基于BIM的某高校圖書館火災(zāi)應(yīng)急管理研究

陳永鴻，武 蕾，楊宇范，甘文杰

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650504)

應(yīng)急管理是對突發(fā)事件管理的預(yù)期和執(zhí)行管理方案[1]。通過有效的應(yīng)急管理可以在火災(zāi)發(fā)生前降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，使火災(zāi)發(fā)生后損失降到最低。火災(zāi)在不同建筑空間內(nèi)的發(fā)展情況不同，所以對于不同建筑物的火災(zāi)應(yīng)急管理必須有針對性地分析火災(zāi)的蔓延情況和人員的疏散情況，實(shí)現(xiàn)有效的“人群管理”，制定符合人群規(guī)律的應(yīng)急管理方法[2]。

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)或者比例模型分析火災(zāi)的蔓延情況和人員疏散情況勢必會耗費(fèi)大量的人力物力，且不能把所有狀況都包括在內(nèi)。在計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的推動下學(xué)者們對火災(zāi)的研究方向逐漸從理論模型發(fā)展到計(jì)算機(jī)仿真模擬，為火災(zāi)研究提供了新手段。最開始是以Tong、Canter等[3]為代表提出的利用計(jì)算模擬研究火災(zāi)中人員疏散的問題；Hadjisophocleous等[4]率先利用數(shù)值模擬(FDS)計(jì)算了一座10層高建筑的煙氣情況，通過仿真模擬結(jié)果與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，證明了計(jì)算機(jī)仿真模擬的準(zhǔn)確性。之后有不少學(xué)者應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬研究火災(zāi)疏散，例如趙銳等利用Pathfinder疏散仿真軟件研究某化工企業(yè)的人員應(yīng)急疏散問題[5]；田鑫等利用“FDS+pathfinder”研究地鐵車站火災(zāi)安全性[6]；王偉等[7]、Li等[8]、鄒馨捷等[9]通過某圖書館火災(zāi)數(shù)值模擬分析圖書館設(shè)計(jì)是否滿足人員疏散需求，為應(yīng)急管理提出建議。盡管計(jì)算機(jī)仿真模擬已經(jīng)相對成熟，但在建模過程中依舊存在耗時(shí)長且模型精度不夠的問題。

然而，BIM(building information model)以其獨(dú)特的信息儲存、交互、共享的功能應(yīng)用優(yōu)勢為火災(zāi)應(yīng)急的突破創(chuàng)造了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，使得火災(zāi)模擬更精準(zhǔn)有據(jù)。例如，利用BIM與監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)提高了地鐵火災(zāi)檢測信息集成和管理水平[10]；利用“BIM+GIS”平臺二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)疏散模擬[11]；利用“BIM+元胞自動機(jī)模型”實(shí)現(xiàn)火災(zāi)疏散路徑優(yōu)化[12]；也有利用“BIM+FDS+ Pathfinder”針對不同建筑研究火災(zāi)的安全性。但這些研究傾向于研究地下建筑、地鐵車站、高層公寓、辦公樓、大型單層或雙層建筑。

高校圖書館屬于易發(fā)生火災(zāi)建筑，但目前利用“BIM+”研究圖書館建筑火災(zāi)應(yīng)急管理還較為欠缺。研究旨在將“BIM+FDS+ Pathfinder”方法應(yīng)用在圖書館建筑中，為圖書館的防煙、防火、逃生提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 研究方法

研究某圖書館火災(zāi)應(yīng)急管理主要借助Revit建立圖書館BIM模型，基于BIM模型利用Pyrosim軟件實(shí)現(xiàn)火災(zāi)數(shù)值模擬和Pathfinder軟件模擬人員疏散，分析火災(zāi)發(fā)生情況下煙氣、溫度、能見度對人員安全性的影響。該研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

1.1 人員安全疏散判斷標(biāo)準(zhǔn)

著火建筑內(nèi)人員是否能安全疏散，主要取決于火災(zāi)的可用疏散時(shí)間(available safe egress time，ASET)和安全疏散的必需時(shí)間(require safe egress time，RSET)的相對大小，如果在火災(zāi)達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)間內(nèi)人員能夠疏散到安全區(qū)域，則認(rèn)為整個(gè)火災(zāi)疏散過程是安全的，即RSET

REST=talarm+tresp+tmove

(1)

根據(jù)《火災(zāi)產(chǎn)品現(xiàn)場試驗(yàn)與判定規(guī)則》(GA588—2005)規(guī)定，結(jié)合實(shí)際情況將圖書館火災(zāi)報(bào)警時(shí)間設(shè)置為60 s，即talarm=60 s。當(dāng)火災(zāi)警報(bào)響起時(shí)，館內(nèi)人員需要一定的響應(yīng)時(shí)間?？紤]到圖書館會定期開展消防演習(xí)，提高學(xué)生的應(yīng)急管理能力。同時(shí)，館內(nèi)流動人員多為學(xué)校師生、工作人員等，對館內(nèi)環(huán)境有一定了解?；谏鲜銮闆r，將人員響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為40 s，即tresp=40 s[14-15]。通過后續(xù)仿真模擬可以得到火災(zāi)人員疏散時(shí)間tmove。

1.2 火災(zāi)模擬模型

火災(zāi)模擬程序都是基于某種災(zāi)變模型算法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)場景模擬，不同程序算法支持的軟件適合不同的火災(zāi)場景，近年來更多學(xué)者傾向結(jié)合BIM技術(shù)研究火災(zāi)模擬，基于BIM技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)模擬最終呈現(xiàn)的效果關(guān)鍵在于模擬模型的選擇。當(dāng)前常用的火災(zāi)模擬模型對比見表1。

表1 火災(zāi)模擬模型對比

1.3 Pathfinder疏散模型

常用的疏散模型對比見表2。

表2 疏散模型對比

實(shí)現(xiàn)疏散模擬的模型都在一定程度上考慮了人員的心理因素、疏散環(huán)境。其中元胞自動機(jī)和社會力模型更適用于交通工具的疏散模擬。Agent-based模型中人員智能化程度更高，疏散時(shí)人員可以輕松避開障礙物以及回應(yīng)環(huán)境刺激，可以設(shè)置的人員特征豐富，疏散更符合實(shí)際情況。

綜上所述研究選用Pathfinder疏散軟件模擬火災(zāi)中人員疏散。Pathfinder采用A-star算法給定地圖，設(shè)置障礙點(diǎn)，可以從開始地點(diǎn)尋找最短路徑到目的地。Pathfinder分為Steering和SFPE兩種疏散模式，SFPE模式中人員自動找到出口且人員之間相互獨(dú)立；Steering模式中人為指導(dǎo)和碰撞相結(jié)合，最近路線超過人流最大值則另生新路徑。軟件提供可視化界面，通過格式的轉(zhuǎn)換與BIM建模軟件結(jié)合使用，計(jì)算較為準(zhǔn)確，能滿足大型圖書館的評估分析。

2 圖書館BIM建模

2.1 項(xiàng)目概況

該高校圖書館位于云南省昆明市，建筑總高度為23.9 m，總建筑面積20 690.45 m2，共6層，屬二類多層建筑。工程設(shè)計(jì)使用期限為50年，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，耐火等級為二級。2012年投入使用，現(xiàn)有閱覽座位1 300個(gè)，目前館藏文獻(xiàn)近215萬冊，其中紙質(zhì)文獻(xiàn)近86.3萬冊，電子文件近128.7萬冊。

2.2 Revit建模

常用的BIM建模軟件有Revit、Bentley系列軟件、Tekla等，其中Revit應(yīng)用相對成熟且是最適合民用建筑建模的軟件。Revit功能齊全，不僅可以通過構(gòu)建族的形式或者利用API二次開發(fā)插件實(shí)現(xiàn)建筑圖元各種形狀的建模以及參數(shù)化設(shè)計(jì)來滿足各專業(yè)的建模需求，還可以精確定義建筑物的材質(zhì)屬性，對火災(zāi)模擬提供了基本的數(shù)據(jù)來源，很大程度上縮短了建立火災(zāi)模型和疏散模型的時(shí)間。

本項(xiàng)目已有經(jīng)過審核的CAD電子版圖紙，CAD和Revit兩款軟件輸出的圖紙能夠相互兼容傳輸，為建筑模型創(chuàng)建提供了便利。所建圖書館BIM模型如圖2、圖3所示。

圖2 圖書館建筑BIM模型

圖3 圖書館結(jié)構(gòu)BIM模型

3 火災(zāi)模擬

3.1 火災(zāi)場景及參數(shù)設(shè)置

圖書館內(nèi)有大量的紙質(zhì)書籍、木制書架、木制桌椅、電路超負(fù)荷等易燃物，耐火等級較低，很多行為均可導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。例如館員或者讀者自覺性不高，在館內(nèi)抽煙，煙灰落在書上或者煙頭帶有火星，致使引發(fā)火災(zāi)；館內(nèi)電路故障、明火作業(yè)，保護(hù)措施不當(dāng)，容易濺起火花引起火災(zāi)。

3.1.1 參數(shù)設(shè)置

圖書館-1F有中庭，其余各層布局類似，均是左右兩側(cè)布置書架和座位，建筑內(nèi)4個(gè)方位設(shè)置有樓梯，墻壁的材質(zhì)為石膏板，地面材質(zhì)為瓷磚，參考《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)有效標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251—2017)火災(zāi)設(shè)置考慮最不利情況，假設(shè)圖書館不設(shè)置噴淋系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)，將火災(zāi)規(guī)模設(shè)置為8 MW。為更貼近實(shí)際情況現(xiàn)將火源類型設(shè)置為不斷向四周擴(kuò)散的擴(kuò)散火源。已有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)表明火災(zāi)模擬網(wǎng)格數(shù)越多，最終火災(zāi)模擬精度越大，但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到一定程度時(shí)，對輸出的計(jì)算結(jié)果并無明顯影響，當(dāng)網(wǎng)格精度為0.3 m×0.3 m×0.3 m、0.2 m×0.2 m×0.2 m、0.15 m×0.15 m×0.15 m時(shí)對模擬的結(jié)果并無明顯差異[5]，但網(wǎng)格越多模擬運(yùn)算的時(shí)間越長，對計(jì)算機(jī)的配置要求也越高，考慮到現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行速度本研究網(wǎng)格設(shè)置精度為0.4 m×0.4 m×0.4 m。結(jié)合圖書館火災(zāi)案例、規(guī)范設(shè)置的火災(zāi)模擬參數(shù)見表3。

表3 參數(shù)設(shè)置

3.1.2 場景設(shè)置

本次研究設(shè)置兩個(gè)火災(zāi)場景，場景1將火源設(shè)置在-1F左側(cè)藏書室，場景2將火源設(shè)置在3F靠近左前側(cè)樓梯口的學(xué)生座位處，兩種場景下均在火源中心處設(shè)置豎向切面觀察整體空間的煙氣濃度、可見度等災(zāi)變數(shù)據(jù)。在各層樓梯口2 m處設(shè)置檢測點(diǎn)，檢測溫度和CO濃度?？紤]最不利條件，假設(shè)所有火災(zāi)場景均發(fā)生在防火門失效的情況下。

3.2 火災(zāi)數(shù)值模擬分析

該圖書館項(xiàng)目建筑面積較大，內(nèi)部4個(gè)方位都設(shè)置樓梯均可用作疏散通道，火災(zāi)蔓延的情況主要由著火點(diǎn)的位置決定，主要從距離著火點(diǎn)最近的一側(cè)樓梯向上蔓延，其余方位的樓梯受火災(zāi)的影響相對較小。模擬時(shí)監(jiān)測的影響人員疏散的因素為能見度、溫度、CO濃度，將得到的數(shù)據(jù)通過整理匯總，使用origin繪制出溫度、CO濃度隨時(shí)間的變化曲線圖。

3.2.1 煙氣能見度分析

建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，能見度是人員安全疏散的重要因素。根據(jù)《建筑防火工程》規(guī)定，對建筑物不熟悉的人群能見度應(yīng)達(dá)到13 m，對建筑熟悉的人群能見度也要到達(dá)5 m。由于圖書館空間較大，人員對建筑物較為熟悉，所以將能見度10 m作為危險(xiǎn)臨界值。圖4為場景1能見度分布群圖，圖5為場景2能見度分布群圖。

圖4 場景1能見度分布群圖

著火建筑物內(nèi)能明顯觀察到煙氣沿著樓梯間迅速豎直向上蔓延。如圖4所示，由于建筑面積過大且著火點(diǎn)發(fā)生在-1F較為密閉的藏書室，火災(zāi)模擬630 s，整個(gè)建筑只有-1F左側(cè)和1F左側(cè)能見度小于10 m，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生420 s的時(shí)候1F左側(cè)兩樓梯口處能見度低于10 m，且隨著時(shí)間的延長能見度越來越低。如圖5所示，著火點(diǎn)發(fā)生在3F靠近樓梯口的學(xué)生座位處，煙氣會迅速向上蔓延，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生116 s時(shí)5F出口處的能見度低于10 m，211 s時(shí)4F能見度低于10 m，463 s時(shí)3F樓梯口處能見度低于10 m，火災(zāi)模擬630 s時(shí)煙氣集中在3F、4F、5F較低樓層能見度沒有受到影響。

圖5 場景2能見度分布群圖

3.2.2 監(jiān)測點(diǎn)溫度分析

火災(zāi)產(chǎn)生的70%熱量都會通過熱對流的方法進(jìn)入到煙氣層，形成高溫?zé)煔?。人體對高溫?zé)煔獾娜棠统潭纫彩怯邢薜?，高溫?zé)煔鈺苽梭w表皮或者呼吸道等身體部位。查找相關(guān)文獻(xiàn)得知人體可以在較短時(shí)間內(nèi)忍受的溫度為60 ℃[25]。將煙氣層溫度60 ℃作為危險(xiǎn)臨界值。圖6為場景1各樓梯口處溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖7為場景2各樓梯口處溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖6 場景1監(jiān)測點(diǎn)溫度變化

圖7 場景2監(jiān)測點(diǎn)溫度變化

通過圖6可以看出場景1在火災(zāi)模擬800 s內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)溫度都有所浮動，除火災(zāi)發(fā)生樓層和相鄰的上一層外，樓層越高溫度受火災(zāi)的影響越大，但是還沒有達(dá)到危害人體健康的程度。由圖7可以看出場景2在580 s之后5F和4F左前側(cè)額樓梯口處溫度都達(dá)到了60 ℃以上，疏散人員將會有危險(xiǎn)。

3.2.3 CO濃度分析

火災(zāi)發(fā)生過程中會產(chǎn)生各種有害氣體，其中CO濃度對人體的危害最為顯著，空氣中CO的濃度超過一定值就會使人昏迷，長時(shí)間暴露在高濃度CO的空氣中甚至?xí)?dǎo)致人中毒死亡。當(dāng)濃度超過4×10-4mol/mol時(shí)人體會出現(xiàn)呼吸困難的癥狀，將CO濃度為4×10-4mol/mol設(shè)置為危險(xiǎn)臨界值[26]。

通過圖8、圖9可以看出,CO濃度變化大致和溫度變化一致，低層發(fā)生火災(zāi)，煙氣向上流動在最頂層聚集，之后又向下層蔓延，導(dǎo)致樓層越高CO濃度變化越明顯。場景1在設(shè)置的模擬時(shí)間630 s內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)CO濃度最高值都沒有達(dá)到危害人體健康的程度；場景2在火災(zāi)發(fā)生580 s時(shí)CO濃度超過4×10-4mol/mol，疏散人員將會有危險(xiǎn)。

圖8 場景1監(jiān)測點(diǎn)CO濃度變化

圖9 場景2監(jiān)測點(diǎn)CO濃度變化

4 火災(zāi)疏散模擬

4.1 基于BIM和Pathfinder的安全疏散模型建立

以往Pathfinder軟件利用與CAD完全兼容的特點(diǎn)直接建立疏散模型，BIM模型使得大量的圖紙、文字以更加形象立體的方式呈現(xiàn)，火災(zāi)軟件可以識別BIM模型節(jié)省火災(zāi)模型中建筑模型建立的時(shí)間。但是BIM模型和Pathfinder軟件模型不能完全兼容，BIM模型需要通過保存為DXF，再將導(dǎo)出的PDX格式文件導(dǎo)入Pathfinder軟件中，形成初步的模型。

為了實(shí)現(xiàn)疏散模擬時(shí)的可見性，需要應(yīng)用拾取功能提取BIM模型中的房間，刪除BIM模型中的墻柱等架構(gòu)，只保留平面布局，根據(jù)圖紙或者BIM模型繪制適應(yīng)Pathfinder模型的門、樓梯，布置人員，形成應(yīng)急疏散模型，如圖10、圖11所示。

圖10 圖書館疏散模型

圖11 各層疏散模型

4.2 疏散參數(shù)設(shè)置

圖書館一共5層，-1F面積為3 585 m2，1F面積為3 585 m2，2F至5F各層建筑面積均為3 380 m2。參考《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50016—2018)中商業(yè)營業(yè)廳內(nèi)的人員密度分布，結(jié)合現(xiàn)有閱覽座位1 300個(gè)的實(shí)際情況設(shè)置該高校圖書館各層的疏散人-1F人數(shù)為251人，1F人數(shù)為431人，2F人數(shù)為406人，3F人數(shù)為338人，4F、5F人數(shù)分別為169人，共設(shè)置1 764人。

Pathfinder軟件中需要確定人流的速度和人員所占面積，考慮圖書館內(nèi)人員基本上是青年學(xué)生，成年男人的平均速度為1.8 m/s，身體寬度為46.48 cm；成年女性的平均速度為1.5 m/s，身體寬度為43.91 cm[27]。

火災(zāi)實(shí)際發(fā)生時(shí)由于心理因素，人員擁擠等情況會阻礙人員疏散，影響人員疏散時(shí)的速度，假設(shè)人員的平均速度為1.5 m/s。

4.3 疏散時(shí)間分析

在未設(shè)置起火點(diǎn)的情況下，對圖書館的疏散模擬，圖書館人數(shù)設(shè)置為1 764人，假設(shè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)電梯不可使用的情況下，從上述對火災(zāi)疏散必需時(shí)間的公式，結(jié)合通過模擬得到的火災(zāi)疏散時(shí)間，可得該高校圖書館安全疏散1 764人疏散必需時(shí)間為441 s，第160 s時(shí)5F人員疏散完畢，第330 s時(shí)4F人員疏散完畢，第368 s時(shí)3F人員疏散完畢，第400 s時(shí)2F疏散完畢，第441 s時(shí)1F疏散完畢，第371 s時(shí)-1F疏散完畢。圖書館內(nèi)疏散時(shí)間與剩余人數(shù)分布如圖12所示。由圖12可以看出總的疏散人數(shù)隨著時(shí)間的推移逐漸增加，疏散前期的疏散速率比疏散后期的疏散速率快，表明了整個(gè)疏散過程符合疏散時(shí)“快即是慢”原則。

圖12 圖書館剩余人員

通過上述對火災(zāi)模擬危險(xiǎn)時(shí)間和安全疏散必需時(shí)間分析可以看出，正常情況下?lián)矶掳l(fā)生在樓梯間，所以將監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在樓梯口處。兩個(gè)場景下影響人員疏散的主要因素是能見度，場景1著火點(diǎn)設(shè)置在-1F時(shí)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生420 s的時(shí)候1層左側(cè)兩樓梯口處能見度低于10 m，所以420 s以后人員不能經(jīng)過1F樓梯出口到達(dá)建筑物出口，100 s之后-1F人員必須疏散完成，所以上層人員不能通過-1F出口逃生。場景2著火點(diǎn)設(shè)置在靠近樓梯的學(xué)生座位處時(shí)，煙氣迅速上升，受能見度的影響5F和4F的人員疏散不能在火災(zāi)達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)間前順利疏散。在火災(zāi)發(fā)生116 s后5F還未撤離的人員不要盲目采取逃生措施；211 s后4F及以上樓層內(nèi)還未撤離的人員不要盲目采取逃生措施。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

1)圖書館建筑面積大，設(shè)置的樓梯較多，但是火源的熱釋放速率大，火災(zāi)蔓延速度快。隨著著火時(shí)間的增加，煙氣傳播的速度越來越快，短時(shí)間內(nèi)主要是能見度影響人員疏散。

2)場景1火源設(shè)置在離樓梯口較遠(yuǎn)的藏書室，場景2火源設(shè)置在離樓梯口較近的學(xué)生座位處，場景2火災(zāi)發(fā)生時(shí)樓梯間的煙氣濃度更大，蔓延的更迅速，且人員在樓梯口處會發(fā)生擁堵造，給人員疏散帶來困難。

3)場景1和場景2均顯示火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙氣因?yàn)楦×ψ饔弥饕乜拷瘘c(diǎn)一側(cè)垂直方向迅速上升，當(dāng)煙氣上升到頂層時(shí)，煙氣沿著水平方向蔓延，但是水平蔓延的速度較慢。

5.2 火災(zāi)應(yīng)急管理建議

通過對某高校圖書館的火災(zāi)應(yīng)急研究分析為類似建筑提出火災(zāi)應(yīng)急管理建議：

1)著火點(diǎn)位于越低的樓層，煙氣快速的垂直上升以及較慢速的水平方向傳播影響較高樓層，越高樓層的人員越難以成功疏散?；诖?，在火災(zāi)應(yīng)急管理中對圖書館的設(shè)計(jì)來說圖書館較低樓層要著重注意滅火設(shè)備的安裝，較高樓層尤其是頂層應(yīng)該設(shè)置少量座位且注重排煙設(shè)備的安裝。

2)火災(zāi)發(fā)生時(shí)只會影響建筑著火一側(cè)的人員疏散，高樓層的人員從火災(zāi)發(fā)生的一側(cè)疏散容易發(fā)生危險(xiǎn)，但是圖書館安全疏散的通道較多。因此，在火災(zāi)應(yīng)急管理應(yīng)注意完善路線指示燈、應(yīng)急照明、應(yīng)急路線圖等標(biāo)識設(shè)施以及消防報(bào)警系統(tǒng)，館內(nèi)管理人員還應(yīng)該及時(shí)通告火災(zāi)發(fā)生的具體位置，有利于人員選擇最合適的路線。

3)火災(zāi)發(fā)生時(shí)電梯不作為疏散通道，人員只能依靠樓梯疏散，樓梯間成了火災(zāi)逃生的“生命通道”，因此，應(yīng)該在樓梯間安裝防火卷簾，增設(shè)一些小型的消防設(shè)備，如排煙器。

4)由于無法改變現(xiàn)有建筑的結(jié)構(gòu)，也無法在火災(zāi)發(fā)生時(shí)增加疏散通道，如果在某建筑物的消防管理中考慮到人員疏散的危險(xiǎn)時(shí)間和疏散必需時(shí)間，則可以設(shè)計(jì)出更有效的火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案。