第五讲基于BIM的地铁车站火灾模拟与疏散仿真

基于BIM的地铁车站火灾模拟与疏散仿真2019年7月第五讲石家庄铁道大学一、地铁车站应急管理BIM模型建模地铁车站建筑结构模型一般包括墙、梁、板、柱、门窗等基础构件，需要获取的信息主要为相关尺寸、空间位置、材质信息等。以某地下两层岛式车站为例建立地铁车站建筑结构模型，该车站地下一层为站厅层，地下二层为站台层。某地铁车站应急管理BIM模型展示1.地铁车站建筑结构模型

添加地铁车站基础构件时除了注意尺寸、位置等参数，还应添加相应的材质信息。必要时，对部分基础构件，如防火分区墙等，添加耐火等级等信息，以供后期进行火灾模拟使用。一、地铁车站应急管理BIM模型建模站厅层防火分区墙基本信息1.地铁车站建筑结构模型站厅模型剖面图站台模型剖面图一、地铁车站应急管理BIM模型建模1.地铁车站建筑结构模型一、地铁车站应急管理BIM模型建模站台层空间展示站厅层空间展示1.地铁车站建筑结构模型一、地铁车站应急管理BIM模型建模隐藏部分图元后的楼梯展示1.地铁车站建筑结构模型一、地铁车站应急管理BIM模型建模2.地铁车站基础设施模型基础设施模型包括售票机、闸机、扶梯、屏蔽门、疏散标志等，在Revit平台下，没有某些基础设施没有标准的族样，所以大部分基础设施模型需要通过搜集相关资料进行单独内建。扶梯建模效果展示一、地铁车站应急管理BIM模型建模2.地铁车站基础设施模型闸机及隔离栏杆建模效果展示一、地铁车站应急管理BIM模型建模2.地铁车站基础设施模型屏蔽门建模效果展示二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟将BIM技术与Pyrosim火灾模拟软件结合，利用BIM技术的优势，优化原有的工作流程，在Pyrosim中实现基于BIM的火灾模拟。Pyrosim软件集成了FDS火灾模拟软件中的FDS和SmokeView两个部分。它能提供一个图形用户界面，自动完成FDS文件的编写，建模完成后，可调用FDS计算核心，然后调用SmokeView进行计算结果后处理并显示。二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟1.Revit软件与Pyrosim软件数据交流Revit软件和Pyrosim软件数据流通的通用文件格式为DXF格式。将地铁车站BIM模型从Revit中导出为DXF格式,然后将DXF文件导入进Pyrosim中。DXF文件导入Pyrosim效果展示二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟2.地铁车站BIM模型建立地铁车站BIM模型是对整个地铁车站的3D数字化真实的描述，为火灾模拟与应急疏散仿真提供基础环境，所建立的地铁车站BIM模型为两层岛式地下车站，其中地下一层、二层分别为站厅层和站台层。名称参数数值站台层长118m宽12m站厅层长95m宽21.5m站台层与站厅层高差高差5.0m扶梯数量3部（直梯1，楼梯2）出入口数量4个检票口数量4个相邻的闸机中心距离0.85m跨度长1.2m二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟2.地铁车站BIM模型建立地铁车站站厅层平面地铁车站站台层平面二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟3.基于BIM与Pyrosim的火灾模拟流程建立模型PyrosimFDSSmokeview结果分析烟气蔓延过程温度分布CO浓度分布可见度分布模拟运算设定模拟参数火灾模拟运算创建网格创建表面创建障碍物创建通风口创建火源创建探测设备设定反应与材料设置截面二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟4.边界条件与火源参数边界条件与火源参数表序号类型参数1火源位置站台层中心，且无列车停靠2仿真运行时间600s3环境初始温度20℃4环境初始相对湿度50％5应急通风方式站台主风机和两侧站间辅助风机同时排风6火灾增长类型快速火7火灾热释放速率5MW8火源功率增长系数0.0469kW/S2二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟5.地铁车站火灾模拟网格划分由于疏散模型都必须对建筑空间进行描述，以模拟人员在建筑内部的疏散过程。因此，需要对所建的地铁车站BIM模型进行网格细分，共划分397500个0.5m×0.5m×0.5m立方体小网格。地铁车站火灾模拟网格划分分布图二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟6.火灾模拟热电偶布与切片布置为量测对应关键位置点温度、可见度和CO浓度随时间的变化，本次模拟中将四个出入口与站厅层交接位置分别布置四组热电偶，分别在站厅层以及站台层距地面高1.5m处布置切片。地铁车站火灾模拟热电偶布置图二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟6.火灾模拟热电偶布与切片布置地铁车站火灾模拟切片布置图二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟7.

铁车站内火灾烟气模拟结果与分析(a)T=50s(b)T=70s(c)T=125s

(d)T=157s二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟(a)T=50s在50s时烟气通过离火源较近的楼梯口就蔓延到站厅层，并上升到站厅层顶部并向周边蔓延，站厅层迅速有烟气存在；7.

铁车站内火灾烟气模拟结果与分析二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟(b)T=70s在70s时烟气通过离火源较近的楼梯口就蔓延到站厅层，并上升到站厅层顶部并向周边蔓延，站厅层迅速有烟气存在；7.

铁车站内火灾烟气模拟结果与分析二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟(C)T=125s在125s时时，在站台和站台层公共区域已充满大量的烟气；7.

铁车站内火灾烟气模拟结果与分析二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟(d)T=157s在157s时站台、站台层公共区域基本充满烟气，人员已无法疏散逃生。7.

铁车站内火灾烟气模拟结果与分析二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟8.地铁车站内火灾温度模拟结果与分析(a)T=80s(b)T=160s(c)T=230s

(d)T=420s二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟8.地铁车站内火灾温度模拟结果与分析(a)T=80s在火灾发生后的80s左右站台层温度迅速升高，站厅层升高相对较慢二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟8.地铁车站内火灾温度模拟结果与分析(b)T=160s在160s左右时，站台层中间的楼梯口周围已处于危险状态，已影响人员逃生二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟8.地铁车站内火灾温度模拟结果与分析(c)T=230s在230s左右时，站台层左侧的扶梯处也达到危险状态，此时乘客可从右侧楼梯到达站厅层进行疏散；二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟8.地铁车站内火灾温度模拟结果与分析(d)T=420s火灾发生后的420s左右，站台层主要疏散通道附近大面积温度达到60度，已无法进行人员疏散和逃生。二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟9.地铁车站内能见度模拟结果与分析(a)T=48s(b)T=160s(c)T=240s

(d)T=330s二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟9.地铁车站内能见度模拟结果与分析在火灾发生后的48s时，火源周围能见度出现明显下降，此时站厅层的中间楼梯口能见度也开始下降；在160s左右时，站台层的左侧扶梯口和中间楼梯口的能见度低于10m，此时的能见度已不利于人员疏散；而当在240s左右时，此时站厅层和站台层的大部分区域能见度低于10m，已不满足适应人员的疏散要求；在330s左右时，站厅层的出入口能见度也不满足疏散要求。二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟10.地铁车站内CO浓度模拟结果与分析(a)T=135s(b)T=260s(c)T=350s

(d)T=575s二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟10.地铁车站内CO浓度模拟结果与分析(a)T=135s当火灾发生后，将在较短的时间内产生大量CO。在135s时，在站台层最左侧区域已产生大量的CO；二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟10.地铁车站内CO浓度模拟结果与分析(b)T=260s在260s左右时，站台层最左侧CO浓度明显升高；二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟10.地铁车站内CO浓度模拟结果与分析(c)T=350s在350s站台层最左侧CO浓度已经很高，此时的CO浓度已经不利于乘客疏散；二、基于BIM的Pyrosim火灾模拟10.地铁车站内CO浓度模拟结果与分析(d)T=575s在580s左右时，站台层大部分区域CO浓度达到最高，只有最右侧区域相对较低，乘客此时只能从站台层最右侧疏散。总体而言，站厅层CO浓度比站台层浓度较低，对乘客疏散影响较小。三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真1.地铁车站火灾条件下人员安全疏散判定

地铁车站火灾情况下，乘客能否全部疏散到安全区域主要取决于“可用疏散时间”ASET(AvailableSafetyEgressTime)和“人员疏散时间”RSET(RequiredSafetyEgressTime)这两个特征时间之间的比较，其数学描述为形式为：ASET>RSET三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真1.地铁车站火灾条件下人员安全疏散判定在模拟中，将火灾产生的主要危险类别，包括热（温度）、有毒气体（氧化碳）和烟雾遮蔽（能见度）作为估算ASET的不稳定性标准。对三者所达到最短危险状态时间作为可用安全疏散时间ASET的取值。（1）ASET确定：三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真1.地铁车站火灾条件下人员安全疏散判定（2）RSET计算：—火灾探测报警时间—人员预动作时间，指火灾报警到人员开始疏散的这段时间——人员疏散运动时间，min三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真1.地铁车站火灾条件下人员安全疏散判定（3）火灾临界危险状态设置(1)2m高度处能见度低于10m；(2)2m高度处温度超过60℃；(3)2m以下空间内的烟气层中的CO浓度大于1200ppm。三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真2.地铁车站人员疏散仿真环境建立(1)基于BIM模型的车站建筑仿真环境建立采用Pathfinderw人员疏散逃生软件，导入地铁车站BIM模型，实现地铁车站建筑仿真环境的搭建车站BIM模型导入到pathfinder后效果三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真2.地铁车站人员疏散仿真环境建立(2)人员仿真环境建立火灾模拟时的工况为站台起火且无列车停靠，按站台候车区布满乘客工况对疏散人数进行设置。站台候车区的有效面积约为900m2，站台上人流密度取0.5m2/人，站台层疏散人数设为1800人。因站厅层乘客对站台层乘客的疏散影响不大，站厅层设为100人，人员疏散模拟总数1900人。地铁车站内乘客由成年男性（40%）、成年女性（40%）、老人（10%）、儿童（10%）构成。三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真2.地铁车站人员疏散仿真环境建立(2)人员仿真环境建立地铁车站内乘客疏散速度的设定直接影响必须疏散时间REST的计算，为了确保计算疏散时间的准确性，结合火灾情况下人员移动特点并参考SFPE《消防工程手册》中的有关规定，对疏散软件中四类乘客的行走速度进行设定

人员类型坡道和楼梯间上行速度(m/s)坡道和楼梯间下行速度(m/s)水平区域速度(m/s)成年男士0.700.901.30成年女士0.630.801.15儿童0.430.560.86老人0.500.620.79人员疏散速度设置三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真3.疏散模拟分析

在完成地铁车站人员疏散仿真环境建立和人员仿真环境设定后，进行疏散模拟计算。

(a)T=0s

(b)T=17s

(c)T=186s

(d)T=245s三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真3.疏散模拟分析

(a)T=0sT=0s时，为刚初始的人员分布情况三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真3.疏散模拟分析

(b)T=17s在17s时人员开始疏散三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真3.疏散模拟分析

(c)T=186s在186s时,站台层两侧的乘客大部分选择距离较近的疏散通道逃生，但也有部分乘客会会根据疏散通道的人员数量情况，会选择人员较少的疏散通道三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真3.疏散模拟分析

(d)T=245s当疏散时间至245s左右时，全部的人员疏散已完成三、基于BIM的地铁车站人员疏散仿真3.疏散模拟分析