基于BIM+AHP的地铁火灾疏散与救援联动机制

王炳华

(南宁轨道交通集团有限责任公司,南宁 530029)

引言

地铁是城市的生命线，作为现代化程度的重要标志，对促进城市繁荣、实现经济和社会发展有着深远影响[1]，但由于地铁结构复杂、出入口少、疏散路线长、电气设备种类多、人员密集等因素，地铁火灾隐患大，一旦发生火灾，后果不堪设想[2]。地铁火灾事故有垂直高度深、逃生途径少、营救路线单一、扑救难度大等特点[3]。因此，加强地铁消防管理、模拟消防演练、消防方案研究等一系列地铁火灾疏散救援措施成为各监管部门关注重点[4]。

本文以南宁朝阳广场站为例，进行了基于BIM+AHP的地铁火灾疏散与救援联动机制研究。

1 地铁火灾疏散救援总体布置

朝阳广场站为广西南宁轨道交通1号线一期工程地铁站，按沿朝阳路布置。该站全长321.7m，地铁站层数为四层，设有双岛叠式站台。该站设有三个防火分区，分别为划站厅、站台层和设备区； 119控制中心与综控室设在站厅层设备区。

针对地铁垂直落差大、结构复杂、人员密度大等不利因素，结合AHP方法和BIM平台的优势，建立消防总队与南宁地铁消防应急救援联动机制，科学实施应急方案。

BIM平台优势在于平台高度集成了建筑模型信息，并基于所拥有的信息进行智能化的云决策和线上协同管理。而AHP方法的特点在于其层次性的分析逻辑，可对地铁庞大的信息进行分类处理，能有效地评估各方案的重要性。因此BIM平台可为AHP方法提供完整的地铁信息数据和指标，AHP方法可以为BIM平台的消防应急方案进行科学性评估。基于BIM平台和AHP方法，地铁消防应急救援联动机制如图1所示。

图1 地铁火灾疏散与救援联动机制图

消防应急救援联动机制分三个阶段：

(1)侦查阶段

综控室传输现场信息等到BIM平台[5]，再由平台归总分类传给119指挥中心。119指挥中心了解应急广播、消防排烟、消防送风等消防设备开启状态，掌握各区域受困人员数量及其所在位置，制定消防联动应急方案，根据评估系统做出有序性方案评估，采取相应的救援疏散措施。

(2)疏散阶段

BIM平台将现场火情及设备状态信息进行实时共享，119指挥中心指导综控室开启火灾模式，打开车站检票口和安全出口，通过应急广播发出火灾警报，按评估后的疏散方案确定人员撤离路线，科学调动救援力量到火灾现场，派出救援队伍在对应的区域组织引导乘客快速撤离，疏散途中加强安抚乘客、保证有序撤离。

(3)攻坚搜救

按照决策后的应急救援方案，集中搜救人员组成几人一组的攻坚队，以梯队形式或纵横形式展开。发生火灾后，需搜救的地铁受困人员分为三种：行动自如但因恐慌迷失方向的人员； 行动不便但距离搜救队伍近的人员； 完全昏迷且所处位置难以确定的人员。根据攻坚搜救方案，结合综控室传来的信息，对不同类型受困人员进行针对性搜索。

2 基于BIM平台的地铁火灾应急管理系统

通过消防应急辅助平台(即BIM平台)，对朝阳广场站设备、环境、结构等信息进行汇总和逻辑处理，实时监控地铁车站的预警报警信息和调用视频监控信息到消防应急中心，远程辅助指导火灾侦查、紧急疏散、搜救支援等功能，形成地铁消防可视化管理[6]，提高地铁消防应急管理的智能化和信息化水平。

图2 BIM平台项目驾驶舱

2.1 GIS地图模块

GIS地图模块是城市大脑地图中心，将广西省南宁市地铁站地理位置信息与环境信息进行交互式联动，为地铁站的消防管理提供了信息支持。在火灾发生时，GIS地图展示了每个站点的详细位置和环境，包括按照等级重点标明的控制点和报警点，平台前端可查看车站BIM模型及周边道路、设施的环境信息。这些为消防应急方案制定提供了充足的信息，包括AHP评估法所需的环境设施信息和调度时程，实现消防在平台上的初步联动交互[7]。

2.2 可视化管理模块

在GIS地图上点击单个站点，进入到单体站点BIM模型中，平台核心为BIM模型，GIS地图绑定了地铁模型，将所有的相关信息都附加在对应的模型构件中，实现了地铁全信息一览，可为消防应急方案提供车站状态具体信息，包括地铁结构、地铁列车、电气设备、消防系统等，并对防火设施设备进行特殊标注，促进了火灾消防的可视化管理。

图3 可视化管理

2.3 监测预警模块

平台中BIM模型与地铁站内监测预警系统对接，在BIM模型中对重点监测点进行着重标注，一旦发生预警事件，平台可自动推送预警信息到相关人员，可迅速定位着火点，应急指挥中心通过BIM模型可查看距离着火点最近的视频监控，用于辅助火情侦查，人员疏散及进场扑救，并能及时了解周边环境，为紧急疏散和抢救做好准备。

2.4 消防资产维保

辅助地铁运维人员结合BIM模型对车站消防资产进行可视化维护保养，形成可追溯的维保数据。

2.5 应急联动流程

平台判断地铁火灾种类，按类别设置不同的应急流程，将应急流程上传平台，基于流程指挥中心做出应急方案，联动评估系统进行方案的有序性评估，便于救援疏散工作的科学性实施。

3 基于AHP的地铁火灾应急方案评估系统

地铁火灾发生时疏散和救援必须综合考虑各方面因素，因此需要进行系统化手段对火灾状况进行评估，对应出台的应急方案也应具有层次性、系统性[8]。

根据BIM平台传来的火灾下地铁状态信息、受困人员信息以及应急中心现存救灾资源，本文采用层次分析法分析并提取模拟火灾下的应急指标，构建地铁火灾应急方案评估结构模型，以评估地铁火灾应急方案的有序性，形成基于AHP的地铁火灾应急方案评估系统。评估流程如图4。

图4 地铁火灾应急方案评估流程

3.1 地铁火灾应急方案评估结构模型

根据火灾下地铁内外因素和BIM平台传来的信息，借鉴层次分析法，确立三项一级应急指标：B1调度资源因素、B2地铁状态因素、B3被救人员因素。各项一级应急指标根据其不同的性质，分为二级应急指标，其中，一级应急指标B1的3项二级应急指标为：C1救援设备、C2救援力量、C3调度时程； B2的6项二级应急指标为：C4地铁结构、C5地铁列车、C6电气设备、C7消防系统、C8环境设施、C9预警系统； B3的5项二级应急指标为：C10行动自如人员、C11行动不便人员、C12完全昏迷人员。地铁火灾应急方案评估结构如图5。

3.2 地铁火灾应急方案评估判断矩阵

判断矩阵的实际意义是指与某一级指标层某项评估指标关联的下级评估指标(即同类指标)间的相对重要程度。设某一同类指标判断矩阵为A=(aij)n×n，n为该类指标项数，且判断矩阵为正互反矩阵。按照尺度法[9]，判断矩阵元素aij的数值定义如表1。

aji=1/aii

根据模拟火灾下地铁状况，请相关专家对各级指标重要性评分，按表1的数值定义确定数值，得出4个判断矩阵：一级指标层中3项指标构成的1个判断矩阵A0和二级指标层C中12项指标构成的3个判断矩阵B1、B2、B3，如表2、表3。

3.3 同类指标权重确定及评估系统形成

(1)同类指标权重确定

1)求解地铁火灾应急方案评估判断矩阵A的最大特征值λmax

2)求出对应的特征向量ω，其中，Aω=λmaxω。

3)将ω标准化，即为同类指标中各项评估指标的权重。

(2)一致性检验

当某层指标较多时，判断矩阵的一致性很难保证，因此需要剔除无数学意义的方案评估判断矩阵，进行一致性检验[10]。

图5 地铁车站火灾应急方案评估结构模型

表1 指标相对重要性与判断矩阵值

表2 一级指标判断矩阵值

表3 二级指标判断矩阵值

表4 随机性参数表

1)计算一致性检验参数CI

CI=(λmax-n)/(n-1)

2)选取随机性参数RI，如表4。

3)计算一次性参数比例CR

CR=CI/RI

若CR<0.1，则矩阵A满足一致性。否则，需对A进行修改。

(3)评估系统初步形成

按以上步骤，算出朝阳广场地铁站火灾应急方案评估一级指标层和二级指标层的各项指标权重，并进行一致性检验，初步评估结果见表5。由表5可知，4个判断矩阵均有一致性参数比例CR<0.1，符合一致性要求，火灾应急方案评估系统初步形成。

表5 模拟火灾的初步计算

3.4 火灾应急方案总排序

表6 方案层总排序

表7 消防应急排烟方案总排序

由此可确定火灾下方各应急方案的排序，以此来做出应急方案的决策。以朝阳广场地铁站的模拟消防应急排烟方案为应用案例，编排各方案，方案如下：

方案P1(站厅层应急排烟方案)：起火点在站厅层时，站厅风机排烟，站台风机送风，结合起火部位在站厅层放下防火卷帘和挡烟垂壁，将烟气限制在一定区域，阻止烟气向站台层及其他防烟区流窜。如烟气较大，可利用移动排烟装备在疏散及进攻楼梯口进行送风，另一侧出口设置排烟机进行排烟。

方案P2(站台层应急排烟方案)：站台层开启机械排烟，同时站厅层进行机械送风，在站台与站厅连接处形成向下气流，将火灾烟气控制在起火站台层内。视情在站台与站厅的连接的通道处设置移动排烟进行送风。

方案P3(隧道内应急排烟方案)：火灾发生在列车头部时，从列车尾部疏散乘客，隧道内排烟系统启动，疏散方向进行机械送风，站台另一侧风机进行机械排烟； 火灾在尾部时，从列车头部疏散乘客，疏散方向进行机械送风，另一侧进行机械排烟； 火灾发生在中部时，先疏散靠近出口的乘客，若列车位置靠近站台1，则组织乘客向站台1疏散，站台1进行机械送风，另一侧站台2进行机械排风，组织其余乘客向站台1疏散。

根据应急方案评估体系，代入方案P1、P2、P3相关指标，得出评估排序结果。由表7可知，排烟方案优先级为P3>P2>P1。

4 结论

本文以南宁朝阳广场地铁站为例，通过利用BIM技术和AHP方法，对地铁火灾疏散与救援联动机制进行了整合，研究得出：

(1)消防应急救援联动机制按三个阶段部署，实现了侦查阶段受灾情况的查明和信息传递、疏散阶段受灾人员的疏导撤离、搜救阶段受困人员的紧急补救。

(2)消防应急辅助平台(即BIM平台)可实现地铁可视化，实时监控地铁火灾状态，并与消防应急中心、应急方案评估系统联动，具备远程辅助指导火情侦查、消防疏散、火灾逃生等功能，提高消防管理的信息化水平。

(3)联动BIM平台，通过AHP算法对地铁火灾应急方案进行系统性评估，进行层次化方案排序，有利于促进消防救援行动的科学决策和高效施策，完善地铁火灾疏散与救援联动机制。

(4)由于本方法是基于消防总队与南宁地铁综控室的联动而研究的，与该情况不同的地铁站应用本方法得出的结论不相同，从而可能产生一定的偏差，具有局限性。