1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着城镇化进程的加快，城市居住人口不断增多，人们对于居住、医疗、娱乐等方面的需求不断增加，各种大型综合商业楼、高层住宅楼、体育馆、游乐场、医疗中心应运而生，这些建筑都有着内部结构复杂、楼层数多、人群密集等特点。建筑功能的升级必然导致火灾隐患的增加，根据近年来火灾事故统计数据，高层建筑火灾的伤亡率及财产损失金额居高不下，人员的消防应急疏散问题亟待解决，因此需要进行基于 BIM 的建筑消防应急疏散仿真研究，主要研究背景如下：
（1）城镇化建设持续推进，高层建筑物数量增多
改革开放以来，我国城镇化建设取得了显著成果，2019 年我国城镇化率已经突破 60%，城镇人口增加，常住人口为 8.48 亿人，城市数量和建制镇数量都明显增多，初步形成了京津冀、长三角、珠三角三大城市群，带动了城镇化发展步伐[1]。据相关统计数据，我国每年在建建筑面积 130 多亿平米，高层建筑已达 62 万多栋，现有百米以上超高层 6000 余幢，年均增长率达 8%，是世界年均增长率的 2.5 倍。高层建筑层数多、竖向管井密布、功能复杂、人员密集、火灾负荷大，起火后易造成大面积充烟和立体燃烧，给火灾防控和灭火救援工作带来严峻挑战。
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着城镇化进程的加快，城市居住人口不断增多，人们对于居住、医疗、娱乐等方面的需求不断增加，各种大型综合商业楼、高层住宅楼、体育馆、游乐场、医疗中心应运而生，这些建筑都有着内部结构复杂、楼层数多、人群密集等特点。建筑功能的升级必然导致火灾隐患的增加，根据近年来火灾事故统计数据，高层建筑火灾的伤亡率及财产损失金额居高不下，人员的消防应急疏散问题亟待解决，因此需要进行基于 BIM 的建筑消防应急疏散仿真研究，主要研究背景如下：
（1）城镇化建设持续推进，高层建筑物数量增多
改革开放以来，我国城镇化建设取得了显著成果，2019 年我国城镇化率已经突破 60%，城镇人口增加，常住人口为 8.48 亿人，城市数量和建制镇数量都明显增多，初步形成了京津冀、长三角、珠三角三大城市群，带动了城镇化发展步伐[1]。据相关统计数据，我国每年在建建筑面积 130 多亿平米，高层建筑已达 62 万多栋，现有百米以上超高层 6000 余幢，年均增长率达 8%，是世界年均增长率的 2.5 倍。高层建筑层数多、竖向管井密布、功能复杂、人员密集、火灾负荷大，起火后易造成大面积充烟和立体燃烧，给火灾防控和灭火救援工作带来严峻挑战。
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1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 国内研究综述
（1）高层建筑消防应急疏散研究
高层建筑这一建筑形态出现较晚，1883 年在芝加哥建起第一幢十一层高的“家庭保险公司大楼”，被建筑史定义为世界上第一栋具有现代意义的高层建筑，而在我国第一栋高层建筑出现在 1923 年，位于上海外滩的十层高楼—“字林西报大厦”。国内关于高层建筑人群疏散的研究从 20 世纪 80 年代已经开始，随着生产力的不断发展，高层建筑的建设趋于常态化，人员的应急疏散问题也逐步成为研究热点。
国内对高层建筑消防应急疏散的研究重点主要集中于火灾情况下疏散过程中人员密度、运动速度、性别年龄差异、受教育程度、身体健康状况、心理因素、避难层设置、疏散电梯楼梯耦合等疏散指标参数对疏散的影响分析。袁启萌[4]以案例分析的方式，对上海“11.15”大火事件中的幸存者进行问卷调查，对幸存者们在火灾发生时的心理变化过程及逃生行为决策进行分析。研究结果表明，当建筑内无火灾警报系统时，人员主要通过自我去感知周围环境发现火情，容易发生判断失误或反应迟缓，浪费疏散时间。疏散过程中极易产生混乱及拥堵，人员极少选择电梯进行疏散，整体疏散效率较低。
1.2.1 国内研究综述
（1）高层建筑消防应急疏散研究
高层建筑这一建筑形态出现较晚，1883 年在芝加哥建起第一幢十一层高的“家庭保险公司大楼”，被建筑史定义为世界上第一栋具有现代意义的高层建筑，而在我国第一栋高层建筑出现在 1923 年，位于上海外滩的十层高楼—“字林西报大厦”。国内关于高层建筑人群疏散的研究从 20 世纪 80 年代已经开始，随着生产力的不断发展，高层建筑的建设趋于常态化，人员的应急疏散问题也逐步成为研究热点。
国内对高层建筑消防应急疏散的研究重点主要集中于火灾情况下疏散过程中人员密度、运动速度、性别年龄差异、受教育程度、身体健康状况、心理因素、避难层设置、疏散电梯楼梯耦合等疏散指标参数对疏散的影响分析。袁启萌[4]以案例分析的方式，对上海“11.15”大火事件中的幸存者进行问卷调查，对幸存者们在火灾发生时的心理变化过程及逃生行为决策进行分析。研究结果表明，当建筑内无火灾警报系统时，人员主要通过自我去感知周围环境发现火情，容易发生判断失误或反应迟缓，浪费疏散时间。疏散过程中极易产生混乱及拥堵，人员极少选择电梯进行疏散，整体疏散效率较低。
王爱莎[5]通过实地测试、软件模拟和疏散演习相结合的方式，对某高校的高层学生公寓的安全疏散问题进行研究。实地测试数据显示高层公寓疏散的主要因素有人员与疏散出口之间的距离、在楼梯口拥堵等候的时间、疏散人员的密度、公寓楼梯的宽度等。针对以上影响因素，以 FDS+Evac 软件对疏散场景进行数值模拟，研究不同场景的疏散用时，并与疏散演习结果进行对比，对实地测试和模拟结果差异的主要原因进行了分析。
刘鑫[6]基于环境心理学，以问卷调查的方式了解高层建筑疏散人员的心理特征，全面分析高层建筑疏散环境组成及布局对疏散人员心理产生的影响，针对以上影响因素对高层建筑的疏散环境进行优化，提高疏散环境的人性化程度，为疏散人员提供一个较为有利的疏散空间环境。
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2 相关概念及理论基础
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2 相关概念及理论基础
2.1 高层建筑火灾发展规律
2.1.1 高层建筑起火原因
根据公安部消防局编写的《中国消防统计年鉴》统计数据，高层建筑的起火原因包括：人为纵火、电气设备、生产作业、用火不慎、吸烟、玩火、自燃、雷击、静电、不明确原因及其他，可以总结为人为因素及自然因素两种情况，其中人为因素是指由人的自主行为导致的起火，自然因素是指无人为干涉时，在自然情况下发生的火灾。
（1）人为因素
高层建筑火灾大多数是由于人类生产生活过程中的用火及设备操作行为不当导致的。主要包括：厨房起火后处理不当，引发燃气爆炸或将其他易燃物品引燃；电器设备使用不当或线路年久失修，都会导致电子线路短路、过载或接触不良，引起发热燃烧；在易引发火灾的生产环境工作时，违反安全生产制度要求，未按规范要求操作机器或使用相关物品，产生明火或爆炸；人为生火或吸烟，未能控制住火势而使火舌蔓延到周围的可燃物上，导致火灾的发生；建筑布局不合理，在进行设计时未考虑到室内通风、地势及疏散空间的合理安排，装修材料中可燃、易燃材料较多，极易引发大面积火灾。
2.1.1 高层建筑起火原因
根据公安部消防局编写的《中国消防统计年鉴》统计数据，高层建筑的起火原因包括：人为纵火、电气设备、生产作业、用火不慎、吸烟、玩火、自燃、雷击、静电、不明确原因及其他，可以总结为人为因素及自然因素两种情况，其中人为因素是指由人的自主行为导致的起火，自然因素是指无人为干涉时，在自然情况下发生的火灾。
（1）人为因素
高层建筑火灾大多数是由于人类生产生活过程中的用火及设备操作行为不当导致的。主要包括：厨房起火后处理不当，引发燃气爆炸或将其他易燃物品引燃；电器设备使用不当或线路年久失修，都会导致电子线路短路、过载或接触不良，引起发热燃烧；在易引发火灾的生产环境工作时，违反安全生产制度要求，未按规范要求操作机器或使用相关物品，产生明火或爆炸；人为生火或吸烟，未能控制住火势而使火舌蔓延到周围的可燃物上，导致火灾的发生；建筑布局不合理，在进行设计时未考虑到室内通风、地势及疏散空间的合理安排，装修材料中可燃、易燃材料较多，极易引发大面积火灾。
（2）自然因素
高层建筑物的建筑特点使其引发雷击的可能性变大，雷电直接击在建筑物上发生热反应，引燃建筑材料诱发建筑外部火灾，同时，雷电带来的高电压影响建筑内电气设备的短路或燃烧，会导致建筑内部火灾。自燃是可燃物接触空气氧化，靠自热或外热而发生的燃烧现象，高层建筑中的生产生活材料中不可避免的会使用到各种易燃物品，在存储不当情况下，发生自燃反应。
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2.2 高层建筑人群疏散特性
2.2.1 人群疏散行为特征
火灾作为突发性事件，具有显著的不确定性及危害性，发生火情时疏散人员生理及心理特征、地理位置、周边疏散条件等都会对疏散行为的决策产生影响。相关研究表明，在接收到明确的火灾警报信号时，每个疏散人员都在进行着“感知—决策—行动—感知”的反应循环，烟气、温度等环境的变化引起的不适，都会对个体的感知带来影响，每个个体拥有的知识经验、该时刻的心理状态都影响着所做的决策[30]，另外疏散引导信息也影响着个体的决策，人员疏散行为模式如图 2-1 所示。
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高层建筑物的建筑特点使其引发雷击的可能性变大，雷电直接击在建筑物上发生热反应，引燃建筑材料诱发建筑外部火灾，同时，雷电带来的高电压影响建筑内电气设备的短路或燃烧，会导致建筑内部火灾。自燃是可燃物接触空气氧化，靠自热或外热而发生的燃烧现象，高层建筑中的生产生活材料中不可避免的会使用到各种易燃物品，在存储不当情况下，发生自燃反应。
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2.2 高层建筑人群疏散特性
2.2.1 人群疏散行为特征
火灾作为突发性事件，具有显著的不确定性及危害性，发生火情时疏散人员生理及心理特征、地理位置、周边疏散条件等都会对疏散行为的决策产生影响。相关研究表明，在接收到明确的火灾警报信号时，每个疏散人员都在进行着“感知—决策—行动—感知”的反应循环，烟气、温度等环境的变化引起的不适，都会对个体的感知带来影响，每个个体拥有的知识经验、该时刻的心理状态都影响着所做的决策[30]，另外疏散引导信息也影响着个体的决策，人员疏散行为模式如图 2-1 所示。
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3 基于 BIM+Pyrosim 的高层建筑火灾情景假设 .............................. 21
3.1 某高层建筑 BIM 模型构建 ............................. 21
3.1.1 依托工程概况 ............................... 21
3.1.2 BIM 模型精细度要求 ............................. 21
4 基于 BIM+Pathfinder 的高层建筑人群疏散仿真模拟 ................... 33
4.1 高层建筑可用安全疏散时间确定 ............................. 33
4.1.1 人员疏散危险状态临界值 ........................... 33
4.1.2 高层建筑火灾发展分析 .....................33
5 不同建筑因素对高层建筑人群疏散的影响分析 .............................. 45
5.1 高层建筑人群疏散影响因素 .................................. 45
5.1.1 消防疏散通道的通畅性 ........................ 45
5.1.2 安全疏散时间的充足性 ...........................45
6 高层建筑消防应急疏散管理对策
6.1 高层建筑消防疏散安全管理
高层建筑管理单位是火灾疏散救援指挥的重要力量之一，为进一步加强管理单位的管控能力，需要补充完善消防安全预警管理体系，培养管理人员的专业能力，加强消防应急疏散安全检查，并采用信息化管理系统提升管理水平，以应对多种火灾突发情况，有条不紊地指挥人员疏散，控制火势降低损失。
6.1.1 消防安全预警管理体系
消防安全预警体系是相关管理单位对建筑中不符合消防安全要求危险物品及部位的预警和监督机制，预警是指在灾害或灾难以及其他需要提防的危险发生之前，根据以往经验规律总结或观测得到的可能性前兆，向相关部门发出预警信号，让管理单位有侧重点地开展防火和检查工作，提高防灾御火能力，最大限度地减少火灾事故发生[58]。为针对不同等级的安全隐患提出相应的整改及管理措施，提出以《消防法》和《消防监督检查规定》为判别依据的，“红、黄、蓝”三色预警体系。
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7 结论与展望
7.1 结论
高层建筑火灾危险因素多，人员逃生疏散难度大，消防应急疏散问题亟待进一步研究。本文在分析高层建筑火灾发展规律、高层建筑人群疏散特性和 BIM 模型应用的基础上，将 BIM 模型与 Pyrosim 和 Pathfinder 仿真模拟软件相结合，以某 19 层高层建筑工程为依托，在假设第 5 楼层起火的情景下进行高层建筑人群疏散仿真模拟，分析不同建筑因素对疏散效率的影响，根据结果提出建筑结构优化方案，最后提出高层建筑消防应急疏散管理对策。本文得出的主要结论如下：
7.1 结论
高层建筑火灾危险因素多，人员逃生疏散难度大，消防应急疏散问题亟待进一步研究。本文在分析高层建筑火灾发展规律、高层建筑人群疏散特性和 BIM 模型应用的基础上，将 BIM 模型与 Pyrosim 和 Pathfinder 仿真模拟软件相结合，以某 19 层高层建筑工程为依托，在假设第 5 楼层起火的情景下进行高层建筑人群疏散仿真模拟，分析不同建筑因素对疏散效率的影响，根据结果提出建筑结构优化方案，最后提出高层建筑消防应急疏散管理对策。本文得出的主要结论如下：
（1）本文以 19 层高层建筑工程为依托，在第 5 楼层起火的情景下进行高层建筑消防应急人群疏散仿真模拟。高层建筑火灾发展过程中烟气温度、CO 浓度和能见度的危险状态临界值分别为 65℃、1600ppm 和 4m，可用安全疏散时间为 368.7s，常规状态下该高层建筑人群疏散总用时为 406.5s，疏散过程中楼梯间堆积物造成了局部拥堵，安全出口及楼梯使用率较低，难以满足人员的安全疏散需求。
（2）BIM 技术能够为高层建筑消防应急疏散研究提供有力支撑。高层建筑体量大、楼层高和人员密集等特征，对其在安全疏散方面提出更高的要求，将 BIM 技术与 Pyrosim和 Pathfinder 仿真模拟软件相结合，在假设的火灾场景下，细化人员的应急疏散行为研究，能够进一步改善传统消防应急疏散研究不直观、难定量、可重复性差等缺点。
（2）BIM 技术能够为高层建筑消防应急疏散研究提供有力支撑。高层建筑体量大、楼层高和人员密集等特征，对其在安全疏散方面提出更高的要求，将 BIM 技术与 Pyrosim和 Pathfinder 仿真模拟软件相结合，在假设的火灾场景下，细化人员的应急疏散行为研究，能够进一步改善传统消防应急疏散研究不直观、难定量、可重复性差等缺点。
（3）建筑结构因素对高层建筑人群疏散的影响较为明显。分别对不同消防电梯、消防楼梯、安全出口及楼梯间堆积物条件下的人群疏散情况进行模拟分析，根据结果可知，将普通客运电梯更换为消防专用电梯，引导 50%的人员选择消防电梯进行疏散，电梯开关门时间为 3.0s 时，能够缓解消防楼梯拥堵情况；双跑式楼梯类型踏步宽度最大，更有利于人员疏散；将安全出口设置在楼梯出口的北侧和西侧，出口宽度增加至 3.0m，能够缩短人员与安全出口的距离，增加出口人员通过速率。通过对建筑结构的优化，人群应急疏散总用时为 359.2s，安全出口最大人员通过速率提高了 28.32%，楼梯间最大人群密度值降低了 8.33%，高层建筑的疏散效率得到了提升。
参考文献（略）