基于BIM技术的地铁车站火灾模拟分析

孙少楠 吴家伟 邢义龙 张 航

(华北水利水电大学，郑州 450046)

引言

火灾模拟是项目运维阶段应急管理中一种重要的灾变管理手段，可以在灾前较为真实地仿真出灾情发生的整个变化过程，以便针对性、合理性地对应急准备工作做出部署。传统地铁车站火灾模拟存在缺少乘客参与、日常演练区域只限经验易起火区域、消耗人物资源过多等客观原因以及人员本身缺少积极性等主观原因，致使火灾模拟在传统应急管理中并没有发挥很好的作用。陈柯成等[1]使用火灾动力学模拟软件(FDS)对广州大学城北地铁站站台进行了火灾烟气扩散规律进行了研究； 唐飞等[2]运用人员疏散模拟软件Pathfinder对某高铁换乘站在高峰时期和列车满载两种状态进行了人群疏散特性研究； 徐伟[3]使用REVIT建立地铁车站模型，导入Pyrosim软件对火灾防排烟的风机组合进行了分析； 蓝杰等[4]通过利用FDS模拟软件，对郑州某地铁车站站厅进行不同工况的排烟模式进行模拟，对排烟口的数量和位置进行了优化； 张检让等[5]使用PyroSim软件对地铁车厢进行数值模拟，通过比较不同火灾场景下，红紫外火焰探测器不同数量、不同位置时的报警时间，对火灾探测器的分布进行优化； 钟茂华等[6]采用火灾动力学软件FDS对地铁“T”形换乘车站的假定的通道起火进行模拟，对两侧站厅通风系统和防火门的不同联动模式进行分析。

近年来，BIM技术的全过程全寿命周期管理与数据共享[7-8]的优势日渐突出，BIM与专业的应急管理软件结合变的尤为重要。基于BIM技术的应急管理，火灾模拟就可以依托于“BIM+”体系中的模拟方法得以实现，即设定初始模拟信息，借助计算机程序算法，以可视化的方法仿真并展示模拟过程与模拟结果。这样不仅能极大地避免传统火灾模拟方法的弊端，而且可以对不同地区、不同时间、不同起火种类、不同人数的火灾进行模拟。因此本文将结合BIM技术，对地铁火灾的各个维度进行仿真模拟，得出各关键节点的最大疏散时间。

1 适用于地铁的BIM软件与火灾模拟软件

1.1 BIM软件

Revit是目前主流的BIM建模软件，除了能够从单一基础数据库提供明细表、图纸、二维视图与三维视图等基本能力外，在整个项目进程中，也具有项目管理的作用，设计变更会在所有数据及演示中更新。另外Revit概念设计功能使用方便，可以对建筑图元进行自由形状建模及参数化设计，能够通过族的形式和利用API二次开发的插件(如可视化编程插件Dynamo)满足各专业的建模需求。同时Revit模型能够包含多种建筑属性[9]，在Revit中可以对各种材质属性信息进行有效、快速、准确的存储与提取，为火灾模拟分析的数据来源提供了基础。Revit是专门针对BIM设计的软件， 可提供建筑设计和文件管理支持，可以通过多种数据格式进行分享传输，进行全过程、全方位的建筑管理，对进度、质量、安全、日照、能耗等模拟分析提供模型支撑，包括本文的火灾模拟所需要的模型数据信息，则本文选用Revit进行地铁模型的建立。

1.2 火灾模拟软件

基于BIM技术火灾模拟呈现效果的真实性关键在于模拟程序算法，不同模拟软件程序也对应着不同灾变情况，而软件程序也是依托于BIM技术中最为基础的三维模型，因此当前火灾模拟仿真的基础就是在于灾变模型[10-11]的选择。目前主流灾变模型见表1。

表1 主流灾变模型

而采用什么样的模拟软件则需要考虑到模型的空间应用性。本文是主要针对于火灾这种边界不固定、形状不定的连续现象的模拟仿真，而场模型是常用于具有连续性的空间变化发展趋势情形的模拟模型，因此在火灾情形下的灾变模型应选择为场模型，而场模型中应用较为广泛的FDS程序进行地铁车站火灾模拟，而软件选择为以FDS为基础的Pyrosim2018火灾模拟软件。

Thunderhead Engineering Pyrosim(Pyrosim)，是NIST是针对FDS的可视化改造成果，使其模拟过程拥有了一个图像展示界面，从而产品用户更能与软件进行互动与编辑，Pyrosim软件操作流程如图1所示。

图1 基于Pyrosim软件火灾模拟流程

2 火灾模型的交互与信息管理

2.1 BIM应急管理模型与火灾模型的交互研究

BIM技术涉及的相关软件中，Revit是重要的基础软件，则本文以Revit与Pyrosim的数据交互进行研究。Revit的软件输入格式与Pyrosim输出格式见表2，即两者的数据流通格式选择为DXF[12]。

表2 REVIT与Pyrosim输入格式

Revit建立的模型属性信息保存到DXF数据格式的文件中，然后Pyrosim从DXF文件读取需要的数据，如图2所示。

图2 DXF数据读取流程

对于地铁车站的火灾模拟，其研究的起火点、起火过程通常是在站厅与站台层之中，更注重灾变过程中火源发展趋势对于人员生命安全与逃生疏散的影响，因此地铁车站其他结构并不需要建立或详细展示，如车轨底层结构、地上风室结构、盾构结构等，根据火灾模拟的需求和特点，对原有的REVIT模型进行修改，建立基于火灾模拟的REVIT模型。

Revit地铁车站模型导出DXF类型文件后，导入Pyrosim2018软件，对部分材料进行重新定义与编辑，如材质的比热、热传递速率等消防参数。

图3 灾变应急管理相关信息

2.2 基于火灾模型的灾变应急信息管理

基于BIM技术的火灾模拟工作中，信息管理一直是其中非常重要的环节。信息的合理化设置与管理不仅保证了模拟的顺利进行，也便于实际管理人员的分享与控制，体现出BIM的信息化优势。而火灾模拟中的信息基础依然是火灾模型，Pyrosim提供了多种相关灾变信息的管理系统，这也是本文选择该软件的原因之一。大体来说火灾模型中的灾变应急管理相关信息如图3所示。

3 实例研究

以货栈街地铁车站为例进行火灾模拟，货栈街地铁车站为郑州4号线工程第22座车站，总长约240m，车站标准段宽度为19.7m，站台宽11m，共设4个出入口通道(其中4号出入口预留)、2组风亭。

车站站厅层位于地下一层，与一至四号出入口及1、2号风亭相连接。车站两个端头分别布置设备用房，站厅层非公共区设置车控室、交接班室、通信信号设备室、照明配电室、气瓶间、通风空调机房、AFC、卫生间等房间。中间为车站站厅公共区，公共区分为付费区与非付费区，站厅层付费区设置2组扶梯、一组电梯及一部3.6m宽T型楼梯与站台层连通。

车站站台层位于地下二层，为岛式车站，站台宽度11m，有效站台位于车站中部，两端布置设备用房。站台层非公共区布置污水泵房、照明配电室、站台门设备室、气瓶间、0.4KV开关柜室、35KV开关柜室、控制室、检修储藏室、车站备品库、排热风室及废水池等房间。

车站分为公共区与非公共区两大分区，站台与站厅公共区主要由1号楼梯、1至4号扶梯与公共楼梯相连接，站台与站厅非公共区主要由2、3号楼梯相连接，如图4-5所示。

图4 车站公共区详图

图5 车站非公共区详图

3.1 火灾模拟参数设置

3.1.1 燃烧的反应种类

本文选择较为经典的火灾状况，即站台层公共区起火，来观察车站内燃烧反应的发展，而燃烧反应种类选择与实际较为相近的POLYURETHANE燃烧反应。

3.1.2 火灾影响区域

本次火灾模拟的影响范围，包括了站台与站厅层内部整体空间结构，因此三维立体网格长、宽、高尺寸约为239.2m*18.5m*11.1m。Pyrosim软件定义X、Y、Z轴的网格数量比最好为1： 1： 1，并且网格总数越多，最终模拟效果也会越精确，但网格增加到一定程度时，对计算结果无明显影响[13]。所以设置网格数量时应考虑后合理设置，保证模拟效果。本文结合建筑模型的主要构件尺寸，计算机设备和计算时间的客观条件，分别以网格体积为0.10m3、0.15m3、0.2m3、0.25m3、0.3m3五种网格精度进行粗略模拟，结果表明，网格精度为0.15m3、0.2m3、0.25m3、0.3m3时模拟结果差异不明显，则本次模拟选择0.2m3的网格精度，即X、Y、Z轴网格数为30*400*20个，网格总数为240 000个。

3.1.3 障碍物、通风口与火源位置

车站模型整体依照4个车站出入口为通风条件，在三位网格表面建立4个总通风点，一号出入口宽*高尺寸为4.6*3.2m2， 2号出入口为6.1*3.2m2，还建过街通道人行出入口为5.6*5.1m2，市政过街通道出入口为6*3.2m2。

火源的创建直接影响到火灾场景的设定，而车站站台位于车站的底层，具有人流量大、空间小、密闭性强等特点，更容易发生火灾，造成的危害和影响大，处理难度也高，是地铁火灾应急管理的重点和难点区域，则本次模拟设定的基本火灾场景就设定为车站站台层公共区起火，如图6所示。站内无地铁车辆通过，屏蔽门并未打开，车站公共区与非公共区的连接门、公共区自动扶梯并无故障，公共电梯暂停使用。因地铁列车不宜行驶通过的火灾规模为5MW，依据地铁通过的最不利原则，则本次的火源的热释放速率设定为5MW，单位面积放热速率(Heat Release Rate PerArea， HRRPUA)为1 000kW/m2。

图6 火灾场景设定的火源位置

3.1.4 模拟监测系统

本次模拟的地铁车站项目选取了切片、热电偶、烟雾探测器来构成模拟监测系统。

切片平面(Slices Plane)或切片(Slices)分别设在站台层与站厅层离板1.5m(Z=1.5m、6.75m)(人眼高度)设置横向切面，并在火源中心处(X=2.2m)设置竖向切面，以观测地下两层及整体空间的温度、烟雾浓度与可见度等灾变数据。如图7所示，粉色平面即为切片平面；

热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件，选择测点时需要考虑准确反映火灾中人员疏散安全标准的最佳位置[14]。本文在站厅层的四个出入口与站台层火源处设置5个热电偶探测设备，用来监测灾情发生过程中安全出口与火源温度的变化情形。如图8所示，绿色点即为热电偶位置点。

烟雾探测器是一种应用于消防的报警系统，可在火灾初期，即燃烧温度较低但烟雾浓度异常时进行感知报警。本文将烟雾探测器设置于火源上方天花位置，对火灾整个过程进行记录，用来观察系统感烟报警的实时数据。

图7 切片位置

图8 热电偶位置

3.1.5 火灾模拟初始参数设定

根据上文所设置的模拟参数与郑州地铁车站的室内环境特点，再结合车站火灾实际常见案例与软件自定的基本参数情况结合分析，本次模拟初始基本参数如表3。

表3 地铁火灾模拟初始参数

3.2 火灾模拟分析

基于火灾模拟的Revit地铁车站模型导出DXF类型文件后，导入Pyrosim软件，如图9所示。参数设置完成后，即可开始相应火灾模拟计算，从而进行此次货栈街车站项目火灾模拟的全面分析，为应急管理提供可视、真实的灾变数据，从而以BIM的角度对应急管理的相关工作提出新的管理办法。

图9 地铁车站的Pyrosim 模型

3.2.1 火灾烟气模拟

地铁车站火灾模拟动画进程图，如图10所示。

图10 火灾模拟动画

火源位于站台公共区中3、4号扶梯入口前10m左右的位置，其上方对应站厅层处为车控室与AFC票务室间的走道位置，附近有两处风室孔洞联通地下两层。由图9可知，在火灾发生20s左右时，火源迅速燃烧并放出大量烟气，烟气通过最近处的风室孔洞进入站厅层非公共区，而烟气在站台层开始蔓延至3、4号扶梯处； 在火灾发生50s左右时，站台层中烟气已蔓延至公共区1号楼梯处， 3、4号扶梯上方处已充满烟雾，但左侧1、2号扶梯并未受到烟气影响，站厅层中烟气已从3、4号扶梯出口处蔓延至站厅公共区内，而非公共区与公共区联通口附近烟雾密度越来越大； 在火灾发生91s左右时，站台层烟气已扩散至1、2号扶梯口处，基本覆盖了整个站台公共区，站厅层烟气已从1号楼梯口扩散至公共区付费区域，而2号车站出入口即3、4号扶梯出口南侧已基本被烟气充满； 火灾发生227s左右时，整个站台层已被烟气充满，而站厅层整个公共区即北从还建过街通道人行出入口、南至2号出入口区域均有烟气覆盖； 而火灾发生至360s时烟气已将整个车站空间充满。

3.2.2 火灾设定切面温度模拟

温度切面将分为横向面层与竖向整体两部分展示，其中面层温度切面为站台层与站厅层，坐标为两者距楼板1.5m处(Z=1.5m、Z=6.75m)。图11中的切面颜色由蓝、绿、黄至红发展代表温度由常温20℃逐步上升。(红色代表温度已达到35℃以上)

图11 面层温度切面温度变化图

由图11所示，在火灾发生40s左右时，除火源处温度较高， 3、4号扶梯出口与站厅附近两处风室口也均已呈红色高温状态； 在火灾发生272s左右时，火源附近温度逐步升高， 1号楼梯出口也出现高温现象； 火灾发生至360s时，站厅层公共付费区温度颜色由绿转黄逐步升高； 在火灾发生至444s左右时，站厅层公共付费区已基本成黄色状态，且2号车站出入口出现红色高温迹象； 温度在30～35℃之间； 火灾发生535s左右时，除火源处附近温度较高外，站台层公共区蓝色逐步变浅，有上升趋势。总体来说，在火灾发生的整个过程中，火源附近4m左右温度较高， 3、4号扶梯与1号楼梯也会随事态发展温度逐渐升至高温危险状态，但北侧1、2号扶梯温度并未有较大改变，即站台层人员疏散时1、2号扶梯可一直被使用。而且站厅层公共区较高温度分布主要集中在付费区与两个楼梯出口，除2号出入口外，其他三个车站出入口温度并没有出现危险状态，在人员向地面安全区移动时也要注意此变化。

竖向温度切面主要体现出站厅与站台层空间整体温度的变化规律，坐标设置在火源中心处(X=2.2m)，如图12所示。

图12 整体温度切面温度变化图

如图12所示，火灾发生40s左右时，火源燃烧产生的温度在站台层空间上方逐步传递， 3、4号扶梯附近仍呈黄色状态，火源发生至180s左右时，站台层上方红色危险温度逐步向被蔓延，而直到360s时， 3、4号扶梯至火源处的站台公共区上方空间均已达到红色高温，将对人员的疏散构成威胁。

3.2.3 能见度模拟

本文能见度分布情况借用温度切面动态观察，基础最大能见度为30m，而影响人员疏散的能见度为10m以下。图13中的蓝色为初始能见度(30m)，橘红色为危险能见度(10m以下)。

图13 能见度分布

如图12所示，在火灾发生60s左右时，除火源附近外， 3、4号扶梯与1号楼梯口也出现能见度下降现象； 火灾发生100s时，站厅层1号楼梯出口及3、4号扶梯口附近能见度已降至10m以下，人员疏散已受到影响； 火灾发生240s左右时，站台向上连接口与站厅层公共区较大部分能见度在10m以下； 而在火灾发展至300s左右时，站厅层公共区绝大部分能见度已低于10m以下， 4个车站出入口的疏散能力已不满足其能见度要求。

3.2.4 车站出站口温度模拟

通过对四个车站出入口分别设置了热电偶探测设备，在FDS模拟完成后，热电偶所监测到的出口数据在Smokeview程序中将以图表形式展现出来。通过这些参数可以观察各个出入口在火灾中动态温度变化对疏散能力的影响(主要关注于火灾发生360s内紧急疏散时间段)。

图14 一号出入口热电偶

图15 二号出入口热电偶

图16 市政过街通道出入口热电偶

图17 还建过街通道人行出入口热电偶

图14为一号车站出入口处热电偶所观测到的温度发展规律。可见火灾发生100s左右的时间内，一号口温度并未受到影响， 100s之后开始有所上升，并稳定至22℃左右，一直持续到270s，之后出口温度急剧上升，并一直到360s都没有下降趋势，因此以温度分析视角来说，一号车站出入口的允许疏散时间为270s。

图15为二号车站出入口处热电偶所观测到的温度发展规律。可见0-130s火灾发生时间段，二号出入口温度也没有较大浮动，之后130s-360s期间大体上呈缓慢上升趋势，但并未达到疏散危险温度，只是360s之后出口温度将大幅度上升。因此以温度分析视角来说，二号车站出入口的允许疏散时间为360s。

图16为市政过街通道出入口处热电偶所观测到的温度发展规律。由于该出口为车站模型最北侧出口之一，距站台层火源位置较远，因而出口在火灾发生的360s内，其温度变化极小，稳定在20℃初始环境温度，所以以温度分析视角来说，市政过街通道出入口的允许疏散时间为360s。

图17为还建过街通道人行出入口处热电偶所观测到的温度发展规律。与市政过街通道出入口同理，其位置也处于车站最北侧，因此其温度变化均在1℃以内，基本上没有变化，所以以温度分析视角来说，还建过街通道人行出入口的允许疏散时间为360s。

3.2.5 火源烟雾探测模拟

Pyrosim的烟雾探测器是一个集起火报警与烟雾监测为一体的探测设备，在火灾发生的短时间内发出警告的同时，也能在火灾全程提供区域烟雾的发展情况。因此本次模拟将其安置在火源上部天花板处，提供警示与生成火源点的烟雾信息，分析烟雾浓度变化规律，图18即为火源所生成的烟雾浓度图。

图18 火源烟雾探测

通过图18可知，烟雾探测器在火灾发生的极短时间内对烟雾浓度变化产生反应并发出火灾警报。其曲线也显示在火灾发生的0s-50s内，火源产生大量烟雾，其附近烟雾浓度一直为100%，而之后由于烟雾的扩散等原因， 50s-200s内烟雾浓度会有所下降(基本在80%左右)，而200s-360s内，烟雾浓度将逐渐发展稳定至90%左右。则可分析出离火源处较近的3、4号扶梯口烟雾浓度也大致遵循这样的发展规律，那么在火灾发生的50s-200s这一时间段是人员通过3、4号扶梯逃生的最佳时间，之前或者之后的时间都会受到火源所产生烟雾的较大影响。

3.2.6 火灾燃烧模拟

热释放速率(Heat Release Rate，HRR)是指在既定燃烧参数的情况下，单位时间内材料燃烧产生的热量，单位为焦耳/秒。Pyrosim在模拟过程中会同步计算HRR值，并生成HRR发展图，即图19。由此可知，本次地铁车站火灾模拟HRR一直持续为2 400kW/s。

图19 HRR

3.3 火灾模拟结论

通过以上分析，考虑到多种火灾因素对疏散的影响，可针对性地归纳出此次模拟火灾中货栈街地铁车站各关键节点处允许疏散的最大时间，为本次模拟做出参数化结论，并对下步人员疏散仿真模拟相关参数的设置提供有效依据,如表4所示。

表4 火灾模型车站关键节点允许疏散的最大时间

4 结语

本文将BIM技术运用到火灾模拟中，把BIM丰富的建筑信息数据传递给专业的应急管理软件进行模拟，通过对典型的火灾工况的不同方面的模拟，得到了该工况下关键节点位置的最大疏散时间，为应急管理提供了依据，更好地指导原本难预测、难控调的应急管理。验证了BIM与Pyrosim相集成的可行性，也提高了火灾模拟的效率。同时使BIM的全过程服务向火灾模拟迈了一步，也使火灾应急管理的数据来源不再孤立，融入到建筑信息数据流通的链条。