基于BIM的某高校图书馆火灾应急管理研究

陈永鸿，武 蕾，杨宇范，甘文杰

(昆明理工大学 建筑工程学院，昆明 650504)

应急管理是对突发事件管理的预期和执行管理方案[1]。通过有效的应急管理可以在火灾发生前降低风险发生的概率，使火灾发生后损失降到最低。火灾在不同建筑空间内的发展情况不同，所以对于不同建筑物的火灾应急管理必须有针对性地分析火灾的蔓延情况和人员的疏散情况，实现有效的“人群管理”，制定符合人群规律的应急管理方法[2]。

通过现场实验或者比例模型分析火灾的蔓延情况和人员疏散情况势必会耗费大量的人力物力，且不能把所有状况都包括在内。在计算机快速发展的推动下学者们对火灾的研究方向逐渐从理论模型发展到计算机仿真模拟，为火灾研究提供了新手段。最开始是以Tong、Canter等[3]为代表提出的利用计算模拟研究火灾中人员疏散的问题；Hadjisophocleous等[4]率先利用数值模拟(FDS)计算了一座10层高建筑的烟气情况，通过仿真模拟结果与实际的实验数据对比，证明了计算机仿真模拟的准确性。之后有不少学者应用计算机模拟研究火灾疏散，例如赵锐等利用Pathfinder疏散仿真软件研究某化工企业的人员应急疏散问题[5]；田鑫等利用“FDS+pathfinder”研究地铁车站火灾安全性[6]；王伟等[7]、Li等[8]、邹馨捷等[9]通过某图书馆火灾数值模拟分析图书馆设计是否满足人员疏散需求，为应急管理提出建议。尽管计算机仿真模拟已经相对成熟，但在建模过程中依旧存在耗时长且模型精度不够的问题。

然而，BIM(building information model)以其独特的信息储存、交互、共享的功能应用优势为火灾应急的突破创造了一个转折点，使得火灾模拟更精准有据。例如，利用BIM与监测数据关联提高了地铁火灾检测信息集成和管理水平[10]；利用“BIM+GIS”平台二次开发实现疏散模拟[11]；利用“BIM+元胞自动机模型”实现火灾疏散路径优化[12]；也有利用“BIM+FDS+ Pathfinder”针对不同建筑研究火灾的安全性。但这些研究倾向于研究地下建筑、地铁车站、高层公寓、办公楼、大型单层或双层建筑。

高校图书馆属于易发生火灾建筑，但目前利用“BIM+”研究图书馆建筑火灾应急管理还较为欠缺。研究旨在将“BIM+FDS+ Pathfinder”方法应用在图书馆建筑中，为图书馆的防烟、防火、逃生提供科学的指导。

1 研究方法

研究某图书馆火灾应急管理主要借助Revit建立图书馆BIM模型，基于BIM模型利用Pyrosim软件实现火灾数值模拟和Pathfinder软件模拟人员疏散，分析火灾发生情况下烟气、温度、能见度对人员安全性的影响。该研究技术路线如图1所示。

图1 技术路线

1.1 人员安全疏散判断标准

着火建筑内人员是否能安全疏散，主要取决于火灾的可用疏散时间(available safe egress time，ASET)和安全疏散的必需时间(require safe egress time，RSET)的相对大小，如果在火灾达到危险时间内人员能够疏散到安全区域，则认为整个火灾疏散过程是安全的，即RSET

REST=talarm+tresp+tmove

(1)

根据《火灾产品现场试验与判定规则》(GA588—2005)规定，结合实际情况将图书馆火灾报警时间设置为60 s，即talarm=60 s。当火灾警报响起时，馆内人员需要一定的响应时间。考虑到图书馆会定期开展消防演习，提高学生的应急管理能力。同时，馆内流动人员多为学校师生、工作人员等，对馆内环境有一定了解。基于上述情况，将人员响应时间设定为40 s，即tresp=40 s[14-15]。通过后续仿真模拟可以得到火灾人员疏散时间tmove。

1.2 火灾模拟模型

火灾模拟程序都是基于某种灾变模型算法实现火灾场景模拟，不同程序算法支持的软件适合不同的火灾场景，近年来更多学者倾向结合BIM技术研究火灾模拟，基于BIM技术进行火灾模拟最终呈现的效果关键在于模拟模型的选择。当前常用的火灾模拟模型对比见表1。

表1 火灾模拟模型对比

1.3 Pathfinder疏散模型

常用的疏散模型对比见表2。

表2 疏散模型对比

实现疏散模拟的模型都在一定程度上考虑了人员的心理因素、疏散环境。其中元胞自动机和社会力模型更适用于交通工具的疏散模拟。Agent-based模型中人员智能化程度更高，疏散时人员可以轻松避开障碍物以及回应环境刺激，可以设置的人员特征丰富，疏散更符合实际情况。

综上所述研究选用Pathfinder疏散软件模拟火灾中人员疏散。Pathfinder采用A-star算法给定地图，设置障碍点，可以从开始地点寻找最短路径到目的地。Pathfinder分为Steering和SFPE两种疏散模式，SFPE模式中人员自动找到出口且人员之间相互独立；Steering模式中人为指导和碰撞相结合，最近路线超过人流最大值则另生新路径。软件提供可视化界面，通过格式的转换与BIM建模软件结合使用，计算较为准确，能满足大型图书馆的评估分析。

2 图书馆BIM建模

2.1 项目概况

该高校图书馆位于云南省昆明市，建筑总高度为23.9 m，总建筑面积20 690.45 m2，共6层，属二类多层建筑。工程设计使用期限为50年，结构类型为框架结构，耐火等级为二级。2012年投入使用，现有阅览座位1 300个，目前馆藏文献近215万册，其中纸质文献近86.3万册，电子文件近128.7万册。

2.2 Revit建模

常用的BIM建模软件有Revit、Bentley系列软件、Tekla等，其中Revit应用相对成熟且是最适合民用建筑建模的软件。Revit功能齐全，不仅可以通过构建族的形式或者利用API二次开发插件实现建筑图元各种形状的建模以及参数化设计来满足各专业的建模需求，还可以精确定义建筑物的材质属性，对火灾模拟提供了基本的数据来源，很大程度上缩短了建立火灾模型和疏散模型的时间。

本项目已有经过审核的CAD电子版图纸，CAD和Revit两款软件输出的图纸能够相互兼容传输，为建筑模型创建提供了便利。所建图书馆BIM模型如图2、图3所示。

图2 图书馆建筑BIM模型

图3 图书馆结构BIM模型

3 火灾模拟

3.1 火灾场景及参数设置

图书馆内有大量的纸质书籍、木制书架、木制桌椅、电路超负荷等易燃物，耐火等级较低，很多行为均可导致火灾的发生。例如馆员或者读者自觉性不高，在馆内抽烟，烟灰落在书上或者烟头带有火星，致使引发火灾；馆内电路故障、明火作业，保护措施不当，容易溅起火花引起火灾。

3.1.1 参数设置

图书馆-1F有中庭，其余各层布局类似，均是左右两侧布置书架和座位，建筑内4个方位设置有楼梯，墙壁的材质为石膏板，地面材质为瓷砖，参考《建筑防烟排烟系统技术有效标准》(GB 51251—2017)火灾设置考虑最不利情况，假设图书馆不设置喷淋系统和排烟系统，将火灾规模设置为8 MW。为更贴近实际情况现将火源类型设置为不断向四周扩散的扩散火源。已有文献实验表明火灾模拟网格数越多，最终火灾模拟精度越大，但是当网格数增加到一定程度时，对输出的计算结果并无明显影响，当网格精度为0.3 m×0.3 m×0.3 m、0.2 m×0.2 m×0.2 m、0.15 m×0.15 m×0.15 m时对模拟的结果并无明显差异[5]，但网格越多模拟运算的时间越长，对计算机的配置要求也越高，考虑到现有设备的运行速度本研究网格设置精度为0.4 m×0.4 m×0.4 m。结合图书馆火灾案例、规范设置的火灾模拟参数见表3。

表3 参数设置

3.1.2 场景设置

本次研究设置两个火灾场景，场景1将火源设置在-1F左侧藏书室，场景2将火源设置在3F靠近左前侧楼梯口的学生座位处，两种场景下均在火源中心处设置竖向切面观察整体空间的烟气浓度、可见度等灾变数据。在各层楼梯口2 m处设置检测点，检测温度和CO浓度。考虑最不利条件，假设所有火灾场景均发生在防火门失效的情况下。

3.2 火灾数值模拟分析

该图书馆项目建筑面积较大，内部4个方位都设置楼梯均可用作疏散通道，火灾蔓延的情况主要由着火点的位置决定，主要从距离着火点最近的一侧楼梯向上蔓延，其余方位的楼梯受火灾的影响相对较小。模拟时监测的影响人员疏散的因素为能见度、温度、CO浓度，将得到的数据通过整理汇总，使用origin绘制出温度、CO浓度随时间的变化曲线图。

3.2.1 烟气能见度分析

建筑物内发生火灾后，能见度是人员安全疏散的重要因素。根据《建筑防火工程》规定，对建筑物不熟悉的人群能见度应达到13 m，对建筑熟悉的人群能见度也要到达5 m。由于图书馆空间较大，人员对建筑物较为熟悉，所以将能见度10 m作为危险临界值。图4为场景1能见度分布群图，图5为场景2能见度分布群图。

图4 场景1能见度分布群图

着火建筑物内能明显观察到烟气沿着楼梯间迅速竖直向上蔓延。如图4所示，由于建筑面积过大且着火点发生在-1F较为密闭的藏书室，火灾模拟630 s，整个建筑只有-1F左侧和1F左侧能见度小于10 m，当火灾发生420 s的时候1F左侧两楼梯口处能见度低于10 m，且随着时间的延长能见度越来越低。如图5所示，着火点发生在3F靠近楼梯口的学生座位处，烟气会迅速向上蔓延，当火灾发生116 s时5F出口处的能见度低于10 m，211 s时4F能见度低于10 m，463 s时3F楼梯口处能见度低于10 m，火灾模拟630 s时烟气集中在3F、4F、5F较低楼层能见度没有受到影响。

图5 场景2能见度分布群图

3.2.2 监测点温度分析

火灾产生的70%热量都会通过热对流的方法进入到烟气层，形成高温烟气。人体对高温烟气的忍耐程度也是有限的，高温烟气会灼伤人体表皮或者呼吸道等身体部位。查找相关文献得知人体可以在较短时间内忍受的温度为60 ℃[25]。将烟气层温度60 ℃作为危险临界值。图6为场景1各楼梯口处温度随时间的变化曲线，图7为场景2各楼梯口处温度随时间的变化曲线。

图6 场景1监测点温度变化

图7 场景2监测点温度变化

通过图6可以看出场景1在火灾模拟800 s内各监测点温度都有所浮动，除火灾发生楼层和相邻的上一层外，楼层越高温度受火灾的影响越大，但是还没有达到危害人体健康的程度。由图7可以看出场景2在580 s之后5F和4F左前侧额楼梯口处温度都达到了60 ℃以上，疏散人员将会有危险。

3.2.3 CO浓度分析

火灾发生过程中会产生各种有害气体，其中CO浓度对人体的危害最为显著，空气中CO的浓度超过一定值就会使人昏迷，长时间暴露在高浓度CO的空气中甚至会导致人中毒死亡。当浓度超过4×10-4mol/mol时人体会出现呼吸困难的症状，将CO浓度为4×10-4mol/mol设置为危险临界值[26]。

通过图8、图9可以看出,CO浓度变化大致和温度变化一致，低层发生火灾，烟气向上流动在最顶层聚集，之后又向下层蔓延，导致楼层越高CO浓度变化越明显。场景1在设置的模拟时间630 s内各监测点CO浓度最高值都没有达到危害人体健康的程度；场景2在火灾发生580 s时CO浓度超过4×10-4mol/mol，疏散人员将会有危险。

图8 场景1监测点CO浓度变化

图9 场景2监测点CO浓度变化

4 火灾疏散模拟

4.1 基于BIM和Pathfinder的安全疏散模型建立

以往Pathfinder软件利用与CAD完全兼容的特点直接建立疏散模型，BIM模型使得大量的图纸、文字以更加形象立体的方式呈现，火灾软件可以识别BIM模型节省火灾模型中建筑模型建立的时间。但是BIM模型和Pathfinder软件模型不能完全兼容，BIM模型需要通过保存为DXF，再将导出的PDX格式文件导入Pathfinder软件中，形成初步的模型。

为了实现疏散模拟时的可见性，需要应用拾取功能提取BIM模型中的房间，删除BIM模型中的墙柱等架构，只保留平面布局，根据图纸或者BIM模型绘制适应Pathfinder模型的门、楼梯，布置人员，形成应急疏散模型，如图10、图11所示。

图10 图书馆疏散模型

图11 各层疏散模型

4.2 疏散参数设置

图书馆一共5层，-1F面积为3 585 m2，1F面积为3 585 m2，2F至5F各层建筑面积均为3 380 m2。参考《建筑防火设计规范》(GB 50016—2018)中商业营业厅内的人员密度分布，结合现有阅览座位1 300个的实际情况设置该高校图书馆各层的疏散人-1F人数为251人，1F人数为431人，2F人数为406人，3F人数为338人，4F、5F人数分别为169人，共设置1 764人。

Pathfinder软件中需要确定人流的速度和人员所占面积，考虑图书馆内人员基本上是青年学生，成年男人的平均速度为1.8 m/s，身体宽度为46.48 cm；成年女性的平均速度为1.5 m/s，身体宽度为43.91 cm[27]。

火灾实际发生时由于心理因素，人员拥挤等情况会阻碍人员疏散，影响人员疏散时的速度，假设人员的平均速度为1.5 m/s。

4.3 疏散时间分析

在未设置起火点的情况下，对图书馆的疏散模拟，图书馆人数设置为1 764人，假设火灾发生时电梯不可使用的情况下，从上述对火灾疏散必需时间的公式，结合通过模拟得到的火灾疏散时间，可得该高校图书馆安全疏散1 764人疏散必需时间为441 s，第160 s时5F人员疏散完毕，第330 s时4F人员疏散完毕，第368 s时3F人员疏散完毕，第400 s时2F疏散完毕，第441 s时1F疏散完毕，第371 s时-1F疏散完毕。图书馆内疏散时间与剩余人数分布如图12所示。由图12可以看出总的疏散人数随着时间的推移逐渐增加，疏散前期的疏散速率比疏散后期的疏散速率快，表明了整个疏散过程符合疏散时“快即是慢”原则。

图12 图书馆剩余人员

通过上述对火灾模拟危险时间和安全疏散必需时间分析可以看出，正常情况下拥堵发生在楼梯间，所以将监测点设置在楼梯口处。两个场景下影响人员疏散的主要因素是能见度，场景1着火点设置在-1F时，当火灾发生420 s的时候1层左侧两楼梯口处能见度低于10 m，所以420 s以后人员不能经过1F楼梯出口到达建筑物出口，100 s之后-1F人员必须疏散完成，所以上层人员不能通过-1F出口逃生。场景2着火点设置在靠近楼梯的学生座位处时，烟气迅速上升，受能见度的影响5F和4F的人员疏散不能在火灾达到危险时间前顺利疏散。在火灾发生116 s后5F还未撤离的人员不要盲目采取逃生措施；211 s后4F及以上楼层内还未撤离的人员不要盲目采取逃生措施。

5 结论及建议

5.1 结论

1)图书馆建筑面积大，设置的楼梯较多，但是火源的热释放速率大，火灾蔓延速度快。随着着火时间的增加，烟气传播的速度越来越快，短时间内主要是能见度影响人员疏散。

2)场景1火源设置在离楼梯口较远的藏书室，场景2火源设置在离楼梯口较近的学生座位处，场景2火灾发生时楼梯间的烟气浓度更大，蔓延的更迅速，且人员在楼梯口处会发生拥堵造，给人员疏散带来困难。

3)场景1和场景2均显示火灾发生时产生的烟气因为浮力作用主要沿靠近着火点一侧垂直方向迅速上升，当烟气上升到顶层时，烟气沿着水平方向蔓延，但是水平蔓延的速度较慢。

5.2 火灾应急管理建议

通过对某高校图书馆的火灾应急研究分析为类似建筑提出火灾应急管理建议：

1)着火点位于越低的楼层，烟气快速的垂直上升以及较慢速的水平方向传播影响较高楼层，越高楼层的人员越难以成功疏散。基于此，在火灾应急管理中对图书馆的设计来说图书馆较低楼层要着重注意灭火设备的安装，较高楼层尤其是顶层应该设置少量座位且注重排烟设备的安装。

2)火灾发生时只会影响建筑着火一侧的人员疏散，高楼层的人员从火灾发生的一侧疏散容易发生危险，但是图书馆安全疏散的通道较多。因此，在火灾应急管理应注意完善路线指示灯、应急照明、应急路线图等标识设施以及消防报警系统，馆内管理人员还应该及时通告火灾发生的具体位置，有利于人员选择最合适的路线。

3)火灾发生时电梯不作为疏散通道，人员只能依靠楼梯疏散，楼梯间成了火灾逃生的“生命通道”，因此，应该在楼梯间安装防火卷帘，增设一些小型的消防设备，如排烟器。

4)由于无法改变现有建筑的结构，也无法在火灾发生时增加疏散通道，如果在某建筑物的消防管理中考虑到人员疏散的危险时间和疏散必需时间，则可以设计出更有效的火灾应急预案。