CN117634206A - 一种基于bim的建筑物火灾数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法，所述方法包括如下步骤：一、建立被防护建筑物的BIM模型，设计联动性消防系统；二、针对燃烧特性建立火灾燃烧模型；三、通过建筑物内不同防火划分以及不同类型火情的特征设置火灾探测器监测点，并调用FDS工具模拟出火灾燃烧的动态过程；四、融合与分析检测到的模拟实验的烟气、CO、温度数据，总结信息变化规律给出具体的数据变化模型，为建筑火灾防护提供可靠性参考依据。该方法能够有效建立建筑物的火灾燃烧模型，并结合数据探测与融合手段提供可靠性的火灾燃烧数据与动态化的火灾蔓延过程，为建筑物的火灾防护、消防联动系统设计、人员逃生路径规划等提供价值性参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种火灾模拟方法，具体涉及一种基于建筑信息模型(BuildingInformation Modeling,BIM)的建筑物火灾数值模拟方法。
背景技术
在传统消防设计中，因为火灾本身存在较高的突发性与随机性，其发生原因多样、物理特性复杂，火情变化难以预测，因此在设计过程中难以进行充分的考虑。此外，考虑到火灾具有较大的危害性，基于实体建筑进行实验在风险、成本上均较难实施，故而对于火灾科学的相关研究很难获取充分的实验数据。
传统火灾模拟方法存在如下问题：
(1)空间模拟精度低：传统火灾模拟方法通常使用简化的平面模型进行火灾模拟，空间模拟精度低。
(2)无法可视化、多种类地展现火灾发生全过程问题：传统火灾模拟方法多局限于数据的体现，缺少多火灾发生过程中各物理量的动态变化过程的展现，无法从旁观者的角度准确观察与判断火情的发展趋势。
(3)无法有效融合与展现火情发展过程中的动态数据：在火灾发生过程中，温度、CO浓度、烟雾浓度是直接导致人员能否大量存活的重要数据。传统火灾方法由于缺少三维建筑模型而不能够实现在建筑物内设计与布防多种火灾信息探测器，故缺少对于上述重要火灾数据的融合分析。
发明内容
针对传统火灾模拟方法存在的上述问题，本发明提供了一种基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法。该方法能够有效建立建筑物的火灾燃烧模型，并结合数据探测与融合手段提供可靠性的火灾燃烧数据与动态化的火灾蔓延过程，为建筑物的火灾防护、消防联动系统设计、人员逃生路径规划等提供价值性参考。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤一、建立被防护建筑物的BIM模型，基于被防护建筑物的特点，设计联动性消防系统，具体步骤如下：
步骤一一、利用Revit软件建立被防护建筑物的BIM模型；
步骤一二、在BIM模型中按照国家防护标准进行火灾探测器的布置，以获取多种探测器的仿真实验数据，所述火灾探测器包括温度探测器、烟雾浓度探测器、CO探测器；
步骤一三、基于被防护建筑物的BIM模型，设计联动性消防系统，为各火灾数据探测器的布置提供重要的数据基础，所述联动性消防系统包括：
(1)以现场火灾探测器(包含温度、烟雾、CO探测器)为底层的智能感知系统：各火灾探测器按照建筑物内各房间、过道等区域的结构特点进行布置，目的是能够在第一时间探测火情并传送报警信息给中间层传输与控制系统；
(2)以集中报警控制器为中间层传输与控制系统：集中报警控制器在接收到底层智能感知设备的火灾信息后，第一时间发出火灾警报，提醒人员进行火灾防护与疏散工作，并控制高层指挥与疏散系统中的防排烟控制单元、应急疏散单元、应急照明单元开始工作，帮助人员逃生；
(3)以灭火控制单元、防排烟控制单元、应急疏散单元、应急照明单元、消防通讯单元、闭路监控单元为高层指挥与疏散系统：人员接收到中间层传输与控制系统发出的报警信息后，利用灭火控制单元对初始火灾进行扑灭，并通过闭路监控单元判断火情发展趋势，第一时间利用消防通讯单元报警求助救援；
步骤二、针对燃烧特性建立火灾燃烧模型，具体步骤如下：
步骤二一、在BIM模型中建立如下火灾增长过程方程：
Q＝α(t-t0)2
式中，Q为火源热量释放能力；α为火灾增长系数；t表示时间；
步骤二二、基于质量守恒方程、动量守恒方程、化学组分方程、能量守恒方程、气体状态方程、综合燃烧反应方程六种火灾空间物理规律方程，在Pyrosim软件中建立火灾燃烧模型；
步骤三、在Pyrosim软件中通过建筑物内不同防火划分以及不同类型火情的特征设置火灾探测器监测点，并调用FDS工具模拟出火灾燃烧的动态过程，具体步骤如下：
步骤三一、根据建筑物内部区域特点，以区域面积大小作为放火分区划分的考量标准，划分建筑物防火分区；
步骤三二、根据建筑物防火分区，设置火灾探测器监测点；
步骤三三、在Pyrosim软件中导入建筑物火灾防护BIM模型，利用步骤二二中的火灾空间物理规律方程，根据建筑物防火分区调用FDS工具对建筑物火情进行模拟；
步骤四、融合与分析检测到的模拟实验的烟气、CO、温度数据，总结信息变化规律给出具体的数据变化模型，为建筑火灾防护提供可靠性参考依据。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、解决了传统火灾模拟方法空间模拟精度低的问题：本发明基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法可以使用三维建模，更准确地模拟建筑物的真实空间，并通过数值模拟与融合的手段提供更精确的火灾扩散和烟气运动模拟结果。
2、解决了传统火灾模拟方法无法可视化、多种类地展现火灾发生全过程问题：本发明通过融合BIM模型、Pyrosim火灾模拟工具、火灾动力学模拟工具(Fire DynamicsSimulator,FDS)等可以动态化、数据化模拟与展示火灾燃烧情况。且通过BIM模型的直观判断，可以建立建筑物内的不同类型防火分区，便于展现快速燃烧、缓慢燃烧等多种类型的火灾模拟过程，进而能够帮助人们更直观地理解火灾的发展过程和影响，提高火灾应对和逃生的效果。
3、解决了传统火灾模拟方法无法有效融合与展现火情发展过程中动态数据的问题：本发明通过BIM技术、Pyrosim软件、FDS工具等的相互配合，可以实现针对建筑物内不同防火分区的火灾探测器的规范布置，并通过数据检测记录得到有效的温度、CO浓度、烟雾浓度数据，为火灾防护提供重要依据。
附图说明
图1为基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法的流程图；
图2某演出中心模型示意图；
图3为某演出中心建筑BIM模型示意图；
图4为建筑物智能消防联动系统整体方案；
图5为演出中心火灾数值模拟区域划分与选取；
图6为休闲区火灾探测器布置示意图；
图7为小空间(休闲室)慢速火FDS火灾模拟结果，(a)FDS模拟燃烧场景，(b)烟雾浓度曲线，(c)温度曲线，(d)CO浓度曲线；
图8为化妆室火灾探测器布置；
图9为小空间(化妆室)慢速火FDS火灾模拟结果，(a)FDS模拟燃烧场景，(b)烟雾浓度曲线，(c)温度曲线，(d)CO浓度曲线；
图10为排练室火灾探测器布置；
图11为排练室各探测器组检测数据，(a)烟雾浓度探测器组检测数据，(b)CO含量探测器组检测数据，(c)温度探测器组1检测数据，(d)温度探测器组2检测数据；
图12为演播厅火灾探测器阵列布局；
图13为演播厅FDS火灾模拟结果，(a)舞台幕帘火情，(b)前排座椅火情，(c)后排座椅火情。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例：
本实施例首先建立了该建筑物1:1的BIM模型；然后对其消防系统方案进行改进，通过设计实现消防系统的联动控制，以改善了传统消防的不足；接着进一步建立了火灾燃烧的数学模型；最后基于所设计的消防联动系统与建立的火灾燃烧模型使用烟气、CO、温度数据三类典型的火灾数值模拟对演出中心中的典型大、中、小型区域进行火情模拟，为建筑火灾的防护与人员疏散规划提供重要参考。如图1所示，具体步骤如下：
1、建筑防火设计模型建立
本发明所提方法可适用于各大中小型结构且人员较为密集的建筑场所，本实施例以某演出中心建筑为对象进行研究与应用。如图2所示，该演出中心建筑主体结构为钢筋混凝土框架结构，屋顶为钢结构，主要用于参观、开会、演出等活动。从结构上划分，建筑物可划分为两部分，一部分为功能用房、艺术与设计创意实验中心等，最高处约七层，最高落差约38.8m；另一部分为剧院楼，外围为椭圆形建筑，最高落差约19.6m，内部存在独立分区设计。
首先，根据图1中所示演出中心结构及其内部参数，利用Revit软件建立如图3所示的演出中心建筑BIM模型，模型1:1还原建筑物真实内外部结构。
接着，为了能够准确模拟建筑物火灾情况，本实施例选择温度、烟雾浓度、CO含量三种典型的火灾数据进行火灾模拟，并在图3所示的BIM模型中按照国家防护标准进行火灾探测器的布置，以获取多种探测器的仿真实验数据。
最后，在建筑物内构建如图4所示的智能消防联动系统：
(1)以现场火灾探测器(包含温度、烟雾、CO探测器)为底层的智能感知系统：各火灾探测器按照按照表1给出的建筑物内各房间、过道等区域的结构特点进行布置，目的是能够在第一时间探测火情并传送报警信息给中间层传输与控制系统；
(2)以集中报警控制器为中间层传输与控制系统：集中报警控制器在接收到底层智能感知设备的火灾信息后，第一时间发出火灾警报，提醒人员进行火灾防护与疏散工作，并控制高层指挥与疏散系统中的防排烟控制单元、应急疏散单元、应急照明单元开始工作，帮助人员逃生；
(3)以灭火控制单元、防排烟控制单元、应急疏散单元、应急照明单元、消防通讯单元、闭路监控单元为高层指挥与疏散系统：人员接收到中间层传输与控制系统发出的报警信息后，利用灭火控制单元对初始火灾进行扑灭，并通过闭路监控单元判断火情发展趋势，第一时间利用消防通讯单元报警求助救援。
表1温度、烟雾浓度、CO含量探测器的选择设计规范
2、建筑火灾数值模拟模型建立
为了提高对该演出中心火灾防护设计的可靠性，基于图3中所示的BIM模型，通过Pyrosim软件进行模型转化，并基于FDS工具对该建筑物在特定情况下的火灾燃烧规律进行机理性研究和数值分析。具体步骤如下：
(1)在该模型中建立如下火灾增长过程方程：
Q＝α(t-t0)2 (1)
式中，Q为火源热量释放能力，单位为kW；α为火灾增长系数，用以表征火情增长快慢；t表示时间，单位s。
(2)利用FDS火灾动力学模拟软件进行数值模拟时，首先需要通过描述热驱动的低速流动Navier-Stokes方程对空间中各区域物理特性变化进行数值求解。本实施例给出以下六种空间物理规律方程，以在Pyrosim软件中建立火灾燃烧模型：
(2.1)连续性方程(质量守恒方程)：
式中，ρ表示流体密度，单位kg/m3；ui表示xi方向的流体速度，单位m/s。
(2.2)动量守恒方程：
式中，P表示静压力，单位Pa；uj表示xi方向的流体速度，单位m/s；τij表示粘性张力，单位N；g表示重力加速度，单位m/s2；Fi表示由热源、污染源等引起的源项。
(2.3)化学组分方程：
式中，mi表示化学组分i的质量；Si表示化学组分i的生成率；Ji表示由浓度引起的化学组分i的扩散通量。
(2.4)能量守恒方程：
式中，h表示显焓，单位J/kg；k表示流体分子导热率；ki表示由于湍流扩散引起的导热率；Sk表示所定义的体积热源项。
(2.5)气体状态方程：
式中，P0表示环境压力，单位Pa；T表示热力学温度，单位K；R表示气体常数；Yi表示第i种化学组分的质量分数；Mi表示第i种化学组分的摩尔质量。
(2.6)综合燃烧反应方程：
式中，CxHyOzNvMw表示化合物元素碳、氢、氧、氮及金属元素，x、y、z、v、w表示各元素的原子个数；V表示对应化合物的体积。
(3)在Pyrosim软件中导入图3中建立好的建筑物火灾防护BIM模型，利用(2)中建立的火灾空间物理规律方程，根据火灾分区划分调用FDS工具对建筑物火情进行模拟。
根据表2中的典型可燃材料的燃烧特性，本实施例全面考虑建筑物结构和材料两方面对火灾蔓延的影响，着重从不同火灾发展速度、建筑空间尺寸等方面进行燃烧规律研究。根据该建筑物内部区域特点，以区域面积大小作为放火分区划分的考量标准，分别划分出休闲区(小型空间，约25m2)、化妆室(小型空间，约30m2)、排练室(中型空间，约110m2)和演播厅(大型空间，约800m2)四种典型防火分区场景。并对应这四种场景，分别模拟小型空间慢速火、小型空间快速火、中型空间复杂火情、大型空间复杂火情的燃烧规律，具体防火与火灾模拟区域划分如图5所示。
表2典型可燃材料的燃烧特性
3、模拟结果
(1)小空间慢速火灾模拟
以图5所示的休闲室区域为典型小空间区域进行慢速火灾模拟实验。休闲区位于演出中心二层入口处，该区域中家具、建材主要以木质为主，如实木地板、木质桌椅等。按照表2中所示的典型物质的燃烧特性，适于对建筑慢速火灾的研究。
休闲室主要区域长宽均为5m左右，总面积约25m2。按照表1中的规范要求，只需设置一组温度、烟雾、CO探测器即可，具体安放位置如图6所示。
在休闲室屋顶布设有温度探测器HD13、烟雾浓度探测器SD16以及CO含量探测器GAS19，为对比火灾各参数随着时间和空间蔓延的特性，另外在以起火点为中心的圆半径Ra＝1m、Rb＝2m、Rc＝3m处各布设三类探测器，并按照图5中所示图例标识。图7中分别给出了用FDS模拟的火灾燃烧场景及其三类传感器在不同位置的时的火灾参数对比。
通过图7(b)-(d)三种火灾探测器的不同设置位置性能的对比，可见在较长的时间尺度内受空间位置影响较小，但由于该环境通风情况较好，可以看到CO浓度在靠近封闭的区域明显含量较低，因此为了提高其检测可靠性，在布设CO探测器时应向门口偏移。
(2)小空间快速火灾模拟
以图5中所示的化妆室区域为另一典型小空间区域进行快速火灾模拟实验。化妆室位于演出中心一层，该房间长约7m，最宽约5m，总面积约30m2。因为室内存在各种易燃材料，幕布、地毯、各种易燃化妆品，在特定情况下如太阳照射、火星引燃下极易引发火灾，且发展迅速不易控制，属于典型的小空间快速火情况。与图6类似，设置一组三类探测器(温度探测器HD39、烟雾浓度探测器SD33以及CO含量探测器GAS30)，设置位置如图8所示，以此获取火灾燃烧数据。且同样设置以着火点为中心的不同探测半径Ra、Rb、Rc作为对照组进行火灾模拟，具体模拟结果如图8所示。
由图9(b)-(d)可看，在该场景下火情发展极为迅速，燃烧反应剧烈。由于该房间通风较差，烟雾、CO大量产生并聚集。但纵向对比来看，不同位置的烟雾与CO浓度探测器除了初期以外仅有微小的时延区别，而温度探测器则受与火源距离的影响较大。因此在实际探测器布设中，往往烟雾、气体类探测器相比温度探测器可以用于监测更大的空间。
(3)中型空间火灾模拟
以图5中所示的排练室区域为典型中型空间区域进行火灾模拟实验。排练室位于化妆室隔壁，用于演出前的小规模排练等，可能会放置一些必需器材、道具等。该房间面积较大，约110m2左右。根据表1中的规范要求，与休闲室、化妆室相比，排练室需要布设更多的火灾探测器。如图10所示，以三只烟雾探测器、三只CO探测器为一个烟雾/CO探测器组；考虑到温度探测器的防护范围相对较小，故布设三只温度探测器为一组，一共设置两组，并将其与烟雾/CO探测器组交叠布置。
在排练室内靠近左侧的区域设置火源进行火灾模拟，并记录各探测器数值如图11所示。
观察图11的几组探测器的检测结果，可以看到，烟雾浓度探测器组与CO含量探测器组中的各个探测器在该火情下数值差异相对较小，而温度探测器受位置影响相对严重一些。同时，与小空间的两组实验一致，在火灾初期，中型空间的温度曲线相对与烟雾和CO浓度曲线更为平滑。
(4)大型空间火灾模拟
以图5中所示的演播厅区域为典型大型空间区域进行火灾模拟实验。演出中心二层的演播厅是核心场所，总长约42m，最宽处约24m，最大高度为12m左右，总面积约800m2。其中约40％为舞台区域，60％为观众厅区域。观众厅为阶梯形设计，后方直达第三层，最大落差4m左右。由于演播厅空间较大，容纳人员较多，因此对于探测器的布局，火灾探测的准确性要求较高，防火设计难度较大。
与排练室相比，演播厅的空间尺寸更大，因此其对探测器的数量需求大幅增长。且火灾的物理特征在整个空间中的分布不均匀，不适于使用一组探测器进行直观描述。因此，对演播厅采用分区防护设计，即将整个空间分为数个部分，并使用若干各类探测器构成火灾探测器组。按照表1中的标准，将三种探测器按照图12所示进行布局，探测器组的构成形式与排练室相同。通过该布局方式，可充分利用各类探测器的检测范围，保证对火灾的探测没有死角，提升火灾防护的可靠性。
为了保障所发明方法的可靠性，本实施例选取舞台幕帘、前排座椅和后排座椅三种人员较多的典型位置进行火灾燃烧模拟，仿真情况如图13所示。如图13(a)所示为舞台幕帘火情模拟情况，可以看出整个演出舞台受到火灾烟气影响较为严重，且不断向观众席扩散，这正好对应于图11(a)与11(b)中烟雾与CO的变化趋势；图13(b)所示为前排座椅火情模拟情况，可以看到烟气分别向舞台与后排座椅两个方向蔓延，但由于舞台处的空间较大，空气中氧气含量丰富，故烟气向该区域的扩散速度较快，而向后排座椅处的扩散速度较慢；图13(c)所示为后排座椅火情模拟情况，可见烟气不断向舞台方向扩散，包裹了整个演播厅区域。由此可以总结出，在演播厅区域这种大型场景中，一定要在舞台幕帘、观众席前排、后排处分别留好火灾逃生通道，特别对观众席后排的逃生通道要设置的宽广一些，能够容纳舞台处与观众席处的人员同时逃生；此外还要在舞台幕帘、前排座椅和后排座椅三种区域内要备好消防器材。
Claims (4)
1.一种基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、建立被防护建筑物的BIM模型，基于被防护建筑物的特点，设计联动性消防系统，具体步骤如下：
步骤一一、利用Revit软件建立被防护建筑物的BIM模型；
步骤一二、在BIM模型中按照国家防护标准进行火灾探测器的布置，以获取多种探测器的仿真实验数据；
步骤一三、基于被防护建筑物的BIM模型，设计联动性消防系统，为各火灾数据探测器的布置提供重要的数据基础；
步骤二、针对燃烧特性建立火灾燃烧模型，具体步骤如下：
步骤二一、在BIM模型中建立如下火灾增长过程方程：
Q＝α(t-t0)2
式中，Q为火源热量释放能力；α为火灾增长系数；t表示时间；
步骤二二、基于质量守恒方程、动量守恒方程、化学组分方程、能量守恒方程、气体状态方程、综合燃烧反应方程六种火灾空间物理规律方程，在Pyrosim软件中建立火灾燃烧模型；
步骤三、在Pyrosim软件中通过建筑物内不同防火划分以及不同类型火情的特征设置火灾探测器监测点，并调用FDS工具模拟出火灾燃烧的动态过程，具体步骤如下：
步骤三一、根据建筑物内部区域特点，以区域面积大小作为放火分区划分的考量标准，划分建筑物防火分区；
步骤三二、根据建筑物防火分区，设置火灾探测器监测点；
步骤三三、在Pyrosim软件中导入建筑物火灾防护BIM模型，利用步骤二二中的火灾空间物理规律方程，根据建筑物防火分区调用FDS工具对建筑物火情进行模拟；
步骤四、融合与分析检测到的模拟实验的烟气、CO、温度数据，总结信息变化规律给出具体的数据变化模型，为建筑火灾防护提供可靠性参考依据。
2.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法，其特征在于所述火灾探测器包括温度探测器、烟雾浓度探测器、CO探测器。
3.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法，其特征在于所述联动性消防系统包括：
(1)以现场火灾探测器为底层的智能感知系统：各火灾探测器按照建筑物内各房间、过道等区域的结构特点进行布置，目的是能够在第一时间探测火情并传送报警信息给中间层传输与控制系统；
(2)以集中报警控制器为中间层传输与控制系统：集中报警控制器在接收到底层智能感知设备的火灾信息后，第一时间发出火灾警报，提醒人员进行火灾防护与疏散工作，并控制高层指挥与疏散系统中的防排烟控制单元、应急疏散单元、应急照明单元开始工作，帮助人员逃生；
(3)以灭火控制单元、防排烟控制单元、应急疏散单元、应急照明单元、消防通讯单元、闭路监控单元为高层指挥与疏散系统：人员接收到中间层传输与控制系统发出的报警信息后，利用灭火控制单元对初始火灾进行扑灭，并通过闭路监控单元判断火情发展趋势，第一时间利用消防通讯单元报警求助救援。
4.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑物火灾数值模拟方法，其特征在于所述质量守恒方程、动量守恒方程、化学组分方程、能量守恒方程、气体状态方程、综合燃烧反应方程如下：
质量守恒方程：
式中，ρ表示流体密度；ui表示xi方向的流体速度；
动量守恒方程：
式中，P表示静压力；uj表示xi方向的流体速度；τij表示粘性张力；g表示重力加速度；Fi表示由热源、污染源引起的源项；
化学组分方程：
式中，mi表示化学组分i的质量；Si表示化学组分i的生成率；Ji表示由浓度引起的化学组分i的扩散通量；
能量守恒方程：
式中，h表示显焓；k表示流体分子导热率；ki表示由于湍流扩散引起的导热率；Sk表示所定义的体积热源项；
气体状态方程：
式中，P0表示环境压力；T表示热力学温度；R表示气体常数；Yi表示第i种化学组分的质量分数；Mi表示第i种化学组分的摩尔质量；
综合燃烧反应方程：
式中，CxHyOzNvMw表示化合物元素碳、氢、氧、氮及金属元素，x、y、z、v、w表示各元素的原子个数；V表示对应化合物的体积。
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- 2023-12-08 CN CN202311680344.7A patent/CN117634206A/zh active Pending
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