基于BIM技術(shù)的高層建筑應(yīng)急疏散仿真研究

涂人方

(華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人口的急劇增加，我國的各類建筑正朝著大型化、多功能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。但是在合理利用空間、構(gòu)建立體網(wǎng)絡(luò)的同時，現(xiàn)代化建筑樓層高、占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員集中等特點(diǎn)也使得人員在地震中疏散困難，為此帶來的安全隱患值得人們高度重視。

在研究高層建筑的應(yīng)急疏散時，可以先建立BIM模型重現(xiàn)建筑內(nèi)部構(gòu)造[1]。之后，通過建立最短路徑規(guī)劃模型，得到最短疏散線路。但是，以往的研究成果，在仿真模擬的過程中忽略了在疏散過程中應(yīng)急疏散指示牌等尋路標(biāo)志對人員擇路的影響[2,3]。如果能夠在模擬疏散過程中，獲取疏散人員的眼部采集數(shù)據(jù)，識別各種路標(biāo)和路況，有利于掌握人員在尋路過程中的尋路選擇趨向，使仿真模擬更加的真實(shí)有效。

因此，本文以梧桐邑五期7#樓為例，通過建立BIM模型研究該建筑的主要結(jié)構(gòu)。構(gòu)建最短路徑規(guī)劃模型，得到梧桐邑五期7#樓最短疏散路徑；開展眼動實(shí)驗(yàn)，通過采集人員的眼動數(shù)據(jù)，研究人們在應(yīng)急疏散過程中的尋路習(xí)慣，將其數(shù)據(jù)化，分析人們在尋路過程中的心理行為以及不同人群的尋路選擇趨向，為安全標(biāo)志的安裝放置提供理論依據(jù)，增加空間建筑的安全性。最后利用pathfinder疏散仿真模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的有效性。

1 疏散空間的最短路徑規(guī)劃

1.1 抽象要素的說明(見表1)

表1 抽象要素的說明

1.2 模型的引入

在樓棟的路線規(guī)劃問題中可以用0—1規(guī)劃的方法對模型進(jìn)行求解。下面給出其求解原理：

首先假設(shè)一個虛擬的起始節(jié)點(diǎn)1，沿著箭線的方向可以到達(dá)終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)n。對任意變量Xij,i,j=1,2,…,n，如果經(jīng)過箭線i-j，則Xij取值為1，如果沒有經(jīng)過節(jié)點(diǎn)Xij則取值為0[4]。即：

Xij=1或0

以節(jié)點(diǎn)i為平衡節(jié)點(diǎn)，當(dāng)有箭線進(jìn)入節(jié)點(diǎn)i時+1，反之則-1，但是始終應(yīng)該保持節(jié)點(diǎn)的總和為0即：

x1,i+x2,i+…+xi-1,i-xi,i+1-xi,i+2-…-xi,n=0

對于起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1，由于沒有進(jìn)入的節(jié)點(diǎn)，則有：

-x1,2-x1,3-…-x1,e=1

其中e表示與1節(jié)點(diǎn)相連的最后一個節(jié)點(diǎn)。

同理，對于終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)n，由于沒有出去的節(jié)點(diǎn)，所以終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的公式如下：

xo,n+xp,n+…+xq,n=1

其中o,p,q分別表示與終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)直接相連的節(jié)點(diǎn)。

以最短疏散路徑為目標(biāo)函數(shù)，建立目標(biāo)函數(shù)如下：

minW=l12x12+l13x13+…+lmnxmn

其中l(wèi)12、l13、lmn分別表示從1節(jié)點(diǎn)到2節(jié)點(diǎn)、1節(jié)點(diǎn)到3節(jié)點(diǎn)、m節(jié)點(diǎn)到n節(jié)點(diǎn)的路徑長度。

綜上所述，可以得到關(guān)于最短路徑的0-1規(guī)劃模型如下：

min=l12x12+l13x13+…+lmnxmn

1.3 案例分析

梧桐邑五期7#樓是位于宜昌的一棟高層居民樓，將梧桐邑的每一個門作為一個疏散節(jié)點(diǎn)對一層進(jìn)行分析如圖1所示。

圖1 一層節(jié)點(diǎn)圖

將上圖抽象成網(wǎng)絡(luò)圖如以1節(jié)點(diǎn)為起始節(jié)點(diǎn)可以得出其簡化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖。

所以根據(jù)引入的模型，1節(jié)點(diǎn)的0-1規(guī)劃模型如下：

minW=12x1,2+70x2,9+44x9,35+11x35,36+

68x35,37+89x35,38+99x35,39

可以得出1節(jié)點(diǎn)的最短疏散路徑為：1→2→9→35→37。同理，最后可以得出每個節(jié)點(diǎn)到安全出口的最佳疏散路徑。

2 虛擬場景尋路實(shí)驗(yàn)

2.1 為眼動實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建漫游環(huán)境

以梧桐邑五期7#樓為例，本文針對該高層建筑結(jié)構(gòu)布局來為眼動實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建漫游環(huán)境。并且根據(jù)0—1規(guī)劃得出的最短疏散路徑在BIM模型中安裝應(yīng)急疏散指示牌，將模型導(dǎo)入Lumion軟件進(jìn)行實(shí)時渲染并且通過Tobii軟件采集人眼在渲染模型尋路中的眼動數(shù)據(jù)。

2.2 眼動追蹤實(shí)驗(yàn)分析

在尋路過程中，眼睛在空間環(huán)境因素的刺激下會產(chǎn)生生理反應(yīng)，經(jīng)眼部神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X，再經(jīng)大腦的處理形成相應(yīng)心理感受并通過神經(jīng)系統(tǒng)反饋給眼睛[5]。眼動儀可精確測量相關(guān)眼動數(shù)據(jù)，并記錄多項(xiàng)眼動尋路數(shù)據(jù)。通過對這些指標(biāo)的綜合分析能得出人們在疏散過程中的尋路習(xí)慣，從而為疏散仿真提供參數(shù)[6]。在Tobii中對采集到的眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出人在尋路過程中的視覺熱點(diǎn)圖如圖2所示。

圖2 大廳視覺熱點(diǎn)圖

由圖2可知在人進(jìn)行尋路的時候大多數(shù)時間會被應(yīng)急疏散標(biāo)志所影響，根據(jù)安全標(biāo)志的指示方向擇路，當(dāng)面對多種安全出口選擇的時候首先看的標(biāo)志會產(chǎn)生一種先入為主的作用從而影響人的判斷。大多數(shù)人在應(yīng)急疏散中會選擇從最中間的門出去。

由2.4節(jié)案例分析可知，這并非最短疏散路徑，為了糾正人群疏散的擇路傾向，在36、37號側(cè)門兩端加上應(yīng)急疏散指示牌作為著重強(qiáng)調(diào)標(biāo)志，再次采集到行人眼動數(shù)據(jù)，分析得出人在尋路過程中的視覺熱點(diǎn)圖如圖3所示。

圖3 糾正后的大廳視覺熱點(diǎn)圖

由此可知，在通過應(yīng)急疏散標(biāo)志對行人擇路傾向進(jìn)行糾正之后，行人更加傾向于從目標(biāo)的最短疏散路徑撤離。

3 應(yīng)急疏散仿真

在確定人員疏散擇路傾向之后，可以通過使用Pathfinder軟件對實(shí)際的疏散現(xiàn)場進(jìn)行仿真，對人員疏散效率進(jìn)行評估。

3.1 依據(jù)尋路習(xí)慣應(yīng)急疏散模擬

根據(jù)眼動實(shí)驗(yàn)得出的人員疏散尋路習(xí)慣，為每一個疏散人員設(shè)置疏散行為，優(yōu)先考慮從大廳的正門出去，在擁堵狀態(tài)下重新計(jì)算最短路徑。

在Pathfinder中進(jìn)行人員疏散的模擬實(shí)驗(yàn)可以看見一層到第六層的詳細(xì)疏散時間如表2所示。

表2 疏散時間表

經(jīng)過運(yùn)行疏散結(jié)果可以知道全部人群疏散完畢所用的時間為126秒。

3.2 依照最短路徑應(yīng)急疏散模擬

當(dāng)針對人員的尋路習(xí)慣進(jìn)行糾正，使疏散人員對大廳兩側(cè)門的使用頻率上升，疏散的路徑變短，有利于人員更快的疏散。用Pathfinder對人員的疏散狀況進(jìn)行仿真模擬可以得出從一層到第六層的詳細(xì)疏散時間如表3所示。

表3 糾正后的疏散時間

經(jīng)過運(yùn)行疏散結(jié)果可以知道全部人群疏散完畢所用的時間為120s，較之之前的疏散模擬，當(dāng)正確糾正人員的疏散習(xí)慣后整體疏散時間有所提升。

可以看出當(dāng)疏散人群在面臨多出口選擇的時候，應(yīng)當(dāng)給予疏散人群適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，比如進(jìn)行語音播報、安排疏導(dǎo)人員、改變安全指示標(biāo)志的擺放位置，將有利于疏散的安全出口標(biāo)志牌放在更加顯眼的位置等這樣會加快人員疏散，縮短疏散時間。

4 結(jié) 語

(1)本文將0—1關(guān)鍵線路規(guī)劃模型應(yīng)用到應(yīng)急疏散最短路徑規(guī)劃中，并且該方法適用于pathfinder仿真模擬。

(2)為了能夠提高疏散效率，可以在疏散人群在面臨多出口選擇的時候，應(yīng)當(dāng)給予疏散人群適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，加快人員疏散，縮短疏散時間。