茅佳藝 韓成浩

（吉林建筑大學(xué)電氣與計算機學(xué)院）

0 引言

教學(xué)樓作為校園生活中教學(xué)活動的主要場所，人員密集，流動大，實驗室多，火災(zāi)隱患多，因此一旦發(fā)生火災(zāi)將直接關(guān)系到師生員工的生命安全，故將教學(xué)樓作為模擬建筑。但由于對建筑火災(zāi)進行實體研究的實驗成本太高，并且實驗對象具有特殊性，難以推廣到其他建筑。因此本文利用計算機軟件模擬仿真，研究BIM 模型與Pyrosim 火災(zāi)仿真軟件和Pathfinder 人員安全疏散軟件的融合使用方法以及在數(shù)字化預(yù)案與計算機模擬訓(xùn)練的應(yīng)用可行性，如圖1所示。

圖1 模擬仿真流程圖

1 模型構(gòu)建

1.1 教學(xué)樓基本情況

所建物理模型為某多層教學(xué)樓，該教學(xué)樓共5層，高22.5m，首層高4.2m，2~5 樓均為標(biāo)準(zhǔn)層，每層高為3.9m，并且各個墻體采用混凝土材質(zhì)處理。該建筑單層建筑面積2470m2，圖2 為首層平面圖，圖3 為標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。首層有6 個外向出口，共有4個樓梯。

圖2 首層平面圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

1.2 火源設(shè)定

火場設(shè)計按照最不利原則設(shè)定，設(shè)置火源按照增長速率的方式，隨著時間變化增加至最大值，此種設(shè)定條件火災(zāi)的危險性更高。火源點熱功率計算為：

式中，Q為火源熱釋放功率，kW；a為增長系數(shù)，kW/s2；t為時間，s。

根據(jù)a的不同，火災(zāi)分為慢速、中速和快速以及超快速四種類型。教學(xué)樓內(nèi)主要的可燃物為整齊擺放的桌椅，桌椅均為木制設(shè)備，數(shù)目多但擺放較為分散，危險性一般，故選取教學(xué)樓火災(zāi)形式為中速火。

1.3 設(shè)置條件

仿真環(huán)境處于無風(fēng)狀態(tài)并與外界相通，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101kPa，初始室內(nèi)外溫度為20℃。設(shè)置樓內(nèi)所有窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)，只開啟6 個向外的出口。

定義反應(yīng)和材料數(shù)據(jù)：教室內(nèi)存在大量桌椅，故將反應(yīng)定位為WOOD-OAK，墻體表面材料設(shè)定為石膏，其中地板和房頂均為惰性材料。著火點設(shè)定在2 樓，火源大小為1m×1m×1m。設(shè)置障礙物（即桌椅）材料為木制。

2 教學(xué)樓火災(zāi)煙氣仿真模擬

在教學(xué)樓火災(zāi)過程中，通過Pyrosim 火災(zāi)模擬，研究煙氣溫度、能見度及有害氣體濃度對可用安全疏散時間ASET 產(chǎn)生的影響，綜合分析火災(zāi)發(fā)展規(guī)律。

2.1 能見度分析

建筑物發(fā)生火災(zāi)時，煙霧在建筑物內(nèi)不斷流動傳播影響了人員視野，能見度大大降低，降低了逃生速度，拖延了疏散時間。根據(jù)澳大利亞《消防工程師指南》給出的能見度標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選取10m 為能見度臨界值，模擬結(jié)果如圖4 所示。由模擬結(jié)果可知，1 號、2 號、3 號和4 號樓梯間到達能見度臨界值所需時間為96s、20s、154s 和60s。

圖4 樓梯間區(qū)域能見度情況

2.2 溫度分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)煙氣的溫度可能會達到300~400℃，或是600~800℃，甚至1000 多℃。而皮膚溫度一旦超過60℃，就會對人體造成不可逆的傷害。圖5 為四個樓梯間距地1.8m 處煙氣溫度變化情況。2 號樓梯到達60℃所需時間為317s，此時，其余樓梯間區(qū)域均未達到60℃。

圖5 樓梯間區(qū)域煙氣溫度情況

2.3 有害氣體分析

在火災(zāi)燃燒的過程中，會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，如H2S、CO2和CO 等。根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)空氣中CO 含量超過0.50%時會引起劇烈頭暈，一旦超過20min，就會有死亡的危險，故選取CO 濃度為0.50%為有害氣體濃度危險判定指標(biāo)。樓梯間區(qū)域CO 濃度情況如圖6 所示。由模擬結(jié)果可知，1 號、2 號、3號和4 號樓梯區(qū)域分別在119s、49s、350s 和280s 時達到危險臨界值。

圖6 樓梯間區(qū)域CO 情況

2.4 仿真結(jié)果分析

對上述仿真結(jié)果綜合分析，確定四個樓梯間區(qū)域的可用安全疏散時間AEST，如表1 所示。在96s 內(nèi)，1 號樓梯間區(qū)域人員應(yīng)全部撤離火災(zāi)現(xiàn)場，而2 號樓梯間區(qū)域人員應(yīng)在20s 內(nèi)全部撤出火災(zāi)現(xiàn)場，3 號樓梯間和4 號樓梯間區(qū)域人員應(yīng)分別在154s 和60s 內(nèi)全部撤出火災(zāi)現(xiàn)場。樓梯間作為安全通道，在發(fā)生火災(zāi)時首選從樓梯逃生，故將著火層樓梯間ASET 作為全樓可用安全疏散時間。由表1 可知，1 號、2 號、3 號和4 號樓梯間ASET 分別為96s、20s、154s 和60s，所以全樓可用安全疏散時間為154s。

表1 各區(qū)域可用安全疏散時間

3 教學(xué)樓人員疏散仿真模擬

3.1 Pathfinder 建模

根據(jù)Pathfinder 中需要的參數(shù)，結(jié)合實際情況，設(shè)置教學(xué)樓層內(nèi)不同樓層的人員人數(shù)、不同人員的行走速度與肩寬等特征參數(shù)?？紤]最不利原則，人群人流高峰期特征值人員及每層人員設(shè)定如表2、表3 所示。

表2 不同人群人流高峰期特征值

表3 每層樓的人數(shù)設(shè)定

3.2 疏散方案設(shè)計

分析Pyrosim 模擬結(jié)果可知，2 號和4 號樓梯間分別在20s 和60s 時，能見度降低達到危險狀態(tài)，設(shè)定煙霧傳感器傳出報警信號需15s，同時人員還需要一定的反應(yīng)時間，故在制定方案時放棄2 號和4 號兩部樓梯進行人員疏散。最后，根據(jù)疏散過程中是否有人員引導(dǎo)以及是否使用外掛樓梯設(shè)定以下3 個疏散方案。

方案1：使用1 號、3 號樓梯進行疏散，無人員引導(dǎo)。

方案2：僅使用1 號、3 號樓梯進行疏散，有人員引導(dǎo)。

方案3：同時使用1 號、3 號樓梯和外掛樓梯，設(shè)定四五層人員使用外掛樓梯進行疏散；二三層人員采用樓梯疏散。

3.3 仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

3.3.1 仿真結(jié)果分析

圖7 為方案1 情況下1 號和3 號樓梯的人員疏散速率圖。由圖可知，在有人員引導(dǎo)的情況下，在96s 時，1 號樓梯間ASET 已達到臨界值，此時并沒有完成所有人成功疏散的目標(biāo)。當(dāng)采用方案2 進行人員疏散時，全樓內(nèi)人員在有人員引導(dǎo)作用下均使用1 號、3 號樓梯進行疏散，最終疏散時間從原來的253s 縮減到195s。

圖7 方案1 人員疏散速率圖

由圖可知，人員的引導(dǎo)作用效果顯著，但在此建筑物中僅依靠人員的引導(dǎo)作用完成全部安全逃生目標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，故采用方案3 進行人員疏散，疏散方式為樓梯和外掛樓梯相結(jié)合，其中，設(shè)定四五層人員采用外掛樓梯疏散；二三層人員采用樓梯疏散，最后，總疏散時間縮短至128s，比方案1 縮短了125s，比方案2 縮短了67s。

3.3.2 模擬優(yōu)化

圖8 為待疏散人員隨時間變化圖，從中不難看出，合理有效引導(dǎo)可以提高人員疏散速率，疏散時間就越短。但僅使用樓梯完成所有人員在ASET 時間前的疏散是不可能的，故增加了外掛樓梯這一疏散方式，使人員從外掛樓梯進行疏散。最終，通過對方案3 的不斷優(yōu)化使得在154s 內(nèi)教學(xué)樓內(nèi)所有人員均逃離火災(zāi)現(xiàn)場，相較于傳統(tǒng)方案1，優(yōu)化了約2min 的時間。

圖8 待疏散人數(shù)隨時間變化

4 結(jié)束語

1）在教學(xué)樓火災(zāi)煙氣仿真模擬中，煙氣是影響疏散效率的主要原因，由此可見做好機械排煙和應(yīng)急疏散照明的重要性。

2）在火災(zāi)疏散過程中，合理的疏散路線是逃生的關(guān)鍵，能減輕人員損失。應(yīng)完善應(yīng)急方案，將應(yīng)急疏散演練做到“制度化、規(guī)范化、經(jīng)?；⒖茖W(xué)化”，加強人員引導(dǎo)作用，加設(shè)安全疏散引導(dǎo)設(shè)備。

3）教學(xué)樓內(nèi)的樓梯數(shù)量和寬度是影響人員疏散的決定性因素，增加外掛樓梯能有效提高疏散效率。但在火災(zāi)發(fā)生時，由于人員的恐懼心理，在外掛樓梯處易發(fā)生踩踏事故，應(yīng)提前做好演練。

4）結(jié)合BIM 模型，將Pyrosim 和Pathfinder 軟件對火災(zāi)情況下人員進行疏散仿真聯(lián)合仿真是科學(xué)的且有意義的。