言 娟,徐黎明

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213000)

在建筑設(shè)計領(lǐng)域，建筑安全事故具有不確定性，因此對于建筑應(yīng)急安全問題一直是相關(guān)部門的研究重點(diǎn)[1]。建筑應(yīng)急疏散作為確保建筑應(yīng)急安全方面中重要內(nèi)容，目的是在建筑發(fā)生安全事故的第一時間，能夠快速撤離人員，避免人員傷亡。針對建筑應(yīng)急疏散路徑的設(shè)計是建筑應(yīng)急疏散中的主要內(nèi)容，考慮到在建筑應(yīng)急疏散過程中不可避免的是人在災(zāi)難面前的恐慌情緒，在此必要前提條件下，為保證建筑應(yīng)急疏散工作能夠順利進(jìn)行，必須優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑，最大限度保證建筑應(yīng)急疏散路徑的合理性以及適用性[2]。因此，對于建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化最重要的是，能夠解決建筑應(yīng)急人員擁擠問題，實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急人員應(yīng)急疏散功能，選擇最優(yōu)的路徑到達(dá)安全地點(diǎn)。目前建筑應(yīng)急疏散路徑選擇主要是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及遺傳算法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑。此種方法的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化計算過程十分復(fù)雜，且只能取得局部最優(yōu)解，而非全局最優(yōu)解；另外，為考慮時空因素，導(dǎo)致建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化存在很大的局限性。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中存在的問題，在考慮時空擁擠度的基礎(chǔ)上，將BIM應(yīng)用在建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中，致力于提高建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的合理度。

1 時空擁擠度分析

時空擁擠度是基于時空維度提出的，主要針對擁擠度的時效性特點(diǎn)，即擁擠度會隨時間的變化而變化[3]。時空擁擠度能夠表明在當(dāng)下限定空間內(nèi)，人數(shù)與空間之間的所占比例，人數(shù)與空間之間的所占比例越大，證明時空擁擠度高，空間擁擠現(xiàn)象越嚴(yán)重；人數(shù)與空間之間占比越小，證明時空擁擠度越低，空間擁擠現(xiàn)象越輕微。時空擁擠度主要適用于封閉性建筑中，時空擁擠度能夠衡量該空間在當(dāng)下時間中的流通量，一旦在封閉性建筑中出現(xiàn)大量客流滯留的現(xiàn)象，必然會導(dǎo)致該空間時空擁擠度上升，空間擁堵風(fēng)險等級升高。因此，本文以時空擁擠度作為建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)，通過制定有效的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化措施，確保建筑空間客流量在可控范圍內(nèi)。

2 BIM技術(shù)分析

BIM又稱建筑信息模型，主要用于表達(dá)建筑施工中難以直觀表示的三維立體圖像與導(dǎo)向類建筑物[4]。早在2001年就有學(xué)者將BIM應(yīng)用在建筑設(shè)計中，建立建筑設(shè)計信息模型，只需要在模型中修改控制當(dāng)量，便可以得到不同參數(shù)形態(tài)下的建筑結(jié)構(gòu)，得出建筑設(shè)計最優(yōu)的結(jié)果。BIM是以數(shù)字化和信息化來展示設(shè)計項目所有信息的一種方式，能夠在建筑領(lǐng)域取得較好的應(yīng)用效果?；诖?，本文將BIM應(yīng)用在建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中，通過BIM項目虛擬化建模實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑可視化優(yōu)化設(shè)計。在該模型中，項目管理者可以將建筑應(yīng)急疏散路徑設(shè)計各個階段的信息進(jìn)行資源共享和分析。通過BIM技術(shù)進(jìn)行建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容，具體應(yīng)用內(nèi)容，詳見下文。

3 建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法

3.1 設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑時空指標(biāo)

在建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化過程中，考慮到建筑應(yīng)急疏散具備實(shí)時性以及不確定性的特點(diǎn)，本文基于時空擁擠度中對于時空維度的考慮合理設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時空指標(biāo)[5]。設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時空指標(biāo)，作為評判建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度的關(guān)鍵參數(shù)。建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時空指標(biāo)具體內(nèi)容見表1。

表1 建筑應(yīng)急疏散路徑時空指標(biāo)

根據(jù)表1可知，本文選取4個時空指標(biāo)作為本次建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中衡量時空擁擠度的核心指標(biāo)，為下文判斷建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度提供基礎(chǔ)指標(biāo)。

3.2 判斷建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度

在設(shè)置建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時空指標(biāo)的基礎(chǔ)上，基于時空擁擠度，判斷建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度[6]。首先，設(shè)平均客流密度的計算表達(dá)式為p，將p代入平穩(wěn)狀態(tài)方程式，可得公式(1)。

(1)

公式(1)中，n表示建筑空間內(nèi)總客流量；s表示建筑空間面積。通過公式(1)計算，p值越大證明此時建筑平均密度空間分布越聚集，建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度越大；反之越小。運(yùn)用時空擁擠度，直觀描述建筑內(nèi)客流的平均疏散速度。設(shè)客流的平均疏散速度的計算表達(dá)式為v，可得計算公式(2)。

(2)

公式(2)中，i表示建筑空間擁堵系數(shù)，為實(shí)數(shù)；h表示建筑空間擁堵系數(shù)的疏散速度。v值越大證明平均速度空間分布越緩慢，建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度越大；反之越小。針對平均客流密度的計算以時空擁擠度中的時間跨度最小為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)平均客流密度計算表達(dá)式為j，可得公式(3)。

(3)

公式(3)中，E表示建筑空間擁堵風(fēng)險等級評價時刻。j值越大證明建筑瞬時密度空間分布越聚集，建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度越大；反之越小。最后，計算建筑客流量密度持續(xù)時間，設(shè)其表達(dá)式為t，可得公式(4)。

(4)

公式(4)中，k表示時刻精度。t值越大，表示高于指定密度的持續(xù)時間越長，建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度越大；反之越小。通過基于時空擁擠度計算上述建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化時空指標(biāo)系數(shù)，對計算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類，進(jìn)而獲取更為準(zhǔn)確的建筑應(yīng)急疏散路徑時空擁擠度判斷相關(guān)本體類[7]。以綜合得出的時空擁擠度為依據(jù)，盡可能選擇出時空擁擠度低的建筑應(yīng)急疏散路徑。

3.3 基于BIM技術(shù)計算建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度

以選擇時空擁擠度低的建筑應(yīng)急疏散路徑為建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化原則，基于BIM計算建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度，以此作為判據(jù)，得出建筑應(yīng)急疏散路徑下一步的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[8]。基于BIM中Rhino參數(shù)化，通過BIM項目虛擬化建模實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑可視化優(yōu)化設(shè)計，在BIM模型中輸入建筑應(yīng)急疏散路徑結(jié)構(gòu)參數(shù)。將建筑應(yīng)急疏散移動空間設(shè)置為C，結(jié)合建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化行進(jìn)方向，設(shè)定建筑內(nèi)人員的自由度設(shè)置為6[9]。通過BIM計算建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度，設(shè)建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度為j1(v)， 則其公式如下式(5)所示。

(5)

公式(5)中，τ表示建筑應(yīng)急疏散路徑的信息素量；t表示建筑應(yīng)急疏散時刻；α表示建筑應(yīng)急疏散路徑啟發(fā)信息權(quán)重；η表示建筑應(yīng)急疏散路徑集合；β表示建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化決策影響程度系數(shù)[10]。通過公式(5)，得出建筑應(yīng)急疏散路徑信息素濃度，選取j1(v)數(shù)值最大時建筑應(yīng)急疏散路徑作為下一步的轉(zhuǎn)移點(diǎn)位，通過BIM建筑信息模型統(tǒng)一建筑應(yīng)急疏散路徑信息中的參數(shù)屬性，將建筑應(yīng)急疏散路徑算量信息屬性與BIM模型相關(guān)聯(lián)，如此遞歸迭代下去，實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化。

3.4 建立建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)

在明確建筑應(yīng)急疏散路徑轉(zhuǎn)移點(diǎn)位的前提下，利用BIM建立疏散路徑適應(yīng)度函數(shù)[11]。通過BIM對建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理可分為兩部分。第一部分為對建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)處理時，標(biāo)志著建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化偏轉(zhuǎn)角的調(diào)整尺度；第二部分引入蒸發(fā)因子，將切分后影響數(shù)據(jù)精度的環(huán)境因素進(jìn)行ColumnGroup定義，其定義的目的是為后續(xù)數(shù)據(jù)計算提供方便[12]。設(shè)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)為q，可得公式(6)。

q=aj1(v)p(x)+bj1(v)p(y)+cj1(v)p(z)+d

(6)

在公式(6)中，a、b、c表示環(huán)境因素等懲罰系數(shù)，為實(shí)數(shù)；p表示蒸發(fā)因子；x、y、z表示建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化特征聚類的融合概率密度函數(shù)；d表示環(huán)境影響系數(shù)，為實(shí)數(shù)。通過公式(6)，可以有效提高全局收斂性[13]。采用BIM中的啟發(fā)式因子特征分解方法，降維處理建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)，得到建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)的降維表達(dá)式，如公式(7)所示。

(7)

公式(7)中，p(x∩y∩z)指的是建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化特征信息融合的交叉分布概念集。以MySQL為統(tǒng)一格式，結(jié)合TCP/IP服務(wù)器以及A/D轉(zhuǎn)換協(xié)議對建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化信息進(jìn)行實(shí)時讀取以及相應(yīng)的管理。

3.5 實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化

建立建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)后，為進(jìn)一步提高建筑應(yīng)急疏散路徑合理度，實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化，還需要剔除掉建筑應(yīng)急疏散路徑中的環(huán)境影響因素，進(jìn)而提高建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的合理度[14-15]。建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化示意圖，如圖1所示。

圖1 建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化示意

通過圖1可知，通過全局路徑尋優(yōu)，選擇滿足建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化約束條件的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以及后繼節(jié)點(diǎn)。因此，設(shè)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方程式為PNP，則有公式(8)。

(8)

公式(8)中，f指的是建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化信息特征的權(quán)重。通過公式(8)可以得出建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化全局尋優(yōu)結(jié)果，將此結(jié)果輸出，作為建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化最終決定方案。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗準(zhǔn)備

構(gòu)建實(shí)例分析，實(shí)驗對象選取某城市建筑。該建筑具體信息見表2。

表2 建筑具體信息

本次實(shí)驗對象的建筑具體信息見表2。依據(jù)《通行能力理論》，將客流在建筑內(nèi)平均步行速度設(shè)定為2 m·s-1，駕車速度為15 m·s-1。在保證實(shí)驗具有有效性的前提下，選擇同一個測試指標(biāo)進(jìn)行，實(shí)驗的內(nèi)容為測試本文基于時空擁擠度與BIM設(shè)計路徑優(yōu)化方法與傳統(tǒng)路徑優(yōu)化方法之間的路徑優(yōu)化合理度，路徑優(yōu)化合理度越高證明該路徑優(yōu)化方法規(guī)劃精度越高。在此次的實(shí)驗中，首先使用本文設(shè)計方法優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑，通過MATLAB測得路徑優(yōu)化合理度，使其為實(shí)驗組；再使用傳統(tǒng)方法優(yōu)化建筑應(yīng)急疏散路徑，同樣通過MATLAB測得路徑優(yōu)化合理度，設(shè)其為對照組，共進(jìn)行10次對比實(shí)驗，并記錄實(shí)驗結(jié)果。

4.2 實(shí)驗結(jié)果分析

4.2.1 實(shí)驗數(shù)據(jù)

整理實(shí)驗數(shù)據(jù)，見表3。

表3 路徑優(yōu)化合理度對比

通過表3可知，本文基于時空擁擠度與BIM設(shè)計的路徑優(yōu)化方法建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化合理度明顯高于對照組，建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化可行性更強(qiáng)，更具有推廣以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

4.2.2 實(shí)驗結(jié)果

經(jīng)過上述分析與驗證，不僅從理論上證明了基于時空擁擠度與BIM的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化的有效性，在經(jīng)過實(shí)驗后，也表明了本文方法在實(shí)際應(yīng)用中，規(guī)劃的路徑更加合理，具有較高的實(shí)用價值，在未來建議推廣使用。

5 結(jié) 論

通過上述研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化中存在的問題。由此可見，本文設(shè)計的建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)該堅持以時空擁擠度為核心參數(shù)，應(yīng)用BIM技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)建筑應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化。但本文不足之處在于沒有針對建筑應(yīng)急消防通道的設(shè)計加以深入研究，在后續(xù)研究中可以加以補(bǔ)足，希望為提高建筑的應(yīng)急疏散性能提供專業(yè)化指導(dǎo)。