基于BIM信息模型的高校教學(xué)樓智能疏散系統(tǒng)研究

涂勁松，程 瑞,李瑞霞

(1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012；2.皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

基于BIM信息模型的高校教學(xué)樓智能疏散系統(tǒng)研究

涂勁松1，程 瑞1,李瑞霞2

(1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012；2.皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

疏散安全問(wèn)題一直是公共建筑物的核心問(wèn)題，在商場(chǎng)、教學(xué)樓這樣趨于大型化、多功能化及復(fù)雜化的建筑里，人員密集，建筑火災(zāi)、突發(fā)事件時(shí)有發(fā)生，在造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失時(shí)也成為社會(huì)熱點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。筆者以?xún)?nèi)地某一教學(xué)樓疏散安全問(wèn)題為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和模擬分析，研發(fā)了智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導(dǎo)向裝置，該裝置與控制室的三維BIM模型對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)疏散導(dǎo)向，大大提高了人員密集的公共建筑疏散效率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

疏散速度；路徑選擇；BIM模型；動(dòng)態(tài)逃生；疏散指示系統(tǒng)

近些年來(lái)，我國(guó)高校不斷擴(kuò)招，各類(lèi)高等教育在校學(xué)生總規(guī)模超過(guò)3 500萬(wàn)人。學(xué)校人數(shù)的增加，相應(yīng)教學(xué)儀器設(shè)備、危險(xiǎn)化學(xué)產(chǎn)品存有量都增加，同時(shí)原有建筑面對(duì)增加的人數(shù)讓學(xué)校管理難度加大，學(xué)?；馂?zāi)隱患隨之增加，突發(fā)事件造成的影響也隨之變大[1]。教學(xué)樓疏散成為熱點(diǎn)問(wèn)題，因此怎樣在火災(zāi)、突發(fā)事件發(fā)生時(shí)使師生逃生更安全、更準(zhǔn)確、更迅速，如何利用現(xiàn)代信息控制手段，比如運(yùn)用三維BIM模型與數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)對(duì)接，進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，對(duì)教學(xué)樓防災(zāi)進(jìn)行預(yù)警等成為研究的新課題。

1 高校教學(xué)樓人員疏散現(xiàn)狀分析

圖1是在內(nèi)地一所高校教學(xué)樓下課時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)圖樣采集情況，從圖中可以看到這所教學(xué)樓在上下課期間十分擁擠，并且經(jīng)常有同學(xué)反映在人流中受傷。

圖1 教學(xué)樓一個(gè)出口

為進(jìn)一步對(duì)教學(xué)樓中人員密度、步行速度、疏散速度進(jìn)行分析，通過(guò)采集數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)本構(gòu)模型。圖2中曲線(xiàn)表示的是從建筑物的一個(gè)地方到另外一個(gè)地方的運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算的關(guān)鍵是速度和人員的流動(dòng)。

圖2 人員密度與行走速度的關(guān)系

在速度和人員流動(dòng)兩個(gè)之間的關(guān)系可以通過(guò)一個(gè)等式來(lái)表示F=v×D×W(F是每一時(shí)間間隔通過(guò)一指定點(diǎn)的人流量；v是人員行走速度，D是人流密度，W是疏散通道的寬度)在通道的運(yùn)動(dòng)速度和人流量密度有關(guān)，密度和行走速度成線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)密度達(dá)到5.5人/m2時(shí)，行走速度會(huì)降為0[2](P37-46)。人員之間的距離和人員之間的密度兩者理論上的關(guān)系可以用下面等式來(lái)表示：

人員的行走速度和人員的密度有直接關(guān)系，在隊(duì)列中的人們之間的距離越大，人們可以以正常的步伐快速行走，反之人與人之間的間隔越近行走速度就會(huì)變慢，最后只能慢慢移動(dòng)腳步[3]。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同人員密度下隊(duì)列流動(dòng)情況見(jiàn)表1。

表1 不同人員密度下隊(duì)列的流動(dòng)情況

在研究該棟教學(xué)樓疏散人流的時(shí)候發(fā)現(xiàn)該教學(xué)樓人流疏散存在羊群行為，部分通道人員密度很大，造成嚴(yán)重堵塞，但是有些通道卻幾乎沒(méi)有人，這樣的無(wú)序疏散，造成在部分出口大量人群聚集的同時(shí)還會(huì)造成流體壓縮現(xiàn)象，這樣不但影響疏散，還會(huì)造成嚴(yán)重的后果。這樣的無(wú)序疏散只會(huì)導(dǎo)致疏散時(shí)間的增加，減少群體的整體疏散時(shí)間就必須有一個(gè)正確的路徑選擇，在疏散目的地不明確的情況下，中間過(guò)渡選擇顯得很重要，會(huì)影響最終出口的選擇[4]。在后面的人群看不到前面的情況，不知道前面擁堵了，還會(huì)繼續(xù)進(jìn)去通道，加劇了擁擠程度。

針對(duì)教學(xué)樓疏散問(wèn)題在學(xué)校對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查[5]，問(wèn)卷內(nèi)容從不同維度進(jìn)行設(shè)計(jì)，共隨機(jī)發(fā)放418份，除去信息不完整問(wèn)卷，回收有效問(wèn)卷350份。在超過(guò)99%的概率保證度和0.05的抽樣誤差下，根據(jù)公式計(jì)算(以學(xué)校在校生數(shù)量總數(shù)1.5萬(wàn))滿(mǎn)足最小樣本容量，保證數(shù)據(jù)滿(mǎn)足研究需要。教學(xué)樓疏散問(wèn)題問(wèn)卷結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 教學(xué)樓疏散問(wèn)題問(wèn)卷結(jié)果

在進(jìn)入教學(xué)樓時(shí)候，有47.1%的同學(xué)不會(huì)去主動(dòng)熟悉安全出口或逃生路線(xiàn)，這樣在發(fā)生日常疏散中或者緊急事故中就會(huì)原路返回或者從眾，他們不知道整個(gè)教學(xué)樓的布局，沒(méi)辦法去判斷選擇疏散路徑。從眾和原路返回的同學(xué)占了總?cè)藬?shù)的48.57%，這個(gè)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)問(wèn)卷的時(shí)候沒(méi)有預(yù)期到，只有半數(shù)是同學(xué)會(huì)自己根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行選擇逃生路線(xiàn)，這樣的結(jié)果使得整個(gè)教學(xué)樓的疏散無(wú)序性更加明顯。在避免人流高峰問(wèn)題上，大部分的同學(xué)表明會(huì)選擇距離長(zhǎng)一點(diǎn)的路徑下樓，不會(huì)在人流高峰期去下樓。在選擇智能疏散指示系統(tǒng)上面，絕大同學(xué)表示會(huì)根據(jù)指示逃生，但是小部分同學(xué)質(zhì)疑設(shè)備可靠度。

鑒于以上數(shù)據(jù)和問(wèn)卷分析，沒(méi)有一個(gè)合理動(dòng)態(tài)的疏散路線(xiàn)指示系統(tǒng)，教學(xué)樓里面的同學(xué)在發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)事件下很難逃生，事故發(fā)生的概率大幅度提高。現(xiàn)有的智能系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)獲取火災(zāi)的發(fā)生位置等情況，通過(guò)預(yù)定的算法或者預(yù)定的路線(xiàn)生成最佳疏散路線(xiàn)[6]，改變疏散指示燈的方向從而使人們沿著最佳路徑達(dá)到安全地帶，但是這個(gè)系統(tǒng)存在一定的弊端，會(huì)使局部人流量劇增，人員密度增加導(dǎo)致整個(gè)疏散速度降低。

2 基于BIM精準(zhǔn)聯(lián)動(dòng)的智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

如何通過(guò)建立建筑物BIM精準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)BIM模型與智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導(dǎo)向裝置聯(lián)動(dòng)是問(wèn)題的關(guān)鍵。一是通過(guò)在建筑內(nèi)放置火災(zāi)探測(cè)裝置，裝置由煙霧探測(cè)、光電探測(cè)、溫度探測(cè)器組成，當(dāng)火災(zāi)探測(cè)裝置被觸動(dòng)后，發(fā)送信號(hào)給控制室的BIM建筑模型的關(guān)聯(lián)位置，并觸動(dòng)控制器，同時(shí)啟動(dòng)室內(nèi)視頻裝置。在控制室人員對(duì)建筑物BIM模型精準(zhǔn)定位后，控制器可以自動(dòng)給予疏散照明導(dǎo)向裝置信號(hào)，同時(shí)控制室可以人工判斷控制疏散照明導(dǎo)向裝置信號(hào)。系統(tǒng)工作原理框圖見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

人流量監(jiān)測(cè)裝置主要安裝在疏散通道(樓梯、室內(nèi)通道)位置，按照通道尺寸，將人流量分為擁擠，一般擁擠，正常，控制器能處理，給疏散照明導(dǎo)向裝置控制信號(hào)，同時(shí)在控制室內(nèi)可以看到整個(gè)建筑的人員流量情況，配合BIM三維建筑模型和現(xiàn)場(chǎng)視頻控制疏散照明導(dǎo)向裝置控制。整個(gè)建筑人員流量情況可以在樓的BIM模型上顯示，同時(shí)發(fā)送給樓內(nèi)的人員手機(jī)上，讓人員合理安排出行計(jì)劃和規(guī)劃路徑。

疏散照明導(dǎo)向裝置有三種裝置，分別按照在走道中部(圖4)，左部疏散通道(以樓梯為例)，右部疏散通道(圖5)。該1號(hào)裝置分上下左右四個(gè)方向，內(nèi)部為L(zhǎng)ED燈，每個(gè)方向顯示燈互不相關(guān)，燈有紅黃綠三色，其中綠燈對(duì)應(yīng)正常，黃燈警示，紅燈禁止，在發(fā)生火災(zāi)或者其他斷電情況下，有人員向指示紅燈方向會(huì)有語(yǔ)音警示。禁止通行。這個(gè)裝置有一鍵檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)時(shí)候，可以打開(kāi)所有開(kāi)關(guān)，檢查電路和LED情況。采用供電和蓄電池結(jié)合的電源裝置，日常對(duì)蓄電池充電，斷電情況下使用蓄電池。2號(hào)裝置安裝在房屋左右端部 ，如樓梯口，圓形燈表示是否可以進(jìn)去，同時(shí)也是按照紅黃綠三色概率設(shè)計(jì)，作用相同。

該系統(tǒng)和裝置適用于教學(xué)樓正常情況下、發(fā)生非火災(zāi)突發(fā)事件下，組織師生正常疏散下樓，主要通過(guò)不同通道人流量來(lái)選擇疏散路徑。在應(yīng)對(duì)發(fā)生火災(zāi)時(shí)候，火災(zāi)探測(cè)裝置和人流量感應(yīng)裝置同時(shí)發(fā)揮作用，采集教學(xué)樓內(nèi)數(shù)據(jù)，從而判斷疏散路徑。

圖4 導(dǎo)向裝置圖

圖5 導(dǎo)向裝置圖

3 pathfinder驗(yàn)算疏散裝置的合理性

運(yùn)用pathfinder和Revit建模軟件計(jì)算了實(shí)例中的學(xué)校的另一棟新建的教學(xué)樓，該教學(xué)樓2014開(kāi)始使用，也出現(xiàn)上下課很擁堵的同樣問(wèn)題。教學(xué)樓共有5個(gè)可以疏散的樓梯(按照?qǐng)D6依次從左向右編號(hào)為12345號(hào))，其中5號(hào)樓梯由345層連廊鏈接在隔壁辦公樓處，辦公樓人員較少。

圖6 模型南立面圖

圖7 模型背面圖

在pathfinder設(shè)置兩種模式，第一種根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況，大多數(shù)同學(xué)都是從3號(hào)4號(hào)樓梯進(jìn)去教學(xué)樓，下課期間大多數(shù)同學(xué)從3號(hào)、4號(hào)下樓，而5號(hào)樓梯幾乎很少有同學(xué)使用?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了幾組數(shù)據(jù)，在上午1～2兩節(jié)課下課時(shí)間從6樓選擇不同通道下樓，試驗(yàn)過(guò)程中有部分同學(xué)在上樓，3號(hào)4號(hào)通道發(fā)生嚴(yán)重的擁堵，下樓時(shí)間見(jiàn)表3從5號(hào)樓梯下樓的實(shí)際步行距離最遠(yuǎn)，但是時(shí)間卻是最快，其他通道都發(fā)生了不同程度的擁堵，其中3號(hào)樓梯、4號(hào)樓梯由于有同學(xué)上樓，擁堵程度很大，移動(dòng)緩慢。

表3 下樓時(shí)間

根據(jù)pathfinder計(jì)算出來(lái)整個(gè)教學(xué)樓所有成員都疏散完時(shí)間是519.8 s。

第二種模式設(shè)置模擬了在steering模型下人員的疏散，最后用時(shí)390.4 s。兩種模式相差179.4 s，模擬表明發(fā)生擁堵時(shí)候疏散會(huì)使整體疏散時(shí)間大大增加，選擇合理的疏散路徑會(huì)使整體疏散時(shí)間降低。智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導(dǎo)向裝置就是在發(fā)生火災(zāi)或者突發(fā)事件時(shí)候，合理分配人流和疏散路徑，避免因?yàn)閾矶聫亩枭r(shí)間降低。

4 結(jié)論

從文章的分析可以看出，人群在疏散的時(shí)候，密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致人群整體疏散速度的降低，在教學(xué)樓這樣人群高度密集的地方，經(jīng)常發(fā)生由于擁堵導(dǎo)致疏散速度降低的情況，還會(huì)使踩踏事故等事件發(fā)生的概率提高，緊急疏散一方面需要合理安排人員規(guī)劃疏散路徑和控制疏散人流量，另一方面還需要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)疏散逃生知識(shí)的學(xué)習(xí)。文中提到的智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導(dǎo)向裝置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)人員進(jìn)行疏散導(dǎo)向，通過(guò)pathfinder軟件模擬論證這樣的疏散時(shí)間可以較原來(lái)的模式大大減少。

[1]張志魁.基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火災(zāi)數(shù)值模擬和安全疏散研究[D].天津：天津理工大學(xué)(碩士學(xué)位論文)，2015.

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[5]趙國(guó)敏，黃晨.復(fù)雜建筑人員個(gè)體特征及疏散行為規(guī)律調(diào)查研究[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(4)：296-299.

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Research on the Evacuation for Teaching Buildingin University Based on BIM Model

TU Jinsong1, CHENG Rui1, LI Ruixia2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China;2.SchoolofInformationEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China)

Evacuation safety is the core issue of public buildings, shopping malls and academic building becoming large-scale, multi-functional and complex building, personnel intensive, building fire emergencies, has also become a hot social concern in causing casualties and property losses. In this paper, the evacuation safety of a teaching building in the mainland is studied in this paper, Research and development of intelligent evacuation system and evacuation lighting guiding device through the data collection and analysis, 3D BIM model of docking the device and the control room, to achieve real-time accurate evacuation guidance, greatly improving the personnel intensive public building evacuation efficiency, reduce the safety risk.

evacuation speed; evacuation route choice; BIM model; dynamic evacuation; evacuation indication system

2016-11-03

安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于cloud-BIM工程項(xiàng)目管理設(shè)計(jì)施工協(xié)同機(jī)制研究”(KJ2016A743)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510376009、201510376010)。

涂勁松(1977-)，男，安徽霍邱人，碩士，副教授，研究方向：BIM全過(guò)程壽命周期管理；程瑞(1995-)，男，安徽廬江人，本科生，研究方向：火災(zāi)人員疏散。

TU244.3

A

1009-9735(2017)02-0129-04