本文是一篇工程管理论文，本文从高校实验楼防火设计优化两大目标出发，以火灾疏散理论和非支配排序遗传算法为基础，结合火灾控制和人员疏散影响因素，构建了高校实验楼防火设计多目标优化模型，将量化结果拟合到火灾疏散仿真软件中，基于BIM技术进行高精度仿真模拟，通过改变喷淋探头、机械排烟、疏散出口数量和疏散出口宽度的设置进行防火设计方案优化研究。
第1章 绪论
1.1研究背景
当前，随着经济快速发展，为满足社会生产、生活、发展等需求，国内逐渐涌现许多大型实验楼、商场等综合性建筑，建筑结构布局复杂性增高，导致消防难度也随之增加。火灾是威胁社会公共安全的重要因素，据应急管理部消防救援局统计，2012年至2021年，中国居住场所发生火灾132.4万起，共造成11634人遇难、6738人受伤，损失77.7亿元财产。从引发火灾原因分析，近十年各类火灾占比如图1-1，电气火灾占42.7%，用火不慎29.8%，吸烟4.6%，玩火1.9%，自燃1.8%，放火1.3%，遗留火种等其它原因占17.9%，可知电气是引发火灾的首要因素[1]。
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实验楼作为提供完善舒适科研环境的场所，具有多数大型电器设备、可燃材料、化学药品等危险物品，易引发火灾，且大型实验楼建筑布局复杂，消防救援工作难度更高。近年，我国发生多起实验楼火灾事故，2018年12月26日，北京交通大学市政与环境工程实验室发生爆炸燃烧，事故造成3人死亡。2019年2月27日，南京工业大学一处实验楼发生火灾，无人在大楼，起火原因可能是实验室电路引发。2020年2月26日，首都师范大学实验楼因电子搅拌机长时间使用导致电线短路起火引发火灾。2021年10月24日，南京航空航天大学将军路校区材料科学与技术学院材料实验室发生爆燃，造成9人受伤，2人死亡。从这些案例可以看出，实验楼因电气设备与材料等原因容易发生火灾，造成不可挽回的损失，重则产生人员伤亡，因此实验楼消防安全是建筑安全防控的重中之重。
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1.2研究目的及意义
1.2.1研究目的
（1）实现Revit、Pyrosim和Pathfinder软件的信息耦合与建筑材料语义丰富化。
IFC标准能高精度定义建筑物与建筑工程数据，将利用Revit软件创建的BIM模型导出IFC格式文件，能够高精度保留建筑数据，再导入Pyrosim软件实现BIM与火灾仿真的信息耦合，将基于IFC的建筑火灾模型文件导入Pathfinder软件，可进行火灾场景下的人员疏散模拟，以实现Revit、Pyrosim和Pathfinder软件的信息耦合。同时，利用BIM的族系统，可对建筑材料进行语义丰富化，以提高火灾场景真实性。
（2）以BIM技术为基础，结合火灾仿真与人员疏散仿真，进行高校实验楼多场景火灾疏散仿真模拟。
提高建模效率，实现建筑火灾疏散三维可视化观察，分析烟气传播过程与人员疏散路径，计算仿真模拟数据，得到各疏散通道的可用安全疏散时间与所需安全疏散时间，根据结果进行建筑消防安全性能和安全风险区域分析。同时，通过火灾仿真与人员疏散模拟可对疏散通道优化方案进行验证分析。
（3）利用NGGA-Ⅱ算法对高校实验楼防火设计进行多目标优化。
高校实验楼出口宽度、出口数量、楼梯数量、走廊喷淋数量等设计直接影响火灾疏散效率。通过分析火灾疏散场景下安全影响因素，结合火灾烟气传播与人员疏散拥堵情况，设计出口宽度、出口数量、楼梯数量、走廊喷淋数量等参数变量的多目标决策优化函数模型，利用非支配排序遗传算法（NGGA-Ⅱ）迭代计算出最优防火设计方案，并通过火灾疏散仿真，验证设计优化方案下高校实验楼火灾疏散安全性能。
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第2章 相关基础理论分析
2.1火灾疏散理论基础
2.1.1火灾仿真理论
计算机火灾仿真模拟是以火灾动力学理论为基础，结合数学模型进行数值模拟。火灾的发展过程伴随着大量烟气产生，由于建筑内部空气压力不平衡，出现不平衡势差，导致烟气出现流动与上升，产生烟囱效应、温度作用、外界风作用和浮力作用。烟气的蔓延会对人体造成伤害，通过计算机火灾仿真模拟一方面可实现对火灾场景下烟气蔓延过程的观察，另一方面，还可以对烟气温度、有害气体浓度、能见度及烟气层高度等烟气信息进行测量与分析。目前应用的火灾仿真模型主要分为四种：网络模型、区域模型、场模型和复合模型。
（1）网络模型是把整个建筑物看作一个受控的单元体，单元体内的所有状态参数（如烟气的浓度、各组成气体的浓度等）都是均匀的，火灾的发展过程表现为整个建筑体的各单元状态参数变化，并将建筑体内部空间用相互连接的网络节点进行划分，网络节点测量记录各单元状态参数，用节点烟气温度、组成气体浓度与时间组成的特性函数描述火灾情况。国内外应用较多的网络模型软件为：英国的BRE、加拿大的IRC、日本的BRI、美国的NIST、荷兰的TNO等。网络模型设定烟气流动与空气相似，只适用于离火源较远的区域[43]。
（2）区域模型是将整个建筑空间划分为不同的单元体，每个单元体内的状态参数是均匀的，并假设能量和物质的转换只发生在区域或边界之间，能够快速估算出火灾发展过程中的烟气状态参数值。目前，已有许多区域模型代表性应用程序：ASET、CFAST、COMPBRN、CCFM-VENTS、FAC3、FIRST等。区域模型考虑了火灾仿真的经济性与可靠性，但只能宏观地观察火灾发展特征，不能精确地计算烟气流动和参数变化过程[44]。
（3）场模型是以流体动力学为基础，利用计算机求解火灾发展过程中烟气的温度、流动速度、有毒气体浓度及组成成分等随时间变化的参数值。场模型对模拟空间进行多次切割，能够细致地模拟火灾场景中烟气状态参数随时间变化的过程，但由于切割空间数量较多，所需模拟的时间也较长，场模型通用软件主要为SOFIE、FDS、JASMINE、PHOENICS等[45]。
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2.2基于BIM的Pyrosim及Pathfinder数据耦合
2.2.1BIM概念及特征
BIM多被称为建筑信息模型（Building Information Modeling），BIM技术是数据共享理念的体现，以建筑模型为基础，将大量信息分类汇总并与实际工程项目相链接，可应用于工程全生命周期。1974年美国Chuck Eastman教授在《AIA杂志》中提出“建筑描述系统”理论，最早出现BIM技术的概念，建筑物可看作由具有相关联系的部件按照特定的空间顺序组成，“建筑描述系统”通过交互式图形语言对建筑构成部件进行编辑和排列组合，并按属性数据分类表赋予构成元素对应材料属性[32]。随着科学技术的发展，1986年Robert Aish在论文中提出BIM的详细理论点，并介绍了三维建模、图表生成与导出、参数化组件和系统数据库等实施相关技术[33]。2002年Jerry Laiserin发表论文将BIM术语广泛传播，得到行业专业及研究学者等的一致认可。到2010年，BIM相关软件进一步开发和宣传，BIM技术逐渐得到广泛推行[34]。可以说，BIM技术是利用建筑信息，通过编辑、排列、储存、交互等方式作用于全生命周期，对项目进行使用和管理，解决信息孤岛现象，实现行业间的信息环流[35]。BIM技术具有可视化、模拟性、协调性、优化性、可出图性等特点，详细描述如下：
（1）可视化。通过对建筑构件的属性和排列等方式进行编辑，以一定的关联性组合可供呈现的信息模型，实现模型可视化。BIM技术的可视化特性实现了二维图纸到三维模型的跨越，通过可视化模型可以直接观察到建筑的结构布局等信息，便于在设计阶段及时发现并修改设计不当之处，同时为项目的管理提供数据信息，解决了二维图纸理解困难和修改复杂等问题。
（2）模拟性。以BIM模型为基础，可在建筑设计、施工、运维等各阶段进行模拟操作，实现全过程模拟。通过模拟预先判断分析各阶段的发展情况，并提前安排合理的方案进行优化处理，提高工程决策的准确性，达到节约资源成本、提高施工效率、确保工程安全等目的。例如：在设计阶段，根据空间布局信息，可以进行碰撞检查、场地布置模拟、管线综合、日照模拟等，以此判断建筑的可行性；在施工阶段，可进行进度计划模拟，判断工程能否顺利完成，还可以进行场地布置模拟，合理进行进度计划和施工方案安排；在运维阶段，可进行火灾仿真及疏散模拟，分析人员疏散过程及消防设计布置等，预先制定安全合理的火灾应急预案[36]。
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第3章 基于BIM的火灾疏散仿真精细化模型 ..................... 23
3.1 建立BIM模型及火灾疏散评价体系 ..................... 23
3.2 基于 Pyrosim 的火灾仿真模型 ........................ 26
3.3 基于 Pathfinder 的疏散仿真模型 ......................... 30
第4章 基于NSGA-Ⅱ的高校实验楼防火设计优化 ........................... 32
4.1 影响火灾疏散的决策变量选取 ....................... 32
4.2 高校实验楼防火设计多目标优化模型 ...................... 34
4.3 基于NSGA-Ⅱ算法的防火设计方案优选 .................... 38
第5章 实证分析 ................................ 42
5.1 工程概况 .............................. 42
5.2 基于防火设计优化的火灾疏散仿真结果对比分析 .................... 42
5.3 优化方案下的高校实验楼火灾疏散性能评价 ............................ 49
第5章 实证分析
5.1工程概况
本文选取某高校实验楼作为案例进行研究分析，该实验楼位于湖北省武汉市，总建筑面积13345m2，建筑物高度24.0m，地上5层，共3部疏散楼梯及1部二层钢结构楼梯，13个出口，可用于火灾疏散出口共10个，实际情况下主要开放3个主出口和3个楼梯口，其建筑模型见图5-1。该实验楼竣工于2011年1月，老旧大型实验设备较多，长时间使用易造成短路，引发火灾；人员数量多且密集度大，疏散过程易产生碰撞和拥挤，火灾风险性较高。实验楼内部房间布局主要包括办公室、电磁重型设备室、电磁模拟实验室、天然地震学实验楼、岩样检测实验室等，建筑一层大厅主要由柱体进行承重，无墙体，为框架设计，二层实验室和办公室较为集中，人员密集度高，若在二层发生火灾，火灾会快速蔓延至整层房间，且考虑烟囱效应，同时烟气向上层扩散，将造成严重损失。因此，设置二层空间为重点危险区域。
该实验楼消防重难点在于疏散出口多但实际只开放部分出口，火灾发生时人员疏散路径混乱，影响疏散时间，且实验室及实验设备多，火灾发展状况难以控制。因此，需从疏散出口和火灾控制两个方向进行优化，提供足够的疏散时间，以提高建筑火灾疏散安全性能。
工程管理论文参考
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第6章 结论与展望
6.1结论
本文从高校实验楼防火设计优化两大目标出发，以火灾疏散理论和非支配排序遗传算法为基础，结合火灾控制和人员疏散影响因素，构建了高校实验楼防火设计多目标优化模型，将量化结果拟合到火灾疏散仿真软件中，基于BIM技术进行高精度仿真模拟，通过改变喷淋探头、机械排烟、疏散出口数量和疏散出口宽度的设置进行防火设计方案优化研究。利用Revit软件建立高校实验楼建筑模型，通过IFC标准文件导入Pyrosim和Pathfinder软件，设置火灾场景和疏散人员参数后进行仿真模拟，针对仿真数据结果分析建筑的火灾疏散安全性能，验证防火设计优化方案的有效性，并优选出最优方案的防火设计措施。主要研究成果如下：
（1）语义丰富化建筑模型。利用Revit软件建立的BIM模型具有建筑材料信息，但不具有比热容、热传导速率等火灾相关信息，需在Pyrosim软件中设置材料属性，并按照设计图纸与建筑构件相匹配，完成语义丰富化，实现精细化火灾疏散仿真。
（2）建立高校实验楼防火设计多目标优化模型。针对控制火灾蔓延和人员疏散效率的关键因素，提取喷淋探头数量、机械排烟口数量、疏散出口宽度、疏散出口数量四个决策变量，在与可用安全疏散时间、所需安全疏散时间和防火设计成本的联系下，建立了以安全裕度和成本为目标的高校实验楼防火设计多目标优化函数模型，并利用NSGA-Ⅱ算法进行求解，得到最优解集。
（3）判断高校实验楼火灾疏散安全性能和确定最优防火设计方案。选取某高校实验楼作为案例，通过Pyrosim和Pathfinder软件进行仿真，结合火灾疏散相关公式计算各方案的安全裕度，得到结果为原始方案下存在安全风险，优化后方案1和方案2下安全裕度分别增加94.1s和71.9s，火灾疏散安全性能得到提升，并选取成本小的方案，确定最优方案为方案2。
参考文献（略）