基于BIM 的建筑性能化模擬分析方法在地鐵車站中的應(yīng)用研究

張洪偉 李惠

中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司

近年來，我國的城市軌道交通呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，龐大的建設(shè)規(guī)模和建成后的巨量資產(chǎn)給城市軌道交通的建設(shè)方和運營方帶來巨大挑戰(zhàn)，如何高質(zhì)量地完成城市軌道交通的建設(shè)任務(wù)和運營運行管理任務(wù)，成為當前城市軌道交通行業(yè)的重要難題。

BIM作為當前建設(shè)行業(yè)的一項革命性技術(shù)，其價值已獲得行業(yè)的普遍認可。BIM在民用建筑領(lǐng)域的應(yīng)用起步較早，應(yīng)用也較為成熟。近年來BIM在城市軌道交通行業(yè)也得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展，但其應(yīng)用的深度和廣度明顯不足，尤其在地鐵車站設(shè)計中，BIM的應(yīng)用更多集中在設(shè)計階段的碰撞檢查、管線綜合等，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計階段的施工圖校驗，但對設(shè)計的合理性和建成后的運營運行管理支撐還缺少科學、系統(tǒng)的考慮。

本文立足某地鐵車站，結(jié)合BIM技術(shù)，借鑒BIM在民用建筑行業(yè)中的建筑性能分析方法，對地鐵車站進行基于BIM的建筑性能分析，包括人流疏散模擬、CFD通風模擬以及車站的照度模擬，根據(jù)模擬分析的結(jié)果對地鐵車站設(shè)計中的人員疏散、通風口設(shè)置以及車站照明等方案設(shè)計的合理性進行評估，實現(xiàn)對設(shè)計的合理性檢驗，也為地鐵在建成后的運行管理提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

1 地鐵BIM模型

該典型地鐵車站為地下雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站總長200m。車站主體總建筑面積為12 334.91m2，有4個主地面出入口，內(nèi)設(shè)兩部2.6m寬樓梯，兩部凈寬1m的上行自動扶梯，其BIM基礎(chǔ)模型如圖1所示。自動扶梯設(shè)計通過能力為8 190人/h；站廳層采用上送上回的送風方式；站內(nèi)所有照明燈具選用I類燈具（LED光源），公共區(qū)共有照明裝飾燈具316套（正常照明裝飾燈具245套，應(yīng)急照明裝飾燈具71套）。

2 人流疏散模擬分析

2.1 分析模擬方法

（1）模擬軟件功能：采用Pathfinder軟件，分析在近遠期人流高峰時段及突發(fā)事件下該車站人員疏散情況。

（2）數(shù)據(jù)傳遞：利用車站BIM模型，導出DWG格式文件，進而導入人流疏散分析軟件作為模型基礎(chǔ)。模型分為站臺層和站廳層，站臺層標高0.0m，站廳層標高5.1m，層間通過樓梯和自動扶梯連接。

（3）參數(shù)設(shè)置：按照《某市軌道交通工程初步設(shè)計總說明》預估該地鐵站2019年和2041年早高峰時段由北向南的客流量設(shè)置人員總數(shù)，確定疏散人員比例，女性為45%，男性為55%。其中，女性速度為1.1m/s，肩寬41cm；男性速度為1.3m/s，肩寬為46cm，人員舒適性密度為0.61m2/人。

2.2 模擬結(jié)果

（1）由結(jié)果導出的視頻文件可以看出，隨著等待時間的增加，乘客在選擇出口時出現(xiàn)了舍近求遠的情況，如表1所示。

（2）乘客在選擇疏散出口時，通常采取就近原則，這種現(xiàn)象在站臺層尤為明顯。當乘客到達站廳層選擇地鐵站出口時，除了考慮上述原則，還會考慮各個出口聚集的乘客數(shù)量及出口的通行能力等因素，因而出現(xiàn)部分乘客放棄就近出口而選擇其他出口的情況。

（3）2019年地鐵站早高峰時段，從北到南方向，下站994人，上站437人，總?cè)藬?shù)為1 431人；2041年地鐵站早高峰時段，從北到南方向，下站1 775人，上站628人，總?cè)藬?shù)為2 403人。模擬得出的疏散時間如表2所示。

2.3 對模擬結(jié)果的分析

（1）《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2003）規(guī)定，“出入口樓梯和疏散通道的寬度，應(yīng)保證在遠期高峰小時客流量時，6min內(nèi)將列車乘客和站臺候車的乘客以及工作人員安全撤離站臺?！睆拇四M結(jié)果可知，該車站設(shè)計滿足疏散規(guī)范要求。

（2）2041年高峰時段總疏散人數(shù)為2 403人，共用時385s（6min 25s），超出規(guī)范6min的要求。通過模擬數(shù)據(jù)可知，人員在閘機、出口、樓梯等處的擁堵比較明顯，排隊時間過長，影響了整體的疏散速度。因此在實際運行中，為保證運行安全，可通過甩站、限流等措施防止安全事故的產(chǎn)生，同時采用手機支付等新技術(shù)手段，改善人流出入閘機的速度，使之滿足疏散要求。

3 CFD通風模擬

3.1 模擬方法

（1）確定算法：采用Fluent軟件、標準k-e雙方程模型以及SIMPLE算法，利用有限容積法解決三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性流體的湍流流動問題。

（2）模型簡化：人體散熱負荷均勻分布在空間內(nèi)，兩個扶梯簡化為與實際尺寸相同的斜板，售票廳簡化為長方體，不考慮兩側(cè)設(shè)備機房對公共區(qū)域的影響。

（3）網(wǎng)格劃分：為保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用分塊劃分、局部加密的網(wǎng)格劃分方式，共劃分網(wǎng)格64 000個。

（4）入口邊界：模擬選用常見的矩形散流器頂送風口，送風口尺寸為800mm×300mm，送風量為2 000m3/h，計算得速度入口的邊界條件為2.32m/s，風口邊界條件溫度設(shè)為291.15K。入口紊流動能k為0.008，紊流耗散e為0.005。

2 地鐵站廳層簡化模型

表1 不同時刻的人流疏散情況

表2 高峰時段緊急疏散情況

（5）出口邊界：回風口（兼排煙風口）各種變量按局部單向化處理，出口處的擴散系數(shù)為0，速度方向設(shè)為垂直回風口，地鐵4個出口設(shè)置為自由壓力出口。

（6）固體邊界：墻體設(shè)置為常壁溫邊界條件，溫度設(shè)置為22℃；

（7）環(huán)境溫度：當?shù)叵募臼彝馄骄鶞囟葹?8℃，室內(nèi)初始溫度的設(shè)置較室外溫度低2～3℃，設(shè)為300K。

3.2 模擬結(jié)果

通過對該地鐵站站廳層進行CFD模擬，得出站廳層公共區(qū)域的平均風速為1.02356m/s，平均溫度為293.93K，平均壓強為9.9469Pa，同時得出以下四個特征平面的風速、溫度、壓力的云圖。

（1）Z=0.1m（人體腳踝處）高度平面模擬結(jié)果：

由平面云圖可知，Z=0.1m高度處風速分布在0.15～0.25m/s；溫度分布在21～23℃。

（2）Z=1.1m（人體直立行走活動區(qū)域）高度平面模擬結(jié)果：

由平面云圖可知，Z=1.1m高度處公共區(qū)域風速分布梯度較大，送風口附近0.3m/s；溫度大部分分布在19～20℃。

（3）Z=1.6m（人體直立行走活動區(qū)域）高度平面模擬結(jié)果：

由平面云圖可知，Z=1.6m高度處公共區(qū)域風速分布梯度較大，送風口附近小部分區(qū)域風速為0.5m/s，大部分區(qū)域風速為0.25m/s；溫度大部分分布在19～20℃。

（4）Z=3.0m（吊頂平面）高度平面模擬結(jié)果：

由平面云圖可知，Z=3.0m高度處公共區(qū)域風速分布梯度較小，平面風速多為0.6m/s左右；溫度大多分布在19～20℃。

3.3 對模擬結(jié)果的分析

（1）在人體活動區(qū)域Z=0.1～1.6m范圍內(nèi)，當Z≥1.1m時，公共區(qū)域平均溫度約為20℃，較舒適度標準規(guī)定的22～25℃略低，會有輕微的冷風感。

（2）空調(diào)系統(tǒng)運行時，公共區(qū)域兩側(cè)靠墻區(qū)域分布有送風口，使得該區(qū)域溫度較低，中間區(qū)域為回風口，使得中間區(qū)域溫度較高。在地鐵站實際使用時，人員主要集中在中間區(qū)域，因此在進行此類地鐵站設(shè)計時，應(yīng)在中間區(qū)域增加送風口，以提高公共區(qū)域的舒適水平。

（3）實際運行中，應(yīng)在高峰期和非高峰期采取不同的供風策略，在滿足舒適度的前提下實現(xiàn)節(jié)能運行。

4 車站照明模擬

4.1 模擬方法

將BIM模型導入Ecotect的照明分析軟件中，通過創(chuàng)建燈具模型并設(shè)置燈具相關(guān)參數(shù)，對地鐵站室內(nèi)照明進行模擬，為照明設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

4.2 模擬結(jié)果分析

通過對站廳層公共區(qū)域照明模擬結(jié)果、出口處及公共區(qū)域照明模擬結(jié)果、不同區(qū)域功率密度及照度均勻度進行分析，結(jié)果如下：

（1）站廳層公共區(qū)域的平均照度達到了218lx，滿足《城市軌道交通照明》（GB/T 16275—2008）規(guī)定的200lx標準值，照度均勻度為0.725，滿足其不小于0.7的要求。

（2）站臺層公共區(qū)域的平均照度為146lx，略小于標準值150lx，可以近似認為滿足要求，但其照度均勻度為0.623，低于相關(guān)要求，因而照度分布均勻度不足。

（3）1號和2號出入口的平均照度均滿足標準值150lx的要求，照度均勻度也較高，可以認為1號和2號出入口的照明燈具布置過剩，可以考慮減少其燈具數(shù)量，降低成本。

（4）4號出入口長度較長，形狀與1號和2號出入口也有所區(qū)別，其平均照度為178lx，滿足平均照度要求，但是照度均勻度較低。

3 Z=0.1m 速度平面圖

4 Z=0.1m 溫度平面圖

5 Z=1.1m 速度平面圖

6 Z=1.1m 溫度平面圖

7 Z=1.6m 速度平面圖

8 Z=1.6m 溫度平面圖

9 Z=3.0m 速度平面圖

10 Z=3.0m 溫度平面圖

11 站廳層公共區(qū)域燈具布置圖

12 站廳層公共區(qū)域照明仿真結(jié)果

表3 出入口照明仿真結(jié)果

表4 車站不同公共區(qū)域功率密度

表5 車站不同公共區(qū)域照度均勻度

5 結(jié)論

本文通過引入基于BIM的建筑性能模擬方法對地鐵車站設(shè)計進行模擬分析，驗證了原設(shè)計的合理性，并對其運行策略提供了數(shù)據(jù)支持，結(jié)論如下：

（1）原設(shè)計中的疏散設(shè)計基本滿足規(guī)范要求。當車站高峰期停留人數(shù)超過2 043人時，閘機、出口、樓梯和自動扶梯處排隊現(xiàn)象比較嚴重，建議采取甩站、限流等運行措施，防止事故發(fā)生，保證車站的正常運行；同時考慮采用手機支付等新技術(shù)手段改善人流出入閘機的速度，進一步滿足疏散要求。

（2）原設(shè)計中的空調(diào)送風口主要設(shè)置在靠墻邊側(cè)，回風口設(shè)置在中間區(qū)域，在實際運行中，人流主要集中在車站中間區(qū)域，而在模擬分析結(jié)果中，中間溫度高，兩側(cè)溫度低，溫度分布不均勻，舒適度不足。建議在后續(xù)的設(shè)計中，通過在車站中間位置適當增加一定數(shù)量的送風口，實現(xiàn)溫度的均勻分布，提高舒適度。實際運行中，在高峰期和非高峰期應(yīng)分別采取不同的供風策略，在滿足舒適度的前提下實現(xiàn)節(jié)能運行。

（3）原設(shè)計中站臺層和站廳層的照明設(shè)計基本滿足規(guī)范要求，站臺層的照度均勻度較低，可通過調(diào)整燈具位置改善照度均勻度。1、2號出入口的平均照度及照度均勻度較高，說明兩個出入口的燈具數(shù)量設(shè)計過多，不利于節(jié)能。

當前在地鐵車站的設(shè)計合理性及設(shè)計優(yōu)化方面缺乏有效的量化評估方法和依據(jù)，而本文提出的基于BIM技術(shù)的建筑性能模擬方法，可以為地鐵車站的合理性評估及設(shè)計優(yōu)化提供一種可行的分析方法，并為地鐵車站的綠色設(shè)計和綠色運行提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。