基于BIM技术的室内火灾应急疏散问题研究

 基于BIM技术的室内火灾应急疏散问题研究

张亮

辽宁开大建设集团有限公司 辽宁阜新123000

摘要：当人员密集场所发生突发事件时，疏散人员因恐慌、盲目从众等心理因素对疏散路线的选择存在限制，拥挤人群容易发生踩踏事故。如何安全、快速地疏散室内人员成为社会关注的焦点。本文研究了室内应急疏散的安全性，总结了人员疏散过程中的应急疏散问题。 在综合考虑疏散模型、路径优化模型、人员通过时间和引导因素的前提下，为应急疏散提供理论依据。

关键词：疏散路径；BIM技术；建筑信息模型；应急疏散

作者简介：张亮（1981-），汉族，辽宁黑山人，副高级工程师，辽宁开大建设集团有限公司。

0 引言

近年来，火灾、地震等突发事件的频率不断增加。在发生紧急情况时，迅速将现场人员疏散到安全区域非常重要。尤其是大型公共室内场景，其特点是人流密度高。在紧急疏散的情况下，由于盲目跟随人群，习惯性地选择就近的楼梯逃生，极有可能造成楼梯拥堵，引发踩踏事故，造成更多人员伤亡。

紧急疏散过程中，人群过于密集、拥挤，导致短时间内大量人员拥堵，造成挤压和踩踏事故，对疏散人员的人身安全构成极大威胁。因此，如何提供一种适应室内密集人员的疏散方式，能够更好地保障生命安全，成为现今社会关注的焦点。

1 室内火灾人员疏散仿真模拟的应用

时代和经济的高速发展带动建筑规模的不断扩大，建筑结构所包含的信息也随之增多。人们对建筑物内部环境的不确定性较多，因此在发生事故时往往会做出错误的判断，严重时会造成财产损失或人员伤亡。 基于以上背景，学者们发现建筑行业新兴的BIM技术凭借其可视性、可模拟性、协调性和优化性等优势，可以很好地应用于室内疏散模拟。研究主要集中在BIM技术施工模拟场景和疏散软件模拟操作两个方面。

1.1 BIM技术在室内火灾人员疏散仿真模拟的应用

目前对BIM有三种定义：建筑信息模型、建筑信息管理和建筑集成管理。BIM是在整个生命周期内生成、使用和管理建筑数据的过程。BIM是建筑行业的新兴技术，发展历史较短，但国内外研究成果丰硕。研究成果主要集中在BIM在设计阶段和施工阶段的应用，而BIM在应急疏散中的应用研究成果相对较少。

我国BIM技术在应急疏散中的应用主要是利用BIM软件建立三维模型，利用模型的可视化和疏散软件计算来模拟疏散过程，得到疏散时间和疏散路径。未来，BIM技术可以与一些现代信息工具相结合，如GIS、RFID、传感器技术等，结合多种技术的优势，实现人员疏散系统的真正智能化。

1.2 人员疏散仿真模拟的应用

近年来，由于火灾事故的频繁发生，火灾应急管理的研究越来越受到重视。研究内容主要包括：建筑火灾风险评估、建筑防火性能优化设计、人员应急疏散等。其中，疏散仿真模拟包括疏散模型、疏散模拟、疏散路径、疏散主体行为等。

疏散模拟软件种类繁多（包括STEP、EXODUS、SIMULEX、Crowd Dynamics等），其中Pathfinder是近年来备受关注的软件。Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering开发的基于人员运动的模拟器。它提供图形用户界面的仿真设计和执行，以及3D可视化工具的分析结果。Pathfinder有两种模拟模式：SFPE模式和Steering模式。 SFPE模式不考虑冲突。移动方式以通过出口的人流量为依据，通过出口的人流量由出口的宽度决定。Steering模式通过路径规划、引导机制和碰撞处理来控制行人的运动，并在发生拥堵时自动选择其他路线。

2室内人员疏散的特点分析

随着社会经济的发展，城镇化水平逐步提高，大型公共场所等基础设施建设也越来越快。各类公共场所由于人群密集集中和缺乏应急预案等存在潜在的安全隐患，包括各类突发事件，往往导致人员在室内形成拥挤，甚至引发踩踏事故。所以，如何优化人群疏散路径和流程，提高整体疏散效率是室内人员疏散研究的重点。人员疏散是一个多学科的研究领域，人的心理复杂性、疏散模型的建立、室内环境信息的准确性等是研究人员关注的重点。

2.1疏散人员行为分析

（1）从众行为

紧急疏散时，由于个人情绪紧张和面对陌生环境的恐慌心理因素，如个人判断能力减弱，更愿意跟随周围的人一起逃生，多数人的逃生方向对个人逃生方向的决定产生影响，个人表现出与周围人的类似行为称为从众行为。

（2）组团行为

在人群疏散过程中，个人会根据关系的亲密程度，组成临时群体，如家人、朋友、同事等，在疏散过程中成群逃生。因此，人群分组的行为是人群疏散模拟中不可忽视的一个因素。

（3）恐慌行为

当突发事件发生时，人们受到外界环境的影响，内心的恐慌或他人恐慌的蔓延，使自己的心理行为变得异常，影响判断，导致不合理的疏散行为。

2.2疏散引导作用分析

大型公共场所通常都有相应的工作人员。在紧急情况下，这些工作人员在整个疏散过程中发挥引导作用，被称为疏散过程的引导者。有研究人员通过对众多人群疏散案例的分析发现，有组织的疏散引导可以有效缓解紧急疏散人员的恐慌程度，减少人员伤亡。

2.3 BIM技术在应急疏散中的利用

BIM具有强大的信息处理功能。面向建筑全生命周期的BIM技术将各个阶段的信息汇集在一起，为信息化管理提供有效帮助。通过BIM技术可以建立三维可视化BIM模型。BIM模型具有丰富的建筑结构和语义信息，为应急疏散建模提供了更加真实的场景。通过BIM模型和Pathfinder软件的结合，提取BIM模型的关键信息并导入疏散软件，简化了BIM模型的整体体积。两者结合使系统更强大，信息更丰富，疏散过程更为直观。

3室内应急疏散安全问题研究

3.1疏散仿真软件的选取

常见的疏散方式分为无组织疏散和有组织疏散。本文在无组织疏散条件的前提下，结合BIM模型和Pathfinder软件，在设置参数和设计系统对比的基础上，通过分析某宿舍楼人员疏散过程，总结疏散过程中存在的问题。

3.2建立应急疏散模型

利用计算机模拟技术对建筑物进行建模，与现场实际疏散相比，可以节省大量的人力物力，并使用与真实信息一致的BIM模型，更好地在计算机端展示和使用建筑物，起到更好的效果。

利用Pathfinder仿真软件需要从模型中提取门、楼梯、出口、电梯间等重要信息，但BIM模型无法直接导入Pathfinder软件。 BIM模型可以转换成Pathfinder软件支持的DXF格式文件。使用Revit 2018软件将BIM模型导出为DXF格式文件，将DXF文件导入Pathfinder软件，然后用软件自带工具将各楼层提取出来，将多余的外墙结构删除，以便更好的展示，如图1所示。

图1 应急疏散模型建立

3.3 设置模型参数

该模型不仅需要楼层和楼梯的信息，还需要设置疏散人群的详细数据，并对人员参数的选取和部分参数的创建进行详细描述。 Pathfinder模式设置为“Steering”，每个人的行为设置为“Go to Any Exit”。

3.4 无组织应急疏散问题分析

（1）楼梯间拥堵问题

疏散开始时，所有人员同时疏散，楼梯间迅速产生拥堵，利用Pathfinder软件进行楼梯间人员密度监控，得到楼梯间人员疏散情况，楼梯间疏散能力有限，楼梯人员密度迅速上升，造成大量人员拥挤，随着楼层的增加，楼梯间拥挤的程度和持续时间也相应增加。通过对以往紧急疏散案例的分析发现，疏散人员长时间拥挤或滞留在房间内会对其人身安全构成极大威胁。

（2）疏散人员盲目走动问题

在模拟软件中，可以真实地模拟疏散场景。疏散过程中，人员会通过判断出口的远近先行选择离自己较近的出口进行疏散，但当楼梯堵塞使人员滞留时间较长时，疏散人员会选择疏散到其他出口，但在偏离最优路径的同时，人员疏散方向发生变化。在无组织的疏散中，没有明确的疏散方向和路径会对疏散人员的心理和行为产生不利影响，人员疏散拥堵如图2所示。

（3）出口未充分利用问题

在无组织疏散的情况下，就近疏散是局部人群的最优解，但在多出口场景下，就近选择可能不是整体最优解。通过软件模拟可知，所有的出口都充分进行疏散时整体的疏散效率才能达到最大化，故在无组织疏散时，由于并未有引导因素的影响，人们采取自由疏散的策略，往往得到的是局部的最优解而不是疏散效率最大化。

图2 人员疏散拥堵现象

4 结语

通过文献分析、模拟仿真分析，对于室内火灾情况下人员疏散的路径优化问题提出以下建议：

（1）针对建筑建设和使用阶段:

1）设计阶段：在建筑全生命周期的设计阶段，尽可能推广BIM技术，提前进行模拟检测，发现存在的结构问题，进行优化设计，重点是楼梯和出口的优化设计；

2）施工阶段：从建筑材料和内部设施入手，尽量选用耐火等级高的材料，提高建筑整体耐火等级；

3）运维阶段：在建筑物的运维阶段，应完善报警设备、火灾监控设备和灭火设备，并在建筑物内部全面覆盖疏散标志。

（2）针对室内疏散人员:

1）快速远离火源楼层，第一时间远离火源点至关重要；

2）熟悉建筑物内的疏散标志，参加疏散演练，提高逃生能力；

3）发生火灾时要保持清醒的头脑，尽量服从工作人员的疏散指示。

参考文献：

[1]吴军梅.基于BIM的施工现场劳务人员安全疏散研究[D].西安:西安建筑科技大学,2015.

[2]吕惠,刘向远,王英龙,周睿.人群疏散出口障碍物对疏散效率的影响规律研究[J].中国安全生产科学技术,2020,16(01),141-145.

[3]张小英,马晓茜,陶平.高层建筑火灾时的人员安全疏散性能[J].华南理工大学学报:自然科学版,2008(6):124-126+144.

[4]田水承,陈洋,沈小清等.基于Pathfinder对出口形状的疏散模拟及优化[J].消防科学与技术,2018,37(12):1660-1662．

[5]袁江滢,程友鹏,叶丽芬等.楼梯位置对高校宿舍楼人员疏散安全性影响研究[J].消防科学与技术,2018,37(9):1195-1198．

[6]王静,王伟,柯琪材等.基于Pathfinder的某高校图书馆人员疏散模拟研究[J].安防科技,2011,(6):3-7．

[7]朱伟,王亚飞,马英楠等.紧急疏散路径选择行为的实验研究[J]中国安全生产科学技术，2016.12(3):115-121.

[8]王春雪,吕淑然.人员应急疏散仿真工程软件——Pathfinder[M].化学工业出版社,2016.

[9]肖木峰,周西华,白刚,王珏,潘新新.基于Pathfinder的装配式建筑施工安全应急疏散研究[J].中国安全生产科学技术,2021,17(07):124-129.