基于BIM的地鐵車站火災(zāi)模擬與疏散仿真

基于BIM的地鐵車站火災(zāi)模擬與疏散仿真2019年7月第五講石家莊鐵道大學(xué)

呂希奎一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型一般包括墻、梁、板、柱、門窗等基礎(chǔ)構(gòu)件，需要獲取的信息主要為相關(guān)尺寸、空間位置、材質(zhì)信息等。以某地下兩層島式車站為例建立地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型，該車站地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。某地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型展示1.地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型

添加地鐵車站基礎(chǔ)構(gòu)件時除了注意尺寸、位置等參數(shù)，還應(yīng)添加相應(yīng)的材質(zhì)信息。必要時，對部分基礎(chǔ)構(gòu)件，如防火分區(qū)墻等，添加耐火等級等信息，以供后期進行火災(zāi)模擬使用。一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模站廳層防火分區(qū)墻基本信息1.地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型站廳模型剖面圖站臺模型剖面圖一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模1.地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模站臺層空間展示站廳層空間展示1.地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模隱藏部分圖元后的樓梯展示1.地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模2.地鐵車站基礎(chǔ)設(shè)施模型基礎(chǔ)設(shè)施模型包括售票機、閘機、扶梯、屏蔽門、疏散標(biāo)志等，在Revit平臺下，沒有某些基礎(chǔ)設(shè)施沒有標(biāo)準(zhǔn)的族樣，所以大部分基礎(chǔ)設(shè)施模型需要通過搜集相關(guān)資料進行單獨內(nèi)建。扶梯建模效果展示一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模2.地鐵車站基礎(chǔ)設(shè)施模型閘機及隔離欄桿建模效果展示一、地鐵車站應(yīng)急管理BIM模型建模2.地鐵車站基礎(chǔ)設(shè)施模型屏蔽門建模效果展示二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬將BIM技術(shù)與Pyrosim火災(zāi)模擬軟件結(jié)合，利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢，優(yōu)化原有的工作流程，在Pyrosim中實現(xiàn)基于BIM的火災(zāi)模擬。Pyrosim軟件集成了FDS火災(zāi)模擬軟件中的FDS和SmokeView兩個部分。它能提供一個圖形用戶界面，自動完成FDS文件的編寫，建模完成后，可調(diào)用FDS計算核心，然后調(diào)用SmokeView進行計算結(jié)果后處理并顯示。二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬1.Revit軟件與Pyrosim軟件數(shù)據(jù)據(jù)交流Revit軟件和Pyrosim軟件數(shù)據(jù)據(jù)流通的的通用文文件格式式為DXF格式。將將地鐵車車站BIM模型從Revit中導(dǎo)出為為DXF格式,然后將DXF文件導(dǎo)入入進Pyrosim中。DXF文件導(dǎo)入入Pyrosim效果展示示二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬2.地鐵車站站BIM模型建立立地鐵車站站BIM模型是對對整個地地鐵車站站的3D數(shù)字化真真實的描描述，為為火災(zāi)模模擬與應(yīng)應(yīng)急疏散散仿真提提供基礎(chǔ)礎(chǔ)環(huán)境，所建立的地地鐵車站站BIM模型為兩兩層島式式地下車車站，其其中地下下一層、、二層分分別為站站廳層和和站臺層。名稱參數(shù)數(shù)值站臺層長118m寬12m站廳層長95m寬21.5m站臺層與站廳層高差高差5.0m扶梯數(shù)量3部（直梯1，樓梯2）出入口數(shù)量4個檢票口數(shù)量4個相鄰的閘機中心距離0.85m跨度長1.2m二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬2.地鐵車站站BIM模型建立立地鐵車站站站廳層層平面地鐵車站站站臺層層平面二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬3.基于BIM與Pyrosim的火災(zāi)模模擬流程程建立模型PyrosimFDSSmokeview結(jié)果分析煙氣蔓延過程溫度分布CO濃度分布可見度分布模擬運算設(shè)定模擬參數(shù)火災(zāi)模擬運算創(chuàng)建網(wǎng)格創(chuàng)建表面創(chuàng)建障礙物創(chuàng)建通風(fēng)口創(chuàng)建火源創(chuàng)建探測設(shè)備設(shè)定反應(yīng)與材料設(shè)置截面二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬4.邊界條件件與火源參參數(shù)邊界條件件與火源參數(shù)表序號類型參數(shù)1火源位置站臺層中心，且無列車停靠2仿真運行時間600s3環(huán)境初始溫度20℃4環(huán)境初始相對濕度50％5應(yīng)急通風(fēng)方式站臺主風(fēng)機和兩側(cè)站間輔助風(fēng)機同時排風(fēng)6火災(zāi)增長類型快速火7火災(zāi)熱釋放速率5MW8火源功率增長系數(shù)0.0469kW/S2二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬5.地鐵車站站火災(zāi)模擬擬網(wǎng)格劃劃分由于疏散散模型都都必須對對建筑空空間進行行描述，，以模擬擬人員在在建筑內(nèi)內(nèi)部的疏疏散過程程。因此此，需要要對所建建的地鐵鐵車站BIM模型進行行網(wǎng)格細(xì)細(xì)分，共共劃分397500個0.5m×0.5m×0.5m立方體小小網(wǎng)格。地鐵車站站火災(zāi)模模擬網(wǎng)格格劃分分分布圖二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬6.火災(zāi)模擬擬熱電偶偶布與切切片布置置為量測對對應(yīng)關(guān)鍵鍵位置點點溫度、、可見度度和CO濃度隨時時間的變變化，本本次模擬擬中將四四個出入入口與站站廳層交交接位置置分別布布置四組組熱電偶偶，分別別在站廳廳層以及及站臺層層距地面面高1.5m處布置切片。地鐵車站站火災(zāi)模模擬熱電電偶布置置圖二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬6.火災(zāi)模擬擬熱電偶偶布與切切片布置置地鐵車站站火災(zāi)模擬切片布置圖二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬7.鐵車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)煙煙氣模擬擬結(jié)果與與分析(a)T=50s(b)T=70s(c)T=125s(d)T=157s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬(a)T=50s在50s時煙氣通過過離火源較較近的樓樓梯口就就蔓延到到站廳層層，并上升升到站廳廳層頂部部并向周周邊蔓延延，站廳廳層迅速速有煙氣氣存在；7.鐵車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)煙煙氣模擬擬結(jié)果與與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬(b)T=70s在70s時煙氣通過過離火源較較近的樓樓梯口就就蔓延到到站廳層層，并上升升到站廳廳層頂部部并向周周邊蔓延延，站廳廳層迅速速有煙氣氣存在；7.鐵車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)煙煙氣模擬擬結(jié)果與與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬(C)T=125s在125s時時，在站站臺和站站臺層公公共區(qū)域域已充滿大大量的煙氣；7.鐵車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)煙煙氣模擬擬結(jié)果與與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬(d)T=157s在157s時站臺、站站臺層公公共區(qū)域域基本充滿滿煙氣，人員已已無法疏疏散逃生生。7.鐵車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)煙煙氣模擬擬結(jié)果與與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬8.地鐵車站站內(nèi)火災(zāi)災(zāi)溫度模模擬結(jié)果果與分析析(a)T=80s(b)T=160s(c)T=230s(d)T=420s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬8.地鐵車站站內(nèi)火災(zāi)災(zāi)溫度模模擬結(jié)果果與分析析(a)T=80s在火災(zāi)發(fā)發(fā)生后的的80s左右站臺層溫溫度迅速速升高，，站廳層層升高相相對較慢慢二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬擬8.地鐵車站站內(nèi)火災(zāi)災(zāi)溫度模模擬結(jié)果果與分析析(b)T=160s在160s左右時，站站臺層層中間間的樓樓梯口口周圍圍已處處于危危險狀狀態(tài)，，已影影響人人員逃逃生二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬8.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)災(zāi)溫度度模擬擬結(jié)果果與分分析(c)T=230s在230s左右時時，站站臺層層左側(cè)側(cè)的扶扶梯處處也達(dá)達(dá)到危危險狀狀態(tài)，，此時時乘客客可從從右側(cè)側(cè)樓梯梯到達(dá)達(dá)站廳廳層進進行疏疏散；；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬8.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)火災(zāi)災(zāi)溫度度模擬擬結(jié)果果與分分析(d)T=420s火災(zāi)發(fā)發(fā)生后后的420s左右，站臺臺層主主要疏疏散通道附附近大面積積溫度度達(dá)到到60度，已已無法法進行行人員員疏散散和逃逃生。。二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬9.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)能見見度模模擬結(jié)果與與分析析(a)T=48s(b)T=160s(c)T=240s(d)T=330s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬9.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)能見見度模模擬結(jié)果與與分析析在火災(zāi)災(zāi)發(fā)生生后的的48s時，火源周周圍能能見度度出現(xiàn)現(xiàn)明顯顯下降降，此時時站廳廳層的的中間間樓梯梯口能能見度度也開開始下下降；在160s左右時時，站站臺層層的左左側(cè)扶扶梯口口和中中間樓樓梯口口的能見度度低于于10m，此時時的能能見度度已不不利于于人員員疏散散；而當(dāng)在在240s左右時時，此時站站廳層和和站臺臺層的的大部分分區(qū)域域能見見度低低于10m，已不不滿足足適應(yīng)應(yīng)人員員的疏疏散要要求；在330s左右時時，站廳層層的出出入口口能見見度也不滿滿足疏疏散要要求。。二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬10.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)CO濃度模模擬結(jié)果與與分析析(a)T=135s(b)T=260s(c)T=350s(d)T=575s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬10.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)CO濃度模模擬結(jié)果與與分析析(a)T=135s當(dāng)火災(zāi)災(zāi)發(fā)生生后，，將在在較短短的時時間內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生生大量量CO。在135s時，在在站臺臺層最最左側(cè)側(cè)區(qū)域域已產(chǎn)產(chǎn)生大大量的的CO；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬10.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)CO濃度模模擬結(jié)果與與分析析(b)T=260s在260s左右時時，站站臺層層最左左側(cè)CO濃度明明顯升升高；；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬10.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)CO濃度模模擬結(jié)果與與分析析(c)T=350s在350s站臺層層最左左側(cè)CO濃度已已經(jīng)很很高，，此時時的CO濃度已已經(jīng)不不利于于乘客客疏散散；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模模擬10.地鐵車車站內(nèi)內(nèi)CO濃度模模擬結(jié)果與與分析析(d)T=575s在580s左右時時，站臺層層大部部分區(qū)區(qū)域CO濃度達(dá)達(dá)到最最高，只有有最右右側(cè)區(qū)區(qū)域相相對較較低，，乘客客此時時只能能從站站臺層層最右右側(cè)疏疏散。?？傮w體而言言，站站廳層層CO濃度比比站臺臺層濃濃度較較低，，對乘乘客疏疏散影影響較較小。。三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真1.地鐵車車站火火災(zāi)條條件下下人員員安全全疏散散判定定地鐵車車站火火災(zāi)情情況下下，乘乘客能能否全全部疏疏散到到安全全區(qū)域域主要要取決決于“可用疏疏散時時間”ASET(AvailableSafetyEgressTime)和“人員疏疏散時時間”RSET(RequiredSafetyEgressTime)這兩個個特征征時間間之間間的比比較，，其數(shù)數(shù)學(xué)描描述為為形式式為：：ASET>RSET三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真1.地鐵車車站火火災(zāi)條條件下下人員員安全全疏散散判定定在模擬中中，將將火災(zāi)災(zāi)產(chǎn)生生的主主要危危險類類別，，包括括熱（溫溫度））、有有毒氣氣體（（氧化化碳））和煙霧遮遮蔽（（能見見度））作為估估算ASET的不穩(wěn)穩(wěn)定性性標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。對對三者者所達(dá)達(dá)到最最短危危險狀狀態(tài)時時間作作為可可用安安全疏疏散時時間ASET的取值值。（1）ASET確定：：三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真1.地鐵車車站火火災(zāi)條條件下下人員員安全全疏散散判定定（2）RSET計算：—火災(zāi)探探測報報警時時間—人員預(yù)動作作時間間，指指火災(zāi)災(zāi)報警警到人人員開開始疏疏散的的這段段時間間——人員疏疏散運運動時時間，，min三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真1.地鐵車車站火火災(zāi)條條件下下人員員安全全疏散散判定定（3）火災(zāi)臨臨界危危險狀狀態(tài)設(shè)設(shè)置(1)2m高度處能見見度低于10m；(2)2m高度處處溫度度超過過60℃；(3)2m以下空空間內(nèi)內(nèi)的煙煙氣層層中的的CO濃度大大于1200ppm。三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真2.地鐵車車站人人員疏疏散仿仿真環(huán)環(huán)境建建立(1)基于BIM模型的的車站站建筑筑仿真真環(huán)境境建立立采用Pathfinderw人員疏疏散逃逃生軟軟件，，導(dǎo)入入地鐵鐵車站站BIM模型，，實現(xiàn)現(xiàn)地鐵鐵車站站建筑筑仿真真環(huán)境境的搭搭建車站BIM模型導(dǎo)導(dǎo)入到到pathfinder后效果果三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真2.地鐵車車站人人員疏疏散仿仿真環(huán)環(huán)境建建立(2)人員仿仿真環(huán)環(huán)境建建立火災(zāi)模擬時時的工工況為為站臺臺起火火且無無列車車停靠靠，按按站臺臺候車車區(qū)布布滿乘乘客工工況對對疏散散人數(shù)數(shù)進行行設(shè)置置。站臺候車區(qū)區(qū)的有有效面面積約約為900m2，站臺臺上人人流密密度取取0.5m2/人，站站臺層層疏散散人數(shù)數(shù)設(shè)為為1800人。因站廳層層乘客客對站站臺層層乘客客的疏疏散影影響不不大，，站廳廳層設(shè)設(shè)為100人，人人員疏疏散模模擬總總數(shù)1900人。地鐵車車站內(nèi)乘客客由成成年男男性（（40%）、成成年女女性（（40%）、老老人（（10%）、兒兒童（（10%）構(gòu)成成。三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真2.地鐵車車站人人員疏疏散仿仿真環(huán)環(huán)境建建立(2)人員仿仿真環(huán)環(huán)境建建立地鐵車車站內(nèi)內(nèi)乘客客疏散散速度度的設(shè)設(shè)定直直接影影響必必須疏疏散時時間REST的計算算，為為了確確保計計算疏疏散時時間的的準(zhǔn)確確性，，結(jié)合合火災(zāi)災(zāi)情況況下人人員移移動特特點并并參考考SFPE《消防防工程程手冊冊》中中的有有關(guān)規(guī)規(guī)定，，對疏疏散軟軟件中中四類類乘客客的行行走速速度進進行設(shè)定

人員類型坡道和樓梯間上行速度(m/s)坡道和樓梯間下行速度(m/s)水平區(qū)域速度(m/s)成年男士0.700.901.30成年女士0.630.801.15兒童0.430.560.86老人0.500.620.79人員疏疏散速速度設(shè)置三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真3.疏散模模擬分分析在完成地鐵車車站人人員疏疏散仿仿真環(huán)環(huán)境建建立和人員仿真環(huán)環(huán)境設(shè)設(shè)定后，進進行疏疏散模擬計算。。(a)T=0s(b)T=17s(c)T=186s(d)T=245s三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真3.疏散模模擬分分析(a)T=0sT=0s時，為剛初初始的的人員員分布布情況況三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真3.疏散模模擬分分析(b)T=17s在17s時人員員開始始疏散散三、基基于BIM的地鐵鐵車站站人員員疏散散仿真真3.疏散模擬分析析(c)T=186s在186s時,站臺層兩側(cè)的的乘客大部分分選擇距離較較近的疏散通通道逃生，但但也有部分乘乘客會會根據(jù)據(jù)疏散通道的的人員數(shù)量情情況，會選擇擇人員較少的的疏散