第五講基于BIM的地鐵車站火災模擬與疏散仿真

基于BIM的地鐵車站火災模擬與疏散仿真2019年7月第五講石家莊鐵道大學一、地鐵車站應急管理BIM模型建模地鐵車站建筑結構模型一般包括墻、梁、板、柱、門窗等基礎構件，需要獲取的信息主要為相關尺寸、空間位置、材質信息等。以某地下兩層島式車站為例建立地鐵車站建筑結構模型，該車站地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。某地鐵車站應急管理BIM模型展示1.地鐵車站建筑結構模型

添加地鐵車站基礎構件時除了注意尺寸、位置等參數(shù)，還應添加相應的材質信息。必要時，對部分基礎構件，如防火分區(qū)墻等，添加耐火等級等信息，以供后期進行火災模擬使用。一、地鐵車站應急管理BIM模型建模站廳層防火分區(qū)墻基本信息1.地鐵車站建筑結構模型站廳模型剖面圖站臺模型剖面圖一、地鐵車站應急管理BIM模型建模1.地鐵車站建筑結構模型一、地鐵車站應急管理BIM模型建模站臺層空間展示站廳層空間展示1.地鐵車站建筑結構模型一、地鐵車站應急管理BIM模型建模隱藏部分圖元后的樓梯展示1.地鐵車站建筑結構模型一、地鐵車站應急管理BIM模型建模2.地鐵車站基礎設施模型基礎設施模型包括售票機、閘機、扶梯、屏蔽門、疏散標志等，在Revit平臺下，沒有某些基礎設施沒有標準的族樣，所以大部分基礎設施模型需要通過搜集相關資料進行單獨內建。扶梯建模效果展示一、地鐵車站應急管理BIM模型建模2.地鐵車站基礎設施模型閘機及隔離欄桿建模效果展示一、地鐵車站應急管理BIM模型建模2.地鐵車站基礎設施模型屏蔽門建模效果展示二、基于BIM的Pyrosim火災模擬將BIM技術與Pyrosim火災模擬軟件結合，利用BIM技術的優(yōu)勢，優(yōu)化原有的工作流程，在Pyrosim中實現(xiàn)基于BIM的火災模擬。Pyrosim軟件集成了FDS火災模擬軟件中的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，可調用FDS計算核心，然后調用SmokeView進行計算結果后處理并顯示。二、基于BIM的Pyrosim火災模擬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中導出為DXF格式,然后將DXF文件導入進Pyrosim中。DXF文件導入Pyrosim效果展示二、基于BIM的Pyrosim火災模擬2.地鐵車站BIM模型建立地鐵車站BIM模型是對整個地鐵車站的3D數(shù)字化真實的描述，為火災模擬與應急疏散仿真提供基礎環(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層平面二、基于BIM的Pyrosim火災模擬3.基于BIM與Pyrosim的火災模擬流程建立模型PyrosimFDSSmokeview結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定模擬參數(shù)火災模擬運算創(chuàng)建網(wǎng)格創(chuàng)建表面創(chuàng)建障礙物創(chuàng)建通風口創(chuàng)建火源創(chuàng)建探測設備設定反應與材料設置截面二、基于BIM的Pyrosim火災模擬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應急通風方式站臺主風機和兩側站間輔助風機同時排風6火災增長類型快速火7火災熱釋放速率5MW8火源功率增長系數(shù)0.0469kW/S2二、基于BIM的Pyrosim火災模擬5.地鐵車站火災模擬網(wǎng)格劃分由于疏散模型都必須對建筑空間進行描述，以模擬人員在建筑內部的疏散過程。因此，需要對所建的地鐵車站BIM模型進行網(wǎng)格細分，共劃分397500個0.5m×0.5m×0.5m立方體小網(wǎng)格。地鐵車站火災模擬網(wǎng)格劃分分布圖二、基于BIM的Pyrosim火災模擬6.火災模擬熱電偶布與切片布置為量測對應關鍵位置點溫度、可見度和CO濃度隨時間的變化，本次模擬中將四個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層距地面高1.5m處布置切片。地鐵車站火災模擬熱電偶布置圖二、基于BIM的Pyrosim火災模擬6.火災模擬熱電偶布與切片布置地鐵車站火災模擬切片布置圖二、基于BIM的Pyrosim火災模擬7.

鐵車站內火災煙氣模擬結果與分析(a)T=50s(b)T=70s(c)T=125s

(d)T=157s二、基于BIM的Pyrosim火災模擬(a)T=50s在50s時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.

鐵車站內火災煙氣模擬結果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災模擬(b)T=70s在70s時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.

鐵車站內火災煙氣模擬結果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災模擬(C)T=125s在125s時時，在站臺和站臺層公共區(qū)域已充滿大量的煙氣；7.

鐵車站內火災煙氣模擬結果與分析二、基于BIM的Pyrosim火災模擬(d)T=157s在157s時站臺、站臺層公共區(qū)域基本充滿煙氣，人員已無法疏散逃生。7.

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

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

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

(d)T=575s二、基于BIM的Pyrosim火災模擬10.地鐵車站內CO濃度模擬結果與分析(a)T=135s當火災發(fā)生后，將在較短的時間內產(chǎn)生大量CO。在135s時，在站臺層最左側區(qū)域已產(chǎn)生大量的CO；二、基于BIM的Pyrosim火災模擬10.地鐵車站內CO濃度模擬結果與分析(b)T=260s在260s左右時，站臺層最左側CO濃度明顯升高；二、基于BIM的Pyrosim火災模擬10.地鐵車站內CO濃度模擬結果與分析(c)T=350s在350s站臺層最左側CO濃度已經(jīng)很高，此時的CO濃度已經(jīng)不利于乘客疏散；二、基于BIM的Pyrosim火災模擬10.地鐵車站內CO濃度模擬結果與分析(d)T=575s在580s左右時，站臺層大部分區(qū)域CO濃度達到最高，只有最右側區(qū)域相對較低，乘客此時只能從站臺層最右側疏散。總體而言，站廳層CO濃度比站臺層濃度較低，對乘客疏散影響較小。三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災條件下人員安全疏散判定

地鐵車站火災情況下，乘客能否全部疏散到安全區(qū)域主要取決于“可用疏散時間”ASET(AvailableSafetyEgressTime)和“人員疏散時間”RSET(RequiredSafetyEgressTime)這兩個特征時間之間的比較，其數(shù)學描述為形式為：ASET>RSET三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災條件下人員安全疏散判定在模擬中，將火災產(chǎn)生的主要危險類別，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)定性標準。對三者所達到最短危險狀態(tài)時間作為可用安全疏散時間ASET的取值。（1）ASET確定：三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災條件下人員安全疏散判定（2）RSET計算：—火災探測報警時間—人員預動作時間，指火災報警到人員開始疏散的這段時間——人員疏散運動時間，min三、基于BIM的地鐵車站人員疏散仿真1.地鐵車站火災條件下人員安全疏散判定（3）火災臨界危險狀態(tài)設置(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，導入地鐵車站BIM模型，實現(xiàn)地鐵車站建筑仿真環(huán)境的搭建車站BIM模型導入到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)境建立火災模擬時的工況為站臺起火且無列車停靠，按站臺候車區(qū)布滿乘客工況對疏散人數(shù)進行設置。站臺候車區(qū)的有效面積約為900m2，站臺上人流密度取0.5m2/人，站臺層疏散人數(shù)設為1800人。因站廳層乘客對站臺層乘客的疏散影響不大，站廳層設為100人，人員疏散模擬總數(shù)1900人。地鐵車站內乘客由成年男性（40%）、成年女性（40%）、老人（10%）、兒童（10%）構成。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)境建立地鐵車站內乘客疏散速度的設定直接影響必須疏散時間REST的計算，為了確保計算疏散時間的準確性，結合火災情況下人員移動特點并參考SFPE《消防工程手冊》中的有關規(guī)定，對疏散軟件中四類乘客的行走速度進行設定

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)境設定后，進行疏散模擬計算。

(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，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,站臺層兩側的乘客大部分選擇距離較近的疏散通道逃生，但也有部分乘客會會根據(jù)疏散通道的人員數(shù)量情況，會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當疏散時間至245s左右時，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