涂勁松，程 瑞,李瑞霞

(1.皖西學院 建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012；2.皖西學院 電子與信息工程學院，安徽 六安 237012)

基于BIM信息模型的高校教學樓智能疏散系統(tǒng)研究

涂勁松1，程 瑞1,李瑞霞2

(1.皖西學院 建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012；2.皖西學院 電子與信息工程學院，安徽 六安 237012)

疏散安全問題一直是公共建筑物的核心問題，在商場、教學樓這樣趨于大型化、多功能化及復雜化的建筑里，人員密集，建筑火災、突發(fā)事件時有發(fā)生，在造成人員傷亡和財產損失時也成為社會熱點關注問題。筆者以內地某一教學樓疏散安全問題為研究對象，通過數(shù)據(jù)采集和模擬分析，研發(fā)了智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導向裝置，該裝置與控制室的三維BIM模型對接，實現(xiàn)實時精準疏散導向，大大提高了人員密集的公共建筑疏散效率，降低了安全風險。

疏散速度；路徑選擇；BIM模型；動態(tài)逃生；疏散指示系統(tǒng)

近些年來，我國高校不斷擴招，各類高等教育在校學生總規(guī)模超過3 500萬人。學校人數(shù)的增加，相應教學儀器設備、危險化學產品存有量都增加，同時原有建筑面對增加的人數(shù)讓學校管理難度加大，學校火災隱患隨之增加，突發(fā)事件造成的影響也隨之變大[1]。教學樓疏散成為熱點問題，因此怎樣在火災、突發(fā)事件發(fā)生時使師生逃生更安全、更準確、更迅速，如何利用現(xiàn)代信息控制手段，比如運用三維BIM模型與數(shù)據(jù)測點對接，進行實時預報，對教學樓防災進行預警等成為研究的新課題。

1 高校教學樓人員疏散現(xiàn)狀分析

圖1是在內地一所高校教學樓下課時進行的數(shù)據(jù)圖樣采集情況，從圖中可以看到這所教學樓在上下課期間十分擁擠，并且經常有同學反映在人流中受傷。

圖1 教學樓一個出口

為進一步對教學樓中人員密度、步行速度、疏散速度進行分析，通過采集數(shù)據(jù)建立數(shù)學本構模型。圖2中曲線表示的是從建筑物的一個地方到另外一個地方的運動時間計算的關鍵是速度和人員的流動。

圖2 人員密度與行走速度的關系

在速度和人員流動兩個之間的關系可以通過一個等式來表示F=v×D×W(F是每一時間間隔通過一指定點的人流量；v是人員行走速度，D是人流密度，W是疏散通道的寬度)在通道的運動速度和人流量密度有關，密度和行走速度成線性關系，當密度達到5.5人/m2時，行走速度會降為0[2](P37-46)。人員之間的距離和人員之間的密度兩者理論上的關系可以用下面等式來表示：

人員的行走速度和人員的密度有直接關系，在隊列中的人們之間的距離越大，人們可以以正常的步伐快速行走，反之人與人之間的間隔越近行走速度就會變慢，最后只能慢慢移動腳步[3]。實驗測得不同人員密度下隊列流動情況見表1。

表1 不同人員密度下隊列的流動情況

在研究該棟教學樓疏散人流的時候發(fā)現(xiàn)該教學樓人流疏散存在羊群行為，部分通道人員密度很大，造成嚴重堵塞，但是有些通道卻幾乎沒有人，這樣的無序疏散，造成在部分出口大量人群聚集的同時還會造成流體壓縮現(xiàn)象，這樣不但影響疏散，還會造成嚴重的后果。這樣的無序疏散只會導致疏散時間的增加，減少群體的整體疏散時間就必須有一個正確的路徑選擇，在疏散目的地不明確的情況下，中間過渡選擇顯得很重要，會影響最終出口的選擇[4]。在后面的人群看不到前面的情況，不知道前面擁堵了，還會繼續(xù)進去通道，加劇了擁擠程度。

針對教學樓疏散問題在學校對學生進行了問卷調查[5]，問卷內容從不同維度進行設計，共隨機發(fā)放418份，除去信息不完整問卷，回收有效問卷350份。在超過99%的概率保證度和0.05的抽樣誤差下，根據(jù)公式計算(以學校在校生數(shù)量總數(shù)1.5萬)滿足最小樣本容量，保證數(shù)據(jù)滿足研究需要。教學樓疏散問題問卷結果見表2。

表2 教學樓疏散問題問卷結果

在進入教學樓時候，有47.1%的同學不會去主動熟悉安全出口或逃生路線，這樣在發(fā)生日常疏散中或者緊急事故中就會原路返回或者從眾，他們不知道整個教學樓的布局，沒辦法去判斷選擇疏散路徑。從眾和原路返回的同學占了總人數(shù)的48.57%，這個數(shù)據(jù)在設計問卷的時候沒有預期到，只有半數(shù)是同學會自己根據(jù)現(xiàn)場情況進行選擇逃生路線，這樣的結果使得整個教學樓的疏散無序性更加明顯。在避免人流高峰問題上，大部分的同學表明會選擇距離長一點的路徑下樓，不會在人流高峰期去下樓。在選擇智能疏散指示系統(tǒng)上面，絕大同學表示會根據(jù)指示逃生，但是小部分同學質疑設備可靠度。

鑒于以上數(shù)據(jù)和問卷分析，沒有一個合理動態(tài)的疏散路線指示系統(tǒng)，教學樓里面的同學在發(fā)生火災等突發(fā)事件下很難逃生，事故發(fā)生的概率大幅度提高?，F(xiàn)有的智能系統(tǒng)只能實現(xiàn)火災報警系統(tǒng)的聯(lián)動，自動獲取火災的發(fā)生位置等情況，通過預定的算法或者預定的路線生成最佳疏散路線[6]，改變疏散指示燈的方向從而使人們沿著最佳路徑達到安全地帶，但是這個系統(tǒng)存在一定的弊端，會使局部人流量劇增，人員密度增加導致整個疏散速度降低。

2 基于BIM精準聯(lián)動的智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導向裝置設計

如何通過建立建筑物BIM精準模型，實現(xiàn)BIM模型與智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導向裝置聯(lián)動是問題的關鍵。一是通過在建筑內放置火災探測裝置，裝置由煙霧探測、光電探測、溫度探測器組成，當火災探測裝置被觸動后，發(fā)送信號給控制室的BIM建筑模型的關聯(lián)位置，并觸動控制器，同時啟動室內視頻裝置。在控制室人員對建筑物BIM模型精準定位后，控制器可以自動給予疏散照明導向裝置信號，同時控制室可以人工判斷控制疏散照明導向裝置信號。系統(tǒng)工作原理框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

人流量監(jiān)測裝置主要安裝在疏散通道(樓梯、室內通道)位置，按照通道尺寸，將人流量分為擁擠，一般擁擠，正常，控制器能處理，給疏散照明導向裝置控制信號，同時在控制室內可以看到整個建筑的人員流量情況，配合BIM三維建筑模型和現(xiàn)場視頻控制疏散照明導向裝置控制。整個建筑人員流量情況可以在樓的BIM模型上顯示，同時發(fā)送給樓內的人員手機上，讓人員合理安排出行計劃和規(guī)劃路徑。

疏散照明導向裝置有三種裝置，分別按照在走道中部(圖4)，左部疏散通道(以樓梯為例)，右部疏散通道(圖5)。該1號裝置分上下左右四個方向，內部為LED燈，每個方向顯示燈互不相關，燈有紅黃綠三色，其中綠燈對應正常，黃燈警示，紅燈禁止，在發(fā)生火災或者其他斷電情況下，有人員向指示紅燈方向會有語音警示。禁止通行。這個裝置有一鍵檢測系統(tǒng)，檢測時候，可以打開所有開關，檢查電路和LED情況。采用供電和蓄電池結合的電源裝置，日常對蓄電池充電，斷電情況下使用蓄電池。2號裝置安裝在房屋左右端部 ，如樓梯口，圓形燈表示是否可以進去，同時也是按照紅黃綠三色概率設計，作用相同。

該系統(tǒng)和裝置適用于教學樓正常情況下、發(fā)生非火災突發(fā)事件下，組織師生正常疏散下樓，主要通過不同通道人流量來選擇疏散路徑。在應對發(fā)生火災時候，火災探測裝置和人流量感應裝置同時發(fā)揮作用，采集教學樓內數(shù)據(jù)，從而判斷疏散路徑。

圖4 導向裝置圖

圖5 導向裝置圖

3 pathfinder驗算疏散裝置的合理性

運用pathfinder和Revit建模軟件計算了實例中的學校的另一棟新建的教學樓，該教學樓2014開始使用，也出現(xiàn)上下課很擁堵的同樣問題。教學樓共有5個可以疏散的樓梯(按照圖6依次從左向右編號為12345號)，其中5號樓梯由345層連廊鏈接在隔壁辦公樓處，辦公樓人員較少。

圖6 模型南立面圖

圖7 模型背面圖

在pathfinder設置兩種模式，第一種根據(jù)實際調查情況，大多數(shù)同學都是從3號4號樓梯進去教學樓，下課期間大多數(shù)同學從3號、4號下樓，而5號樓梯幾乎很少有同學使用?，F(xiàn)場試驗了幾組數(shù)據(jù)，在上午1～2兩節(jié)課下課時間從6樓選擇不同通道下樓，試驗過程中有部分同學在上樓，3號4號通道發(fā)生嚴重的擁堵，下樓時間見表3從5號樓梯下樓的實際步行距離最遠，但是時間卻是最快，其他通道都發(fā)生了不同程度的擁堵，其中3號樓梯、4號樓梯由于有同學上樓，擁堵程度很大，移動緩慢。

表3 下樓時間

根據(jù)pathfinder計算出來整個教學樓所有成員都疏散完時間是519.8 s。

第二種模式設置模擬了在steering模型下人員的疏散，最后用時390.4 s。兩種模式相差179.4 s，模擬表明發(fā)生擁堵時候疏散會使整體疏散時間大大增加，選擇合理的疏散路徑會使整體疏散時間降低。智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導向裝置就是在發(fā)生火災或者突發(fā)事件時候，合理分配人流和疏散路徑，避免因為擁堵從而疏散時間降低。

4 結論

從文章的分析可以看出，人群在疏散的時候，密度過大會導致人群整體疏散速度的降低，在教學樓這樣人群高度密集的地方，經常發(fā)生由于擁堵導致疏散速度降低的情況，還會使踩踏事故等事件發(fā)生的概率提高，緊急疏散一方面需要合理安排人員規(guī)劃疏散路徑和控制疏散人流量，另一方面還需要加強學生對相關疏散逃生知識的學習。文中提到的智能疏散指示系統(tǒng)和疏散照明導向裝置可以根據(jù)現(xiàn)場情況對人員進行疏散導向，通過pathfinder軟件模擬論證這樣的疏散時間可以較原來的模式大大減少。

[1]張志魁.基于Pyrosim和Pathfinder的建筑火災數(shù)值模擬和安全疏散研究[D].天津：天津理工大學(碩士學位論文)，2015.

[2]李引擎.建筑防火性能化設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[3]楊毅.商業(yè)建筑防火與安全疏散設計的研究[D].天津：天津大學(碩士學位論文)，2007.

[4]朱孔金.建筑內典型區(qū)域人員疏散特性及疏散策略研究[D].合肥：中國科學技術大學(博士學位論文)，2013.

[5]趙國敏，黃晨.復雜建筑人員個體特征及疏散行為規(guī)律調查研究[J].天津城市建設學院學報，2012(4)：296-299.

[6]王卉，陳靜.智能應急疏散照明系統(tǒng)的應用[J].智能建筑電氣技術，2012(4)：16-19.

Research on the Evacuation for Teaching Buildingin University Based on BIM Model

TU Jinsong1, CHENG Rui1, LI Ruixia2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China;2.SchoolofInformationEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China)

Evacuation safety is the core issue of public buildings, shopping malls and academic building becoming large-scale, multi-functional and complex building, personnel intensive, building fire emergencies, has also become a hot social concern in causing casualties and property losses. In this paper, the evacuation safety of a teaching building in the mainland is studied in this paper, Research and development of intelligent evacuation system and evacuation lighting guiding device through the data collection and analysis, 3D BIM model of docking the device and the control room, to achieve real-time accurate evacuation guidance, greatly improving the personnel intensive public building evacuation efficiency, reduce the safety risk.

evacuation speed; evacuation route choice; BIM model; dynamic evacuation; evacuation indication system

2016-11-03

安徽省教育廳自然科學基金重點項目“基于cloud-BIM工程項目管理設計施工協(xié)同機制研究”(KJ2016A743)；國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(201510376009、201510376010)。

涂勁松(1977-)，男，安徽霍邱人，碩士，副教授，研究方向：BIM全過程壽命周期管理；程瑞(1995-)，男，安徽廬江人，本科生，研究方向：火災人員疏散。

TU244.3

A

1009-9735(2017)02-0129-04