肖凌楓，張 寧，王慶智

（北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

隨著2021年第七次人口普查結(jié)果的結(jié)束，新一輪的老齡化問題再次成為社會(huì)各界探討的話題。此次普查結(jié)果顯示：60歲及以上人口為26 402萬人，占18.70%，與2010年相比，上升了5.44%，老齡化程度再一次加深。而如何養(yǎng)老，成了社會(huì)各界都在持續(xù)關(guān)注的一個(gè)嚴(yán)峻問題。

養(yǎng)老院等養(yǎng)老機(jī)構(gòu)成為了許多人的選擇，而這些養(yǎng)老建筑的消防安全是每個(gè)人都十分重視的要求。近些年，養(yǎng)老建筑的火災(zāi)次數(shù)逐漸增加，重特大火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。一方面是因?yàn)轲B(yǎng)老機(jī)構(gòu)在防火系統(tǒng)上的滯后；另一方面是因?yàn)槔夏耆巳鹤陨硇袆?dòng)能力的不便和對(duì)火災(zāi)感知能力的滯后。正是在如此迫切危急的情況下，火災(zāi)前的火警監(jiān)測(cè)、火災(zāi)時(shí)的防火遏制與火災(zāi)后的應(yīng)急救援成為了智能防火系統(tǒng)里重要的組成部分。針對(duì)這三方面，對(duì)現(xiàn)有的養(yǎng)老建筑防火系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，并設(shè)計(jì)出更為高效且智能化的防火系統(tǒng)，以完善現(xiàn)有養(yǎng)老建筑的防火系統(tǒng)精度，降低火災(zāi)的影響程度。

ZigBee無線傳輸技術(shù)以耗資小、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為許多防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們的首選。并以此為媒介，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，快速匯總至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)處理器，對(duì)其進(jìn)行有效分析，做出決策。

使用符合耐火極限等要求的新型建筑材料，關(guān)鍵在合適處布置必要的消防設(shè)備并連入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，組成防火結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，及時(shí)防止火災(zāi)蔓延，減少更多的傷亡。

利用以可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性為5大特點(diǎn)的BIM技術(shù)，以建筑整體結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)里傳感器體系對(duì)火情發(fā)生地點(diǎn)的迅速捕捉以及救援系統(tǒng)模塊對(duì)火情危險(xiǎn)程度的判斷與分析，在救援系統(tǒng)軟件中利用5大模塊模擬機(jī)算出最優(yōu)逃生路線并提前預(yù)演，指導(dǎo)養(yǎng)老建筑內(nèi)工作人員和老人們有效地安全撤離。

2 智能防火系統(tǒng)

2.1 火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

長期以來，火警監(jiān)測(cè)同為人民生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)安定密切相關(guān)問題，而樓宇作為人們聚集場(chǎng)所則更應(yīng)該注重火警的監(jiān)測(cè)。通過調(diào)研現(xiàn)有的北京某知名長者公寓，可以從中發(fā)現(xiàn)目前的有線消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建設(shè)過程中，大多存在大量的預(yù)埋管和管內(nèi)穿線工作，成本高，建設(shè)周期長；同時(shí)在建成后，檢查和擴(kuò)建麻煩，耗費(fèi)大量的人力和物力。因此，針對(duì)目前有線消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問題，開發(fā)一種低成本、布置簡單、誤報(bào)率低、快速高效的火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫，根據(jù)該要求設(shè)計(jì)出了基于ZigBee技術(shù)的無線自適應(yīng)火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1.1 組成部分

無線自適應(yīng)火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由2部分組成：傳感器節(jié)點(diǎn)部分和網(wǎng)絡(luò)控制中心部分。網(wǎng)絡(luò)控制中心部分是將ZigBee節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及路由器通過邊緣為星形的網(wǎng)狀拓?fù)溥B接而成；傳感器節(jié)點(diǎn)部分所設(shè)計(jì)的傳感檢測(cè)器是由煙霧、火焰、溫度和氣體多重傳感融合而成，以彌補(bǔ)單純使用單一傳感器所存在的不足，很大程度上提高監(jiān)測(cè)火災(zāi)能力，降低了誤警率。同時(shí)在傳感器的選擇上，本系統(tǒng)溫濕度傳感器選擇DHT21，火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇R2868，煙霧傳感器選擇MQ-2，氣體傳感器選擇MQ-7[1]，4種傳感器各自向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，處理器融合四路信息作出決策，實(shí)現(xiàn)多傳感融合，提高系統(tǒng)精度。

2.1.2 工作原理

本系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[2]，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)某處物理位置發(fā)生火警時(shí)，此物理位置范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到火警發(fā)生并將其通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳播出去，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳送到手持設(shè)備或PC機(jī)軟件中并顯示火災(zāi)位置，以此完成了火警位置的體現(xiàn)；進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的消防人員隨身攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn),它向其周圍位置已知的節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置命令消息進(jìn)行雙向信息反饋,接收到命令消息的節(jié)點(diǎn)將其所在位置包含的已知物理信息傳遞給位置未知的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而估算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與火警發(fā)生附近節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息傳送到PC中，從而可了解網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作情況以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置[3]。

圖1 無線自適應(yīng)火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.1.3 系統(tǒng)性能

該系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)的層面上看，各智能型節(jié)點(diǎn)具備休眠、喚醒、聯(lián)動(dòng)、定位、自檢等功能，且具備節(jié)能特點(diǎn)，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，對(duì)任一節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)的火災(zāi)能迅速反應(yīng)并喚醒系統(tǒng)中的其他所有節(jié)點(diǎn)，使處在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各處都能獲得事故發(fā)生點(diǎn)的信息，為及時(shí)處理火災(zāi)事故贏得時(shí)間。在該系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的功能方面，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由PC機(jī)、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)4部分構(gòu)成，其中PC機(jī)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)指令的發(fā)送、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的接收，由此實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互目的;網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)所發(fā)送的指令、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完成，將所接收的數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)傳輸;路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)當(dāng)網(wǎng)關(guān)無法同傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，作為傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)二者間的中介達(dá)成通信任務(wù)，路由通信功能也由此達(dá)成，其中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)任務(wù)主要為控制設(shè)備、采集數(shù)據(jù)。從系統(tǒng)的層面上看，這樣的系統(tǒng)能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境場(chǎng)合，無線通信的方式可適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合的快速布點(diǎn)和擴(kuò)充；具備自組織和自愈合的功能，系統(tǒng)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)“失效”也不影響系統(tǒng)的整體功能，有很高的可靠性。

2.2 防火結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

2.2.1 防火材料

養(yǎng)老設(shè)施內(nèi)所有的裝修材料，都是防火阻燃的，采用不燃性材料和燃燒性能為A級(jí)的保溫材料，取材困難時(shí)可采用難燃性材料，并應(yīng)按照《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的材料耐火極限進(jìn)行鋪設(shè)。

常用的防火材料包括防火板、防火門、防火玻璃、防火涂料、防火包等。

1）石膏板。石膏板吊頂是目前建筑市場(chǎng)上比較常見的一種防火板，通常被用來制作建筑吊頂。

石膏板的板芯中有很多非常微小的氣泡，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是非常小的，再加上石膏板通常采用雙層結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于養(yǎng)老建筑內(nèi)的居室來說，保溫隔熱的效果十分顯著，能夠讓居室的溫度基本保持穩(wěn)定。

石膏板的主要材料是石膏，而石膏受熱時(shí)要釋放化合水其耐火極限可達(dá)2 h以上。石膏芯本身不燃，且遇火時(shí)在釋放化合水的過程中會(huì)吸收大量的熱，延遲周圍環(huán)境溫度的升高。因此，雙層的石膏板具有更加良好的防火阻燃性能。

相較于木板吊頂，石膏板吊頂因其具有保溫隔熱、防火防潮、穩(wěn)定抗裂、隔音美觀、輕質(zhì)利施等優(yōu)點(diǎn)，逐漸占據(jù)市場(chǎng)主流，被廣泛采用于許多重要建筑的吊頂施工。

2）PVC防火塑膠板。作為現(xiàn)代建筑行業(yè)使用最廣的材料之一，PVC有著其他材料不曾具備的優(yōu)勢(shì)。而利用PVC材料制成的防火塑膠板，更是被頻頻應(yīng)用于建筑地板等領(lǐng)域。

PVC防火塑膠地板的主要原料是聚氯乙烯，具有良好的氣密性和不透水性。質(zhì)量合格的該類地板的防火指標(biāo)達(dá)到了B1級(jí)別，有著遇水即黏的特性的同時(shí)也會(huì)做防滑處理（耐磨層花紋），在環(huán)保性能方面相較于會(huì)釋放甲醛等有害物質(zhì)的木地板有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。一般的PVC塑膠地板重量為2～3 kg/m2，不足普通地面的10%，在高層養(yǎng)老建筑中有助于減輕樓體承重并且節(jié)約空間。此外，這種地板質(zhì)地柔軟，在重物沖擊下具有良好的彈性恢復(fù)能力，再加之可達(dá)20 dB的吸音效果，備受養(yǎng)老建筑設(shè)計(jì)師們的青睞。

2.2.2 消防設(shè)施

1）防火門。根據(jù)《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，防火隔墻上必須設(shè)置的門、窗采用乙級(jí)防火門、窗。通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)機(jī)房和變配電室的門采用甲級(jí)防火門，消防控制室等其他設(shè)備房的門采用乙級(jí)防火門。電纜井、管道井、排煙道等豎向井道的井壁上的檢查門采用丙級(jí)防火門。

而養(yǎng)老建筑內(nèi)，日常人流量較大的防火門最好保持開啟狀態(tài)，但火情發(fā)生后第一時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉并反饋信號(hào)至消防控制室；其他位置的防火門平時(shí)呈緊閉狀態(tài)，并貼有“保持防火門關(guān)閉”的明顯提示標(biāo)語。

2）消火栓和自動(dòng)灑水噴頭。在養(yǎng)老建筑內(nèi)設(shè)置與供水系統(tǒng)直接連接的消防軟管卷盤，并在關(guān)鍵位置布置，如電梯間、活動(dòng)區(qū)、餐飲區(qū)等。消防軟管卷盤的設(shè)置間距不大于30.0 m。

養(yǎng)老建筑內(nèi)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)，通過火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別滅火源，利用房間內(nèi)或是過道內(nèi)的自動(dòng)噴水裝置（灑水噴頭）實(shí)施滅火。

3）消防應(yīng)急照明和疏散指示燈。設(shè)置在安全出口和人員密集場(chǎng)所疏散門的正上方；設(shè)置在疏散走道及其轉(zhuǎn)角處距地面高度1.0 m以下的墻面或地面上。燈光疏散指示標(biāo)志的間距不大于20 m；對(duì)于袋形走道，不大于10 m；在走道轉(zhuǎn)角區(qū)，不大于1.0 m。

養(yǎng)老建筑內(nèi)疏散照明的地面最低水平照度不低于10.0 lx；消防設(shè)備房應(yīng)設(shè)置備用照明，其作業(yè)面的最低照度不應(yīng)低于正常照明的照度。

2.3 應(yīng)急救援系統(tǒng)

在對(duì)北京知名養(yǎng)老院長者公寓進(jìn)行走訪調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的應(yīng)急逃生管理體系存在許多漏洞，無法滿足火災(zāi)發(fā)生時(shí)針對(duì)不同情況的逃生需求，從而可能會(huì)導(dǎo)致不必要的傷亡，因此，為了提升老年公寓在火災(zāi)事故時(shí)的人員疏散速度，設(shè)計(jì)合理的疏散指示標(biāo)志系統(tǒng)，并結(jié)合具體位置進(jìn)行逃生路線優(yōu)化指導(dǎo)，提高疏散的效率。

此次研究中，將利用BIM技術(shù)的方法，設(shè)計(jì)改善優(yōu)化老年建筑消防疏散速度的系統(tǒng)。

2.3.1 組成部分

由BIM建立建筑信息模塊，結(jié)合利用當(dāng)前先進(jìn)的人工智能系統(tǒng)，以防火設(shè)計(jì)模塊、火災(zāi)模擬模塊、人員安全疏散模塊、消防應(yīng)急預(yù)案模塊、消防信息管理模塊和包含老年公寓在修建之初所使用的BIM建筑信息模板為基礎(chǔ)，組成智能化的應(yīng)急救援系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.2 工作原理

在火情發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)置好的數(shù)據(jù)庫，獲取建筑整體結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)火情發(fā)生的地點(diǎn)和危險(xiǎn)程度，通過對(duì)某個(gè)老人不同逃生線路的整體模擬分析以及在計(jì)算機(jī)軟件中模擬不同逃生路線狀況對(duì)老人的逃生路線提前模擬預(yù)演，并根據(jù)老人的身體狀況及時(shí)修改路線，及設(shè)計(jì)消防設(shè)計(jì)模塊，并在此過程中利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)建模技術(shù)以及計(jì)算機(jī)模擬演算實(shí)現(xiàn)老年公寓中的老人在火災(zāi)過程中的逃生路線推演。

系統(tǒng)的具體工作流程原理如下：當(dāng)火情發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)通過傳感器體系捕捉火情發(fā)生的時(shí)間地點(diǎn)信息，通過火災(zāi)模擬模塊準(zhǔn)確計(jì)算火災(zāi)初始參數(shù)，并對(duì)火災(zāi)火焰的強(qiáng)度、火災(zāi)所產(chǎn)生的濃煙程度以及火情模擬老年公寓內(nèi)相關(guān)火情區(qū)域擴(kuò)散形勢(shì)的現(xiàn)場(chǎng)情況，同時(shí)將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)收集到的各種數(shù)據(jù)上傳云端，通過云端窮舉法，計(jì)算出火災(zāi)可能的擴(kuò)散路線及擴(kuò)散趨勢(shì)，從而根據(jù)此計(jì)算結(jié)果規(guī)劃相關(guān)逃生方案，為消防疏散救援提供可靠依據(jù)。

利用人員安全疏散模塊針對(duì)火災(zāi)情況制定老年人優(yōu)化的疏散方案，針對(duì)老年人的身體狀況，行動(dòng)能力，體力等制定最安全的疏散方案，并通過對(duì)不同樓層的地形狀況分析，合理安排不同年齡段老人的居住結(jié)構(gòu)，以便于在緊急情況做到對(duì)老人的有序疏散，對(duì)某些有特殊情況的老年人制定特化疏散路線或者提供特殊應(yīng)急救援方案，為老年公寓消防救援提供最優(yōu)化的救援方案。

消防應(yīng)急預(yù)案模塊以上述3個(gè)模塊為基礎(chǔ)，同時(shí)根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，針對(duì)某些特定的人員疏散情況采取人工介入操作的方式，制定一些特化的臨時(shí)應(yīng)急預(yù)案，便于應(yīng)對(duì)在消防疏散過程中可能出現(xiàn)的特殊情況，從而快速制定適合老年人的救援方案。

消防信息管理模塊可管理消防救援過程中系統(tǒng)收到信息的整合記錄，通過對(duì)歷史火情記錄的整理分析，歸納出適應(yīng)本建筑的最優(yōu)消防方案，同時(shí)可在以后方便隨時(shí)查閱。經(jīng)過多方面考證模擬測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確構(gòu)建老年公寓的建筑信息模型，提升消防疏散過程計(jì)算精度，有利于消防疏散與應(yīng)急預(yù)案的準(zhǔn)確制定。

3 結(jié)語

正處于探索階段的智慧養(yǎng)老這種新型養(yǎng)老方式，已然成為當(dāng)代養(yǎng)老服務(wù)行業(yè)的一大潮流，巧妙結(jié)合迅速蓬勃發(fā)展的智能技術(shù)，旨在降低行業(yè)成本的同時(shí)，提高老年人的生活質(zhì)量。而針對(duì)養(yǎng)老建筑的智能防火系統(tǒng)，本研究進(jìn)行了火警監(jiān)測(cè)、防火結(jié)構(gòu)和應(yīng)急救援三方面的研究。以ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以防火材料和消防設(shè)施為核心設(shè)計(jì)防火結(jié)構(gòu)，以BIM技術(shù)為核心設(shè)計(jì)應(yīng)急救援系統(tǒng)，構(gòu)成智能防火系統(tǒng)的重要的三個(gè)子系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用和后續(xù)優(yōu)化過程中，還需針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)用性與安全問題，以及系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行具體的應(yīng)用可行性檢查，以提升該系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和實(shí)用性。