基于BIM技术的高层建筑应急疏散仿真研究

涂人方

(华中科技大学，湖北 武汉 430074)

随着我国科学技术的不断发展，人口的急剧增加，我国的各类建筑正朝着大型化、多功能化、现代化的方向发展。但是在合理利用空间、构建立体网络的同时，现代化建筑楼层高、占地面积大、结构复杂、人员集中等特点也使得人员在地震中疏散困难，为此带来的安全隐患值得人们高度重视。

在研究高层建筑的应急疏散时，可以先建立BIM模型重现建筑内部构造[1]。之后，通过建立最短路径规划模型，得到最短疏散线路。但是，以往的研究成果，在仿真模拟的过程中忽略了在疏散过程中应急疏散指示牌等寻路标志对人员择路的影响[2,3]。如果能够在模拟疏散过程中，获取疏散人员的眼部采集数据，识别各种路标和路况，有利于掌握人员在寻路过程中的寻路选择趋向，使仿真模拟更加的真实有效。

因此，本文以梧桐邑五期7#楼为例，通过建立BIM模型研究该建筑的主要结构。构建最短路径规划模型，得到梧桐邑五期7#楼最短疏散路径；开展眼动实验，通过采集人员的眼动数据，研究人们在应急疏散过程中的寻路习惯，将其数据化，分析人们在寻路过程中的心理行为以及不同人群的寻路选择趋向，为安全标志的安装放置提供理论依据，增加空间建筑的安全性。最后利用pathfinder疏散仿真模型验证实验的有效性。

1 疏散空间的最短路径规划

1.1 抽象要素的说明(见表1)

表1 抽象要素的说明

1.2 模型的引入

在楼栋的路线规划问题中可以用0—1规划的方法对模型进行求解。下面给出其求解原理：

首先假设一个虚拟的起始节点1，沿着箭线的方向可以到达终点节点n。对任意变量Xij,i,j=1,2,…,n，如果经过箭线i-j，则Xij取值为1，如果没有经过节点Xij则取值为0[4]。即：

Xij=1或0

以节点i为平衡节点，当有箭线进入节点i时+1，反之则-1，但是始终应该保持节点的总和为0即：

x1,i+x2,i+…+xi-1,i-xi,i+1-xi,i+2-…-xi,n=0

对于起点节点1，由于没有进入的节点，则有：

-x1,2-x1,3-…-x1,e=1

其中e表示与1节点相连的最后一个节点。

同理，对于终点节点n，由于没有出去的节点，所以终点节点的公式如下：

xo,n+xp,n+…+xq,n=1

其中o,p,q分别表示与终点节点直接相连的节点。

以最短疏散路径为目标函数，建立目标函数如下：

minW=l12x12+l13x13+…+lmnxmn

其中l12、l13、lmn分别表示从1节点到2节点、1节点到3节点、m节点到n节点的路径长度。

综上所述，可以得到关于最短路径的0-1规划模型如下：

min=l12x12+l13x13+…+lmnxmn

1.3 案例分析

梧桐邑五期7#楼是位于宜昌的一栋高层居民楼，将梧桐邑的每一个门作为一个疏散节点对一层进行分析如图1所示。

图1 一层节点图

将上图抽象成网络图如以1节点为起始节点可以得出其简化的网络节点图。

所以根据引入的模型，1节点的0-1规划模型如下：

minW=12x1,2+70x2,9+44x9,35+11x35,36+

68x35,37+89x35,38+99x35,39

可以得出1节点的最短疏散路径为：1→2→9→35→37。同理，最后可以得出每个节点到安全出口的最佳疏散路径。

2 虚拟场景寻路实验

2.1 为眼动实验创建漫游环境

以梧桐邑五期7#楼为例，本文针对该高层建筑结构布局来为眼动实验创建漫游环境。并且根据0—1规划得出的最短疏散路径在BIM模型中安装应急疏散指示牌，将模型导入Lumion软件进行实时渲染并且通过Tobii软件采集人眼在渲染模型寻路中的眼动数据。

2.2 眼动追踪实验分析

在寻路过程中，眼睛在空间环境因素的刺激下会产生生理反应，经眼部神经系统传输到大脑，再经大脑的处理形成相应心理感受并通过神经系统反馈给眼睛[5]。眼动仪可精确测量相关眼动数据，并记录多项眼动寻路数据。通过对这些指标的综合分析能得出人们在疏散过程中的寻路习惯，从而为疏散仿真提供参数[6]。在Tobii中对采集到的眼动数据进行分析得出人在寻路过程中的视觉热点图如图2所示。

图2 大厅视觉热点图

由图2可知在人进行寻路的时候大多数时间会被应急疏散标志所影响，根据安全标志的指示方向择路，当面对多种安全出口选择的时候首先看的标志会产生一种先入为主的作用从而影响人的判断。大多数人在应急疏散中会选择从最中间的门出去。

由2.4节案例分析可知，这并非最短疏散路径，为了纠正人群疏散的择路倾向，在36、37号侧门两端加上应急疏散指示牌作为着重强调标志，再次采集到行人眼动数据，分析得出人在寻路过程中的视觉热点图如图3所示。

图3 纠正后的大厅视觉热点图

由此可知，在通过应急疏散标志对行人择路倾向进行纠正之后，行人更加倾向于从目标的最短疏散路径撤离。

3 应急疏散仿真

在确定人员疏散择路倾向之后，可以通过使用Pathfinder软件对实际的疏散现场进行仿真，对人员疏散效率进行评估。

3.1 依据寻路习惯应急疏散模拟

根据眼动实验得出的人员疏散寻路习惯，为每一个疏散人员设置疏散行为，优先考虑从大厅的正门出去，在拥堵状态下重新计算最短路径。

在Pathfinder中进行人员疏散的模拟实验可以看见一层到第六层的详细疏散时间如表2所示。

表2 疏散时间表

经过运行疏散结果可以知道全部人群疏散完毕所用的时间为126秒。

3.2 依照最短路径应急疏散模拟

当针对人员的寻路习惯进行纠正，使疏散人员对大厅两侧门的使用频率上升，疏散的路径变短，有利于人员更快的疏散。用Pathfinder对人员的疏散状况进行仿真模拟可以得出从一层到第六层的详细疏散时间如表3所示。

表3 纠正后的疏散时间

经过运行疏散结果可以知道全部人群疏散完毕所用的时间为120s，较之之前的疏散模拟，当正确纠正人员的疏散习惯后整体疏散时间有所提升。

可以看出当疏散人群在面临多出口选择的时候，应当给予疏散人群适当的引导，比如进行语音播报、安排疏导人员、改变安全指示标志的摆放位置，将有利于疏散的安全出口标志牌放在更加显眼的位置等这样会加快人员疏散，缩短疏散时间。

4 结 语

(1)本文将0—1关键线路规划模型应用到应急疏散最短路径规划中，并且该方法适用于pathfinder仿真模拟。

(2)为了能够提高疏散效率，可以在疏散人群在面临多出口选择的时候，应当给予疏散人群适当的引导，加快人员疏散，缩短疏散时间。