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高层建筑消防安全疏散设计及措施

2025-01-20 154 上传者：管理员

摘要：为了解决高层建筑和复杂结构建筑在火灾中的高效疏散问题，本文首先提出了基于数字孪生驱动的疏散方案思路，构建了三维数字镜像模型，并结合传感器实时监测数据。然后，通过火灾模拟分析，验证了该方案在能见度、CO体积分数和温度等关键特征值上的有效性。最后，应用Dijkstra算法优化疏散路径，显著缩短了疏散距离和时间。本文为消防安全动态疏散提供了科学参考，有助于提升火灾应急响应效率和人员安全疏散能力。

关键词：
数字孪生
数字模型
消防安全
疏散方案
高层建筑
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随着城市化进程的加快，高层建筑和复杂结构建筑日益增多，消防安全成为城市管理中不可忽视的重要环节。在火灾等突发事件中，如何高效、有序地疏散人员，减少人员伤亡，成为亟待解决的问题。传统疏散方案往往依赖于预先设定的固定路径，难以实时应对火灾现场复杂多变的情况。数字孪生技术的出现，为动态疏散方案的制定提供了新的思路。通过将现实世界的物理模型映射到数字世界中，构建三维数字镜像模型，并结合传感器实时监测数据，可以实现火灾现场的动态仿真与路径优化[1]。本文旨在探讨基于数字孪生驱动的疏散方案，分析其思路、构建框架、模拟结果及应用效果，以期为消防安全动态疏散提供科学有效的解决方案。

1、数字孪生驱动的疏散方案

如图1所示为数字孪生驱动的消防疏散方案整体方案设计情况。首先按照建筑物的物理模型实现数字化建立数字模型，包括物联网信息采集系统、室内人员定位系统、云端服务器、网页应用端、疏散路径优化算法、建筑物BIM模型等部分。所述物联网信息采集系统用于采集建筑物内火灾参数，并上传到云端服务器；所述室内人员定位系统用于采集室内人员位置，并传递到云端服务器；所述建筑物BIM模型中包含有建筑物的全面信息，经过处理后可以实现对建筑物空间布局的三维可视；所述云端服务器中搭载有处理后的BIM模型和所述疏散路径优化算法；所述疏散路径优化算法可以根据实时的火灾信息和人员位置信息以及室内布局得到人员的最优疏散路径[2]。该方法可以根据火灾发展的态势和人员的实时位置，实现对建筑物内受困人员的动态可视化三维疏散引导。节约引导疏散的人力，改善疏散的疏散引导的效果，提高疏散效率，减少人员伤亡。

图1 数字孪生驱动的消防疏散方案整体方案

数字模型的建立：

(1）工程概况及网格划分

案例建筑物包含宿舍、餐厅、办公室、教室以及泳池等建筑结构，主体基于框架混凝土结构施工。建筑总高度53.55 m，第一层5.55 m，第二层和第三层4.5 m，其它地面层3.9 m。第1至第9层的建筑面积为4 620 m2，第10至第13层为6 916 m2。建筑窗户的宽度和高度分别为0.9 m和1.5 m，门的宽度和高度分别为1.5 m和2 m。建筑内部包含很多可燃物，一旦出现火情，扑救及逃生均存在很大难度[3]。

首先基于物理模型建立三维几何模型，在构建数字模型，模型中将风速设置为0，环境温度设置为20℃。网格划分时设置非均匀网格，所有网格均为立方体类型，结合建筑特点将第1～9层网格边长设置为2 m，其余楼层网格边长设置为1 m。如图2所示为交流中心建筑物的模型，网格总数量为182 098个。

图2 交流中心建筑物的模型

(2）火灾场景设置

本研究模拟最恶劣的火灾情况，火源位置位于11层西侧某房间A，如图3所示。建筑物内设置有大量可燃物，包括床、书桌以及沙发等。烟气探测点设置在左侧楼梯口，在建筑高度分别为43.85 m(11层）、47.75 m(12层）和51.65 m(13层）位置设置温度、能见度、CO浓度监测装置。

图3 火源位置示意

2、火灾模拟结果分析

2.1能见度分析

图4所示为火源点能见度的演变情况。11层出现火情后，走廊迅速蔓延大量烟气，a、b两个监测点能见度降低至10 m以下的时间分别为210 s和240 s。图5所示为240 s时火源点的能见度切片，c、d、e三个监测点与火源点距离更远，且周围设置有排烟系统、喷淋装置，所以整体能见度良好，可作为逃生路径。

图4 火源点能见度曲线

图5 240 s时火源点能见度切片

2.2 CO浓度分析

图6所示为260 s时CO浓度的切片，火源点附近的CO浓度最高为1.5×10-8mol/mol，而威胁人员安全的CO浓度临界值为5×10-4mol/mol，所以发生火灾时CO浓度对人员的影响可以忽略不计。

图6 260 s时CO浓度的切片

2.3温度分析

图7所示为228 s时温度切片，此时火源点温度最高为114℃。当烟气蔓延到楼梯口时，附近温度随之增加，温度分布非常不均匀，最高温度为47℃。人体能承受的最高环境温度为60℃左右。

3、数字孪生驱动的疏散规划机理及其效果

3.1疏散模型框架

图7 228 s时温度切片

建筑物发生火灾时，温度、能见度、CO浓度是决定周围是否作为逃生通道的关键因素，对应的临界值分别为60℃、10 m、5×10-4mol/mol。与11层西侧房间作为对象进行分析，每个独立空间用一个节点表示，分别用RN、EN与CN表示房间、楼梯和走廊，其中N为编号。用连线表示空间上的连通性，直线表示疏散方向以及距离，图8所示为第11层部分平面拓扑。在建筑内部关键位置设置有大量消防广播，可以实现语音引导。为了更好分析计算该模型的应用效果，在图上直接标注了空间距离，结果如图9所示。

3.2路径寻优规划方法

本研究基于Dijkstra算法实现路径寻优规划。具体的算法流程为：(1)将某一节点设为源点，求出源点至节点的最短路径；(2)用两个集合代表关联结点，集合S代表已计算出的最短路径节点和相应的最短长度，集合U代表没有找到最短路径的节点；(3)在集合U上查找离源点最近的点，然后把这一点添加到集合S中；(4)重排集合U的结点，并对其路径进行更新[4];(5)周期性执行第(3)和第(4)个步骤，直到所有节点寻遍，获得源点到其他所有节点的最短距离路径。本案例中，上述源点即为人员位置，最终出口节点必须是EN。

3.3应用效果

3.3.1社会效益

提升公共安全水平，基于数字孪生的疏散方案能够显著提高火灾等突发事件中的疏散效率，减少人员伤亡，从而提升公共安全水平，增强社会公众的安全感和幸福感。根据上文所述的案例以及路径寻优规划方法，开展模拟分析工作。模型中将楼梯口E1设置为不可通行的区域，假设11R16和11R11节点上存在人员需要紧急疏散，人员疏散时的移动速度为2 m/s。分析了利用路径寻优规划方法前后，逃生距离的对比情况。对于位于11R16节点的人员，利用寻优规划方法前逃生路径共经过14个节点，而使用寻优规划方法后，逃生路径降低至9个节点，可以节省逃生距离38.4 m，节省逃生时间19.2 s。对于位于11R11节点的人员，利用寻优规划方法前逃生路径共经过12个节点，而使用寻优规划方法后，逃生路径降低至11个节点，可以节省逃生距离25.6 m，节省逃生时间12.8 s。

因此，利用数字孪生技术可以实现逃生路径的优化改进，缩短人员逃生距离，压缩逃生时间，避免在建筑物内部浪费太多时间。

3.3.2经济效益

图8 第11层部分平面拓扑

图9 第11层部分平面拓扑及两种情况的示意

(1）降低疏散成本：传统疏散方案往往依赖大量人力进行引导和协调，而基于数字孪生的疏散方案通过智能化路径规划，显著减少了疏散过程中的人力需求，从而降低了疏散成本。此外，由于疏散路径的优化，减少了人员在建筑物内的滞留时间，也间接降低了因火灾可能导致的财产损失[5]。

(2）增强消防安全投资回报：采用数字孪生技术进行消防安全管理和疏散规划，虽然初期需要一定的投资，但长远来看，其能够显著降低火灾带来的经济损失，保护人员和财产安全，从而增强消防安全投资的整体回报。

(3）促进技术创新与产业升级：数字孪生技术的应用推动了消防安全领域的技术创新和产业升级，为相关企业提供了新的发展机遇和市场空间，有助于形成新的经济增长点。

4、结束语

综上所述，本研究通过深入探索数字孪生技术在消防安全动态疏散中的应用，得出了以下几点重要结论。首先，数字孪生技术能够准确映射现实世界的物理模型，结合实时监测数据，实现对火灾场景的精确仿真，为疏散方案的制定提供了可靠基础。其次，基于数字孪生的三维数字镜像模型，在火灾模拟中展现了优异的性能，有效预测了火灾发展态势，为疏散路径的规划提供了科学依据。再次，通过Dijkstra算法优化疏散路径，显著缩短了被困人员的疏散距离和时间，提高了逃生效率。最后，本研究不仅验证了数字孪生技术在消防疏散中的可行性和有效性，还为未来消防安全管理和应急响应提供了新的思路和方法。综上所述，数字孪生驱动的疏散方案具有广泛的应用前景，为提升城市消防安全水平提供了有力支持。

参考文献:

[1]莫崇德.基于数字孪生的超高层建筑火灾疏散路径规划研究[D].北京:北方工业大学,2024.

[2]宋洋,王静.基于数字孪生理念的复杂建筑消防安全疏散动态分析[J].科学技术与工程,2023,23(24):10596-10603.

[3]王英旺,李利,吴莹莹,等.数字孪生技术在建筑火灾安全评估与改造中的应用研究[J].土木建筑工程信息技术,2023,15(3):39-45.

[4]黄丽蒂,赵朝瑞,孙志敏.老年公寓建筑数字孪生模型联合仿真疏散模拟方法[J].河南科学,2023,41(3):414-422.

[5]王亮,张涵清,李鹏飞,等.基于数字孪生的某文体中心消防疏散算法设计[J].现代建筑电气,2023,14(1):1-5.

文章来源:卜婷.高层建筑消防安全疏散设计及措施[J].科学技术创新,2025,(03):145-148.