基于BIM的建筑火災(zāi)疏散仿真研究綜述

尹強 王立曉

作者簡介：

尹強（1995- ），男，漢族，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：應(yīng)急疏散。

摘要：建筑火災(zāi)威脅到人民生命財產(chǎn)安全，因此研究建筑火災(zāi)中人員快速有效安全疏散具有重要意義。BIM（Building Information Modeling）技術(shù)因其具有可視性、協(xié)調(diào)性及可模擬性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于建筑火災(zāi)疏散仿真領(lǐng)域。本文以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，以建筑火災(zāi)下人員應(yīng)急疏散為角度，從火災(zāi)仿真、疏散仿真兩個方面進行綜述，歸納BIM技術(shù)在國內(nèi)外火災(zāi)疏散仿真研究成果的基礎(chǔ)上，分析其不完善之處，為后續(xù)學(xué)者在關(guān)于BIM的建筑火災(zāi)疏散仿真領(lǐng)域的研究提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型；綜述；火災(zāi)仿真；疏散仿真；應(yīng)急疏散

引言

隨著城市化的日益發(fā)展，建筑火災(zāi)發(fā)生的頻率不斷上升，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局數(shù)據(jù)顯示，2021年共接報火災(zāi)74.8萬起，死亡1987人，受傷2225人，直接財產(chǎn)損失67.5億元[1]。因此，在建筑火災(zāi)發(fā)生時如何能夠及時有效疏散現(xiàn)場人員，減少生命財產(chǎn)的損失尤為重要[2]。計算機仿真可以進行火災(zāi)仿真和疏散仿真，直觀地模擬火災(zāi)下人員疏散行為，有助于制定有效的疏散方案[3]，但以往研究仍存在建模過程復(fù)雜和建筑模型不夠精確等問題，降低了仿真的效率。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，研究者逐漸將BIM應(yīng)用于火災(zāi)仿真和疏散仿真，利用BIM建立完整、精確的建筑模型等優(yōu)勢，解決以往火災(zāi)仿真和疏散仿真存在的問題，提高了仿真的效率。BIM作為建筑信息模型，因其具有模擬性、可視化、可協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢[4]，被研究人員廣泛應(yīng)用于火災(zāi)仿真和疏散仿真。其模擬性特點可以為疏散救援提供模擬場景，使人們能在電腦上進行消防疏散演習(xí)，既能給沒有參與過實際演習(xí)的人們帶來火災(zāi)場景的真實感受，也能降低消防演習(xí)的成本；可視化特點為救援疏散提供空間視覺體驗；可協(xié)調(diào)性特點可以將實際建筑物整合成三維可視化模型，便于漫游體驗，使消防救援人員可以直觀、迅速地掌握火災(zāi)建筑周邊情況及建筑內(nèi)部信息[5-6]。

一、BIM技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)仿真

20世紀70年代，美國火災(zāi)科學(xué)之父H.W Emmons教授將能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒原理與建筑火災(zāi)研究相結(jié)合，開創(chuàng)建筑火災(zāi)過程機制研究先河，并為火災(zāi)科學(xué)的理論研究奠定基礎(chǔ)。20世紀80年代，隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與崛起，計算機數(shù)值模擬技術(shù)開始被引入火災(zāi)發(fā)生后的事故分析，并在第一屆國際火災(zāi)會議后確定其對于火災(zāi)人員疏散問題研究的應(yīng)用價值，標志著計算機數(shù)值模擬技術(shù)與火災(zāi)科學(xué)研究領(lǐng)域的結(jié)合開始進入全面發(fā)展階段[7]。最初學(xué)者僅僅利用火災(zāi)軟件對疏散者在火災(zāi)中疏散的效率進行研究。張志魁[8]、齊珈[9]等學(xué)者利用火災(zāi)仿真軟件Pyrosim建立建筑模型，并模擬火災(zāi)發(fā)生過程煙氣蔓延情況，但是由于對建筑建模時進行了簡化，無法全面反映建筑環(huán)境，且簡化后建筑構(gòu)件細節(jié)的丟失會使模型不夠精確，因此準確性有待進一步提升。后續(xù)逐漸有學(xué)者將BIM技術(shù)與火災(zāi)仿真相結(jié)合，解決了由于火災(zāi)仿真軟件無法建立完整、精確的建筑信息模型的問題，提升了火災(zāi)仿真的準確性。鄧朗妮[10]、NafisehLotfi[11]、吳夢軒[12]、黃麗蒂[13]等學(xué)者利用BIM軟件建立建筑信息模型，導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件Pyrosim分析煙氣擴散、溫度分布及能見度對人員疏散逃生的影響。研究發(fā)現(xiàn)，BIM結(jié)合火災(zāi)仿真軟件，既實現(xiàn)了快速、準確、詳細地建立建筑模型，又提高了模擬結(jié)果的準確性。但以上研究在BIM模型與火災(zāi)仿真軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸依靠的是DWG、DXF等中間文件，在傳輸和存儲的過程中重要信息會丟失，而構(gòu)件的材質(zhì)信息會對火災(zāi)的發(fā)展趨勢有重要影響，火災(zāi)發(fā)展的趨勢可能直接影響疏散者的疏散行為[14-16]，并直接影響到模擬結(jié)果的準確性和符合實際情況的程度[17]。后續(xù)有學(xué)者使用二次開發(fā)技術(shù)，優(yōu)化BIM與火災(zāi)仿真軟件之間的數(shù)據(jù)交流[18]，但火災(zāi)軟件仍需單獨創(chuàng)建網(wǎng)格、障礙物等繁瑣流程，且BIM平臺與火災(zāi)仿真軟件的交互還不夠便利[17]。

綜上可知，目前研究者大多數(shù)利用BIM具有完整的、精確的建筑信息模型這一優(yōu)勢與火災(zāi)仿真軟件結(jié)合，研究中仍存在BIM軟件與火災(zāi)仿真軟件數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

二、BIM技術(shù)應(yīng)用于疏散仿真

由于BIM可以建立完整、精確的建筑模型，研究人員將BIM與疏散仿真軟件、GIS和VR等結(jié)合進行了研究，BIM不僅解決了疏散仿真軟件中疏散場景不夠真實的問題，而且與GIS相結(jié)合，實現(xiàn)了室內(nèi)外聯(lián)合疏散研究。通過與VR的結(jié)合實現(xiàn)了動態(tài)的疏散路徑規(guī)劃，并應(yīng)用于疏散演練，有利于對疏散行為的分析和對疏散效率的評估。

將BIM和疏散仿真軟件相結(jié)合，不僅可以減少疏散仿真軟件建立建筑模型的工作量，還能為疏散仿真提供更符合實際的疏散場景[6]。雖然比以往使用仿真軟件建立建筑模型工作量更小，建筑模型更精確[19]，但由于目前BIM與火災(zāi)仿真軟件的文件傳輸過程中存在數(shù)據(jù)丟失的問題，導(dǎo)致BIM的建筑信息不能得到充分利用。

肖木峰[20]、閻衛(wèi)東[21]、馬亞娜[22]、何欣[23]、張蒙[24]、Rania Wehbe[25]、Hui Zhang[26]等學(xué)者利用BIM建立建筑模型，進行簡化后導(dǎo)入疏散仿真軟件Pathfinder進行疏散仿真研究，研究可知使用BIM建立建筑模型工作量更小，比仿真軟件建立的建筑模型更加符合實際。王婷[27]利用BIM建立建筑模型，簡化后導(dǎo)入疏散仿真軟件Building Exodus中進行人員安全疏散分析。Yuchun Tang[28]利用BIM的二次開發(fā)技術(shù)，將BIM建筑模型導(dǎo)入到疏散仿真軟件Anylogic中進行疏散仿真研究，研究結(jié)果有利于對疏散效率的評估，但在BIM建筑模型導(dǎo)入到疏散仿真軟件的過程中，還是會存在建筑材質(zhì)、門和樓梯構(gòu)件等丟失的情況，需要自己手動建模來完成。

由以上研究可知，BIM可以使建立建筑模型的工作量減少，但如何充分利用BIM的建筑信息，保證BIM建立的建筑信息模型完整地導(dǎo)入疏散仿真軟件中而不丟失數(shù)據(jù)，仍值得進一步研究，未來可以研究將疏散仿真軟件和火災(zāi)仿真軟件整合進BIM平臺，形成基于BIM的火災(zāi)疏散仿真平臺。

結(jié)語

由于建筑火災(zāi)對人民的生命財產(chǎn)造成重大威脅，建筑火災(zāi)疏散領(lǐng)域備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，BIM因其具有模擬性、可視化、可協(xié)調(diào)性等特點，被研究者廣泛應(yīng)用于建筑火災(zāi)疏散仿真，也取得了大量的成果。通過對相關(guān)文獻的綜述，得到的結(jié)論如下：

第一，BIM模型與火災(zāi)仿真軟件和疏散仿真軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸存在數(shù)據(jù)丟失的問題，影響仿真的精度，未來研究者可以將火災(zāi)仿真和疏散仿真與BIM集成，實現(xiàn)BIM與火災(zāi)疏散仿真一體化，形成基于BIM的火災(zāi)疏散仿真平臺。

第二，可以充分利用BIM和GIS的優(yōu)點，實現(xiàn)室內(nèi)外一體化疏散仿真，大力增強BIM信息技術(shù)的應(yīng)用能力，但BIM和GIS的結(jié)合仍處于起步和探索階段，值得我們進一步研究。

第三，現(xiàn)有基于BIM和VR的火災(zāi)疏散演練研究中，缺乏對火災(zāi)情境下疏散者心理的研究，未來研究可通過基于BIM與VR的沉浸式疏散演練，研究行人在疏散時的心理特征對疏散行為的影響。

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