基于建筑信息模型與Pyrosim軟件的地鐵車站火災(zāi)模擬仿真方法*

呂希奎 白嬌嬌 陳 瑤

（石家莊鐵道大學(xué)交通運輸學(xué)院，050043，石家莊∥第一作者，教授）

地鐵車站火災(zāi)應(yīng)急演練，以及火災(zāi)發(fā)生后的人員安全疏散和救援是地鐵應(yīng)急管理的重要內(nèi)容之一。針對地鐵車站火災(zāi)的應(yīng)急管理，文獻(xiàn)［1］以某地鐵車站為例，使用FDS（火災(zāi)煙氣模擬）軟件研究了火災(zāi)時溫度和煙塵的分布情況。文獻(xiàn)［2，4，11，13］以FDS軟件和Pathfinder人員疏散模擬軟件，建立了地鐵車站人員疏散模型，從人員逃生率、可用安全疏散時間利用率等方面進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［3，5，10］采用buildingEXODUS軟件，對地鐵車站的人員疏散時間進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)［6］利用Pyrosim軟件、文獻(xiàn)［7］采用Anylogic，軟件對地鐵列車環(huán)境的人員疏散進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)［8］采用火災(zāi)場模擬和人員疏散動力學(xué)模擬的方法，對高架車站的站廳火災(zāi)時的煙氣蔓延過程和人員疏散過程進(jìn)行了計算。文獻(xiàn)［9］利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計算方法，建立了地鐵火災(zāi)人員安全疏散的模型。文獻(xiàn)［14］基于Unity3D平臺在 BIM（建筑信息模型）中將疏散過程實現(xiàn)了三維可視化展示。

BIM技術(shù)能夠集成三維建筑模型，提供精確、全面的建筑信息和建筑物全壽命周期的數(shù)據(jù)共享。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)等突發(fā)事件時，結(jié)合BIM的可視化和BIM技術(shù)的動態(tài)模擬，能夠為地鐵火災(zāi)應(yīng)急管理提供全新的信息化手段，有利于提高當(dāng)前地鐵車站應(yīng)急管理的信息化水平，提升應(yīng)急處理能力和處置能力，有利于優(yōu)化緊急疏散方案。

Pyrosim是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研發(fā)的、以FDS軟件為基礎(chǔ)發(fā)展起來的專門用于火災(zāi)動態(tài)仿真模擬的軟件。本文將BIM與Pyrosim軟件結(jié)合，針對二者之間數(shù)據(jù)交流不順暢、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題，研究建立了一套完整的基于BIM的地鐵車站火災(zāi)模擬仿真方法。在此基礎(chǔ)上，選取地鐵車站典型火災(zāi)工況進(jìn)行模擬，從而得到火災(zāi)模擬信息和各關(guān)鍵位置的可用安全疏散時間。

1 Revit軟件與Pyrosim軟件的數(shù)據(jù)接口

1.1 Revit與Pyrosim之間通用文件格式分析

為保證火災(zāi)模擬仿真結(jié)果精度，BIM和Pyrosim軟件之間的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵。Revit是專門針對BIM設(shè)計的軟件，可提供建筑設(shè)計和文件管理支持。Revit軟件支持的輸出文件格式與Pyrosim軟件支持的導(dǎo)入文件格式對照見表1。

表1 Revit輸出與Pyrosim輸入的文件格式對照表

從表1可知，Revit軟件和Pyrosim軟件數(shù)據(jù)流通的通用文件格式為DXF格式。因此，可將車站應(yīng)急管理BIM從Revit軟件中以DXF格式導(dǎo)出，然后將此DXF文件導(dǎo)入Pyrosim軟件中。

1.2 DXF格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交流存在的問題

通過分析DXF格式文件的結(jié)構(gòu)可知，在Revit軟件中建立的建筑構(gòu)件會先被拆分為點、線、面等一些比較基本的幾何元素，然后這些基本幾何元素以一定的規(guī)則被存儲于DXF文件中。在傳輸和存儲的過程中，BIM中所攜帶的重要信息（如材質(zhì)等）會丟失；而某些構(gòu)件的材質(zhì)信息會對火災(zāi)走向、發(fā)展趨勢等有重要影響，并直接關(guān)系到能否得到準(zhǔn)確的、符合實際情況的模擬結(jié)果。因此，如何快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)BIM中參數(shù)信息的提取顯得尤為重要。

1.3 基于Revit軟件二次開發(fā)實現(xiàn)材質(zhì)參數(shù)提取

通過Revit軟件明細(xì)表導(dǎo)出材質(zhì)或DBLink插件方式，需要人工處理大量數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)材質(zhì)信息的快速自動提取，利用Revit軟件應(yīng)用程序編程接口二次開發(fā)技術(shù)可實現(xiàn)對材質(zhì)參數(shù)信息（參數(shù)、密度、比熱、熱傳導(dǎo)率等）快速、全面、準(zhǔn)確地提取，使得Revit軟件與Pyrosim軟件間數(shù)據(jù)交流更順暢，進(jìn)而得到更客觀的火災(zāi)模擬分析結(jié)果。以提取墻材質(zhì)參數(shù)信息為例，其程序運行流程如圖1所示。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，二次開發(fā)提取出來的數(shù)據(jù)與試驗?zāi)Ｐ椭械臄?shù)據(jù)一致，證明了該程序的準(zhǔn)確性，避免了DXF格式文件導(dǎo)入Pyrosim軟件后需要手動查詢材質(zhì)參數(shù)信息的低效率方式，也避免了個別構(gòu)件屬性被遺漏的情況。

圖1 提取墻材質(zhì)信息參數(shù)程序流程圖

2 基于BIM的地鐵車站火災(zāi)模擬

以某地鐵車站為例建立了Revit模型。其站臺層公共區(qū)域長118.0 m，寬12.0 m；站廳層公共區(qū)域長95.0 m，寬19.3 m。站臺層與站廳層高度差5.1 m。有3部自動扶梯、2處樓梯、1處直升電梯。車站有出入口4個，檢票口4個（2個進(jìn)站口和2個出站口）。各檢票口設(shè)4個閘機(jī)，各閘機(jī)凈寬0.50 m。相鄰閘機(jī)的中心距離為0.85 m，跨度1.20 m。基于Revit軟件建立的BIM站廳層和站臺層平面圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 某地鐵車站站廳層平面示意圖

圖3 某地鐵車站站臺層平面示意圖

2.1 Pyrosim軟件火災(zāi)模擬流程

使用Pyrosim軟件對Revit軟件建立的地鐵車站模型進(jìn)行火災(zāi)動態(tài)模擬，模擬出不同火災(zāi)場景下煙氣流動、溫度分布，以及有毒氣體濃度等情況，得出的模擬分析結(jié)果可為地鐵車站后期應(yīng)急優(yōu)化措施提供數(shù)據(jù)支撐?；馂?zāi)模擬仿真流程如圖4所示。

圖4 Pyrosim軟件環(huán)境下火災(zāi)模擬流程圖

2.2 地鐵車站火災(zāi)條件下人員安全疏散的判定

地鐵車站火災(zāi)情況下，乘客能否全部疏散到安全區(qū)域主要取決于“可用安全疏散時間（ASET”和“人員疏散時間（RSET）”這兩個特征時間的比較。前者用tASE表示從“火災(zāi)發(fā)生時刻”到“火勢導(dǎo)致乘客處于危險狀態(tài)”的時間段；后者用tRSE表示站內(nèi)所有人員疏散到安全區(qū)所需時間。如果在火勢達(dá)到危險狀態(tài)前站內(nèi)人員不能全部撤離到安全區(qū)，即tASE

2.3 tASE的判定依據(jù)

地鐵車站火災(zāi)的危害性主要體現(xiàn)為煙氣（有毒氣體、無毒氣體、懸浮顆粒等）、高溫、熱輻射等3個方面的影響程度。這3個參數(shù)會直接影響疏散效率，嚴(yán)重時會引起人員傷亡及財產(chǎn)損失?；馂?zāi)煙氣對人員疏散影響如圖5所示。

基于上述分析并參考人體耐受極限相關(guān)指標(biāo)，采用CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、能見度、溫度等3個參數(shù)的參數(shù)值作為判斷危險狀態(tài)的依據(jù)?；馂?zāi)模擬中對各個關(guān)鍵點位置的上述3個參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，取出三者分別達(dá)到危險狀態(tài)的時間進(jìn)行比較，選出最短的時間作為tASE。具體設(shè)定的火災(zāi)臨界危險狀態(tài)為：①2 m高度處溫度超過60℃；②2 m高度處能見度低于10 m；③2 m以下空間內(nèi)的煙氣層中的CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1 400×10-6。若某一時刻某區(qū)域符合以上任意一個條件，則該區(qū)域待疏散人員將處于危險環(huán)境中，從而確定火災(zāi)發(fā)生至此刻的時間段為

該區(qū)域乘客可利用的逃生時間，即tASE。

圖5 火災(zāi)危害對人員疏散的影響關(guān)系圖

3 火災(zāi)模擬參數(shù)設(shè)置

3.1 火災(zāi)場景的設(shè)定

本文選取了典型的火災(zāi)工況進(jìn)行模擬。設(shè)定的火災(zāi)工況為：站內(nèi)無列車?？?，站臺公共區(qū)起火，模擬火災(zāi)發(fā)生位置為站臺公共區(qū)，火源位置在站臺層中部。為模擬較不利的火災(zāi)工況，根據(jù)ISO/TS 16733《火災(zāi)安全工程第4部分：設(shè)定火災(zāi)場景和設(shè)定火災(zāi)的選擇》選取的火災(zāi)增長類型為快速火，火災(zāi)規(guī)模取5 MW，火源功率增長系數(shù)取為0.046 9 kW/s2。

3.2 地鐵車站火災(zāi)模擬網(wǎng)格的確定

本文的火災(zāi)模擬主要考慮公共區(qū)。根據(jù)所選車站模型，建立了125.0 m×26.5 m×15.0 m的長方體網(wǎng)格。為提高模擬精度，在長方體網(wǎng)格模型中，空間將被劃分為多個小區(qū)域，每個區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。采用Exodus的精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法，將長方體網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m規(guī)格的共計397 500多個立方體小網(wǎng)格，在保證模擬精度的同時，實現(xiàn)盡可能減少計算量，提高計算網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。

網(wǎng)格劃分完成后得到的最小網(wǎng)絡(luò)的長、寬、高為1∶1∶1，這樣能保證模擬精度達(dá)到一個最佳的狀態(tài)。由于超出網(wǎng)格邊界的物體會被自動排除在外不參與FDS軟件的計算，所以劃分網(wǎng)格時需要保證參與模擬的物體在網(wǎng)格邊界范圍內(nèi)。

3.3 切片及熱電偶的布置

在4個出入口與站廳層交接位置分別模擬布置4組熱電偶，用來測量對應(yīng)關(guān)鍵位置點隨時間變化的溫度。熱電偶具體布置如圖6所示，圖中將遮擋物進(jìn)行適當(dāng)隱藏，使得熱電偶分布能直觀地呈現(xiàn)出來。

圖6 地鐵車站火災(zāi)模擬熱電偶布置圖

在站廳層和站臺層距地板高1.5 m處分別布置切片（如圖7所示），用于查看溫度、能見度及CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等隨時間變化的分布情況。

圖7 地鐵車站火災(zāi)模擬切片布置圖

3.4 模擬初始條件的設(shè)定

火災(zāi)模擬的某些初始條件是系統(tǒng)默認(rèn)的，有一部分需要根據(jù)實際模擬情況進(jìn)行設(shè)定。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 火災(zāi)模擬基本參數(shù)設(shè)置

3.5 火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

將火災(zāi)發(fā)展過程中關(guān)鍵時間點的煙氣、能見度、溫度、CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況等參數(shù)進(jìn)行仿真。為了更直觀地展示各參數(shù)的分布情況，在不影響模擬結(jié)果的前提下，對車站模型進(jìn)行剖切或隱藏處理。3.5.1 火災(zāi)工況下煙氣模擬

地鐵車站內(nèi)火災(zāi)煙氣發(fā)展過程見圖8。由圖可知快速火很快產(chǎn)生大量煙氣，在51 s時通過離火源較近的樓梯口蔓延到站廳層，然后到達(dá)站廳層頂部并向周邊蔓延；在71 s時站廳層煙氣通過扶梯口進(jìn)入站臺層；在157 s時站臺、站臺層公共區(qū)域充滿煙氣。

圖8 地鐵車站火災(zāi)模擬下煙氣蔓延情況

3.5.2 火災(zāi)工況下溫度模擬

地鐵車站火災(zāi)模擬過程中溫度分布情況如圖9所示：158 s時站臺層中間樓梯口周圍處于危險狀態(tài)，疏散人員應(yīng)盡量選擇兩側(cè)的樓梯或扶梯通道；234 s時站臺層左側(cè)扶梯處及中間樓梯口處達(dá)到危險狀態(tài)，疏散人員應(yīng)避開這兩處通道，工作人員此時應(yīng)盡量組織疏散人員從右側(cè)樓梯到達(dá)站廳層；423 s時站臺層主要疏散通道附近大面積溫度達(dá)到60℃，影響人員逃生；600 s時站廳層高溫區(qū)域主要集中在中間樓梯口處，4個出入口處溫度均沒有超過臨界危險溫度，對出入口部分的疏散不構(gòu)成威脅。

圖9 地鐵車站火災(zāi)模擬下切片溫度分布情況

3.5.3 火災(zāi)工況下能見度模擬

地鐵車站火災(zāi)模擬中能見度分布情況如圖10所示：38 s時火源周圍能見度出現(xiàn)下降；48 s時站廳層中間樓梯口能見度開始下降；159 s時左側(cè)扶梯口及中間樓梯口能見度降為10 m以內(nèi)，不利于人員疏散；243 s時站廳層、站臺層絕大部分區(qū)域能見度低于10 m；327 s時出入口能見度不滿足疏散要求。

圖10 地鐵站臺火災(zāi)工況下切片能見度分布情況

3.5.4 火災(zāi)工況下CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬

地鐵車站火災(zāi)模擬中CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖分布如圖11所示：在火災(zāi)發(fā)生的很短時間范圍內(nèi)，產(chǎn)生了大量有毒氣體CO；約在350 s時，站臺層最左側(cè)CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，妨礙乘客進(jìn)行疏散；600 s內(nèi)站廳層CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于站臺層較低，對疏散效率無較大影響。

圖11 地鐵車站火災(zāi)工況下切片CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況

通過對危險臨界值以及火災(zāi)模擬過程中各關(guān)鍵位置能見度、溫度等物理量的分析，整理出該火災(zāi)工況下站廳層和站臺層各關(guān)鍵位置點的tASE如表3所示。

4 結(jié)語

本文將BIM技術(shù)有效地應(yīng)用到地鐵車站火災(zāi)應(yīng)急管理中；并基于BIM與Pyrosim火災(zāi)模擬軟件相集成的技術(shù)，解決了兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，實現(xiàn)了對BIM中材質(zhì)信息的有效、快速、準(zhǔn)確的提取，提高了軟件之間數(shù)據(jù)交流的效率，節(jié)省火災(zāi)模擬前的準(zhǔn)備時間，優(yōu)化了此環(huán)節(jié)原有的工作流程。在此基礎(chǔ)上，選取了地鐵車站的典型火災(zāi)工況進(jìn)行模擬，并得到該工況下各關(guān)鍵位置的可用安全疏散時間。

表3 地鐵車站關(guān)鍵位置點的tASE s