第五講基于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)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(tái)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(shí)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(shí)，對(duì)部分基礎(chǔ)構(gòu)件，如防火分區(qū)墻等，添加耐火等級(jí)等信息，以供后期進(jìn)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(tái)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(tái)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(jī)、閘機(jī)、扶梯、屏蔽門、疏散標(biāo)志等，在Revit平臺(tái)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(jìn)行單獨(dú)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(jī)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(shì)，優(yōu)化原有的工作流程，在Pyrosim中實(shí)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(gè)部分。它能提供一個(gè)圖形用戶界面，自動(dòng)完成FDS文件的編寫，建模完成后，可調(diào)用FDS計(jì)算核心，然后調(diào)用SmokeView進(jìn)行計(jì)算結(jié)果后處理并顯示。二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬1.Revit軟件與Pyrosim軟件數(shù)據(jù)交流Revit軟件和Pyrosim軟件數(shù)據(jù)流通的通用文件格式為DXF格式。將地鐵車站BIM模型從Revit中導(dǎo)出為DXF格式,然后將DXF文件導(dǎo)入進(jìn)Pyrosim中。DXF文件導(dǎo)入Pyrosim效果展示二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬2.地鐵車站BIM模型建立地鐵車站BIM模型是對(duì)整個(gè)地鐵車站的3D數(shù)字化真實(shí)的描述，為火災(zāi)模擬與應(yīng)急疏散仿真提供基礎(chǔ)環(huán)境，所建立的地鐵車站BIM模型為兩層島式地下車站，其中地下一層、二層分別為站廳層和站臺(tái)層。名稱參數(shù)數(shù)值站臺(tái)層長(zhǎng)118m寬12m站廳層長(zhǎng)95m寬21.5m站臺(tái)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(gè)檢票口數(shù)量4個(gè)相鄰的閘機(jī)中心距離0.85m跨度長(zhǎng)1.2m二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬2.地鐵車站BIM模型建立地鐵車站站廳層平面地鐵車站站臺(tái)層平面二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬3.基于BIM與Pyrosim的火災(zāi)模擬流程建立模型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(yùn)算設(shè)定模擬參數(shù)火災(zāi)模擬運(yùn)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(cè)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4.邊界條件與火源參數(shù)邊界條件與火源參數(shù)表序號(hào)類型參數(shù)1火源位置站臺(tái)層中心，且無列車?？?仿真運(yùn)行時(shí)間600s3環(huán)境初始溫度20℃4環(huán)境初始相對(duì)濕度50％5應(yīng)急通風(fēng)方式站臺(tái)主風(fēng)機(jī)和兩側(cè)站間輔助風(fēng)機(jī)同時(shí)排風(fēng)6火災(zāi)增長(zhǎng)類型快速火7火災(zāi)熱釋放速率5MW8火源功率增長(zhǎng)系數(shù)0.0469kW/S2二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬5.地鐵車站火災(zāi)模擬網(wǎng)格劃分由于疏散模型都必須對(duì)建筑空間進(jìn)行描述，以模擬人員在建筑內(nèi)部的疏散過程。因此，需要對(duì)所建的地鐵車站BIM模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，共劃分397500個(gè)0.5m×0.5m×0.5m立方體小網(wǎng)格。地鐵車站火災(zāi)模擬網(wǎng)格劃分分布圖二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬6.火災(zāi)模擬熱電偶布與切片布置為量測(cè)對(duì)應(yīng)關(guān)鍵位置點(diǎn)溫度、可見度和CO濃度隨時(shí)間的變化，本次模擬中將四個(gè)出入口與站廳層交接位置分別布置四組熱電偶，分別在站廳層以及站臺(tái)層距地面高1.5m處布置切片。地鐵車站火災(zāi)模擬熱電偶布置圖二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬6.火災(zāi)模擬熱電偶布與切片布置地鐵車站火災(zāi)模擬切片布置圖二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬7.

鐵車站內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析(a)T=50s(b)T=70s(c)T=125s

(d)T=157s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬(a)T=50s在50s時(shí)煙氣通過離火源較近的樓梯口就蔓延到站廳層，并上升到站廳層頂部并向周邊蔓延，站廳層迅速有煙氣存在；7.

鐵車站內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬(b)T=70s在70s時(shí)煙氣通過離火源較近的樓梯口就蔓延到站廳層，并上升到站廳層頂部并向周邊蔓延，站廳層迅速有煙氣存在；7.

鐵車站內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬(C)T=125s在125s時(shí)時(shí)，在站臺(tái)和站臺(tái)層公共區(qū)域已充滿大量的煙氣；7.

鐵車站內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬(d)T=157s在157s時(shí)站臺(tái)、站臺(tái)層公共區(qū)域基本充滿煙氣，人員已無法疏散逃生。7.

鐵車站內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬8.地鐵車站內(nèi)火災(zāi)溫度模擬結(jié)果與分析(a)T=80s(b)T=160s(c)T=230s

(d)T=420s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬8.地鐵車站內(nèi)火災(zāi)溫度模擬結(jié)果與分析(a)T=80s在火災(zāi)發(fā)生后的80s左右站臺(tái)層溫度迅速升高，站廳層升高相對(duì)較慢二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬8.地鐵車站內(nèi)火災(zāi)溫度模擬結(jié)果與分析(b)T=160s在160s左右時(shí)，站臺(tái)層中間的樓梯口周圍已處于危險(xiǎn)狀態(tài)，已影響人員逃生二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬8.地鐵車站內(nèi)火災(zāi)溫度模擬結(jié)果與分析(c)T=230s在230s左右時(shí)，站臺(tái)層左側(cè)的扶梯處也達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)乘客可從右側(cè)樓梯到達(dá)站廳層進(jìn)行疏散；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬8.地鐵車站內(nèi)火災(zāi)溫度模擬結(jié)果與分析(d)T=420s火災(zāi)發(fā)生后的420s左右，站臺(tái)層主要疏散通道附近大面積溫度達(dá)到60度，已無法進(jìn)行人員疏散和逃生。二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬9.地鐵車站內(nèi)能見度模擬結(jié)果與分析(a)T=48s(b)T=160s(c)T=240s

(d)T=330s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬9.地鐵車站內(nèi)能見度模擬結(jié)果與分析在火災(zāi)發(fā)生后的48s時(shí)，火源周圍能見度出現(xiàn)明顯下降，此時(shí)站廳層的中間樓梯口能見度也開始下降；在160s左右時(shí)，站臺(tái)層的左側(cè)扶梯口和中間樓梯口的能見度低于10m，此時(shí)的能見度已不利于人員疏散；而當(dāng)在240s左右時(shí)，此時(shí)站廳層和站臺(tái)層的大部分區(qū)域能見度低于10m，已不滿足適應(yīng)人員的疏散要求；在330s左右時(shí)，站廳層的出入口能見度也不滿足疏散要求。二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬10.地鐵車站內(nèi)CO濃度模擬結(jié)果與分析(a)T=135s(b)T=260s(c)T=350s

(d)T=575s二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬10.地鐵車站內(nèi)CO濃度模擬結(jié)果與分析(a)T=135s當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，將在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量CO。在135s時(shí)，在站臺(tái)層最左側(cè)區(qū)域已產(chǎn)生大量的CO；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬10.地鐵車站內(nèi)CO濃度模擬結(jié)果與分析(b)T=260s在260s左右時(shí)，站臺(tái)層最左側(cè)CO濃度明顯升高；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬10.地鐵車站內(nèi)CO濃度模擬結(jié)果與分析(c)T=350s在350s站臺(tái)層最左側(cè)CO濃度已經(jīng)很高，此時(shí)的CO濃度已經(jīng)不利于乘客疏散；二、基于BIM的Pyrosim火災(zāi)模擬10.地鐵車站內(nèi)CO濃度模擬結(jié)果與分析(d)T=575s在580s左右時(shí)，站臺(tái)層大部分區(qū)域CO濃度達(dá)到最高，只有最右側(cè)區(qū)域相對(duì)較低，乘客此時(shí)只能從站臺(tái)層最右側(cè)疏散?？傮w而言，站廳層CO濃度比站臺(tái)層濃度較低，對(duì)乘客疏散影響較小。三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災(zāi)條件下人員安全疏散判定

地鐵車站火災(zāi)情況下，乘客能否全部疏散到安全區(qū)域主要取決于“可用疏散時(shí)間”ASET(AvailableSafetyEgressTime)和“人員疏散時(shí)間”RSET(RequiredSafetyEgressTime)這兩個(gè)特征時(shí)間之間的比較，其數(shù)學(xué)描述為形式為：ASET>RSET三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災(zāi)條件下人員安全疏散判定在模擬中，將火災(zāi)產(chǎn)生的主要危險(xiǎn)類別，包括熱（溫度）、有毒氣體（氧化碳）和煙霧遮蔽（能見度）作為估算ASET的不穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)三者所達(dá)到最短危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)間作為可用安全疏散時(shí)間ASET的取值。（1）ASET確定：三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災(zāi)條件下人員安全疏散判定（2）RSET計(jì)算：—火災(zāi)探測(cè)報(bào)警時(shí)間—人員預(yù)動(dòng)作時(shí)間，指火災(zāi)報(bào)警到人員開始疏散的這段時(shí)間——人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，min三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災(zāi)條件下人員安全疏散判定（3）火災(zāi)臨界危險(xiǎn)狀態(tài)設(shè)置(1)2m高度處能見度低于10m；(2)2m高度處溫度超過60℃；(3)2m以下空間內(nèi)的煙氣層中的CO濃度大于1200ppm。三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真2.地鐵車站人員疏散仿真環(huán)境建立(1)基于BIM模型的車站建筑仿真環(huán)境建立采用Pathfinderw人員疏散逃生軟件，導(dǎo)入地鐵車站BIM模型，實(shí)現(xiàn)地鐵車站建筑仿真環(huán)境的搭建車站BIM模型導(dǎo)入到pathfinder后效果三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真2.地鐵車站人員疏散仿真環(huán)境建立(2)人員仿真環(huán)境建立火災(zāi)模擬時(shí)的工況為站臺(tái)起火且無列車?？浚凑九_(tái)候車區(qū)布滿乘客工況對(duì)疏散人數(shù)進(jìn)行設(shè)置。站臺(tái)候車區(qū)的有效面積約為900m2，站臺(tái)上人流密度取0.5m2/人，站臺(tái)層疏散人數(shù)設(shè)為1800人。因站廳層乘客對(duì)站臺(tái)層乘客的疏散影響不大，站廳層設(shè)為100人，人員疏散模擬總數(shù)1900人。地鐵車站內(nèi)乘客由成年男性（40%）、成年女性（40%）、老人（10%）、兒童（10%）構(gòu)成。三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真2.地鐵車站人員疏散仿真環(huán)境建立(2)人員仿真環(huán)境建立地鐵車站內(nèi)乘客疏散速度的設(shè)定直接影響必須疏散時(shí)間REST的計(jì)算，為了確保計(jì)算疏散時(shí)間的準(zhǔn)確性，結(jié)合火災(zāi)情況下人員移動(dòng)特點(diǎn)并參考SFPE《消防工程手冊(cè)》中的有關(guān)規(guī)定，對(duì)疏散軟件中四類乘客的行走速度進(jìn)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人員疏散速度設(shè)置三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真3.疏散模擬分析

在完成地鐵車站人員疏散仿真環(huán)境建立和人員仿真環(huán)境設(shè)定后，進(jìn)行疏散模擬計(jì)算。

(a)T=0s

(b)T=17s

(c)T=186s

(d)T=245s三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真3.疏散模擬分析

(a)T=0sT=0s時(shí)，為剛初始的人員分布情況三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真3.疏散模擬分析

(b)T=17s在17s時(shí)人員開始疏散三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真3.疏散模擬分析

(c)T=186s在186s時(shí),站臺(tái)層兩側(cè)的乘客大部分選擇距離較近的疏散通道逃生，但也有部分乘客會(huì)會(huì)根據(jù)疏散通道的人員數(shù)量情況，會(huì)選擇人員較少的疏散通道三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真3.疏散模擬分析

(d)T=245s當(dāng)疏散時(shí)間至245s左右時(shí)，全部的人員疏散已完成三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真3.疏散模擬分析