BIM與CFD聯(lián)合模擬在建筑防排煙設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

引言

建筑火災(zāi)是一種突發(fā)事件，煙氣的擴(kuò)散和控制直接影響人員安全與建筑物損害程度。傳統(tǒng)的防排煙設(shè)計(jì)依賴經(jīng)驗(yàn)判斷和簡化計(jì)算方法，難以全面模擬火災(zāi)煙氣流動(dòng)情況，導(dǎo)致系統(tǒng)優(yōu)化程度有限。BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑信息的三維可視化管理，而CFD技術(shù)可通過流體動(dòng)力學(xué)分析，精確模擬煙氣擴(kuò)散過程。兩者結(jié)合能夠顯著提升建筑防排煙設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

一、BIM與CFD在建筑防排煙設(shè)計(jì)中的理論基礎(chǔ)

（一）BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是一種基于數(shù)字化信息管理的建筑設(shè)計(jì)方法，能夠在建筑全生命周期內(nèi)提供高效的數(shù)據(jù)管理和協(xié)同支持。通過三維建模，BIM可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)、管線布局及設(shè)施設(shè)備的可視化呈現(xiàn)，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更直觀地理解建筑空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化防排煙系統(tǒng)的布置方案。在防排煙設(shè)計(jì)中，BIM還能夠整合建筑內(nèi)外部氣流數(shù)據(jù)、通風(fēng)設(shè)備參數(shù)及火災(zāi)模擬信息，為CFD分析提供精確的幾何模型及邊界條件，提高煙氣擴(kuò)散模擬的準(zhǔn)確性。BIM平臺(tái)能夠存儲(chǔ)、分析和管理建筑數(shù)據(jù)，為建筑運(yùn)維階段的防火管理和應(yīng)急響應(yīng)提供支持，使防排煙系統(tǒng)的運(yùn)行狀況可視化、可預(yù)測(cè)、可優(yōu)化[1]。BIM技術(shù)在建筑防排煙設(shè)計(jì)中不僅提升了設(shè)計(jì)效率和精準(zhǔn)度，還增強(qiáng)了建筑安全性，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供了重要的技術(shù)支撐。

（二）CFD技術(shù)概述

CFD（Computational FluidDynamics）技術(shù)是一種利用數(shù)值方法求解流體流動(dòng)和傳熱問題的技術(shù)，在建筑防排煙設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。CFD能夠模擬火災(zāi)條件下煙氣的擴(kuò)散路徑、溫度變化、空氣流動(dòng)特性及能見度等關(guān)鍵參數(shù)，為防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。以煙氣擴(kuò)散模型為例，通過引人Navier-Stokes方程進(jìn)行定量描述：

該方程揭示了流體流動(dòng)過程中質(zhì)量守恒的基本原理。其中 _，ρ 為流體密度， 為速度矢量， Ψ_t 為時(shí)間， P 為壓力 _，μ 為動(dòng)力黏度， 為外力。同時(shí)，搭配一個(gè)簡單圖表，示意方程中各參數(shù)在火災(zāi)煙氣擴(kuò)散場(chǎng)景中的對(duì)應(yīng)含義。公式是Navier-Stokes方程中各參數(shù)在火災(zāi)煙氣流動(dòng)中的直觀表示，箭頭表示速度矢量 u 的方向和大小，不同顏色或陰影區(qū)域代表密度的變化。這些參數(shù)共同作用于火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散過程，影響著煙氣的流動(dòng)路徑、速度和濃度分布，進(jìn)而決定了建筑內(nèi)人員的疏散路徑和排煙系統(tǒng)效率[2]

（三）BIM與CFD結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

BIM與CFD的結(jié)合突破了傳統(tǒng)防排煙設(shè)計(jì)的局限，能夠提高設(shè)計(jì)精度，優(yōu)化防排煙系統(tǒng)布局。BIM技術(shù)通過提供建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)備參數(shù)，為CFD模擬煙氣擴(kuò)散提供精確的幾何模型和邊界條件，使防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求[3]。CFD 技術(shù)基于BIM 模型進(jìn)行火災(zāi)煙氣模擬，分析不同火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣流動(dòng)路徑、溫度分布和能見度變化，從而優(yōu)化防排煙系統(tǒng)的布局和排風(fēng)口設(shè)置，提高煙氣擴(kuò)散模擬的準(zhǔn)確性，如表1所示。二者結(jié)合不僅提升了防排煙系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)水平，還能通過三維可視化技術(shù)直觀呈現(xiàn)模擬結(jié)果，便于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)同管理和優(yōu)化調(diào)整。BIM與CFD的聯(lián)合應(yīng)用還可以在建筑全生命周期內(nèi)發(fā)揮作用，從設(shè)計(jì)階段的系統(tǒng)優(yōu)化到施工階段的動(dòng)態(tài)調(diào)整，再到運(yùn)維階段的消防安全評(píng)估，都能提供高效的數(shù)據(jù)支持和模擬分析，從而大幅提升建筑火災(zāi)防護(hù)能力和安全管理水平。

二、BIM與CFD在建筑防排煙設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）建筑模型的BIM構(gòu)建

在防排煙設(shè)計(jì)中，BIM需建立精確的建筑三維模型，該模型應(yīng)涵蓋房間結(jié)構(gòu)、通風(fēng)管道、排煙風(fēng)機(jī)及其他相關(guān)設(shè)備的詳細(xì)信息。為了確保BIM數(shù)據(jù)的完整性，建模過程中需綜合考慮建筑幾何信息、材料屬性、設(shè)備參數(shù)等因素，以提供精確的建筑信息基礎(chǔ)[4]。三維建模不僅能提高空間布局的合理性，還能為CFD模擬提供高質(zhì)量的幾何輸入，確保煙氣擴(kuò)散分析的準(zhǔn)確性。BIM技術(shù)的參數(shù)化特性允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的火災(zāi)場(chǎng)景快速調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)和排煙系統(tǒng)配置，提高設(shè)計(jì)的靈活性和適應(yīng)性。在BIM平臺(tái)上集成防排煙系統(tǒng)，還能通過碰撞檢測(cè)發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)沖突，優(yōu)化設(shè)備布置，減少施工中的修改成本。BIM技術(shù)在防排煙設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅提高了模型的可視化程度，還能結(jié)合CFD技術(shù)模擬煙氣流動(dòng)特性，為科學(xué)合理的防排煙設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

（二）CFD火災(zāi)煙氣模擬的參數(shù)設(shè)置

在CFD火災(zāi)煙氣模擬中，需合理設(shè)置邊界條件，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和工程應(yīng)用的可行性?；鹪次恢玫倪x擇至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)定合理的火源區(qū)域，同時(shí)定義熱釋放速率，以反映不同類型火災(zāi)的燃燒強(qiáng)度。空氣流動(dòng)速度是影響煙氣擴(kuò)散的重要因素，應(yīng)結(jié)合室內(nèi)外通風(fēng)狀況、HVAC系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及建筑物內(nèi)外氣壓差進(jìn)行綜合設(shè)定。煙氣生成速率直接決定了火災(zāi)初期煙氣的蔓延速度，應(yīng)基于燃燒材料的特性進(jìn)行數(shù)值設(shè)定。在研究中，需充分考慮建筑內(nèi)外環(huán)境因素，如風(fēng)速、溫度、濕度等，這些參數(shù)在火災(zāi)發(fā)展過程中會(huì)對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)模式產(chǎn)生顯著影響。室內(nèi)溫濕度決定了煙氣的浮升特性。通過科學(xué)設(shè)定這些參數(shù)，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，可提高CFD模擬結(jié)果的可靠性，為防排煙系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

（三）計(jì)算網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解方法

合理的網(wǎng)格劃分對(duì)CFD計(jì)算精度至關(guān)重要，應(yīng)結(jié)合計(jì)算區(qū)域的幾何復(fù)雜性和流場(chǎng)特性合理劃分網(wǎng)格。通常采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)火源區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，以提高計(jì)算精度，同時(shí)在遠(yuǎn)離火源的區(qū)域采用較為粗略的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量并提升計(jì)算效率。為更準(zhǔn)確地描述湍流特性，應(yīng)選擇合適的湍流模型，如k-模型 ?×k-?ω-SST 模型或大渦模擬（LES）等，針對(duì)不同的火災(zāi)場(chǎng)景和流場(chǎng)特性，選擇最優(yōu)模型，以確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。在求解過程中，需合理設(shè)置邊界條件和離散格式，選用合適的數(shù)值求解方法，如有限體積法（FVM）或有限差分法（FDM），以保證計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性。還需進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，通過對(duì)比不同網(wǎng)格密度下的計(jì)算結(jié)果，確保計(jì)算精度滿足工程應(yīng)用需求。合理的網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解方法相結(jié)合，可有效提高CFD模擬的精確度，優(yōu)化防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為建筑消防安全提供科學(xué)依據(jù)。

（四）結(jié)果分析與優(yōu)化調(diào)整

模擬完成后，需對(duì)煙氣流動(dòng)路徑、溫度分布、能見度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，以評(píng)估防排煙系統(tǒng)的性能并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過CFD模擬可以直觀地呈現(xiàn)煙氣在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)散情況，分析高溫區(qū)與低溫區(qū)的分布，評(píng)估火災(zāi)對(duì)不同區(qū)域的影響。溫度分布分析有助于確定關(guān)鍵疏散通道是否受到高溫威脅，并判斷防火分區(qū)的有效性。能見度作為火災(zāi)環(huán)境下影響人員安全的重要因素，其分布情況直接決定了人員的疏散難度。CFD模擬可以提供不同高度層的能見度數(shù)據(jù)，幫助優(yōu)化照明系統(tǒng)和逃生路線。根據(jù)模擬結(jié)果，可進(jìn)一步調(diào)整排煙口的位置、尺寸及風(fēng)機(jī)功率，以提高排煙效率。例如，如果某區(qū)域的煙氣滯留時(shí)間較長，可以通過增加局部排煙口或提升風(fēng)機(jī)功率來加速煙氣排放，從而改善疏散條件。模擬可驗(yàn)證不同工況下的防排煙系統(tǒng)運(yùn)行效果，如自然通風(fēng)與機(jī)械排煙結(jié)合方案的優(yōu)劣。通過反復(fù)優(yōu)化和驗(yàn)證，確保最終設(shè)計(jì)方案能夠在實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中提供高效的排煙能力和良好的人員疏散環(huán)境，提高建筑的整體安全性。

三、案例分析

（一）工程背景

以某高層商業(yè)建筑為案例，探討B(tài)IM與CFD聯(lián)合模擬在防排煙設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該建筑總高度約100米，包含地下三層和地上二十層，主要功能包括商場(chǎng)、寫字樓及停車場(chǎng)。建筑內(nèi)部設(shè)有多個(gè)防火分區(qū)，采用機(jī)械排煙和自然排煙相結(jié)合的方式。由于建筑面積大、人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣的擴(kuò)散速度及其影響范圍將對(duì)人員疏散和消防救援構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用BIM與CFD技術(shù)對(duì)防排煙系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以提高煙氣控制能力和通風(fēng)效率?；贐IM技術(shù)構(gòu)建建筑模型，并結(jié)合CFD模擬分析不同火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣流動(dòng)情況，評(píng)估現(xiàn)有防排煙系統(tǒng)的性能。重點(diǎn)關(guān)注火源位置對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響、不同通風(fēng)模式下的排煙效率以及溫度分布對(duì)疏散路徑的影響。通過調(diào)整排煙口的位置、通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量和消防聯(lián)動(dòng)控制策略，優(yōu)化防排煙系統(tǒng)布局，確保在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能有效控制煙氣蔓延，提高人員疏散的安全性。本案例研究不僅驗(yàn)證了BIM與CFD聯(lián)合模擬在建筑防排煙設(shè)計(jì)中的可行性，還為類似高層建筑的消防安全設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化方法。

（二）BIM建模與CFD模擬

BIM技術(shù)用于構(gòu)建詳細(xì)的建筑三維模型，包括建筑結(jié)構(gòu)、房間布局、通風(fēng)系統(tǒng)及消防設(shè)施等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并確保所有參數(shù)與實(shí)際情況高度匹配。在CFD模擬環(huán)境中導(dǎo)入BIM模型后，需要對(duì)防排煙系統(tǒng)的關(guān)鍵要素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，如煙氣流動(dòng)路徑、通風(fēng)口布局及排煙風(fēng)機(jī)參數(shù)等。本文假設(shè)火災(zāi)發(fā)生于地下停車場(chǎng)，設(shè)定火源熱釋放速率為5MW，并結(jié)合不同火災(zāi)場(chǎng)景調(diào)整火源位置。為了精確模擬煙氣擴(kuò)散特性，采用Navier-Stoke方程進(jìn)行計(jì)算，該方程描述了流體在控制體積內(nèi)的質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒關(guān)系：

其中 ?_Sρ 為流體密度， u 為速度矢量， P 為壓力 ，μ 為流體動(dòng)力黏度， g 為重力加速度。這些參數(shù)決定了火災(zāi)煙氣的流動(dòng)特性，影響煙氣的蔓延速度、壓力分布及溫度變化。在CFD計(jì)算過程中，需進(jìn)一步定義邊界條件，包括火源區(qū)域的熱釋放速率、環(huán)境風(fēng)速、初始溫度場(chǎng)及建筑內(nèi)部空氣流動(dòng)特性。同時(shí)，為了提高計(jì)算精度，采用 k-ε 湍流模型，計(jì)算湍流擴(kuò)散效應(yīng)。該模型的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

其中， k 為湍動(dòng)能， 為湍能耗散率， G_k 為湍流生成項(xiàng)， C₁，L_c2，σh，σ∈ 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。這些方程可用于計(jì)算火災(zāi)煙氣流動(dòng)的湍流特性，評(píng)估煙氣擴(kuò)散速度及湍流混合情況。在數(shù)值求解方面，采用、有限體積法（FVM）進(jìn)行離散化計(jì)算，并通過網(wǎng)格無關(guān)性分析確保計(jì)算精度。通過數(shù)值模擬，可以得到不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的煙氣擴(kuò)散特性，包括煙氣蔓延速度、溫度分布、能見度變化及氧氣濃度變化等，進(jìn)而評(píng)估防排煙系統(tǒng)的有效性?；谟?jì)算結(jié)果，提出優(yōu)化方案，如調(diào)整排煙口位置、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)布局或增加補(bǔ)風(fēng)策略，并對(duì)比優(yōu)化前后的計(jì)算結(jié)果，以評(píng)估調(diào)整方案對(duì)排煙效率和人員疏散條件的改善程度，從而為建筑防排煙設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

（三）結(jié)果分析

模擬結(jié)果表明，火災(zāi)發(fā)生后，煙氣迅速沿著建筑內(nèi)部通道蔓延，僅3分鐘內(nèi)便擴(kuò)散至上層通道，導(dǎo)致局部溫度顯著上升，能見度大幅下降，影響人員疏散和消防救援。煙氣的快速傳播主要受到建筑內(nèi)部氣流組織、火源熱釋放速率以及通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響。

高溫?zé)煔庠诨鹪粗車纬蔁嵊鹆?，并在浮升力作用下向上擴(kuò)散，遇到天花板后沿著水平路徑傳播，最終導(dǎo)致火災(zāi)區(qū)域周圍的能見度下降至不足5米，嚴(yán)重影響逃生通道的可行性。為了改善排煙效果，通過調(diào)整排煙口位置、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，并增加風(fēng)機(jī)功率，使得煙氣排放效率提高，排煙時(shí)間縮短 20% ，有效抑制了煙氣的擴(kuò)散范圍，如表2所示。優(yōu)化后，火災(zāi)發(fā)生后5分鐘內(nèi)關(guān)鍵疏散通道的溫度下降至安全閾值，能見度提高至10米以上，極大地改善了人員逃生條件，同時(shí)降低了高溫?zé)煔鈱?duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞風(fēng)險(xiǎn)。該模擬結(jié)果表明，合理配置防排煙系統(tǒng)、優(yōu)化風(fēng)機(jī)功率及排煙口布局，能夠顯著提升建筑的防火安全性，為防排煙系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

結(jié)語

BIM與CFD聯(lián)合模擬技術(shù)在建筑防排煙設(shè)計(jì)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，可提高煙氣擴(kuò)散模擬的精準(zhǔn)度，優(yōu)化排煙系統(tǒng)布局，提高建筑安全性能。未來，隨著計(jì)算能力的提升和算法優(yōu)化，BIM與CFD技術(shù)在智能建筑防災(zāi)系統(tǒng)中的應(yīng)用將更加廣泛，為建筑安全提供更科學(xué)的技術(shù)支撐。

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