基于BIM的HRB應急疏散路徑雙層決策模型

彭茂龍，劉星雄，陳 茜

(1.南昌交通學院土木建筑分院，江西南昌330100；2.江西師范大學，江西南昌 330022)

1 引言

高層建筑結構較為復雜，難以根據(jù)突發(fā)事件進行及時有效的路徑調(diào)整，導致疏散工作具有一定的盲目性與滯后性。因此高層建筑應急逃生與疏散成為了近年來專家學者的研究重點[1]。我國針對突發(fā)事件頒布了對應法律條文，在提升人們應對能力的同時更有利于完善突發(fā)事件的應急管理體系。為提高人們在各種情況下的應對能力，各企業(yè)單位也會定期舉辦各種演練活動[2]。但傳統(tǒng)演練較為浪費時間和人力，無法長期堅持。尤其是在高層建筑內(nèi)，人員的應急疏散問題更是重中之重。高層建筑是指建筑體量較大、樓層多，建筑結構信息量大，逃生過程容易發(fā)生事故[3]。本文構建基于BIM的高層建筑應急疏散路徑雙層決策模型，掌控事件突發(fā)時人員密集卻有限的空間場所，了解高層建筑的全部結構信息，安排最優(yōu)疏散路徑，實現(xiàn)有序疏散人員。

研究高層建筑應急疏散路徑的第一步是了解高層建筑結構構造，掌握信息是建立應急疏散路徑的基礎[4]。但是高層建筑的自身特點導致獲取其信息的難度高，本文模型選擇通過BIM 技術解決這一難題。BIM技術具有模擬性、可視性、可出圖性等優(yōu)點，能夠把所有的高層建筑信息集中至三維建筑模型，其參與者可以利用BIM平臺隨意提取任何高層建筑信息。獲取高層建筑信息后需要判斷應急疏散中所有人員抵達安全出口所需最短時間和最短距離，所以構建應急疏散路徑雙層決策模型。通過BIM技術能夠為應急疏散人員提供高層建筑內(nèi)部的完整信息，有利于其正確的判斷和制定完善的救援方案，而遺傳算法又向應急疏散人員提供了合理的應急疏散路線及疏散時間。減小了事件突發(fā)時的不必要失誤與風險，為救援工作提供了科學的技術保障。

2 基于BIM的高層建筑應急疏散路徑雙層決策模型

2.1 BIM協(xié)同建模方法

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是一種數(shù)據(jù)化工具，主要應用于工程設計、建造、管理方面[5]。它是利用線條式構件構成虛擬三維模型展示，通過數(shù)字化技術賦予建筑完整的信息，呈現(xiàn)數(shù)字化設計與建筑信息共享的平臺。

2.1.1 軟件平臺選擇

構建BIM模型的基礎是選擇核心建模軟件，當前流行的BIM建模軟件主要包括 Revit、Bentley、Catia、ArchiCAD等，不同的建模軟件具有不同的技術特點、適用領域以及兼容性，用戶可依據(jù)自身需求選擇所需要的建模軟件。受高層建筑結構的自身特征影響，以建模軟件可操作性為前提選擇Revit系列建模軟件建立高層建筑三維空間模型[6]。選擇Revit系列建模軟件的原因主要是：Revit系列建模軟件能夠為參數(shù)化構件的創(chuàng)建提供圖形化族編輯器，不用使用專業(yè)編程語言，創(chuàng)建特殊族的便捷程度更高；Revit系列建模軟件能夠在同一BIM模型中居中修改、新增全部模型構件信息，能夠在保證組件信息可傳遞性的同時維持BIM模型的一致性；Revit系列建模軟件中具有專業(yè)建模平臺，可以協(xié)同各專業(yè)并且遠程建模；Revit系列建模軟件的雙向圖紙支持修改與管理平面視圖及三維視圖中的信息，且其支持同時在同一項目上的修改操作，具有良好的兼容性。

2.1.2 協(xié)同建模

利用Revit系列建模軟件構建高層建筑BIM模型時，首先應該令各專業(yè)通過協(xié)同方式實施整合，協(xié)同方式有兩種，主要分為鏈接模式與工作集模式[7]。鏈接模式同時也稱為外部參照，它是一種多專業(yè)共用模型的方式，能夠集中儲存BIM模型，具有較強的數(shù)據(jù)交換及時性，并且它能夠按照需求隨時加載BIM模型文件，且每個專業(yè)模型間的調(diào)整具有獨立性，特別是在大型BIM模型的協(xié)同工作中，其具有較優(yōu)的性能表現(xiàn)，在建模軟件的操作響應上尤為明顯。高層建筑的BIM模型僅涉及到建筑和結構兩個專業(yè)的協(xié)同過程，其工作集建立方法見圖1。

圖1 工作集協(xié)同建模流程

工作集模式同時也稱為中心文件方式，它是按照不同專業(yè)性質(zhì)劃分權限與操作范圍，將所得建模結果匯總到中心文件內(nèi)。但在鏈接模式中不能直接修改，必須返回原始模型編輯，協(xié)作時效性沒有工作集模式便捷。基于BIM模型的精度要求與操作便捷性，選擇的協(xié)同模式為工作集模式，利用創(chuàng)建不同專業(yè)項目文件、定義工作權限、借用圖元以及同步各專業(yè)模型成果完成協(xié)同。

2.1.3 BIM模型構建過程

在滿足高層建筑各專業(yè)模型的細度條件下，按照Revit平臺的 Architecture以及Structure建模系統(tǒng)特點、適用范圍[8]。分別通過工作集協(xié)同模式構建高層建筑主體結構、建筑專業(yè)模型，完成高層建筑BIM模型的整合，主要建模內(nèi)容如表1所示。

表1 BIM模型主要建模內(nèi)容

高層建筑建模時，主要依據(jù)軸網(wǎng)與標高定位構件的空間位置，建筑模型主要是建立門、窗、樓梯及屋面等構件，結構模型主要是建立梁、板、柱及墻等構件，高層建筑的BIM模型完整性由互相關聯(lián)的不同構件元素間信息構成。

2.2 應急疏散路徑雙層決策模型構建

首先需要了解高層建筑內(nèi)部各實體之間的拓撲關系，并劃分高層建筑內(nèi)部空間網(wǎng)絡結點，明確疏散目標，尋找限制因素，根據(jù)假設模型構建疏散路徑優(yōu)化模型[9]。傳統(tǒng)應急疏散路徑模型的目標僅為最短路徑，過于單一，主要是通過尋找有限的點集與弧集內(nèi)長度最短的一條線路，令應急疏散路徑最短。構建以應急疏散路徑、時間均為最短的雙重目標路徑優(yōu)化模型。設定合理假設條件：①疏散路徑應為日?？赏ㄐ新窂剑议L度已知；②疏散人員位置已知；③排除臨場人員心理恐懼因素、中途折返等因素；④除起火點路徑外，其余路徑保持雙向可通行狀態(tài)；⑤路徑符合先進先出原則。

高層建筑應急疏散路徑雙層決策模型的描述為：高層建筑內(nèi)部出現(xiàn)事故時，將人員所在位置作為起點，以地面安全逃生出口作為終點。其模型描述為：

應急疏散路徑D最短化

(1)

應急疏散時間T最小化：

(2)

所有人員都從起點開始疏散

(3)

所有人員均能到達安全出口

(4)

各結點應急疏散人員均可以通過當前結點前往下一結點，避免人員滯留

(5)

(6)

fk(t)=ρ1vijtwij

(7)

應急疏散過程中人員的疏散速度

vijt=v0[1-ajln(ρ1-ρ2)]

(8)

(9)

(10)

式(1)～(10)中，V為結點總數(shù)，N為疏散人員總數(shù)，結點i與j之間的當量長度為Lij，路徑Lij上單位時間內(nèi)允許通過的最大人員容量描述為cij，路徑Lij的應急疏散寬度表示為wij，t時刻應急疏散人員在路徑Lij上的行走速度描述為vijt，路徑內(nèi)的平均速度表示為v0，取值為1.2m/s。路徑系數(shù)、人流密度與瓶頸密度分別描述為aj、ρ1與ρk2。t時刻位于結點i的應急疏散人員總數(shù)表示為bi(t)，任一路徑pk∈R上t時刻到達出口的動態(tài)流量描述為fk(t)，xnij代表判斷應急疏散人員是否通過路徑Lij進行應急疏散的決策變量，是則其取值為1，否則其取值為0。

2.3 遺傳算法求解應急疏散路徑雙層決策模型

高層建筑應急疏散路徑優(yōu)化問題是典型的NP(Non-deterministic Polynomial)難題，當高層建筑出現(xiàn)事故時，各路徑上的人員流量和周圍環(huán)境均為動態(tài)變化。在求解模型時，要求算法求解能力高效的同時具有一定的容錯能力與全局擇優(yōu)能力，所以選取遺傳算法求解最優(yōu)路徑[10]。遺傳算法是模擬進化論的自然選擇與遺傳理論的計算模型，通過計算適應度值并不斷重復操作，直至得出最優(yōu)染色體后將其解碼。利用遺傳算法求解最優(yōu)應急疏散路徑流程如圖2所示。

圖2 求解流程圖

如圖2所示，詳細求解流程說明如下。

1)定義全局變量后通過實數(shù)編碼的方式，隨機生成初始種群；

2)計算適應度值，設結點個數(shù)為n，Dij為相鄰兩結點i和j的距離，人員在路徑ij上的行走速度表示為vij，決策變量xij=1，意為從路徑ij疏散，決策變量xij=0，意為人員不從路徑ij疏散。得到

(11)

3)通過輪盤賭規(guī)則選擇操作，得出

(12)

4)通過交叉及變異操作更換種群，并記錄目前所得最優(yōu)適應度值進行；

5)判斷遍歷是否滿足迭代次數(shù)，解碼后獲得最優(yōu)疏散路徑；

6)根據(jù)人員流動及疏散速度的計算，得到疏散時間。

3 仿真與分析

分別將本文模型應用在全樓梯應急疏散、單電梯應急疏散、雙電梯應急疏散三種疏散模式中，研究各種模式的特點。全樓梯應急疏散模式中，針對10層樓展開10次應急疏散模擬，多一層應急疏散模擬需要在原本基礎上加一層人員。單電梯應急疏散中，只考慮6層及以上樓層的人員通過一部電梯進行應急疏散，6層以下通過樓梯進行應急疏散。雙電梯應急疏散中，只考慮4層及以上樓層人員通過兩部電梯進行應急疏散，4層以下通過樓梯進行應急疏散，三種模式的結果見表2、表3、表4所示。

表2 全樓梯應急疏散模式應急疏散過程

表3 單電梯模式應急疏散過程

表4 雙電梯模式應急疏散過程

表2中，隨著樓層剩余人數(shù)的增多，應急疏散時間也相應增長，從表中可知，第1樓層的人員剩余人數(shù)最少且應急疏散時間最短。原因是第1樓層距離出口近，所以人員應急疏散效率高，但其余各樓層之間具有較高的一致性，說明人員應急疏散速率趨于穩(wěn)定。

表3中，從第6樓層開始，單電梯模式的應急疏散速率逐漸下降，應急疏散時間明顯比全樓梯疏散模式的應急疏散時間高，原因是電梯運行次數(shù)太多，電梯運行需要消耗的時間遠遠超過人員使用樓梯應急疏散的時間。

表4中，從第4樓層開始，雙電梯模式的應急疏散速率明顯下降，應急疏散時間明顯高于全樓梯疏散模式的應急疏散時間，原因與單電梯模式相同。當?shù)?樓層、第9樓層、第10樓層時，雙電梯模式的應急疏散時間低于全樓梯疏散模式的應急疏散時間，其余各樓層的應急疏散時間依舊高于全樓梯模式。

研究三種模式下各層樓與應急疏散時間的關系，結果如圖3所示。

圖3 各應急疏散模式與應急疏散時間關系

分析圖3可知，從第9樓層開始，單電梯模式與雙電梯模式的應急疏散時間幾乎完全重合，且均低于全樓梯模式。在第7樓層與第8樓層時，單電梯模式的應急疏散時間均高于全樓梯疏散模式，人員不適合通過電梯應急疏散。雙電梯模式下，除了第4樓層之外，其余各樓層的應急疏散時間均低于全樓梯疏散模式，說明雙電梯模式的應急疏散路徑更優(yōu)于單電梯模式。綜上所述，在保證電梯安全性的前提下，第6樓層以上人員均可通過雙電梯進行應急疏散，第8樓層以上人員使用該模式效果最好，若應用單電梯模式，建議第9樓層以上人員通過單電梯進行應急疏散。

4 結論

本文構建了基于BIM的高層建筑應急疏散路徑雙層模型，經(jīng)其實驗分析可以得出：

1)在一般高層建筑中，通過全樓梯方式的人員疏散時間呈線性增長趨勢，在保證電梯安全的前提下。在一般高層建筑中，通過全樓梯方式的人員緊急疏散時間隨時間呈線性增長趨勢，在保證電梯安全的條件下，存在可使緊急疏散時間最少的電梯層數(shù)。

2)設計高層建筑應急疏散方案時，應用合理的電梯疏散模式比直接應用全樓梯模式更能有效縮短應急疏散時間。若建筑內(nèi)部安裝了多部電梯，則需在保證電梯安全性的同時進行對應應急疏散模擬，以便規(guī)劃最優(yōu)應急疏散路徑。