)數(shù)和寬度要滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[4]的規(guī)定。本項(xiàng)目共有疏散樓梯5部，所有封閉樓梯間均利于可開啟外窗采用自然排煙，根據(jù)設(shè)計(jì)要求一層平面使用人數(shù)為300人，夾層平面使用人數(shù)為63人，二層平面使用人數(shù)為140人。根據(jù)SFPE消防手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)[2]確定人員疏散時(shí)水平速度為1.19m/s，樓梯下行速度為 0.86m/s，模型內(nèi)的待疏散人員分布如圖20所示。

圖20 模型內(nèi)的待疏散人員分布

可提供的人員安全疏散時(shí)間(ASET)應(yīng)為在火災(zāi)環(huán)境尚未達(dá)到人員耐受極限前人員疏散到相對(duì)安全區(qū)域(比如封閉樓梯間、室外等)即人員所需疏散時(shí)間(RSET)的1.2倍，則能認(rèn)為人員可以安全疏散。該準(zhǔn)則即ASET＞1.2RSET，該規(guī)則為澳大利亞BCA中的規(guī)則，為國(guó)際上通用并認(rèn)可的人員疏散可接受的標(biāo)準(zhǔn)。

如果以所有人員全部撤離室外來判斷安全性標(biāo)準(zhǔn)，那么有部分區(qū)域在特定火災(zāi)場(chǎng)景下，人員疏散時(shí)間較緊，但是實(shí)際上這些區(qū)域人員在火災(zāi)影響到他們?cè)瓉硭巺^(qū)域前已經(jīng)撤離到一個(gè)相對(duì)安全的區(qū)域，因此，需要分階段分區(qū)域疏散的時(shí)間來判定人員安全性能。

表1 人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間

表1給出了三個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景下人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間的比較，圖21－圖23給出了不同場(chǎng)景下人員疏散的路線分布?？偟男枰枭r(shí)間RSET見表3，計(jì)算公式:RSET=感知時(shí)間+響應(yīng)時(shí)間+行動(dòng)時(shí)間。

表2 英國(guó)《BSDD240:1997Fire Safety Engineering In Buildings》中推薦的人員響應(yīng)時(shí)間[5]

表3 總的需要疏散時(shí)間

通過疏散模擬軟件對(duì)人員疏散過程進(jìn)行模擬，通過對(duì)得到人員安全疏散需要時(shí)間RSET的結(jié)果，并于煙氣模擬所得到的有效疏散時(shí)間ASET作比較，進(jìn)行了人員安全性分析。

表4 人員安全性分析

4 結(jié)語

本研究證實(shí)運(yùn)用BIM建筑信息模型根據(jù)火災(zāi)模型的要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)置并提取相應(yīng)的信息是可行的，并解決了以往必須要在第三方軟件里面重建模重設(shè)參數(shù)的狀況。同時(shí)在虛擬的建筑信息模型里就可以在設(shè)計(jì)過程中充分考慮火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展和蔓延的基本規(guī)律與煙氣蔓延規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)確保人員安全疏散的前提下，減少防火投資，增加建筑使用面積，顯著提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，對(duì)今后大型公共建筑火災(zāi)安全疏散性能化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]何關(guān)培.BIM總論(M)中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]“The SFPE hand book of Fire Protection Engineering”第三版.

[3]范維澄，孫金華，陸守香等.火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法學(xué)(M).北京科學(xué)出版社，2004.

[4]GB50016－2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(S).

[5]BSDD 240:Part1:1997 Fire Safety Engineering in Buildings.Guide to the Application of fire safety.

[6]唐方勤，任愛珠，徐峰等.火場(chǎng)人員疏散的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(2):32-36.

[7]許鎮(zhèn)，任愛珠.基于Vega的建筑火場(chǎng)與結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)同步模擬[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(1):63-66.