基于BIM 的性能化分析手段在建筑防火设计中的研究与实践

陆 扬

(上海现代建筑设计(集团)有限公司，上海 200041)

近年来，重大火灾经常发生，伤亡严重的大部分都在建筑物内，火灾中的生命安全和财产安全受到极大的威胁，随着博物馆自身的特质，馆中人员密集，展品价值昂贵，且大多具有不可复制性，若出现火情，则极易发生重大伤亡事故和财产损失，火灾中人员疏散是一个重要问题。一般火灾避难演习模拟，大多利用人员实际验正法，投资许多人力与物力，而且必须要等设计完成后实施，且花费甚巨不符合经济效益评估。因此，本研究依据了BIM建筑信息模型与FDS程序虚拟评估，确保消防安全是否达到设计要求。

1 建筑信息模型

建筑信息模型[1]是在数字化的建筑中用虚拟建筑构件表达现实中建筑物的构件，所有的内容都是以独有的构件形式存在，比如墙、梁、楼板、屋顶、门、窗等。每个构件都有相应的尺寸与信息内容，这些信息内容可以通过手工文件映射的方法或针对性能化防火分析进行二次开发，将信息转换为火灾模拟所需要的参数，如图1所示，墙可以根据实际要求设置构造层，附于相应的厚度和材质。

图1 墙的构造和材料

图2根据建筑防火等级确定构件的耐火极限，并可以在转换为火灾模型时自动进行分类。

为了实现防火总体目标和功能目标，建筑材料、建筑构件、系统组件以及建筑方法等必须满足一定性能水平的要求。以往做火灾模拟由于软件本身的局限性，所有的模型和构件信息、建筑材料参数必须重新定义，而这些信息将对建筑的防火分隔、火灾探测与报警系统、防排烟系统，甚至自动喷水灭火系统的性能提出要求。图3是直接利用建筑信息模型根据构件提取的参数信息，如比热容、密度、传导率、热阻、热导系数等。图4是FDS火灾模型中的材料参数以及喷淋头和烟感。

2 火灾烟气扩散模拟模型

2.1 火灾几何模型

FDS程序可以借助其它三维造型软件和网格生成工具，处理较为复杂的几何场景，但这种方式是不含有任何数据信息的。FDS除了可以解决火灾发生及烟气的发展和蔓延过程，还包含分析火灾探测器和水喷淋灭火系统的功能模块，可研究相应的消防设施对于火灾发展的影响。

FDS几何模型尺寸的建立主要是依据建筑信息模型，整个博物馆功能包括展览区、演示区、创作区、交流区、内部办公区、藏品库房和设备用房等。北侧作为办公和创作，中部为展览区，南侧为主入口与公共活动区。通过空间尺度和椎体比例的变化、场所感的营造等手段来展示艺术家的作品，使得人们在参观的行进过程中有不同的体验和感受。图5是通过建筑信息模型转换为火灾模型的三维视图。

在使用建筑信息模型的软件中将数据信息进行归类，设计火灾发生的场景并设置材质的相关参数采用文件映射的方法输出，火灾模拟软件结构树如图6，图7是总结如何将建筑信息模型转换到火灾模拟软件并进行分析的工作流程图。

2.2 火灾场景模型

由于文章篇幅所限，仅对风险性大的火灾场景中央通高序厅进行分析，本项目采用二级耐火等级设计，建筑高度20 m。20 m中央通高序厅为交通组织枢纽，具有内部空间大、使用功能复杂、火灾载荷大、人员密度大等多方面的特点。如果序厅或序厅周边房间一旦失火，火势可在连通的空间里迅速蔓延，造成火源、产烟量及发热量的扩大;同时高温烟流在上升过程中受到周边壁面或房间冷却导致烟气层逐渐下降，并侵入序厅周边的廊道或房间，致使烟气充满整个序厅及其相邻建筑空间，烟气的迅速蔓延会使安全疏散造成很大的困难。序厅共设两组坡道，将人流引导至各个展厅，是整个博物馆的核心交通空间。序厅采用高位电动排烟窗，采用自动扫描射水高空水炮灭火装置2套，流量10L/s，标准圆形保护半径20m，水炮为探测器与水炮一体化设计。

模拟选用的参数描述如下:

1)通过保守考虑该区发生火灾时按t2快速火发展，热释放速率为1.8MW;

2)建筑内部和外部温度相同;

3)入口大厅对外的门打开，由此补风;

4)排烟方式采用屋顶排烟窗自然排烟;

5)所有通往外部的门在探测到火灾后保持开启状态;

6)喷淋系统启动后，火源热释放速率保持稳定;

7)模拟时间:1 200s。

图8为1 200s内烟气扩散三维视图。序厅发生火灾时，火灾产生的热烟气在走道空间迅速上升，51s烟气开始向四周扩散，112s烟气扩散到旁边的展厅，525s部分烟气从顶部的排烟窗排出，但仍有烟气聚集在屋顶下。

图9为火源纵剖面温度分布图。Y=28的位置，火灾发生1 200s后，大部分区域温度低于60℃，序厅屋顶周围温度较高。

图10为距地面2m处能见度视图。在2m标高位置，火灾发生1 200s后，大部分区域能见度很高，大于20m。

图11为距地面7m处能见度视图。在7m标高位置，火灾发生1 200s后，大部分区域能见度很高，大于10m。

图12为距地面12m处能见度视图。在12m标高位置，火灾发生430s后，大部分区域能见大于10m，之后能见度逐渐降低，对疏散造成危险。

图13为距地面2m和7m处温度分布视图。1 200s温度基本上都小于60℃。

图14为距地面12m处温度分布视图。184s温度小于60℃，之后逐渐增大超过人体所受极限值。

图15为距地面2m处CO2分布视图。火灾发生540s时，浓度低于1%。到1 200s之间序厅内的二CO2浓度积聚增大。图16为距地面7m处CO2分布视图。火灾发生236s时，浓度低于1%。图17为距地面12m处CO2分布视图。火灾发生56s时，浓度低于1%。

通过对各火灾场景模拟计算，得到火灾环境可提供的人员安全疏散时间ASET为540s。即从火灾发生到建筑内烟气中CO2浓度、温度、能见度等达到人体所能承受的最大限度所经历的时间。火灾模拟过程及结果表明各火灾场景均可将火灾环境维持在人员相对安全的水平，并有一定的安全余量，表明这些消防措施基本合理。大空间顶部两侧必须有开启排烟窗，保证足够面积的排烟窗，并有一定数量的补风口，从而能保证烟气有效排出。

3 人员安全疏散

在进行人员疏散分析之前必须先要得到模型信息，然后再描述逃生事件，图18是总结如何将建筑信息模型转换到疏散模拟软件并进行分析的工作流程图。

图18 工作流程图

火灾中影响人员疏散的因素除了烟气温度、烟气能见度和CO、CO2浓度外，建筑内环境和消防管理以及人员等因素也对建筑内人员的疏散产生了不同程度的影响。影响人员安全疏散的因素很多，人的因素，物的因素、环境的因素和管理的因素等共同作用。

从时间的观念上来讲，在人员疏散过程中影响人员安全的因素归结起来主要有:火灾探测时间、人员响应时间、疏散行动时间和危险来临时间。人员疏散过程中疏散时间的组成[3]见图19所示。

图19 人员安全疏散时间准则

出口和楼梯的位置、个数和宽度要满足《建筑设计防火规范》[4]的规定。本项目共有疏散楼梯5部，所有封闭楼梯间均利于可开启外窗采用自然排烟，根据设计要求一层平面使用人数为300人，夹层平面使用人数为63人，二层平面使用人数为140人。根据SFPE消防手册标准[2]确定人员疏散时水平速度为1.19m/s，楼梯下行速度为 0.86m/s，模型内的待疏散人员分布如图20所示。

图20 模型内的待疏散人员分布

可提供的人员安全疏散时间(ASET)应为在火灾环境尚未达到人员耐受极限前人员疏散到相对安全区域(比如封闭楼梯间、室外等)即人员所需疏散时间(RSET)的1.2倍，则能认为人员可以安全疏散。该准则即ASET＞1.2RSET，该规则为澳大利亚BCA中的规则，为国际上通用并认可的人员疏散可接受的标准。

如果以所有人员全部撤离室外来判断安全性标准，那么有部分区域在特定火灾场景下，人员疏散时间较紧，但是实际上这些区域人员在火灾影响到他们原来所处区域前已经撤离到一个相对安全的区域，因此，需要分阶段分区域疏散的时间来判定人员安全性能。

表1 人员疏散运动时间

表1给出了三个火灾场景下人员疏散运动时间的比较，图21－图23给出了不同场景下人员疏散的路线分布。总的需要疏散时间RSET见表3，计算公式:RSET=感知时间+响应时间+行动时间。

表2 英国《BSDD240:1997Fire Safety Engineering In Buildings》中推荐的人员响应时间[5]

表3 总的需要疏散时间

通过疏散模拟软件对人员疏散过程进行模拟，通过对得到人员安全疏散需要时间RSET的结果，并于烟气模拟所得到的有效疏散时间ASET作比较，进行了人员安全性分析。

表4 人员安全性分析

4 结语

本研究证实运用BIM建筑信息模型根据火灾模型的要求进行相关设置并提取相应的信息是可行的，并解决了以往必须要在第三方软件里面重建模重设参数的状况。同时在虚拟的建筑信息模型里就可以在设计过程中充分考虑火灾发生、发展和蔓延的基本规律与烟气蔓延规律，能够实现确保人员安全疏散的前提下，减少防火投资，增加建筑使用面积，显著提高建筑的经济效益与社会效益，对今后大型公共建筑火灾安全疏散性能化设计具有重要的指导意义。

[1]何关培.BIM总论(M)中国建筑工业出版社，2011.

[2]“The SFPE hand book of Fire Protection Engineering”第三版.

[3]范维澄，孙金华，陆守香等.火灾风险评估方法学(M).北京科学出版社，2004.

[4]GB50016－2006，建筑设计防火规范(S).

[5]BSDD 240:Part1:1997 Fire Safety Engineering in Buildings.Guide to the Application of fire safety.

[6]唐方勤，任爱珠，徐峰等.火场人员疏散的虚拟现实模拟研究[J].土木建筑工程信息技术，2009，1(2):32-36.

[7]许镇，任爱珠.基于Vega的建筑火场与结构火灾反应同步模拟[J].土木建筑工程信息技术，2009，1(1):63-66.