BIM集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真

吳 貝，時(shí) 雨

(天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636)

1 引言

地鐵與高鐵等交通方式為人們出行帶來了便利，符合人們快節(jié)奏生活方式對(duì)于出行條件逐漸增長(zhǎng)的要求，但地鐵與高鐵等出行方式也存在很多不安全因素[1]，原因是車站空間相對(duì)封閉與窄小，若在這樣的環(huán)境中出現(xiàn)火災(zāi)等突發(fā)狀況，在實(shí)施車站客流消防應(yīng)急疏散過程中，乘客易于出現(xiàn)驚恐與絕望的心理狀態(tài)，造成少數(shù)乘客開始抓狂，出現(xiàn)錯(cuò)誤的逃生行為[2]，增加嚴(yán)重人員傷亡的數(shù)量。

傳統(tǒng)分析車站安全疏散問題的方式是疏散演習(xí)，疏散演習(xí)具有浪費(fèi)時(shí)間、成本高與存在安全隱患等缺點(diǎn)，降低疏散結(jié)果的普遍性與有效性，不能有效解決車站本身設(shè)計(jì)的問題，延長(zhǎng)后期修改的時(shí)間[3]。而計(jì)算機(jī)仿真可有效解決耗時(shí)長(zhǎng)與成本高等問題，能夠經(jīng)過不斷模擬與計(jì)算全方位研究乘客的疏散行為特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能影響安全疏散的車站布局問題。BIM模型具有構(gòu)建建筑環(huán)境模型準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)，能夠精準(zhǔn)與全面地展示出建筑環(huán)境的所有細(xì)節(jié)，與實(shí)際建筑環(huán)境更為接近[4]。BIM模型能夠描繪建筑從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營不同階段的全部真實(shí)信息，分別是尺寸與材料屬性等幾何(非幾何)形狀信息；同時(shí)BIM模型還能夠提供較好的三維可視化圖像，利用Unity3D軟件便能生動(dòng)地呈現(xiàn)出車站客流消防應(yīng)急疏散的全部過程，易于理解[5]。擴(kuò)展的非均勻格子氣模型屬于一種處于微觀與宏觀間的建模方法，適合用于仿真車站客流消防應(yīng)急疏散過程，提升計(jì)算速度。為此研究BIM集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，仿真不同情況下車站客流消防應(yīng)急疏散過程，改善車站布局，提升車站安全性。

2 BIM集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真

2.1 設(shè)計(jì)方案

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真方法是：利用BIM建模軟件構(gòu)建疏散BIM模型[6]；分析車站乘客疏散行為特征獲取疏散參數(shù)；提出火災(zāi)和人員交互作用的疏散模擬算法，即擴(kuò)展非均勻的格子氣模型疏散算法；將疏散環(huán)境與疏散人員數(shù)據(jù)導(dǎo)入擴(kuò)展非均勻的格子氣模型疏散算法內(nèi)，實(shí)施車站客流消防疏散仿真。BIM集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 車站客流消防應(yīng)急疏散的設(shè)計(jì)方案

BIM集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散的具體步驟如下：

步驟1：構(gòu)建車站客流消防應(yīng)急疏散BIM模型，以完工車站BIM模型為基礎(chǔ)，利用實(shí)地考察的方式完善車站客流消防應(yīng)急疏散BIM模型[7]，車站客流消防應(yīng)急疏散BIM模型為應(yīng)急疏散仿真提供一個(gè)精準(zhǔn)與全面的疏散環(huán)境模型[8]；

步驟2：分析車站乘客疏散行為特征，獲取計(jì)算機(jī)仿真的乘客人員疏散參數(shù)，其中包括疏散總?cè)藬?shù)與疏散速度等；

步驟3：構(gòu)建火災(zāi)和人員交互作用的疏散仿真算法[9]，將擴(kuò)展非均勻的格子氣模型作為疏散仿真算法；

步驟4：車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，將車站客流消防應(yīng)急疏散BIM模型與車站乘客疏散行為特征導(dǎo)入擴(kuò)展非均勻的格子氣模型算法內(nèi)，依據(jù)車站疏散規(guī)范的規(guī)定實(shí)施車站客流消防應(yīng)急疏散仿真；

步驟5：車站客流消防應(yīng)急疏散仿真過程的可視化展示，利用Unity3D平臺(tái)融合車站客流消防應(yīng)急疏散BIM模型與車站客流消防應(yīng)急疏散仿真過程，展現(xiàn)出三維的與可視化的車站客流消防應(yīng)急疏散過程。

2.2 基于擴(kuò)展非均勻的格子氣模型的疏散算法

基于擴(kuò)展非均勻格子氣模型中處于各人員附近的格子屬于動(dòng)態(tài)的，與密集人群疏散情況更為接近。在該模型中加入火災(zāi)場(chǎng)和乘客交互作用的因素，獲取不同個(gè)體在可能移動(dòng)方向上的概率模型，公式如下

(1)

出口信息因子B的表達(dá)公式如下

Bi，j=Bcosθi，j

(2)

每個(gè)測(cè)點(diǎn)在各時(shí)間的溫度Ti，j是由FDS(Fire Dynamics Simulator，火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具)火災(zāi)模擬計(jì)算獲取的溫度值。在臨界溫度T0低于個(gè)體位于元胞格子的溫度情況下，即χi，j=0，說明這個(gè)個(gè)體屬于受傷狀態(tài)；在χi，j=1情況下，說明這個(gè)個(gè)體不屬于受傷狀態(tài)。受傷個(gè)體的處理方式是將其作為墻壁處理，受傷個(gè)體對(duì)其余個(gè)體的平均作用力是GUn。此時(shí)受傷個(gè)體不參與疏散，停止于該個(gè)體受傷時(shí)位于的地點(diǎn)。擴(kuò)展的非均勻格子氣模型內(nèi)利用溫度描繪火災(zāi)和疏散個(gè)體間的彼此物理作用，溫度即熱力，由Gmg代表。Gmg的計(jì)算公式如下：

(3)

其中，目標(biāo)元胞格點(diǎn)的溫度是Tm；該目標(biāo)元胞格點(diǎn)的鄰域元胞格點(diǎn)的溫度是Tn；κ屬于一個(gè)常數(shù)，且κ≥0，κ值的大小與火災(zāi)場(chǎng)對(duì)個(gè)體的作用力呈正比。

煙氣濃度對(duì)個(gè)體移動(dòng)速度的影響公式如下

(4)

其中，消光系數(shù)是Ks(m-1)；η=0.706ms-1；τ=0.057m2s-1。消光系數(shù)Ks與個(gè)體疏散速度呈反比。

能見度與個(gè)體疏散速度成反比，在車站火災(zāi)環(huán)境中，個(gè)體各時(shí)間步均能移動(dòng)大于等于一個(gè)小元胞格子的距離，同時(shí)需滿足低于五個(gè)小元胞格子。個(gè)體各時(shí)間步為0.3s，通過式(4)與一些小的處理獲取移動(dòng)的小元胞格子數(shù)量，數(shù)量取值為整數(shù)。

2.3 疏散BIM模型與疏散算法的交互

車站客流消防應(yīng)急疏散過程的相關(guān)文本數(shù)據(jù)是通過擴(kuò)展非均勻的格子氣模型的疏散算法得到的文本數(shù)據(jù)，其中疏散過程相關(guān)的文本數(shù)據(jù)包括疏散時(shí)間、疏散人數(shù)和疏散地點(diǎn)等；為提升車站客流消防應(yīng)急疏散仿真過程的直觀性與生動(dòng)性，利用BIM模型的可視化優(yōu)勢(shì)，將車站客流消防應(yīng)急疏散仿真結(jié)果由疏散BIM模型呈現(xiàn)出來。因?yàn)閿U(kuò)展非均勻的格子氣模型疏散算法獲取的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真結(jié)果與疏散BIM模型格式不同，所以利用Unity3D軟件將二者融合，解決格式不同問題[10]。通過Unity3D融合后的三維車站客流消防應(yīng)急疏散數(shù)據(jù)讀取與展示的流程如圖2所示。

圖2 三維車站客流消防應(yīng)急疏散數(shù)據(jù)讀取與展示流程

通過Unity3D軟件是利用驅(qū)動(dòng)乘客在車站內(nèi)運(yùn)動(dòng)解決車站客流消防應(yīng)急疏散仿真過程可視化展示問題，使乘客經(jīng)過車站樓梯與通道等地點(diǎn)到達(dá)安全位置的全部動(dòng)態(tài)行為能夠生動(dòng)地展示出來[11]。Unity3D融合擴(kuò)展非均勻的格子氣模型疏散算法獲取的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真結(jié)果與疏散BIM模型的具體步驟如下：

步驟1：Unity3D軟件在車站客流消防應(yīng)急疏散仿真結(jié)果內(nèi)提取各位疏散乘客在不同時(shí)間點(diǎn)的相關(guān)編號(hào)、地點(diǎn)與狀態(tài)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建乘客的運(yùn)動(dòng)路徑[12]；

步驟2：利用3Ds Max軟件構(gòu)建疏散乘客模型；

步驟3：對(duì)應(yīng)連接疏散乘客模型和乘客疏散運(yùn)動(dòng)路徑；

步驟4：利用疏散BIM環(huán)境模型將車站客流消防應(yīng)急疏散仿真過程以三維可視化形式展示出來。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以某地鐵站為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用本文方法對(duì)該地鐵站出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)實(shí)施車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，測(cè)試本文方法疏散仿真的有效性。該地鐵站屬于雙層導(dǎo)式地鐵站，站臺(tái)與站廳間共有兩個(gè)扶梯與兩個(gè)樓梯，站臺(tái)兩側(cè)屬于軌道區(qū)域，軌道寬度是3.5m，存在24根支撐立柱，站廳層包含4個(gè)出口；該地鐵站高峰時(shí)段客流高達(dá)4900人/h，疏散速度與疏散方案如表1和表2所示。

表1 疏散速度(m/s)

表2 疏散方案

其中，有無導(dǎo)流是指在車站客流消防應(yīng)急疏散時(shí)，有無工作人員指引乘客往人群密度低的方向疏散。

3.1 不同方案時(shí)的疏散仿真

為分析不同方案對(duì)車站客流消防應(yīng)急疏散過程的影響，利用本文方法實(shí)施不同方案時(shí)車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，因?yàn)槿藛T分布的隨機(jī)性，為驗(yàn)證本文方法的穩(wěn)健性，使仿真結(jié)果與實(shí)際情況更為接近，假設(shè)需要疏散人數(shù)為4593人，將4個(gè)疏散方案各實(shí)施5次仿真，4個(gè)疏散方案疏散時(shí)間的仿真結(jié)果如表3所示，疏散時(shí)間為車站客流消防應(yīng)急疏散時(shí)最后一名乘客到達(dá)安全地點(diǎn)的時(shí)間。

表3 不同疏散方案的疏散時(shí)間(s)

根據(jù)表3可知，方案1的 5次仿真平均疏散時(shí)間為360.3s；方案2的5次仿真平均疏散時(shí)間為373.4s；方案3的5次仿真平均疏散時(shí)間為240.2s；方案4的5次仿真平均疏散時(shí)間為363.1s；經(jīng)過對(duì)比得知，扶梯運(yùn)行的疏散方案優(yōu)于扶梯停運(yùn)的疏散方案，存在導(dǎo)流的疏散方案優(yōu)于無導(dǎo)流的疏散方案，疏散時(shí)間最短即疏散效率最高的疏散方案為扶梯運(yùn)行同時(shí)存在導(dǎo)流時(shí)的疏散方案。實(shí)驗(yàn)證明：疏散時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)是低于6min；在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，只有扶梯運(yùn)行且存在導(dǎo)流的方案能夠滿足疏散時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 不同人員分布時(shí)的疏散仿真

為分析不同人員分布對(duì)車站客流消防應(yīng)急疏散過程的影響，利用本文方法實(shí)施不同人員分布時(shí)車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，隨機(jī)人員分布總?cè)藬?shù)分別為350人與700人兩種情況，具體人員分布情況如表4所示。

表4 人員分布情況(人)

利用本文方法對(duì)這兩種人員分布情況實(shí)施車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種人員分布情況的疏散時(shí)間仿真結(jié)果

根據(jù)圖3(a)可知，隨著站臺(tái)層人數(shù)的不斷提升，人員平均疏散時(shí)間與最大疏散時(shí)間也不斷提升，即站廳層人數(shù)與平均疏散時(shí)間和最大疏散時(shí)間呈反比，原因是疏散出口在站廳層，站臺(tái)層人員數(shù)量直接影響連接站廳與站臺(tái)的樓梯與扶梯的疏散壓力，兩者呈正比關(guān)系，人員數(shù)量越多疏散時(shí)間越慢；根據(jù)圖3(b)可知，人員數(shù)量較多情況下，站廳層初始人員比較多，導(dǎo)致疏散出口很早便出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，為疏散進(jìn)程增加了難度，進(jìn)一步延長(zhǎng)疏散時(shí)間，隨著站臺(tái)層人員數(shù)量越多，一方面延長(zhǎng)從站臺(tái)層到站廳層的所需疏散時(shí)間，另一方面卻可降低疏散出口的疏散壓力，緩解站廳層擁擠現(xiàn)象，縮短總的疏散時(shí)間，這就是圖3(b)出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因。實(shí)驗(yàn)證明：人員初始數(shù)量較少時(shí)，站臺(tái)層人員分布數(shù)量與平均疏散時(shí)間和最大疏散時(shí)間呈正比；在人員初始數(shù)量較多時(shí)，隨著人員分布數(shù)量的提升，疏散時(shí)間呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

3.3 不同提升高度時(shí)的疏散仿真

為分析不同提升高度對(duì)車站客流消防應(yīng)急疏散過程的影響，利用本文方法實(shí)施不同提升高度時(shí)車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，設(shè)置客流量為2000人，站臺(tái)到站廳的提升高度分別是10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m、24m，不同提升高度時(shí)本文方法的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同提升高度時(shí)的疏散仿真結(jié)果

根據(jù)圖4可知，站臺(tái)到站廳的提升高度在16m以內(nèi)時(shí)，疏散人數(shù)與疏散時(shí)間都符合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》與《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》的條件，能夠在規(guī)定時(shí)間(疏散時(shí)間少于6min)內(nèi)完成人員疏散；站臺(tái)到站廳的提升高度在16m與18m之間時(shí)，疏散人數(shù)出現(xiàn)小幅度下降以及疏散時(shí)間出現(xiàn)小幅度上升的趨勢(shì)，疏散時(shí)間依舊符合標(biāo)準(zhǔn)；站臺(tái)到站廳的提升高度高于18m時(shí)，疏散人數(shù)出現(xiàn)大幅度下降以及疏散時(shí)間出現(xiàn)大幅度上升的趨勢(shì)，此時(shí)疏散效率明顯下降，說明當(dāng)站臺(tái)到站廳的提升高度高于18m時(shí)，已有的樓梯與扶梯數(shù)量已不能滿足車站客流消防應(yīng)急疏散需求，需增加樓梯與扶梯數(shù)量。實(shí)驗(yàn)證明：站臺(tái)到站廳的提升高度低于16m時(shí)能夠減輕樓梯與扶梯處的擁擠狀況，當(dāng)提升高度高于18m時(shí)，會(huì)擴(kuò)展疏散距離，延長(zhǎng)疏散時(shí)間，使疏散設(shè)施的工作效率下降。

4 結(jié)論

研究BIM集成應(yīng)用下的車站客流消防應(yīng)急疏散仿真，充分發(fā)揮BIM的精準(zhǔn)、全面及可視化等優(yōu)點(diǎn)，提升車站客流消防疏散仿真的準(zhǔn)確性，使仿真結(jié)果與實(shí)際情況更為接近，同時(shí)還可提供可視化界面，降低人們理解難度；本文僅研究了BIM技術(shù)在車站客流消防應(yīng)急疏散中的應(yīng)用，并未涉及其它領(lǐng)域，以后還可研究BIM技術(shù)在火災(zāi)消防智能設(shè)施設(shè)備管理與火災(zāi)安全疏散培訓(xùn)等中的應(yīng)用效果。