基于BIM技術(shù)的在建建筑火災(zāi)蔓延規(guī)律模擬研究

張 維, 雷 鳴通信作者, 黃 震, 孟 桐, 萬 健

1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州434023 2.荊州市恒通公路橋梁有限責(zé)任公司,湖北 荊州 434000

0 引言

我國近幾年的火災(zāi)發(fā)生數(shù)呈上升趨勢,火災(zāi)不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,還造成大量的人員傷亡,通過對近10年全國在建建筑火災(zāi)數(shù)據(jù)的收集和分析,可發(fā)現(xiàn)近10年間(2012—2022年)火災(zāi)造成了至少每年3 500人的傷亡。建筑火災(zāi)數(shù)量多、危害大。自2012年起,在建建筑的火災(zāi)平均數(shù)為3 450起。2007年起,《中國消防年鑒》將“建筑工地”這一項(xiàng)分場所的火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)納入其中,反映出在建建筑的火災(zāi)呈現(xiàn)出頻發(fā)的特點(diǎn),說明在建建筑火災(zāi)是不可忽視的一類火災(zāi)[1]。

目前,數(shù)值模擬是火災(zāi)分析的主要方法之一,劉曉東 等[2]利用PyroSim軟件進(jìn)行高層住宅火災(zāi)模擬,分析建筑內(nèi)不同場景火災(zāi)產(chǎn)物的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)封閉消防連廊會(huì)使煙氣往樓梯間蔓延,影響人員疏散。孫鵬飛[3]對地鐵站進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬,通過模擬結(jié)果分析扶梯開口處的風(fēng)速對火災(zāi)煙氣的影響。陳益迪 等[4]通過BIM與FDS技術(shù)對某活動(dòng)中心進(jìn)行數(shù)值模擬,研究發(fā)現(xiàn)樓梯間處窗戶的開啟狀態(tài)比火源處窗戶的狀態(tài)對火災(zāi)產(chǎn)物的影響更大。

建筑工地是一個(gè)多工種、密集型、立體交叉混合作業(yè)的場地,在工程施工期間,明火作業(yè)多、流動(dòng)作業(yè)工種多,存在諸多的火災(zāi)隱患。由于在建建筑自身的特性,與大多數(shù)已建建筑發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性存在很大的區(qū)別。因此本文選用在建建筑作為研究對象,以數(shù)值模擬的方式分析研究在建建筑的火災(zāi)蔓延規(guī)律,從而實(shí)現(xiàn)對在建建筑火災(zāi)事故的防范與預(yù)警,為施工單位實(shí)施自救和消防單位滅火提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 數(shù)值模型建立

1.1 在建建筑工程概況

本文研究的在建建筑工程層高3.1 m,建筑總高度21.5 m,設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)安全等級為2級,房屋耐火等級為2級。

1.2 BIM結(jié)合PyroSim技術(shù)

利用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑的可視化處理以及施工信息管理已經(jīng)越來越普遍,其中Revit軟件作為BIM技術(shù)中應(yīng)用相對成熟的軟件,可精準(zhǔn)定義建筑物的材質(zhì)屬性,提高模型的精細(xì)化程度和建模效率。因此本文考慮使用Revit軟件與PyroSim相結(jié)合,共同模擬分析在建建筑的火災(zāi)情況,利用Revit軟件建立模型,并將其以DXF的格式導(dǎo)入軟件,在PyroSim軟件中進(jìn)行部分材質(zhì)參數(shù)的信息補(bǔ)充。

2 火災(zāi)模擬

2.1 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

火災(zāi)增長因子與最大熱釋放速率是火災(zāi)燃燒過程中影響較大的2個(gè)參數(shù),針對在建建筑施工階段的特點(diǎn),由于裝修階段會(huì)堆積較多泡沫材料及木板,取火災(zāi)增長因子α為0.095 0 kw/s2?；馂?zāi)設(shè)置考慮最不利原則,假設(shè)建筑中無噴淋系統(tǒng)及排煙裝置,將火災(zāi)規(guī)模設(shè)置為8.5 MW,為保證模擬的精確性,采取網(wǎng)格尺寸為0.7 m×0.7 m×0.7 m,總網(wǎng)格數(shù)為496 275個(gè),模擬時(shí)間為10 min。

2.2 火災(zāi)數(shù)值模擬分析

火災(zāi)發(fā)生后,會(huì)釋放大量的熱量并通過煙氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳遞,在空間內(nèi)迅速擴(kuò)散,對人體產(chǎn)生較大的危害。有毒氣體CO、溫度高、能見度低是火災(zāi)模擬研究中對人體產(chǎn)生危害的3種主要因素,設(shè)置探測器模擬監(jiān)測3種因素的蔓延規(guī)律,并通過獲得的數(shù)據(jù)分析各產(chǎn)物的變化趨勢。

2.2.1 CO濃度分析

火災(zāi)在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生多種有害氣體,其中CO對人體的危害更為顯著,CO濃度過高會(huì)導(dǎo)致人體頭暈、呼吸不暢,嚴(yán)重者甚至?xí)卸舅劳?因此將CO濃度500 mg/L設(shè)置為危險(xiǎn)臨界值[4]。在火源層各安全疏散出口處設(shè)置探測器,研究各安全疏散出口處CO濃度的上升規(guī)律(見圖1)。研究發(fā)現(xiàn),中間樓梯間的CO濃度產(chǎn)量及上升速率遠(yuǎn)大于其他位置,但中間1號樓梯間CO濃度的上升速率與最大值高于2號樓梯間。所有樓梯間CO濃度上升趨勢相同,均在300 s時(shí)間內(nèi)上升至最大值,然后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。第207 s時(shí),中間2號樓梯間CO濃度上升至500 mg/L,達(dá)到危險(xiǎn)臨界狀態(tài)。223 s時(shí),中間1號樓梯間達(dá)到危險(xiǎn)臨界狀態(tài),中間失去疏散,其他樓梯間CO濃度在模擬時(shí)長內(nèi)均未上升至危險(xiǎn)臨界值,未達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài),可進(jìn)行安全疏散。

2.2.2 溫度分析

火災(zāi)會(huì)通過熱對流的方式將產(chǎn)生的熱量往外擴(kuò)散,高溫?zé)煔鈺?huì)灼傷人體的呼吸道以及皮膚表層,通過對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行收集分析風(fēng)險(xiǎn)人體能忍受的煙氣層溫度臨界值為60 ℃[6]。在各安全出口處設(shè)置溫度探測器,對其數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析后得到溫度變化曲線(見圖2)。對溫度變化趨勢研究分析后發(fā)現(xiàn),中間2樓梯間上升速率較快,且2個(gè)樓梯間的溫度上升幅度大致相同。左右側(cè)在模擬時(shí)間內(nèi)均未達(dá)到危險(xiǎn)臨界溫度。因單層建筑面積過大,高溫?zé)煔鈹U(kuò)散范圍較小,左右側(cè)的樓梯間的溫度未升至人體臨界溫度60 ℃,中間1號樓梯間在第190 s時(shí)溫度達(dá)到60 ℃,2號樓梯間則是在第187 s時(shí)達(dá)到溫度危險(xiǎn)臨界值。中間樓梯間在200 s時(shí)間內(nèi)已失去疏散能力。

圖1 CO濃度變化曲線圖 圖2 溫度變化曲線

2.2.3 能見度分析

能見度是建筑發(fā)生火災(zāi)后人員是否能安全疏散的決定性因素,考慮在建工程中人員對于建筑較為熟悉,將10 m作為能見度的危險(xiǎn)臨界值[7]。在離地2 m距離處各出口設(shè)置能見度探測器,各安全出口的能見度變化趨勢如圖3所示。對圖3進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),各樓棟樓梯間能見度均在模擬時(shí)長內(nèi)降至10 m以下,但位置能見度下降速率不同,中間位置能見度下降速率明顯快于其他位置,右側(cè)位置的能見度下降速率慢于中間,但是快于左側(cè)。第76 s時(shí),中間1號樓梯間能見度下降至10 m之下,83 s時(shí),中間2號樓梯間能見度降低至臨界值之下,左側(cè)樓梯間在388 s、486 s時(shí)分別降低至10 m之下,右側(cè)樓梯間則分別在第252 s、315 s時(shí)降低至臨界值,在486 s時(shí),所有樓梯間均達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài),失去疏散能力。

圖3 能見度變化曲線

3 優(yōu)化措施

通過對火災(zāi)模擬結(jié)果中各火災(zāi)產(chǎn)物的蔓延規(guī)律進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)能見度的下降對于人員疏散影響最大,在本次模擬試驗(yàn)中,各安全出口能見度在模擬時(shí)長內(nèi)均下降至臨界值10 m之下,在486 s時(shí),本模擬建筑中各樓梯間均達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài),失去疏散能力,分析可發(fā)現(xiàn)各樓梯間達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間不同。因此在優(yōu)化時(shí),主要考慮進(jìn)行人員疏散路徑優(yōu)化,減少人員在危險(xiǎn)樓梯間的通過率,設(shè)置安全指示標(biāo)志和安全管理人員協(xié)助人員疏散,使人員在疏散時(shí)分流,盡量多選擇較為安全的樓梯間進(jìn)行疏散。

4 結(jié)束語

本文通過對某在建建筑進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬,并通過分析其煙氣、CO濃度、溫度及能見度各火災(zāi)產(chǎn)物的變化趨勢,得到以下結(jié)論。

1)在建建筑因其門窗均為打開狀態(tài),且火源熱釋放速率大,各火災(zāi)產(chǎn)物蔓延速率快,其中能見度較CO濃度與溫度而言至臨界值速率更快,對人員疏散影響更大。

2)通過對比火災(zāi)產(chǎn)物對不同位置中樓梯間造成的影響,可發(fā)現(xiàn)中間位置較左右兩側(cè)而言火災(zāi)產(chǎn)物造成的危害更大,這是由于可燃物及火源點(diǎn)設(shè)置在中間位置,因此應(yīng)盡量避免將可燃物堆積在樓梯間旁邊,影響后續(xù)的人員疏散。

3)通過對側(cè)立面的煙氣蔓延圖進(jìn)行觀察分析,發(fā)現(xiàn)煙氣都是由火源層向上蔓延,會(huì)影響火源層上層人員的疏散,因此應(yīng)減少在一層堆積可燃物,避免發(fā)生火災(zāi)時(shí),煙氣往上蔓延影響上層人員疏散。

4)建議施工單位應(yīng)做好用電、用氣、用火及易燃易爆物品的管理工作,禁止非專業(yè)人員進(jìn)行動(dòng)火作業(yè);合理規(guī)劃施工現(xiàn)場平面布局,應(yīng)保證消防疏散通道暢通;同時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行疏散演練,保證施工人員具有基本的自救逃生能力。