基于BIM的施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)人員疏散研究

李博 崔邯龍 孟文清 趙志剛

摘 要：針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)發(fā)生頻率高、人員疏散困難等問題，本文以某施工現(xiàn)場(chǎng)生活辦公區(qū)為例進(jìn)行研究。其間利用BIM技術(shù)建立生活區(qū)工棚及辦公區(qū)三維模型并將其導(dǎo)入PyroSim和Pathfinder中，通過火災(zāi)模擬得出人員可用安全時(shí)間來設(shè)置各關(guān)鍵位置的通行狀態(tài)，然后進(jìn)行人員疏散模擬，并結(jié)合Fuzor和VR技術(shù)進(jìn)行人員可視化安全教育。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型;施工現(xiàn)場(chǎng);火災(zāi)模擬

中圖分類號(hào)：TU17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0018-03

Abstract： In view of the high frequency of fires at the construction site and the difficulty of evacuation of personnel， this paper took the living and office area of a construction site as an example for research. In the meantime， BIM technology was used to build 3D models of living area workshops and office areas， and imported them into PyroSim and Pathfinder， through fire simulation， the available safety time for personnel was used to set the traffic status of each key location， and then the personnel evacuation simulation was carried out， and Fuzor and VR technology were combined for personnel visual safety education.

Keywords： building information model;construction site;fire simulation

在往年的火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)中，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)工棚和技術(shù)人員辦公區(qū)發(fā)生的火災(zāi)占了一大部分。例如，2012年，西安市黃草坡村中鐵十八局施工現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)板房發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致13人死亡，25人受傷;2019年，河北省張家口一在建小區(qū)工棚發(fā)生火災(zāi)，雖然火災(zāi)未造成人員傷亡，但濃煙不斷向四周蔓延，引起了當(dāng)?shù)鼐用窨只?。以上案例表明，這些臨時(shí)設(shè)施易發(fā)生火災(zāi)，同時(shí)由于消防配套設(shè)施、疏散指示與應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)不完善，一旦其發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用在建筑火災(zāi)人員疏散研究中。李琰、張燕以高層連體復(fù)雜宿舍樓為例，分別運(yùn)用PyroSim和Pathfinder軟件對(duì)火災(zāi)蔓延特性和人員疏散過程進(jìn)行了模擬[1];徐旻洋對(duì)醫(yī)院建筑進(jìn)行了火災(zāi)模擬和人員逃生分析，并詳細(xì)概述了大型醫(yī)院進(jìn)行火災(zāi)模擬和逃生分析時(shí)的技術(shù)路線[2];王印、易賽莉通過Revit和FDS軟件，實(shí)現(xiàn)BIM模型向火災(zāi)模擬模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，并對(duì)城市地下綜合管廊進(jìn)行了火災(zāi)模擬研究[3]。

前人研究對(duì)象大多是擁有完善防火滅火系統(tǒng)的永久建筑，而對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)建筑研究的較少。本文通過BIM技術(shù)，結(jié)合PyroSim和Pathfinder軟件對(duì)辦公區(qū)和生活區(qū)工棚進(jìn)行數(shù)值模擬研究。其間通過PyroSim軟件得出樓梯間和出口處的可用安全時(shí)間，并設(shè)置各關(guān)鍵位置的通行狀態(tài)進(jìn)行人員疏散模擬;然后根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)行建筑消防設(shè)計(jì)方案的合理性分析，并進(jìn)一步優(yōu)化人員疏散方案;接著運(yùn)用VR和Fuzor技術(shù)進(jìn)行人員可視化安全教育，使數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)揮更大價(jià)值。

1 工程概況

辦公區(qū)呈L形分布，南北方向長(zhǎng)為43 m，寬為8 m;東西方向長(zhǎng)為83.5 m，寬為8 m。首層及二層層高為3.4 m?？v橫向各有1個(gè)自動(dòng)平移門，正對(duì)門口方向分別有鋼樓梯，分別命名為1號(hào)～3號(hào)樓梯，西、南兩側(cè)出口處各有1個(gè)雙扇玻璃門。生活區(qū)工棚長(zhǎng)為85.7 m，寬為6.8 m，首層及二層層高為2.85 m，走廊兩側(cè)各有1個(gè)單跑樓梯，中間位置有雙跑樓梯，分別命名為4號(hào)～6號(hào)樓梯。

2 火災(zāi)數(shù)值模擬

2.1 BIM模型建立

為了確保火災(zāi)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究制定了BIM建模標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CAD圖紙建模，要正確設(shè)置門窗尺寸、材質(zhì)屬性，同時(shí)要賦予各構(gòu)件對(duì)應(yīng)的面層厚度。為了真實(shí)還原模擬場(chǎng)景，BIM模型可以放置各種生活辦公用品，除了Revit軟件自帶的族外，可以使用構(gòu)件塢、品茗HiBIM等插件進(jìn)行完善。為了減少分析任務(wù)量，將模型中臺(tái)階、文字標(biāo)注、欄桿扶手等刪除，然后轉(zhuǎn)換為DXF文件格式導(dǎo)入PyroSim軟件中。在BIM模型中，不要將構(gòu)件成組，否則在PyroSim軟件中模型是一個(gè)整體，無法進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件查看與編輯。辦公區(qū)與工棚三維模型如圖1所示。

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

依據(jù)最不利原則，辦公區(qū)火源設(shè)置在首層資料室，此處位于走廊相交處，而工棚火源設(shè)置在二層靠近樓梯房間內(nèi)，一旦兩處位置著火，煙氣會(huì)大量向走廊和樓梯間蔓延。假設(shè)工棚發(fā)生火災(zāi)時(shí)工人正在房間內(nèi)休息，兩處起火原因是電線短路發(fā)熱引起聚氨酯材料燃燒。為了最大限度地讓煙氣在走廊、樓梯間蔓延，設(shè)定除著火房間大門打開外，其他房間門窗關(guān)閉。

2.3 火災(zāi)模擬參數(shù)設(shè)置

本文采用[t2]火模型，火災(zāi)發(fā)展系數(shù)為0.046 9 kW/s2，最大熱釋放率為6 MW，著火面積為1 m2。生活區(qū)工棚網(wǎng)格劃分為16×86×14，辦公區(qū)網(wǎng)格設(shè)置為2個(gè)區(qū)域，分別為156×22×14、16×86×14，單元格大小都為0.5×0.5×0.5。為了測(cè)定二層各樓梯口、首層出口處的物理參數(shù)值，分別在相應(yīng)的位置距離樓層地面2 m處設(shè)置探測(cè)設(shè)備，生活區(qū)工棚四周為開放邊界，發(fā)生火災(zāi)時(shí)走廊兩端樓梯受煙氣影響較小，一直保持正常通行狀態(tài)，模擬時(shí)不進(jìn)行考慮，網(wǎng)格模擬時(shí)間分別為500 s和600 s。

2.4 火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

本研究通過火災(zāi)模擬軟件PyroSim來測(cè)定溫度、CO體積分?jǐn)?shù)、可見度三項(xiàng)參數(shù)達(dá)到人體臨界值的時(shí)間來確定人員可用安全時(shí)間。

2.4.1 溫度分析。根據(jù)人體對(duì)對(duì)流熱的耐受極限，為了保證人員生命安全，本文選取60 ℃作為危險(xiǎn)臨界溫度值。由圖2溫度變化曲線可得，1號(hào)、2號(hào)樓梯受溫度影響較小，其二層樓梯口分別在407 s和415 s時(shí)達(dá)到60 ℃。3號(hào)、5號(hào)樓梯的二層樓梯口溫度分別在268 s和253 s時(shí)達(dá)到人體溫度臨界值。辦公區(qū)走廊最左側(cè)M1處離火源最遠(yuǎn)，溫度一直在60 ℃以下，M2～M4出口處分別在447、214、238 s時(shí)溫度達(dá)到臨界值。

2.4.2 CO體積分?jǐn)?shù)分析。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知，當(dāng)環(huán)境中的CO體積分?jǐn)?shù)為5×10-4 mol/mol時(shí)，人體不易長(zhǎng)時(shí)間停留，因此，選取CO體積分?jǐn)?shù)5×10-4 mol/mol作為臨界值。由圖4 CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線可得，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，建筑內(nèi)產(chǎn)生大量CO氣體，各測(cè)量點(diǎn)CO數(shù)值不斷增大。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)樓梯的二層樓梯口CO體積分?jǐn)?shù)分別在304、310、196 s時(shí)達(dá)到625 mg/m3，此時(shí)已經(jīng)影響人體呼吸功能，5號(hào)樓梯在252 s時(shí)達(dá)到臨界值。M1～M4出口處分別在293、273、158、167 s達(dá)到臨界值。

2.5 人員可用安全時(shí)間確定

通過上面對(duì)二層各樓梯口和出口處的各種物理量的討論，人員可用安全時(shí)間取同一位置物理參數(shù)達(dá)到相對(duì)應(yīng)的臨界值所需要的最小時(shí)間，各位置人員可用安全時(shí)間如表1所示。

3 人員疏散數(shù)值模擬

3.1 人員疏散模型創(chuàng)建

相關(guān)研究者在人員疏散分析中多未考慮日常生活辦公品對(duì)模擬結(jié)果的影響，本文為解決這一問題，在BIM模型中按照實(shí)際尺寸添加辦公桌、辦公椅、沙發(fā)等構(gòu)件，然后將模型導(dǎo)出IFC文件格式，再導(dǎo)入Pathfinder中，進(jìn)行提取和適當(dāng)處理。在Pathfinder中，辦公區(qū)與工棚一層物品俯視圖如圖3所示。

3.2 人員疏散參數(shù)設(shè)置

人員數(shù)量按辦公區(qū)每層60人、工棚每間宿舍8人取值。施工現(xiàn)場(chǎng)人員以青年男性為主，設(shè)定女性人員占比為10%。其中，男女平均身高分別取1.68 m和1.58 m，平均肩寬分別為427 mm和391 mm。

人員速度參考美國(guó)消防工程師協(xié)會(huì)（SFPE）編寫的《消防工程手冊(cè)》，將人員的水平疏散速度設(shè)定為1.2 m/s，下樓速度設(shè)定為0.6 m/s。參考相關(guān)文獻(xiàn)，火災(zāi)報(bào)警時(shí)間（[TA]）取10 s，人員準(zhǔn)備疏散時(shí)間（[TR]）取20 s，疏散人員總共停滯時(shí)間為30 s。根據(jù)火災(zāi)模擬結(jié)果得出的人員可用安全時(shí)間來設(shè)置樓梯與出口處的通行狀態(tài)，時(shí)間一旦達(dá)到，相對(duì)應(yīng)的位置將不允許人員通過。

3.3 人員疏散結(jié)果與分析

時(shí)間為40 s時(shí)，辦公區(qū)樓層人員大部分疏散到走廊，時(shí)間為107 s時(shí)，辦公樓全部人員安全疏散到室外。人員疏散時(shí)間[TRSET]由[TA]、[TR]與1.5[TM]三部分構(gòu)成，最終[TRSET]為146 s。此時(shí)，1號(hào)樓梯與2號(hào)樓梯正常通行，并且M1、M2出口沒有達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，能夠滿足人員全部安全疏散到室外的要求。生活區(qū)工棚人員在215 s時(shí)全部安全撤離到室外，[TRSET]為308 s。由于生活區(qū)工棚樓梯梯段過窄，二層人員在各樓梯口相互擁擠，并且在LT5處出現(xiàn)人員往返現(xiàn)象，此處人員疏散存在安全隱患。

3.4 消防設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

為了最大限度地保障人員的生命安全，本文通過優(yōu)化消防設(shè)計(jì)方案來減少[TRSET]數(shù)值。施工現(xiàn)場(chǎng)臨建多為裝配式建筑，樓梯調(diào)整比較靈活，因此從樓梯角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化。

辦公區(qū)首層M3出口處[TRSET]最小，故對(duì)3號(hào)樓梯進(jìn)行優(yōu)化。方案如下：擴(kuò)大樓梯梯段寬度0.15 m;將樓梯改為單跑樓梯，梯段寬為1.8 m，坡度為35°。

同理，生活區(qū)工棚優(yōu)化方案如下：5號(hào)樓梯左右側(cè)各2個(gè)宿舍人員使用此樓梯疏散，其余人員使用兩側(cè)樓梯;將兩側(cè)樓梯梯段加寬0.5 m;1、2種方案相結(jié)合。

在其他參數(shù)不變的情況下，重新進(jìn)行模擬。辦公區(qū)優(yōu)化方案1、方案2的[TRSET]分別為132 s和126 s，結(jié)果表明，第2種效果最好，將[TRSET]提前20 s。工棚優(yōu)化方案1、方案2、方案3的[TRSET]分別為341、255、211 s，結(jié)果表明，方案1加大[TRSET]，工棚發(fā)生火災(zāi)時(shí)兩側(cè)樓梯是人員疏散的主要限制因素，而第3種方案更能提前人員疏散時(shí)間，節(jié)約97 s。

4 可視化安全教育

在生活辦公區(qū)模型基礎(chǔ)上完善施工現(xiàn)場(chǎng)模型，將三維模型同步到Fuzor軟件進(jìn)行渲染，并將模型轉(zhuǎn)化為移動(dòng)端格式的文件，結(jié)合工地的VR安全體驗(yàn)館，配合VR眼鏡、移動(dòng)式手柄等進(jìn)行身臨其境的體驗(yàn)。

5 結(jié)論

本文利用BIM技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)生活辦公區(qū)進(jìn)行火災(zāi)模擬和人員疏散模擬，得出以下結(jié)論。生活區(qū)工棚樓梯梯段較窄，人員會(huì)在各樓梯口處互相擁擠，同時(shí)5號(hào)樓梯口處人員疏散會(huì)出現(xiàn)折返現(xiàn)象，造成人員所需安全時(shí)間加大。而辦公區(qū)消防安全設(shè)計(jì)合理，沒有人員折返現(xiàn)象發(fā)生。將工棚兩側(cè)樓梯梯段寬度擴(kuò)大0.5 m并進(jìn)行人員引導(dǎo)，可避免人員折返現(xiàn)象發(fā)生，有效減少人員所需安全時(shí)間97 s。對(duì)辦公區(qū)3號(hào)樓梯進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，擴(kuò)大梯段寬度0.15 m可減少[TRSET]，將3號(hào)樓梯變?yōu)閱闻軜翘莸氖枭⑿Ч蠲黠@，[TRSET]提前20 s。利用BIM技術(shù)除了可以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以進(jìn)行可視化安全教育。研究方法可為施工現(xiàn)場(chǎng)生活辦公區(qū)人員疏散、消防設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考和借鑒。

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