基于BIM 與GIS 技術(shù)的高層建筑消防火災(zāi)定位研究

付 萍

(濟南市消防救援支隊，山東 濟南 250102)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國城市化發(fā)展進程持續(xù)加快，城市人口呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。在城市化和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加快的過程中，建筑密度與建筑樓層有所增多，使得經(jīng)濟社會的發(fā)展環(huán)境以及居住環(huán)境日益復(fù)雜化，相應(yīng)的各類災(zāi)害事故發(fā)生率與頻率都逐步上升。原有的建筑形態(tài)不能滿足城市人口的居住與工作環(huán)境。因此，建筑樓層開始增加，利用上層空間減少地面空間，以最少的占地面積創(chuàng)造出最大的建筑空間，最大限度地保證城市人口的生活環(huán)境[1]。高層建筑的建設(shè)是一把雙刃劍，有利的方面在于保證人均居住環(huán)境;有弊的方面在于建筑層數(shù)較高，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震等災(zāi)害時，高層建筑的人們逃生成為難題，影響人們的逃生環(huán)境[2-3]。由于人們的生活離不開火的使用，而不好的用火習(xí)慣容易造成室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，影響整座樓體的安全。在高層建筑中，火災(zāi)是所有災(zāi)難中最常見的，造成了很多樓體破壞與人身財產(chǎn)的損失。由此可知，火災(zāi)是高層建筑施工中亟待解決的難題。BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)可以將相關(guān)信息進行整理與分析，使用BIM 技術(shù)構(gòu)建的模型，可以提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析[4]。因此，本文利用BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)平臺相結(jié)合的方式，設(shè)計高層建筑消防火災(zāi)定位方法。旨在提高消防疏散效果，為高層建筑人群的生活提供安全保障。

1 高層建筑消防火災(zāi)定位方法設(shè)計

1．1 建筑消防火災(zāi)疏散需求分析

高層建筑由于其層數(shù)較高，在發(fā)生火災(zāi)時，很容易造成人員財產(chǎn)傷亡。因此，本文對高層建筑消防火災(zāi)定位進行研究?；馂?zāi)的危害性較大，在森林發(fā)生火災(zāi)時，如果不能及時制止，火勢將會蔓延至整個森林[5]。在建筑發(fā)生火災(zāi)時，火勢會層層蔓延，從低層樓層蔓延至高層樓層，并伴隨著滾滾的濃煙，很多人無法作出防護，會受到濃煙的影響，看不清逃生路線，更有甚者會出現(xiàn)窒息而亡的現(xiàn)象。因此，分析高層建筑火災(zāi)疏散需求至關(guān)重要。在高層建筑施工過程中，會在每個單元內(nèi)放置火災(zāi)疏散示意圖，方便人們在火災(zāi)中可以安全逃生[6]。但是，當(dāng)建筑發(fā)生火災(zāi)時，人們求生意志較強，容易忽略消防安全疏散示意圖，反而向自己最為熟悉的地區(qū)逃跑，影響最終的逃生結(jié)果。本文考慮到人們的求生意志認(rèn)為，高層建筑需要加強火災(zāi)逃生的宣傳力度，并定時開展相關(guān)消防活動，例如，消防講座、消防逃生演習(xí)等，減少高層建筑火災(zāi)對火場人員的二次傷害。

1．2 高層建筑消防火災(zāi)特征提取

在高層建筑的消防火災(zāi)中，除了消防疏散之外，起火源的定位是重中之重。傳統(tǒng)高層建筑消防火災(zāi)定位方法中，往往會使用溫度傳感器進行溫度回傳，從而確定起火源的位置[7]。但是，此種方式會受到濃煙、環(huán)境、距離等因素的影響，造成傳感器傳回的溫度不準(zhǔn)確，造成消防火災(zāi)定位誤差較大，定位精度也隨之下降。本文摒棄以上傳統(tǒng)定位方法的缺點，使用BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)平臺相結(jié)合的方式，對高層建筑消防火災(zāi)的特征進行提取，對高層建筑作出相關(guān)火災(zāi)預(yù)防。在高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，火勢蔓延的區(qū)域往往不規(guī)則，逃生路線也需要作出精準(zhǔn)的規(guī)劃。高層建筑的火勢蔓延情況如圖1 所示。

如圖1 所示，在高層建筑起火后，火勢會向四周蔓延，圖1 僅為火勢蔓延的一種情況，還可能出現(xiàn)逆時針的形式蔓延，或是混亂的形式蔓延，需要結(jié)合火勢大小、建筑環(huán)境、溫度變化的情況，具體分析火勢特征。

圖1 高層建筑的火勢蔓延情況圖

1．3 基于BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)平臺構(gòu)建定位模型

GIS 實際上就是地理信息系統(tǒng)，是基于先進計算機技術(shù)手段與完善化硬件系統(tǒng)，收集地理空間數(shù)據(jù)，并完成對數(shù)據(jù)信息的分析、管理、顯示以及操作。該系統(tǒng)類似于信息服務(wù)系統(tǒng)，會伴隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段的發(fā)展而不斷加強。對GIS 技術(shù)進行廣泛應(yīng)用，尤其是在消防領(lǐng)域進行推廣，如今已經(jīng)非常普遍，其中GIS 技術(shù)當(dāng)中的消防地理信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)容要點，主要涉及三個方面:一是消防地圖廣域性;二是清楚記錄地圖消防設(shè)施;三是及時提供災(zāi)害點周圍地圖并進行信息反饋。在對各技術(shù)進行應(yīng)用當(dāng)中，需要保證該技術(shù)可以提供災(zāi)害地點周圍的地圖以及消防要點，使得消防指揮系統(tǒng)能夠在接收到信息之后，有效設(shè)計救援方案。

在高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，先開始逃生的人員一定是最先發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的人員，隨后帶動建筑內(nèi)其他人員逃生，因此，可以縮小一部分的起火源范圍。再通過火災(zāi)特征的提取，分析火勢走向，將起火源鎖定在某一區(qū)間內(nèi)，進一步縮小起火源的范圍[8]。在此環(huán)境下，本文使用BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)平臺，對此時火勢情況進行具體分析，并構(gòu)建出一個起火源定位的模型，減少消防火災(zāi)的定位誤差?；贐IM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)平臺構(gòu)建定位模型如圖2 所示。

圖2 定位模型示意圖

如圖2 所示，本文使用BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)設(shè)計的定位模型中，存在5 個方面，逐步縮小火災(zāi)起火源的位置區(qū)間，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位的功能。利用此模型，可以在高層建筑火災(zāi)來臨時，迅速作出預(yù)防，從火災(zāi)開始逃生的范圍開始，使用滅火設(shè)施對該區(qū)域進行滅火行動，并利用BIM 技術(shù)預(yù)判火災(zāi)蔓延范圍，從而減少火勢的進一步蔓延。在火勢控制住后，使用消防GIS 技術(shù)，對起火源進行精準(zhǔn)地定位，最大限度地減少高層建筑消防火災(zāi)的定位誤差。把GIS 技術(shù)應(yīng)用到消防通信指揮系統(tǒng)當(dāng)中，可以讓指揮員迅速接收消防地理信息，剖析災(zāi)害地點周圍的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合獲得的分析結(jié)果制定有效的救援方案，恰當(dāng)運用針對性強的消防手段提高消防工作的整體效果。

1．4 高層建筑消防火災(zāi)精準(zhǔn)定位

為了實現(xiàn)高層建筑消防火災(zāi)的精準(zhǔn)定位，本文首先分析出高層建筑的疏散需求，確定高層建筑的疏散難題，并提出相應(yīng)的解決方案，通過社區(qū)內(nèi)開展消防主題講座與消防演練，提高居民對火災(zāi)防護的意識與自我防護的意識，綜合提升社區(qū)內(nèi)居民的防火意識[9]。其次，對不同類型的火災(zāi)特征進行分析，火災(zāi)蔓延的趨勢可以是低層建筑到高層建筑，也可以是高層建筑到低層建筑，或者是從側(cè)面蔓延，因此，需要在遇到火災(zāi)時，消防人員可以擁有較強的判斷能力，在火勢進一步蔓延之前，將火勢控制住，保證建筑內(nèi)居民的安全。最后，本文利用BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)，對火災(zāi)的起火源進行分析與定位，構(gòu)建出一個完整的定位模型，減少定位誤差，為人們的安全提供保障。

2 仿真實驗

為了驗證本文設(shè)計的方法是否具有實用效果，本文在實驗室內(nèi)布置出與高層建筑相同的消防環(huán)境，并通過增加室內(nèi)溫度，模擬出火災(zāi)環(huán)境。在此條件下進行實驗，并將傳統(tǒng)火災(zāi)定位方法與本文設(shè)計的火災(zāi)定位方法進行對比，實驗過程及結(jié)果如下所示。

2．1 實驗過程

本次實驗首先對高層建筑疏散進行分析，在發(fā)生緊急火災(zāi)時，居民往往會出現(xiàn)恐慌，出現(xiàn)人群聚集的現(xiàn)象，從而影響人員逃生狀態(tài)。由于大部分居民沒有經(jīng)歷過火災(zāi)，在實際火災(zāi)過程中很難逃生。本文在此條件下，對影響高層建筑疏導(dǎo)的因素進行分析。人們在火災(zāi)逃生過程中往往會選擇自己較為熟悉的通道逃生，忽視實際逃生通道，造成人員傷亡。

除此之外，建筑結(jié)構(gòu)對消防疏散同樣存在影響，高層建筑樓層較高，在發(fā)生火災(zāi)后，電梯不能使用，只能通過樓梯進行逃生，無法進行有效地疏散。在一些年久失修的老房區(qū)，消防通道早已經(jīng)成為擺設(shè)，在消防通道中放置了各類的居民擺件，不僅容易引發(fā)火災(zāi)，還會導(dǎo)致火災(zāi)逃生失敗的現(xiàn)象。而在眾多火災(zāi)消防過程中，消防定位誤差也是影響高層建筑疏散的關(guān)鍵因素。因此，本文對高層建筑的影響因子權(quán)重進行矩陣判斷，公式如下:

其中，C為影響因子權(quán)重判斷因子表達(dá)式;m，n均為常數(shù);c為影響因子的權(quán)重指標(biāo)。通過矩陣判定，本文認(rèn)為，消防定位誤差較大是主要影響消防火災(zāi)的因素。

2．2 實驗結(jié)果

在上述實驗環(huán)境下，將傳統(tǒng)火災(zāi)定位方法與本文設(shè)計的火災(zāi)定位方法進行對比，驗證兩種方法的定位精準(zhǔn)度，實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 實驗結(jié)果

如表1 所示，在相同實驗條件下，本文以4 個樓層為周期，選取MB10，MB14，MB16，MB20，MB24，MB28 一共6 個樓層。其中，傳統(tǒng)高層建筑消防火災(zāi)定位方法的起火源定位誤差較大，在MB10 樓層時，起火源定位誤差最小，為0．124，高于0．1;在MB28 層時，起火源定位誤差最大，為0．642，因此使用傳統(tǒng)高層建筑消防火災(zāi)定位方法很難進行起火源的精準(zhǔn)定位。而本文設(shè)計的高層建筑消防火災(zāi)定位方法的起火源定位誤差較小，在樓層為MB10時，起火源定位誤差最小，為0．012，無限趨近于“0”; 在MB20，MB24，MB28 層時，起火源定位誤差保持穩(wěn)定狀態(tài)，為0．036，因此可以保證定位誤差不會隨著樓層變化而改變，進一步保證高層建筑火災(zāi)的精準(zhǔn)定位，符合本文研究目的。

3 結(jié)語

伴隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，城市建筑面積逐漸減少，為了滿足逐漸增加的城市人口生活環(huán)境，建筑的樓層開始不斷增高，給人們的居住與辦公提供了便捷條件。但是，由于建筑樓層的增加，一旦發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害，電梯不能使用，只能通過消防通道進行人群疏散，極易造成人員密集與踩踏現(xiàn)象。因此，高層建筑的防火與起火源的定位研究勢在必行。傳統(tǒng)高層建筑消防火災(zāi)定位方法的起火源定位誤差較大，直接影響火災(zāi)疏散效果。本文摒棄傳統(tǒng)方法的缺點，利用BIM 技術(shù)與消防GIS 技術(shù)平臺結(jié)合，能夠給消防通信指揮工作的推進，提供數(shù)據(jù)和資源方面的支持和保障。豐富的信息數(shù)據(jù)庫資料能夠讓指揮員把握著災(zāi)害事故發(fā)生點的周圍信息，做好信息的規(guī)律性組合。設(shè)計高層建筑消防火災(zāi)定位方法，旨在精準(zhǔn)定位建筑中的起火源，減少火災(zāi)造成的危害，為人們提供安全保障。