數(shù)字孿生技術(shù)在建筑火災(zāi)安全評(píng)估與改造中的應(yīng)用研究

王英旺 李利 吳瑩瑩 唐禧妍 范晶晶 許鎮(zhèn)

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中規(guī)院（北京）規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100044）

引言

數(shù)字孿生（Digital Twin）自被Grieves 在2003年被提出[1]，一直深受關(guān)注。2020 年，關(guān)于構(gòu)建孿生理論體系及其技術(shù)基礎(chǔ)成為中國科協(xié)提出當(dāng)前十大重大科學(xué)領(lǐng)域難題[2]。數(shù)字孿生是一種動(dòng)態(tài)更新的數(shù)字模型，能模擬現(xiàn)實(shí)中的主體及行為，并通過雙向傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字孿生的交互[3]。

然而，盡管數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是在建筑領(lǐng)域卻進(jìn)展緩慢[4]。因此，不少學(xué)者開始致力于建筑數(shù)字孿生的研究。如，Lu Q 等[5]以西劍橋校區(qū)為例，開發(fā)了在建筑和城市層面的數(shù)字孿生模型，為規(guī)劃決策提供了可靠依據(jù)。Angjeliu G 等[6]利用數(shù)值與實(shí)驗(yàn)手段，開發(fā)了歷史砌體建筑的數(shù)字孿生模型。Modena C 等[7]建立米蘭大教堂的數(shù)字孿生模型，用于修復(fù)其關(guān)鍵性的破壞構(gòu)件。

在建筑火災(zāi)安全方面，數(shù)字孿生的案例極為有限。因此，如何建立面向建筑火災(zāi)安全的數(shù)字孿生模型，并開展火災(zāi)評(píng)估改造等研究，是一個(gè)挑戰(zhàn)性的新問題。為此，本文提供一個(gè)數(shù)字孿生技術(shù)在建筑火災(zāi)安全評(píng)估與改造中的應(yīng)用研究。以北京科技大學(xué)土木樓為例，利用BIM、IoT 和云技術(shù)，建立了土木樓的數(shù)字孿生模型。利用該模型，開展了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火災(zāi)蔓延與人員疏散模擬，并比較了基于傳統(tǒng)估計(jì)數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果。最后，提出并評(píng)測(cè)了建筑火災(zāi)安全改造方案，確定了建筑消防最佳改造方案。

1 研究?jī)?nèi)容

本文的研究?jī)?nèi)容包括以下三部分：

（1）基于BIM 和IoT 的數(shù)字孿生建模。建立了建筑的BIM 模型，集成風(fēng)速和人數(shù)統(tǒng)計(jì)等傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用IoT 支持的云端數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)，在云端建立了數(shù)字孿生建筑模型；

（2）建筑火災(zāi)蔓延與人員疏散模擬。將數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)化為火災(zāi)動(dòng)力學(xué)FDS 模型，模擬建筑火災(zāi)蔓延和人員疏散情況，并將數(shù)字孿生模型與傳統(tǒng)估計(jì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性；

（3）方案評(píng)測(cè)與改造建議反饋?；诨馂?zāi)模擬結(jié)果，提出多種消防改造方案，并開展模擬評(píng)測(cè)不同方案的效果，確定最佳方案，支持建筑消防改造。

研究?jī)?nèi)容如圖1 所示。

圖1 研究?jī)?nèi)容

2 數(shù)字孿生建模

2.1 BIM 建模

精細(xì)化的BIM 模型是數(shù)字孿生建模的基礎(chǔ)。本文依據(jù)北京科技大學(xué)土木樓的設(shè)計(jì)圖紙，利用Autodesk Revit 軟件對(duì)土木樓進(jìn)行了BIM 模型建模,如圖2 所示。

圖2 BIM 模型

2.2 基于IoT 的數(shù)據(jù)采集

在建筑火災(zāi)安全中，風(fēng)速是影響火災(zāi)蔓延的重要因素，而室內(nèi)人員數(shù)量是火災(zāi)疏散的重要參數(shù)。然而，在當(dāng)前的火災(zāi)與疏散模擬中，這兩個(gè)參數(shù)主要依靠估計(jì)，并非實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[8-12]。因此，本文將利用IoT 采集風(fēng)速和人數(shù)。

該案例共12 層，考慮最高層的風(fēng)速較大且人流方式簡(jiǎn)單，本文選擇在12 層作為數(shù)據(jù)采集的樓層。分別為紅外客流計(jì)數(shù)器和超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器采集建筑樓層的總?cè)藬?shù)和風(fēng)速實(shí)際數(shù)據(jù)?？紤]到樓層出入口分布情況，紅外客流計(jì)算器安裝位置選擇在12 層人流量較大的防火卷簾門兩端；而進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對(duì)樓層的風(fēng)環(huán)境影響較大，故風(fēng)速傳感器安裝在樓層進(jìn)風(fēng)口的位置，安裝示意圖如圖3~圖4 所示。

圖3 傳感器設(shè)備

圖4 傳感器位置

圖5是北京春季一周內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)形成的風(fēng)速箱形圖。由圖可知，剔除異常值后，整體風(fēng)速中位值和均值呈上下波動(dòng)，且兩者的趨勢(shì)保持一致，說明這段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速數(shù)值波動(dòng)較為平穩(wěn)，保證火災(zāi)模擬準(zhǔn)確性。考慮到火災(zāi)的最不利情況，最終確定了建筑進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的3 種模擬工況，分別是最低風(fēng)速值0.2m/s、風(fēng)速頻遇值0.6m/s 和最高風(fēng)速值1.6m/s。

圖5 7 天內(nèi)風(fēng)速箱線圖

圖6為土木樓第12 層的人數(shù)統(tǒng)計(jì)情況圖，樓層的總?cè)藬?shù)可以有公式(1)計(jì)算。

圖6 第12 層總?cè)藬?shù)圖

其中，樓層的總?cè)藬?shù)M 是表示1 天內(nèi)某時(shí)刻人數(shù)的穩(wěn)定總數(shù)，進(jìn)出總?cè)藬?shù)N 代表該樓層1 天內(nèi)人數(shù)的進(jìn)出總數(shù)。該樓層主要有研究生和老師總?cè)藬?shù)L 為176人，每天需要出入平均次數(shù)為5 次，剩余人數(shù)為其余到訪12 層的人數(shù)。到訪者分為上午、下午、晚上三個(gè)時(shí)間段到訪12 層。從圖6 可知，樓層的總?cè)藬?shù)基本穩(wěn)定，可得到均值為208.6，即取209 人。因此，該數(shù)值可作為火災(zāi)模擬的可靠依據(jù)。

2.3 基于云端的數(shù)字孿生建模

云端數(shù)據(jù)集成與展示包括以下三部分：IoT 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成和數(shù)字孿生建模?；贗oT 的數(shù)據(jù)采集主要依靠超聲波風(fēng)速-風(fēng)向傳感器和紅外客流傳感器。數(shù)據(jù)集成依托MySQL 數(shù)據(jù)庫和SQLyog 數(shù)據(jù)庫圖形化工具，是云端數(shù)據(jù)集成與展示的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生建模是先把BIM模型上傳到輕量化引擎工具BIMFACE中，利用其開源代碼進(jìn)行二次開發(fā)，代碼中調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)速和人數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云端同步。在輕量化模型上集成傳感器測(cè)到的風(fēng)速、人數(shù)等實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，最終形成數(shù)字孿生模型。為后續(xù)火災(zāi)模擬和人員疏散模擬提供了模型與數(shù)據(jù)支持。整體建模流程如圖7所示。

圖7 基于云端的數(shù)字孿生建模流程

3 火災(zāi)安全模擬

3.1 火災(zāi)模擬數(shù)值建模

將數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)換為FBX 格式文件，導(dǎo)入PyroSim 軟件中轉(zhuǎn)換為火災(zāi)動(dòng)力學(xué)FDS 模型。這一過程很好地保證了建筑模型的完整度。模型轉(zhuǎn)換過程如圖8 所示。

圖8 建筑模型轉(zhuǎn)換形式

以土木樓第12 層為研究對(duì)象，起火地點(diǎn)選取在研究生辦公室。綜合考慮建筑物各項(xiàng)情況得出火災(zāi)參數(shù)設(shè)置[13-16]，如表1 所示。

表1 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

3.2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火災(zāi)與疏散模擬

根據(jù)2.2 實(shí)測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，本文將開展三種工況的火災(zāi)與疏散模擬，如表2 所示。其中這三種工況中，房間人數(shù)都是相同的，為209 人。

表2 模擬工況與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速

在火災(zāi)安全評(píng)估中，可用安全疏散時(shí)間ASET 和必需安全疏散時(shí)間RSET 最常用的評(píng)估指標(biāo)。本文將通過基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火災(zāi)與疏散模擬來確定ASET 和RSET。ASET 是指從開始發(fā)生火災(zāi)的時(shí)間到建筑內(nèi)人群受到火場(chǎng)中各種威脅生命安全條件產(chǎn)生時(shí)間。為了確定ASET，本文選取了火災(zāi)安全評(píng)估最為常見的四個(gè)參數(shù)作為ASET 的評(píng)判依據(jù)，分別是溫度、能見度、CO 濃度和煙氣層高度，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示[17,18]。

依據(jù)成年人的眼睛、嘴巴、鼻子等暴露部位平均位置，本次模擬在高于建筑地面標(biāo)高1.6m 分別設(shè)置了能見度、溫度、CO 濃度等監(jiān)測(cè)切片，并在三個(gè)出口位置處設(shè)置的煙氣層高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖9(a)是工況1 中ASET 對(duì)應(yīng)的火災(zāi)參數(shù)?？紤]到火場(chǎng)的實(shí)際情況，火源右側(cè)的疏散出口達(dá)到表3 中的ASET 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)影響人員從右側(cè)疏散。從圖10 可知，該出口的能見度達(dá)到5m 時(shí)，ASET 值可取224.5s；而火場(chǎng)溫度在模擬時(shí)間400s 內(nèi)除了發(fā)生火災(zāi)的房間外，其他地方均小于60℃；火場(chǎng)CO 濃度最大值是0.035%，屬于安全范圍。這說明了火場(chǎng)的溫度和CO 濃度不是影響ASET 值的主要因素；能見度對(duì)ASET 值的影響程度顯著。故最終確定了工況1 的ASET 值為224.5s。

表3 ASET 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

圖9 各工況ASET 對(duì)應(yīng)火災(zāi)參數(shù)（能見度、溫度和CO 濃度）

圖10 各工況的煙氣層高度

圖9(b)和圖9(c)分別是工況2 和工況3 的ASET對(duì)應(yīng)火災(zāi)參數(shù)。與工況1 的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)相同，工況2 和工況3 中能見度仍是影響ASET 值的主導(dǎo)因素。故當(dāng)右側(cè)出口能見度達(dá)到5m 時(shí)，確定工況2 和工況3 的ASET 值分別取230.4s、242.9s。

通過設(shè)備數(shù)據(jù)表，整理三種不同工況下火場(chǎng)煙氣層高度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖，如圖10 所示，可知火場(chǎng)最右側(cè)出口附近煙氣層高度的變化。由數(shù)據(jù)表知道三種工況的煙氣層高度達(dá)到1.5m 的ASET 值分別是253s、261s、350s。從圖可知，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速較低時(shí)，幾乎不影響火場(chǎng)出口煙氣層高度的變化；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.6m/s 時(shí)，煙氣層高度下降到臨界值1.5m 的時(shí)間被延長(zhǎng)了。這說明了進(jìn)風(fēng)口較大風(fēng)速值使得人員在疏散的過程中受煙氣傷害的風(fēng)險(xiǎn)概率下降。

綜上所述，本次模擬的三種不同工況的ASET 值主要受能見度和煙氣層高度的影響，考慮到最不利情況，分別取值為224.5s、230.4s、242.9s。

必需安全疏散時(shí)間ASET[19]是指建筑物內(nèi)正?；顒?dòng)的人群在接到火災(zāi)報(bào)警逃生到安全場(chǎng)地所用時(shí)間，如等式(2)，包括以下三個(gè)部分：報(bào)警時(shí)間Talarm、預(yù)疏散時(shí)間Tpro-move 和疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tmove。要保證建筑物內(nèi)人群在發(fā)生火災(zāi)時(shí)及時(shí)疏散到安全區(qū)域，可用不等式(3)判別[20]。

在本算例中，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，辦公樓一般采用感煙探測(cè)器，考慮到火災(zāi)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)的時(shí)間不超過30s 和工作人員確認(rèn)火災(zāi)并報(bào)警的時(shí)間60s，取報(bào)警時(shí)間可取90s[21]，報(bào)警后到人員采取動(dòng)作的預(yù)疏散時(shí)間可取108s[22]，而最為關(guān)鍵的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間需要根據(jù)疏散模擬結(jié)果確定。

在本算例中，最小的ASET 對(duì)應(yīng)的是工況1，為224.5s。因此，本文開展了工況1 下樓層人員疏散模擬，結(jié)果如圖12(a)所示。模擬結(jié)果顯示疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間為89s。因此，REST 根據(jù)公式(2)可以計(jì)算得到為287s?？梢钥闯?，ASET 小于REST，不能滿足不等式(3)的要求，說明算例中的建筑火災(zāi)疏散設(shè)計(jì)不滿足安全疏散的要求，需要消防改造。

3.3 與傳統(tǒng)估計(jì)方法的模擬結(jié)果對(duì)比

目前，在傳統(tǒng)火災(zāi)與疏散模擬中，通常會(huì)默認(rèn)室外風(fēng)速為0 m/s[9,14]。在人數(shù)估計(jì)上，常見的方法有：住宅人員按每戶1 人[10]、按全國人口普查結(jié)果取每戶平均人口值3.10 人[11]、實(shí)地調(diào)查與問卷調(diào)查確定人員密度[12]等。由于本算例是辦公樓，只適合實(shí)地調(diào)查方法。通過清點(diǎn)實(shí)際工位數(shù)量，確定該樓層疏散人數(shù)為176人。

本文將傳統(tǒng)估計(jì)方法確定的工況（風(fēng)速為0 m/s，人數(shù)為176）與基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的工況1（風(fēng)速為0.2 m/s，人數(shù)為209）的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

首先，比較400s 模擬時(shí)間的火災(zāi)參數(shù)，如圖11 所示。從煙氣蔓延和能見度情況來看，傳統(tǒng)模型中煙氣在進(jìn)在風(fēng)口處出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，導(dǎo)致煙氣濃度和能見度降低。而實(shí)際中進(jìn)風(fēng)口處煙氣不會(huì)外溢，數(shù)字孿生模型由于進(jìn)風(fēng)口的設(shè)置，室內(nèi)的煙氣濃度和能見度更高。從火場(chǎng)風(fēng)速情況來看，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速會(huì)影響到火場(chǎng)的浮力，導(dǎo)致靠近進(jìn)風(fēng)口處的那段走廊風(fēng)速降低，煙氣層高度更容易下降，從而影響右側(cè)出口的人員疏散。這就說明，相對(duì)于傳統(tǒng)模型，數(shù)字孿生模型能提供具體真實(shí)的火災(zāi)參數(shù)，模擬的火災(zāi)情況更貼近真實(shí)情況。

圖11 數(shù)字孿生模型與傳統(tǒng)估計(jì)模型云圖比較

其次，比較兩者在疏散過程中的差異。圖12 是數(shù)字孿生模型和傳統(tǒng)模型的人員疏散模擬結(jié)果。從圖中可知，兩者的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為89s 和77s。其中，數(shù)字孿生模型所用的人員疏散數(shù)量為傳感器所采集的人數(shù)，共209 人，如圖5 所示；傳統(tǒng)模型的人員數(shù)量為176 人。兩者之差主要在于，傳統(tǒng)模型只是實(shí)測(cè)人員工位數(shù)量，而數(shù)字孿生模型卻能更好地獲取到訪人員流動(dòng)的數(shù)量。因此，在人員疏散模擬方面，數(shù)字孿生模型具有更好的精度。

圖12 兩種模型疏散模擬結(jié)果

4 安全改造反饋

4.1 消防改造方案及評(píng)測(cè)

根據(jù)火災(zāi)模擬結(jié)果，最右側(cè)安全出口附近的煙氣層高度和能見度是人員ASET 過短的主要原因；同時(shí)，最右側(cè)出口疏散時(shí)易發(fā)生人員擁堵現(xiàn)象，延長(zhǎng)了RSET。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)存在的問題，改造方案如圖13所示。主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：

圖13 改造方案，包括（a）優(yōu)化位置（b）出口寬度（c）出口高度

（1）優(yōu)化消防措施或者擴(kuò)大建筑排煙出口面積，來延長(zhǎng)ASET，故采用增加出口位置門高度的方式；

（2）合理設(shè)計(jì)安全出口的寬度或疏散過程的路線優(yōu)化，用以縮短RSET，故采用加寬疏散主要出口寬度的方式。

從圖14 和圖15 可知，隨著疏散出口寬度的增加，Tmove 不斷縮短，說明加寬疏散出口寬度有利于縮短Tmove，進(jìn)而縮短RSET。其中，疏散出口為1.25m，疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短，為80s，比初始的Tmove 少了9 s，時(shí)間優(yōu)化率達(dá)3.1%。因此，設(shè)計(jì)出口寬度取值為1.25m，這時(shí)RSET 值為278s。在加寬出口寬度最優(yōu)值1.25m是基礎(chǔ)上，根據(jù)火災(zāi)疏散出口的實(shí)際高度2.0 m 以及建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，故本研究設(shè)置了出口高度為2.2m、2.4m、2.5m 的三個(gè)對(duì)照組，如圖15。結(jié)合表4 中可以看出在疏散出口寬度為一定時(shí)，隨著疏散出高度的增加，出口附近能見度達(dá)到臨界值5.0m 的時(shí)間不斷延長(zhǎng)。當(dāng)且僅當(dāng)出口高度為2.5m 時(shí)，ASET 為295.3s，而RSET 為278s，滿足ASET ＞RSET，優(yōu)化性能提高了31.5%。這說明了在能見度方面能保證人員安全疏散。

表4 各優(yōu)化方案的安全疏散評(píng)估結(jié)果

圖14 出口寬度與疏散時(shí)間關(guān)系圖

圖15 工況1 出口高度與煙氣層高度關(guān)系

從圖14 中看直觀看出，將疏散出口寬度進(jìn)行提高后，能很好提高煙氣層的高度，并且優(yōu)化后的三種設(shè)計(jì)方案在300s 內(nèi)均滿足煙氣層高度大于臨界值1.5m。這說明了優(yōu)化方案的可用安全疏散時(shí)間ASET ＞300s ＞RSET=278s，能保證人員安全疏散。

4.2 最佳改造方案確定

綜合各優(yōu)化方案的分析情況，得出安全疏散性能評(píng)估結(jié)果如表4 所示。當(dāng)加寬疏散出口寬度至1.25m時(shí)，能對(duì)RSET 的縮短達(dá)到最好效果。在疏散出口寬度為1.25m 的基礎(chǔ)上，增加疏散出口高度至2.5m，能使ASET ＞RSET，進(jìn)而說明所有工況下均能使建筑火災(zāi)疏散設(shè)計(jì)安全性能達(dá)到要求。由表4 可知，最終優(yōu)化方案是右側(cè)疏散出口改為高2.5m 和寬1.25m。

5 結(jié)論

本文基于BIM 和IoT 建立了一個(gè)典型辦公樓的數(shù)字孿生模型，開展了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火災(zāi)及疏散模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，提出并評(píng)測(cè)了消防改造方案，為建筑消防改造提供了決策依據(jù)。結(jié)論如下：

（1）利用數(shù)字孿生模型，可開展基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火災(zāi)安全評(píng)估，結(jié)果更接近實(shí)際。結(jié)果表明：數(shù)字孿生模型的火災(zāi)模擬相比傳統(tǒng)估計(jì)的火災(zāi)模擬的火災(zāi)發(fā)展更加嚴(yán)重，室內(nèi)人員疏散時(shí)間也更長(zhǎng)，由77 s 變?yōu)?9 s，延長(zhǎng)了15.6%；

（2）利用數(shù)字孿生模型，可開展消防改造方案的測(cè)評(píng)并提供最佳方案。本案例通過改變疏散出口的高度和寬度兩種參數(shù)，基于大量模擬的結(jié)果，確定最佳組合為疏散出口寬度1.25m 和高度2.5m，使ASET 由224.5 s 變?yōu)?95.3 s，優(yōu)化率為31.5%，大于RSET，滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）本文的數(shù)字孿生消防評(píng)估與改造案例表明：數(shù)字孿生模型可發(fā)揮虛實(shí)交互的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)字仿真得到更真實(shí)的模擬結(jié)果，進(jìn)而確定最佳的改造方案，為現(xiàn)實(shí)提供反饋。數(shù)字孿生基本思路可以為其他評(píng)估與改造研究和應(yīng)用提供借鑒。