某廠區(qū)廠房宿舍混合樓消防疏散模擬應(yīng)用分析

楊雪瀅，袁展伍，王艷紅，吳燁 （廣東海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524009）

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種在信息技術(shù)與建造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上所產(chǎn)生的建筑工具，能將建筑信息化、模擬化和虛擬現(xiàn)實(shí)化[1]。Revit系列軟件是BIM技術(shù)運(yùn)用地最廣泛的軟件之一，在建筑行業(yè)中實(shí)行模型信息的運(yùn)用和優(yōu)化。

在信息化與智能化的時(shí)代背景下，智能化與信息化也漸漸融入了建筑行業(yè)中。BIM技術(shù)被引入中國(guó)以來(lái)，在工程建設(shè)領(lǐng)域掀起了變革性的浪潮，被譽(yù)為CAD之后工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次革命，隨著B(niǎo)IM技術(shù)應(yīng)用的普及和深化，彰顯了巨大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。隨著建筑行業(yè)改革和整體需求的影響不斷加大，各地方政府先后出臺(tái)推廣BIM相關(guān)政策。

從火災(zāi)的基本情況看，初步統(tǒng)計(jì)，2020年全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)25.2萬(wàn)起，死亡1183人，受傷775人，直接財(cái)產(chǎn)損失40.09億元。結(jié)合當(dāng)下消防安全的重要性和形勢(shì)，利用BIM技術(shù)與Pathfinder對(duì)廠房和宿舍樓分別的消防疏散模擬更為廣泛，本文以廠區(qū)廠房與宿舍混合樓作為研究對(duì)象，宿舍與餐廳屬于人員密集區(qū)，廠房建設(shè)中工程管線較復(fù)雜。因此本項(xiàng)目運(yùn)用Revit進(jìn)行模型的基本建造，再導(dǎo)入至Pathfinder完成消防模擬。

1 Revit模型建造

本項(xiàng)目選取的是工業(yè)廠區(qū)中的某廠房宿舍混合樓為研究對(duì)象，以CAD平面圖為基礎(chǔ)，通過(guò)Revit建模。BIM三維模型如圖1所示。

圖1 BIM三維模型圖

2 消防模擬

2.1 Pathfinder仿真工程軟件簡(jiǎn)介

Pathfifinder仿真工程軟件是美國(guó)Thunderhead Engineering公司研發(fā)的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)[3]。本項(xiàng)目是直接運(yùn)用IFC文件導(dǎo)入生成模型。利用“族”這一特性在Revit與Pathfinder進(jìn)行模型移植時(shí)得到了很好的保留[4]。當(dāng)把Revit生成的IFC導(dǎo)入Pathfinder后，原構(gòu)件均會(huì)按照類(lèi)別劃分，如樓梯、樓板等，便于定位與修改相關(guān)參數(shù)。

2.2 模型信息

該混合樓建筑結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，耐火等級(jí)為二級(jí)，為丁類(lèi)二級(jí)廠房，總建筑面積為2500㎡，樓層高約16.2m，地上4層，局部5層，首層廠房由組裝班、大線班、原料庫(kù)及車(chē)間組成，二層餐廳，三四層均為娛樂(lè)和宿舍區(qū)域，房間疏散門(mén)凈寬度為1m，每層有18個(gè)宿舍，每個(gè)宿舍兩人。該棟的東西兩側(cè)各有一個(gè)疏散樓梯，樓梯寬度是3m，首層有一個(gè)卷簾門(mén)，兩個(gè)寬度是2.4m和2m的平開(kāi)疏散門(mén)。首層平面圖如圖2所示。

圖2 首層平面圖

2.3 Pathfinder參數(shù)設(shè)定

建立Pathfinder模型后首要的是處理多余的建筑部分，使模型簡(jiǎn)化，然后確定人數(shù)。疏散人數(shù)與建筑面積、建筑類(lèi)型等多個(gè)因素相關(guān)，人員疏散速度也有多方面的影響因素，如性別、年齡等。疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間（Tmove）受疏散人員密度和行進(jìn)速度、建筑物疏散走道通行能力、疏散口疏散速率和瞬時(shí)人流量等因素影響[5]。

按照工業(yè)建筑防火規(guī)范要求：丁、戊類(lèi)廠房，每層建筑面積不大于400㎡，且同一時(shí)間的作業(yè)人數(shù)不超過(guò)30人。本項(xiàng)目各層建筑面積約550㎡，首層同一時(shí)間作業(yè)人數(shù)為42人，根據(jù)普通辦公室0.25人/㎡，首層中其他房間均有設(shè)定2個(gè)人員，設(shè)定第二層的廠房每人至少0.66㎡。三四層每個(gè)宿舍為2人。按照最大人數(shù)設(shè)定為481，第一層總?cè)藬?shù)為46人，二層363人，三、四層是36人/層。疏散速度取1.2m/s，人員肩寬取42cm，布置模式選擇隨機(jī)模式。

在模擬方式上,通過(guò)SFPE模式或Steering模式的行為模型來(lái)控制人員運(yùn)動(dòng)[6]。Steering模式是路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)[7]。由于Steering模式更貼合實(shí)際情況，本文疏散選用Steering模式。假定發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員都是遠(yuǎn)離著火點(diǎn)，選擇最近的疏散路徑出去，設(shè)定安全疏散時(shí)間范圍是5min～7min。

2.4 建立模型

首先將Revit宿舍模型導(dǎo)出為IFC文件并導(dǎo)入到Pathfinder中，轉(zhuǎn)換成仿真模型，再根據(jù)原CAD圖紙調(diào)整此模型的內(nèi)容，如門(mén)窗、疏散樓梯的布置等，并簡(jiǎn)化模型。根據(jù)設(shè)定條件添加各層人數(shù)和設(shè)置人員行為。正常人反應(yīng)速度在300ms左右，設(shè)定延遲時(shí)間是0.3s。

宿舍疏散所需疏散時(shí)間（Trest）計(jì)算公式如下：

Trset為工人疏散總時(shí)間，單位s；TA為火災(zāi)報(bào)警時(shí)間，經(jīng)過(guò)研究得知，TA取值30s；TC為聽(tīng)到火災(zāi)警報(bào)器響到開(kāi)始疏散的反應(yīng)時(shí)間，TC取值 0.3s，此參數(shù)直接在軟件中設(shè)定；TB為學(xué)生聽(tīng)到火災(zāi)報(bào)警響起開(kāi)始疏散的時(shí)間。判定人員能否安全疏散的重要標(biāo)志是，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可用于安全疏散允許時(shí)間＞Trset時(shí)，可以安全疏散[8]。廠房工人的仿真模擬模型圖如圖3所示。

圖3 工人的仿真模擬模型圖

2.5 場(chǎng)景模擬

本文假設(shè)了三種場(chǎng)景進(jìn)行疏散模擬，分別是正常情況、東側(cè)樓梯無(wú)法使用、西側(cè)樓梯無(wú)法使用。首先是正常情況，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人員通過(guò)東西兩側(cè)樓梯進(jìn)行疏散。模擬所用時(shí)間（Sim Time）為 208.5s，剩余人員數(shù)量（Occs-Rem）為0人，模擬總?cè)藬?shù)是481人，人員距疏散門(mén)最短距離為3.5m。根據(jù)計(jì)算得 Trset=238.5s，約為 3min～4min，安全。

場(chǎng)景二是通過(guò)設(shè)定東側(cè)樓梯不能正常使用，人員只能在西側(cè)樓梯通行的模式進(jìn)行疏散模擬，其他參數(shù)不變。由數(shù)據(jù)可得，模擬所用時(shí)間（Sim Time）為365.3s，剩余人員數(shù)量（Occs Rem）為0人，模擬總?cè)藬?shù)是481人，根據(jù)計(jì)算=395.3s，約為6min～7min，安全。

場(chǎng)景三是假設(shè)西側(cè)樓梯不能正常使用，人員只能在東側(cè)樓梯通行的情景。其他參數(shù)不變。由數(shù)據(jù)可得，模擬所用時(shí)間（Sim Time）為 358.5s，根據(jù)計(jì)算Trset=388.5s，約為6min，安全。較場(chǎng)景2，場(chǎng)景3所用時(shí)間較短，說(shuō)明東側(cè)樓梯疏散效率高，西側(cè)樓梯疏散時(shí)擁擠情況更為嚴(yán)重。結(jié)合以上三種模擬數(shù)據(jù)，情況均符合規(guī)范中的疏散時(shí)間。三種場(chǎng)景下人員移動(dòng)距離如表所示。

三種場(chǎng)景下人員移動(dòng)距離

正常情況時(shí)，兩側(cè)樓梯通行最大人員密度是2.8人/m2，疏散過(guò)程中出現(xiàn)樓梯擁堵情況。運(yùn)行前人群分布均勻。東西側(cè)樓梯分別是樓梯1和樓梯2。當(dāng)兩邊疏散樓梯正常使用時(shí)，西側(cè)樓梯使用頻率更高。在170.11s時(shí)東側(cè)樓梯人員疏散結(jié)束，而西側(cè)樓梯人員于約200.04s時(shí)疏散完畢，較東側(cè)樓梯多30s。東西兩側(cè)一層樓梯使用情況如圖4所示。

圖4 東西兩側(cè)一層樓梯使用情況

在場(chǎng)景2中，由于東側(cè)樓梯無(wú)法正常使用，或假設(shè)東側(cè)樓梯發(fā)生火災(zāi)，混合樓人員只能從西側(cè)樓梯進(jìn)行疏散，二層人員密度最大，是發(fā)生擁擠情況最嚴(yán)重的位置。因此在此模擬情況下著重分析二層樓梯使用情況。在運(yùn)行前，二層人員符合隨機(jī)分布原則，西側(cè)樓梯最大人員密度達(dá)到 0.33m2/人，出現(xiàn)擁堵，且直到二層最后一個(gè)人疏散離開(kāi)是在342.7s，所用時(shí)間較長(zhǎng)。樓梯服務(wù)情況如圖5所示。

圖5 樓梯服務(wù)情況

3 場(chǎng)景優(yōu)化

上述三種場(chǎng)景模擬的疏散時(shí)間均符合規(guī)范要求。但由場(chǎng)景模擬可得，大部分人流擁擠在樓梯口處，疏散效率較低，為了進(jìn)一步縮短疏散時(shí)間，提高疏散效率，本文利用西側(cè)陽(yáng)臺(tái)的空閑位置，增加一個(gè)疏散門(mén)，以此進(jìn)行進(jìn)一步的疏散模擬試驗(yàn)。由模擬可得，Sim Time為206.3s，經(jīng)計(jì)算得疏散總時(shí)長(zhǎng) Trset=236.3s?？倳r(shí)長(zhǎng)較正常模擬場(chǎng)景縮短了2s，大大提高了疏散效率。

4 總結(jié)

以某廠區(qū)廠房與宿舍混合樓為例，基于Revit軟件建立建筑結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用Pathfinder進(jìn)行疏散模擬。利用Pathfinder軟件模擬正常情況、只在東側(cè)樓梯通行和只在西側(cè)樓梯通行三種場(chǎng)景，經(jīng)分析得三種場(chǎng)景下的疏散時(shí)長(zhǎng)均符合消防疏散時(shí)間要求，且西側(cè)樓梯使用強(qiáng)度最高。此外，發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題，一是在進(jìn)行疏散時(shí)，兩部樓梯的利用率不同，人員在隨機(jī)分布設(shè)定下，左右疏散出口的人員總數(shù)不均，人員進(jìn)行疏散的時(shí)候，樓梯口會(huì)出現(xiàn)擁擠的情況，導(dǎo)致疏散時(shí)間變長(zhǎng)。二是利用Pathfinder軟件模擬時(shí)有隨機(jī)性，在重新任意布置人員位置時(shí)，疏散時(shí)間有一定差異。模擬時(shí)難體現(xiàn)消防栓等消防用具的作用。綜合模擬情況可得：利用Pathfinder進(jìn)行疏散模擬并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行，可廣泛應(yīng)用在類(lèi)似工程項(xiàng)目中。

基于分析結(jié)果和實(shí)際情況，廠房與宿舍的工作生活人員應(yīng)定時(shí)舉行消防演習(xí)，注重作業(yè)習(xí)慣和工序，減少或杜絕火災(zāi)發(fā)生。如果發(fā)生火災(zāi)，定時(shí)消防演練與培訓(xùn)能夠使人員在火災(zāi)中有序疏散，規(guī)劃每一個(gè)廠房區(qū)域的疏散路線，進(jìn)一步減少疏散時(shí)間。