基于多軟件平臺開發(fā)的火災(zāi)可視化模擬與逃生動漫制作
——以云南大學(xué)呈貢校區(qū)為例

王憲杰 謝宇寧 鐘秋玥 陳嬡錦

（云南大學(xué)，云南 昆明 650000）

1 研究背景及意義

我國現(xiàn)代化發(fā)展已經(jīng)進入快速發(fā)展期，越來越重視教育的發(fā)展，于是學(xué)?；A(chǔ)建筑的安全性問題成為重中之重，然而許多學(xué)校仍存在消防設(shè)施配備不到位、管理不力等現(xiàn)象，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生后人員傷亡和經(jīng)濟損失嚴(yán)重。

針對云南大學(xué)呈貢校區(qū)高綠化植被度、多起火源（實驗室、食堂、宿舍等）的特點，本項目通過BIM+GIS技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對云南大學(xué)呈貢校區(qū)建筑結(jié)構(gòu)及消防設(shè)施建立完善的數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫，為火災(zāi)后的修復(fù)提供數(shù)據(jù)和幫助。此外，基于PyroSim對校園起火點進行可視化的火災(zāi)模擬，并利用Pathfinder制作火災(zāi)人員疏散動漫，其結(jié)果為校園火災(zāi)預(yù)防、撲救、人員逃生演習(xí)及事故的調(diào)查等提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，特別是有利于人員密集型場所（教室、宿舍等）為相關(guān)人員提供安全保障，避免人員傷亡。此外，本項目還可以為云南大學(xué)呈貢校區(qū)提供一個合理可行的火災(zāi)人員疏散方案，為全校師生的安全提供一定的技術(shù)保障。

2 GIS分析火災(zāi)等級區(qū)域

項目成員經(jīng)過在學(xué)校內(nèi)各個建筑調(diào)研，觀察建筑的位置、內(nèi)部設(shè)計以及容納人數(shù)等因素，加以GIS技術(shù)的渲染分析，將整個校園分為四個等級火災(zāi)風(fēng)險區(qū)，GIS渲染情況如圖1所示：

圖1 GIS渲染圖

2.1 火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)

火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)指可能發(fā)生重大火災(zāi)，火災(zāi)傷亡或損失較大的地區(qū)，占校園面積 10.3%。主要集中宿舍、食堂等人員聚集且存在火災(zāi)隱患風(fēng)險的區(qū)域。

2.2 火災(zāi)次高風(fēng)險區(qū)

火災(zāi)次高風(fēng)險區(qū)指可能發(fā)生較大火災(zāi)，火災(zāi)傷亡或損失中等的地區(qū)，占校園面積 12.1%。主要集中在教學(xué)樓等分時段人員有高度聚集的區(qū)域。

2.3 火災(zāi)中風(fēng)險區(qū)

火災(zāi)中風(fēng)險區(qū)指可能發(fā)生一般火災(zāi)，火災(zāi)傷亡或損失相對較少的地區(qū)，占校園面積9.3%。主要位于各個學(xué)院的學(xué)院樓分布相對集中區(qū)。

2.4 火災(zāi)低風(fēng)險區(qū)

火災(zāi)低風(fēng)險區(qū)指發(fā)生火災(zāi)可能性小，火災(zāi)傷亡或損失小的地區(qū)，占市域面積68.3%。主要為學(xué)生會堂、圖書館等消防設(shè)施齊全，人員稀少的區(qū)域。

綜上所述，在運用BIM、Pyrosim和pathfinder針對火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)和火災(zāi)次高風(fēng)險區(qū)的建筑進行火災(zāi)模擬并提出優(yōu)化方案。

3 BIM+Pyrosim的火災(zāi)模擬

3.1 BIM模型的建立

3.1.1 建模軟件的選擇

BIM體系在不同的階段有不同的軟件應(yīng)用，最終選擇用Revit軟件作為主要的建模軟件，理由如下：Revit是由族編輯其來創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)件，建模更加方便，準(zhǔn)確。支持多種導(dǎo)出模式，方便BIM模型導(dǎo)入其他軟件。BIM模型的三維可視化有效地消除以往常出現(xiàn)的圖面不一致、遺漏、沖突或錯誤的問題。以BIM模型自動提取主結(jié)構(gòu)材料數(shù)量，具有很高的精確度，且可進行有效的三維可視化設(shè)計查核。

模型的選?。涸擁椖恳栽颇洗髮W(xué)——呈貢校區(qū)為基礎(chǔ)研究，學(xué)校園區(qū)大，建筑群多，如將學(xué)校所有建筑進行建模，工作量龐大且沒有必要性。故選取校內(nèi)具有代表性的幾棟建筑進行BIM建模。選取的是學(xué)生日常使用的建筑，宿舍樓、教學(xué)樓、食堂、圖書館、學(xué)生會堂。

圖2 BIM圖

3.1.2 BIM模型的精細度

模型精細度與建模的工作量，成果的準(zhǔn)確度密切相關(guān)，所以選擇合適的建模精密度對該項目非常重要。該項目BIM模型的精細度是參照美國的建筑師協(xié)會制定的LOD等級。該項目BIM模型主要用于導(dǎo)入Pyrosim中進行火災(zāi)的模擬，精細度需要保證構(gòu)件的數(shù)量，大小，形狀和位置等。在對表1中的各種精細度進行對比后，選擇了符合該項目要求的精細度標(biāo)準(zhǔn)LOD200。

3.1.3 模型的檢查

在BIM模型建立后，為減少導(dǎo)入Pyrosim后的錯誤，要對模型進行檢查。包括模型的整體外觀檢查，外觀是否與建筑圖一致。模型的內(nèi)部構(gòu)件檢查，模型內(nèi)的墻，房間布置是否與建筑圖一致，特別是走廊和樓梯這些重要的通道是否與建筑圖一致。對與建筑圖不一致的位置進行及時的修改。

3.2 模型的導(dǎo)入

利用Pyrosim進行火災(zāi)的模擬，包括模型的建立，數(shù)值模擬和結(jié)果分析三個方面的內(nèi)容。之前建立的BIM模型不能直接導(dǎo)入Pyrosim中，要先在Revit中進行處理，要將門窗等構(gòu)件刪除后再導(dǎo)入。在導(dǎo)入Pyrosim軟件后，需要創(chuàng)建網(wǎng)格、通風(fēng)口、火源等，再定義材料與反應(yīng)得到完整的數(shù)值模擬模型。

圖3 FDS模型

3.3 起火點的選取

起火點的選取的合理與否決定了火災(zāi)模擬情況與真實情況的相似程度。但在實際的情況中，火災(zāi)的起火點具有隨機性。起火點的設(shè)置參考校園起火的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計。在宿舍中主要室違規(guī)使用電器，起火點主要設(shè)置在桌面和床鋪。實驗室中主要設(shè)置在實驗區(qū)域。在教學(xué)樓中火災(zāi)多是由于學(xué)生抽煙后未熄滅煙頭扔入垃圾簍內(nèi)引起的火災(zāi)，故起火點主要設(shè)置在樓梯走廊的垃圾簍內(nèi)。

3.4 參數(shù)的選取

在Pyrosim中，網(wǎng)格劃分對模擬非常重要，要將所模擬的建筑劃分成很多個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格被稱為基本單元。Pyrosim中，網(wǎng)格劃分越小、越密，計算精度就越高，但是網(wǎng)格過小會給計算機帶來過重的負擔(dān)、分析運算時間過長。網(wǎng)格過大，計算精度又會不足，會對最終的結(jié)果有影響，所以，合理的劃分網(wǎng)格非常重要。結(jié)合實際情況，我們采取的是較為粗糙的網(wǎng)格劃分。

BIM與Pyrosim是一個協(xié)同工作的過程，利用Revit軟件進行BIM建模，對建立的模型檢查處理后導(dǎo)入Pyrosim，在Pyrosim軟件中設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，最終完成火災(zāi)的模擬。要清楚兩個軟件協(xié)同工作的原理和方式，要在每一個模型中做好檢查，使兩個模型可以順利對接，分析成功。

4 BIM+Pathfinder模式下建筑人群疏散仿真模擬

首先建立Pathfinder火災(zāi)模型,對云南大學(xué)呈貢校區(qū)相應(yīng)人群較為密集的建筑，如教學(xué)樓。宿舍樓以及食堂等等進行火災(zāi)模型的建立，之后再將相應(yīng)的部分的平面圖進行簡化，采用1：1的比例尺寸對簡化后的商業(yè)綜合體進行模型的建立。之后進行火災(zāi)場景參數(shù)設(shè)計，火災(zāi)場景設(shè)計應(yīng)該遵循：最不利原理。若火災(zāi)發(fā)生位置在靠近中庭位置的商鋪，并且中庭部位的自動滅火系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生時沒有能夠有效啟動。在這種情況下的火災(zāi)規(guī)?？梢宰裱督ㄖ琅艧熂夹g(shù)規(guī)程》對中庭無噴淋的火災(zāi)熱釋放量，對火災(zāi)規(guī)模取值為4mw。建立完P(guān)athfinder模型之后，運用簡化之后的商業(yè)綜合體商場部分的平面圖，對各個房間、各個營業(yè)廳、各個防火分區(qū)以及各個樓層之間的樓梯進行繪制，各個房間、營業(yè)廳、防火分區(qū)設(shè)置不同的門寬進行連接。

4.1 CO濃度臨界值

火災(zāi)死亡人數(shù)的80%以上屬于煙氣窒息致死，物品的燃燒往往伴隨著大量煙氣的產(chǎn)生，而煙氣當(dāng)中含有的有毒害氣體，是火災(zāi)致死率高的主要原因。木材、塑料、橡膠、電氣設(shè)備、紡織品及建筑保溫材料，都屬于常見的易燃物品，在高溫環(huán)境下，會分解出CO、C02、氫氨酸等上百種化學(xué)物質(zhì)和氣體。在眾多氣體當(dāng)中，CO中毒對人體的毒害性最強，主要是由于其對人體大腦神經(jīng)組織、腦細胞產(chǎn)生的損壞，引起呼吸衰竭、頭暈甚至死亡等癥狀。

4.2 煙氣溫度臨界值

火災(zāi)發(fā)展過程中會產(chǎn)生大量的熱輻射，使燃燒物及周邊的空氣溫度不斷上升，建筑中的可燃材料較多，若火勢無法及時得到控制，煙氣溫度可高達上百攝氏度，對人體和建筑本身都會造成不可恢復(fù)的傷害。相關(guān)研究顯示，當(dāng)溫度達到35攝氏度至5攝氏度之間時，人體會出現(xiàn)出汗及痛感等情況；當(dāng)溫度超過65攝氏度時便會造成燒傷，不宜滯留過久；若溫度上升至120攝氏度及以上，則會對身體各項機能造成不可恢復(fù)的損傷。

圖4 pathfinder火災(zāi)疏散模擬

5 不同建筑因素對建筑人群的影響分析

在以上部分的研究分析和理論基礎(chǔ)上和在火災(zāi)模擬情景下對于人群的模擬仿真疏散結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，影響人群疏散的因素有很多，也就導(dǎo)致了以往的疏散方式所需時間較長，很難滿足建筑的人員疏散安全要求。因此根據(jù)以上數(shù)據(jù)對不同建筑因素對實際疏散情況的影響結(jié)果進行對比分析，最后得出能達到最佳疏散效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)，參考相關(guān)的規(guī)范文本對于現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并且對于總結(jié)出的優(yōu)化方案進行評價驗證。

5.1 疏散人群的影響因素

根據(jù)前期的軟件結(jié)果分析可以得出在人群疏散的過程中起到主要影響的因素包括火災(zāi)發(fā)生過程中的消防樓梯、疏散設(shè)備的狀態(tài)和安全出口的狀態(tài)，換而言之，在火災(zāi)發(fā)生時高層建筑人群疏散的影響因素主要包括建筑因素和人為因素，可以分為消防通道的通暢程度、安全疏散時間的充足程度、消防疏散設(shè)施的完備程度和人員疏散環(huán)境的安全程度。

5.1.1 消防通道的通暢程度

消防通道可以說是在火災(zāi)救援及安全疏散過程中的生命通道，正因如此保證消防通道的通暢性尤為重要，然而在日常生活中可能由于管理不善或設(shè)計不當(dāng)?shù)仍?，?jīng)常出現(xiàn)消防樓梯等消防通道的私自占用和設(shè)計不規(guī)范等情況，導(dǎo)致消防車無法靠近火源地進行滅火救援，同時也會導(dǎo)致人員難以快速找到正確的疏散路徑，引發(fā)火災(zāi)中的恐慌心理，是火災(zāi)中導(dǎo)致人員傷亡的原因之一，因此消防通道的通暢性是保障安全疏散的重要因素。

5.1.2 安全疏散時間的充足程度

校園內(nèi)的建筑垂直距離長，同時建筑內(nèi)的人數(shù)多，火災(zāi)發(fā)生時更難實現(xiàn)快速疏散。疏散時間越長，人們受到燃燒產(chǎn)物威脅的時間越長。因此，應(yīng)盡量減少疏散時間，以確保安全疏散。消防樓梯疏散是一種具有安全保障的常規(guī)疏散方式，但在火災(zāi)突發(fā)事件中經(jīng)常發(fā)生擁擠，踩踏事故，疏散時間難以保證。疏散時間的長短也關(guān)系到人員對建筑環(huán)境的熟悉程度。對于熟悉建筑環(huán)境的人員，在接到消防信號時，可以快速判斷，接近安全出口。因此，需要采取一些有效措施，減少不必要的時間浪費，確保人員有足夠的疏散時間。

5.1.3 消防疏散設(shè)施的完備程度

校園內(nèi)的建筑作為人員聚集區(qū)，對消防安全要求較高。因此為了保證校園內(nèi)師生和工作人員的安全，校內(nèi)建筑應(yīng)配備完善的消防設(shè)施，為防火，滅火，自救工作提供有利條件。應(yīng)設(shè)置集中火災(zāi)報警系統(tǒng)，使建筑物內(nèi)的防火設(shè)備與系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，觸發(fā)自動滅火系統(tǒng)，并在第一時間報告火災(zāi)情況。確保消防電梯具有在火災(zāi)發(fā)生時幫助人們疏散的功能。

5.2 建筑防火方案不足及應(yīng)對

隨著校園內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加，校園建筑密度不斷增加。此外，由于教學(xué)和研究的需要，校園內(nèi)設(shè)置了各種臨時建筑。由于校園沒有完全接受城市規(guī)劃部門的監(jiān)管，學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施部門在消防規(guī)劃上不夠?qū)I(yè)，導(dǎo)致校園建筑分區(qū)不合理，防火間距不足，消防通道不暢通，缺少消防救援場地，消防水源無法保障。因此，必須加強校園規(guī)劃和管理，嚴(yán)禁校園建設(shè)。建設(shè)部門要認真學(xué)習(xí)有關(guān)消防法律法規(guī)，聘請相關(guān)法律顧問，嚴(yán)格遵守規(guī)劃法律法規(guī)，避免違法建設(shè)。同時，應(yīng)及時拆除校園內(nèi)的違章建筑，開辟必要的消防通道，預(yù)留建筑之間的消防間距，并預(yù)留建筑物周圍的綠色廣場，以方便消防疏散和撲救工作。對于一些火災(zāi)危險性較大的高風(fēng)險物品和實驗室，應(yīng)將其轉(zhuǎn)移到遠離學(xué)生宿舍和教室的地方。如有必要，也可修建隔離墻和隔離帶。

對校園建筑電氣線路進行升級改造，更換老舊電氣設(shè)備，完善電源，增加電氣線路的自我保護裝置。例如，增加了一些先進的電源管理系統(tǒng)，可以在學(xué)生使用非法電器時自動切斷電源，從而全面提高校園供電系統(tǒng)的安全性，從而有效降低火災(zāi)的發(fā)生概率。

加強校園建筑消防設(shè)施的建設(shè)和維護。根據(jù)建筑情況，增加應(yīng)急照明和火災(zāi)報警裝置；在人員密集較高的地方配備消防應(yīng)急箱等滅火疏散設(shè)備；為學(xué)校安保人員配備必要的消防救援設(shè)施；在科研教室、教學(xué)樓、學(xué)生宿舍安裝智能消防系統(tǒng)，確?；馂?zāi)自動報警、自動噴淋系統(tǒng)等設(shè)施的正常運行。加強實驗設(shè)備的維護保養(yǎng)，確保實驗設(shè)備本身無火災(zāi)隱患。教室、宿舍、實驗室等公共場所應(yīng)按照規(guī)定安裝滅火器。過期或有缺陷的滅火器應(yīng)及時修理更換，確保師生在火災(zāi)時及時找到周圍的滅火器。