基于BIM的施工现场火灾人员疏散研究

李博 崔邯龙 孟文清 赵志刚

摘 要：针对施工现场火灾发生频率高、人员疏散困难等问题，本文以某施工现场生活办公区为例进行研究。其间利用BIM技术建立生活区工棚及办公区三维模型并将其导入PyroSim和Pathfinder中，通过火灾模拟得出人员可用安全时间来设置各关键位置的通行状态，然后进行人员疏散模拟，并结合Fuzor和VR技术进行人员可视化安全教育。

关键词：建筑信息模型;施工现场;火灾模拟

中图分类号：TU17文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0018-03

Abstract： In view of the high frequency of fires at the construction site and the difficulty of evacuation of personnel， this paper took the living and office area of a construction site as an example for research. In the meantime， BIM technology was used to build 3D models of living area workshops and office areas， and imported them into PyroSim and Pathfinder， through fire simulation， the available safety time for personnel was used to set the traffic status of each key location， and then the personnel evacuation simulation was carried out， and Fuzor and VR technology were combined for personnel visual safety education.

Keywords： building information model;construction site;fire simulation

在往年的火灾事故统计中，建筑施工现场工棚和技术人员办公区发生的火灾占了一大部分。例如，2012年，西安市黄草坡村中铁十八局施工现场活动板房发生火灾，导致13人死亡，25人受伤;2019年，河北省张家口一在建小区工棚发生火灾，虽然火灾未造成人员伤亡，但浓烟不断向四周蔓延，引起了当地居民恐慌。以上案例表明，这些临时设施易发生火灾，同时由于消防配套设施、疏散指示与应急报警系统不完善，一旦其发生火灾，就会对施工现场人员生命财产安全造成严重威胁。

随着信息化技术的快速发展，计算机仿真技术运用在建筑火灾人员疏散研究中。李琰、张燕以高层连体复杂宿舍楼为例，分别运用PyroSim和Pathfinder软件对火灾蔓延特性和人员疏散过程进行了模拟[1];徐旻洋对医院建筑进行了火灾模拟和人员逃生分析，并详细概述了大型医院进行火灾模拟和逃生分析时的技术路线[2];王印、易赛莉通过Revit和FDS软件，实现BIM模型向火灾模拟模型的自动转化，并对城市地下综合管廊进行了火灾模拟研究[3]。

前人研究对象大多是拥有完善防火灭火系统的永久建筑，而对于施工现场临时建筑研究的较少。本文通过BIM技术，结合PyroSim和Pathfinder软件对办公区和生活区工棚进行数值模拟研究。其间通过PyroSim软件得出楼梯间和出口处的可用安全时间，并设置各关键位置的通行状态进行人员疏散模拟;然后根据模拟结果，进行建筑消防设计方案的合理性分析，并进一步优化人员疏散方案;接着运用VR和Fuzor技术进行人员可视化安全教育，使数值模拟结果发挥更大价值。

1 工程概况

办公区呈L形分布，南北方向长为43 m，宽为8 m;东西方向长为83.5 m，宽为8 m。首层及二层层高为3.4 m。纵横向各有1个自动平移门，正对门口方向分别有钢楼梯，分别命名为1号～3号楼梯，西、南两侧出口处各有1个双扇玻璃门。生活区工棚长为85.7 m，宽为6.8 m，首层及二层层高为2.85 m，走廊两侧各有1个单跑楼梯，中间位置有双跑楼梯，分别命名为4号～6号楼梯。

2 火灾数值模拟

2.1 BIM模型建立

为了确保火灾模拟结果的准确性，本研究制定了BIM建模标准。根据CAD图纸建模，要正确设置门窗尺寸、材质属性，同时要赋予各构件对应的面层厚度。为了真实还原模拟场景，BIM模型可以放置各种生活办公用品，除了Revit软件自带的族外，可以使用构件坞、品茗HiBIM等插件进行完善。为了减少分析任务量，将模型中台阶、文字标注、栏杆扶手等删除，然后转换为DXF文件格式导入PyroSim软件中。在BIM模型中，不要将构件成组，否则在PyroSim软件中模型是一个整体，无法进行单个构件查看与编辑。办公区与工棚三维模型如图1所示。

2.2 火灾场景设置

依据最不利原则，办公区火源设置在首层资料室，此处位于走廊相交處，而工棚火源设置在二层靠近楼梯房间内，一旦两处位置着火，烟气会大量向走廊和楼梯间蔓延。假设工棚发生火灾时工人正在房间内休息，两处起火原因是电线短路发热引起聚氨酯材料燃烧。为了最大限度地让烟气在走廊、楼梯间蔓延，设定除着火房间大门打开外，其他房间门窗关闭。

2.3 火灾模拟参数设置

本文采用[t2]火模型，火灾发展系数为0.046 9 kW/s2，最大热释放率为6 MW，着火面积为1 m2。生活区工棚网格划分为16×86×14，办公区网格设置为2个区域，分别为156×22×14、16×86×14，单元格大小都为0.5×0.5×0.5。为了测定二层各楼梯口、首层出口处的物理参数值，分别在相应的位置距离楼层地面2 m处设置探测设备，生活区工棚四周为开放边界，发生火灾时走廊两端楼梯受烟气影响较小，一直保持正常通行状态，模拟时不进行考虑，网格模拟时间分别为500 s和600 s。

2.4 火灾模拟结果与分析

本研究通过火灾模拟软件PyroSim来测定温度、CO体积分数、可见度三项参数达到人体临界值的时间来确定人员可用安全时间。

2.4.1 温度分析。根据人体对对流热的耐受极限，为了保证人员生命安全，本文选取60 ℃作为危险临界温度值。由图2温度变化曲线可得，1号、2号楼梯受温度影响较小，其二层楼梯口分别在407 s和415 s时达到60 ℃。3号、5号楼梯的二层楼梯口温度分别在268 s和253 s时达到人体温度临界值。办公区走廊最左侧M1处离火源最远，温度一直在60 ℃以下，M2～M4出口处分别在447、214、238 s时温度达到临界值。

2.4.2 CO体积分数分析。参考相关文献可知，当环境中的CO体积分数为5×10-4 mol/mol时，人体不易长时间停留，因此，选取CO体积分数5×10-4 mol/mol作为临界值。由图4 CO体积分数变化曲线可得，当火灾发生时，建筑内产生大量CO气体，各测量点CO数值不断增大。1号、2号、3号楼梯的二层楼梯口CO体积分数分别在304、310、196 s时达到625 mg/m3，此时已经影响人体呼吸功能，5号楼梯在252 s时达到临界值。M1～M4出口处分别在293、273、158、167 s达到临界值。

2.5 人员可用安全时间确定

通过上面对二层各楼梯口和出口处的各种物理量的讨论，人员可用安全时间取同一位置物理参数达到相对应的临界值所需要的最小时间，各位置人员可用安全时间如表1所示。

3 人员疏散数值模拟

3.1 人员疏散模型创建

相关研究者在人员疏散分析中多未考虑日常生活办公品对模拟结果的影响，本文为解决这一问题，在BIM模型中按照实际尺寸添加办公桌、办公椅、沙发等构件，然后将模型导出IFC文件格式，再导入Pathfinder中，进行提取和适当处理。在Pathfinder中，办公区与工棚一层物品俯视图如图3所示。

3.2 人员疏散参数设置

人员数量按办公区每层60人、工棚每间宿舍8人取值。施工现场人员以青年男性为主，设定女性人员占比为10%。其中，男女平均身高分别取1.68 m和1.58 m，平均肩宽分别为427 mm和391 mm。

人员速度参考美国消防工程师协会（SFPE）编写的《消防工程手册》，将人员的水平疏散速度设定为1.2 m/s，下楼速度设定为0.6 m/s。参考相关文献，火灾报警时间（[TA]）取10 s，人员准备疏散时间（[TR]）取20 s，疏散人员总共停滞时间为30 s。根据火灾模拟结果得出的人员可用安全时间来设置楼梯与出口处的通行状态，时间一旦达到，相对应的位置将不允许人员通过。

3.3 人员疏散结果与分析

时间为40 s时，办公区楼层人员大部分疏散到走廊，时间为107 s时，办公楼全部人员安全疏散到室外。人员疏散时间[TRSET]由[TA]、[TR]与1.5[TM]三部分构成，最终[TRSET]为146 s。此时，1号楼梯与2号楼梯正常通行，并且M1、M2出口没有达到危险状态，能够满足人员全部安全疏散到室外的要求。生活区工棚人员在215 s时全部安全撤离到室外，[TRSET]为308 s。由于生活区工棚楼梯梯段过窄，二层人员在各楼梯口相互拥挤，并且在LT5处出现人员往返现象，此处人员疏散存在安全隐患。

3.4 消防设计方案优化

为了最大限度地保障人员的生命安全，本文通过优化消防设计方案来减少[TRSET]数值。施工现场临建多为装配式建筑，楼梯调整比较灵活，因此从楼梯角度出发进行优化。

办公区首层M3出口处[TRSET]最小，故对3号楼梯进行优化。方案如下：扩大楼梯梯段宽度0.15 m;将楼梯改为单跑楼梯，梯段宽为1.8 m，坡度为35°。

同理，生活区工棚优化方案如下：5号楼梯左右侧各2个宿舍人员使用此楼梯疏散，其余人员使用两侧楼梯;将两侧楼梯梯段加宽0.5 m;1、2种方案相结合。

在其他参数不变的情况下，重新进行模拟。办公区优化方案1、方案2的[TRSET]分別为132 s和126 s，结果表明，第2种效果最好，将[TRSET]提前20 s。工棚优化方案1、方案2、方案3的[TRSET]分别为341、255、211 s，结果表明，方案1加大[TRSET]，工棚发生火灾时两侧楼梯是人员疏散的主要限制因素，而第3种方案更能提前人员疏散时间，节约97 s。

4 可视化安全教育

在生活办公区模型基础上完善施工现场模型，将三维模型同步到Fuzor软件进行渲染，并将模型转化为移动端格式的文件，结合工地的VR安全体验馆，配合VR眼镜、移动式手柄等进行身临其境的体验。

5 结论

本文利用BIM技术对施工现场生活办公区进行火灾模拟和人员疏散模拟，得出以下结论。生活区工棚楼梯梯段较窄，人员会在各楼梯口处互相拥挤，同时5号楼梯口处人员疏散会出现折返现象，造成人员所需安全时间加大。而办公区消防安全设计合理，没有人员折返现象发生。将工棚两侧楼梯梯段宽度扩大0.5 m并进行人员引导，可避免人员折返现象发生，有效减少人员所需安全时间97 s。对办公区3号楼梯进行优化，结果表明，扩大梯段宽度0.15 m可减少[TRSET]，将3号楼梯变为单跑楼梯的疏散效果最明显，[TRSET]提前20 s。利用BIM技术除了可以保证模拟结果的准确性，还可以进行可视化安全教育。研究方法可为施工现场生活办公区人员疏散、消防设计优化提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]李琰，张燕.连体宿舍楼火灾模拟与安全疏散研究[J].中国安全生产科学技术，2019（1）：163-168.

[2]徐旻洋.医院建筑火灾模拟及逃生分析研究与实践[J].土木建筑工程信息技术，2019（4）：39-47.

[3]王印，易赛莉.基于BIM的城市地下综合管廊火灾模拟[J].消防科学与技术，2019（12）：1704-1707.