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          基于建筑信息模型的智能消防疏散系统研究                    摘要：建筑火灾对财产、环境和人类健康构成重大威胁，管理这一风险需要一个有效的火灾疏散系统的建筑物居住者为此，本文设计了一种结合建筑信息建模和智能技术的智能消防疏散系统该设计系统的优势主要包含以下四点：第一是火灾早期探测；第二是评价环境数据；第三是确定最佳疏散路径；第四是为居民提供关于最佳疏散路线的信息并且为了验证本文的设计系统的优势，选择在一所高校的教学楼中进行测试测试结果表明了本文设计系统的能力和优势，特别是在确定最佳疏散路径方面关键词：火灾；建筑信息；火灾动态模拟；疏散；建筑安全1、引言本文提出了一种综合的火灾疏散系统根据调查数据显示，建筑火灾每年造成44300人死亡因此，除了建筑消防安全的标准和法规外，还开展了大量工作，以提高火灾疏散期间的建筑居住者安全而且消防安全部门的数据显示，约20%和17%的住宅建筑火灾死亡事故是由出口问题和逃生困难造成的有研究者将火灾疏散死亡原因归结为逃生路线不佳、存在障碍以及逃生时间过长[1]所以，研究发现，提高火灾疏散过程中人员安全的研究主要集中在以下三个方面。

1）建筑信息模型（BIM）在火灾疏散管理中的应用；（2）发展早期火警探测系统；（3）使用火灾动态模拟(FDS)和基于agent的模拟来优化疏散路线建筑物的几何形状和空间分布对火灾的传播和人员疏散有着重要的影响，因此在建筑物的火灾疏散管理中应充分考虑几何形状和空间分布BIM是风险管理的有力工具[2]，尤其是灾害和应急管理[3]杨丰辉(2019)[4]提出了一种室内火灾预测减灾智能系统，利用BIM和蓝牙传感器收集环境数据，确定最佳疏散路径此外，还开发了一款移动应用程序，用于在火灾发生时帮助疏散人员和消防员火灾早期探测研究的重点是利用物联网和人工智能，提高火灾发生时建筑物内人员的疏散能力和建筑物的安全性例如，物联网被用于监测室内温度、烟雾和二氧化碳水平[5]以及建筑物居住者的室内位置此外，有学者利用人工智能识别火源和快速疏散路线[6]此前的研究并没有开发出火灾时疏散建筑物内人员的综合解决方案为了填补这一空白，本文从智能建筑的概念出发，提出并探讨了一种智能消防疏散管理系统采用BIM技术对建筑进行空间建模和消防疏散系统本文的文章结构安排如下第二节介绍了本研究使用的方法和材料，以及提出的火灾疏散管理智能系统的体系结构，第三部分介绍了智能消防疏散系统在一所大学的科研大楼里的应用效果，第四节给出了我们的结论。

2、疏散系统设计与方法受智能建筑概念启发的智能火灾疏散系统旨在确保及早发现建筑物内的火灾，与用户互动，识别最佳疏散路径，并与建筑物的居住者和管理人员以及紧急服务人员共享信息BIM主要用于：（1）对建筑物和消防系统进行建模；（2）实时显示与火灾期间建筑物居民疏散相关的事件和参数；（3）确定最佳疏散路径2.1智能疏散系统框架智能疏散系统由五层组成：(1)物理层；(2)监控层；(3)智能平台层；(4)智能服务层以下各节介绍了该系统的每一层1）物理层火灾传播和人员疏散受到建筑物几何形状和空间分布的影响因此，火灾疏散系统应包括有关建筑的空间组织、建筑中使用的材料、建筑设备和防火组件的数据2）监控层智能传感器用于建筑物监控和火灾疏散管理探测器用于监测火焰、热量、烟雾和其他燃烧产物处理火灾危险最常用的传感器是温度、烟雾和二氧化碳(CO2)，传感器实时收集数据并将其传输到系统，它们被放置在关键位置，以便收集数据并与智能平台共享数据3）智能平台层这一层包括数据处理和分析，数据处理：包括数据清理和存储，数据处理的目的是检测不准确的记录，以替换、修改甚至删除粗略的数据数据分析：数据分析的目的是将收集到的数据转化为业务数据，从而改进消防疏散操作。

4）智能服务层该系统通过BIM提供有价值的服务，例如：检测火灾的位置、原因和类型；跟踪居住者并确定他们的位置；显示环境数据；发出警报；识别最佳疏散路径；做出决定以限制火灾的蔓延，如关闭设备2.2 消防疏散系统运行机制建筑的空间布局和信息对火灾疏散系统至关重要为BIM模型提供的最低开发级别(LOD)是LOD 300，它表示建筑构件的几何图形、材质属性和设备[7]智能传感器将被集成到BIM模型中，数据将存储在连接到Dynamo的数据库中，因此可以使用BIM模型对数据进行可视化和实时分析数据分析后，系统将识别火灾的位置、类别和严重程度，防止误检测每当系统扫描和推断火灾特征时，都会使用火灾模拟和疏散模块的历史记录生成疏散路径模拟了几个火源和位置，以创建FDS数据库应检查下面几个参数的边界值，包括可见度、温度、CO浓度和烟雾密度，以验证场景，如表1所示表1 火灾检测参数临界值火灾检测项临界值烟雾浓度>85%能见度13m火灾室温60℃CO气体中毒2500ppm（1）能见度能见度被认为是建筑火灾中人员伤亡的重要原因在最初的着火阶段，由于着火，烟雾会释放出来烟雾中含有许多有毒气体和小颗粒，可能会使被困人员窒息或中毒。

随着时间的推移和火灾的蔓延，烟雾会变得越来越浓因此，应该考虑能见度限制，因为疏散路线不再可见临界烟气高度(HC)是根据公式(1)计算的[8]1)Hp是眼睛的典型高度，等于人类身高的0.8，Hb对应于地板高度FRI研究所表示，能见度和烟雾密度之间的关系可以使用公式(2)来计算：(2)S是以米为单位的能见度，K是取决于疏散标志照度的比例常数，e是消光系数(1/m)2）温度高温会导致中暑、烧伤和呼吸问题一旦上层辐射强度超过180◦C，与人体直接接触的烟层超过60◦C，所产生的热量就会开始影响人体[9]3）气体中毒影响乘员的气体有CO、CO2和氰化氢(HCN)CO被认为是火灾期间的主要有毒气体[46]当一氧化碳毒性浓度超过2500ppm时，会对人体造成伤害3、某高校科研大楼的实际应用3.1 建筑物介绍智能疏散系统应用于中国某大学教学大楼的4楼，这个空间的总面积是1256平方米它包括办公室、技术室、厨房和洗手间这个空间拥有大约50个用户，包括教师、博士生和技术人员3.2 火灾模拟模拟了两个火源的火灾场景，以突出关键区域图1显示了火灾的位置和紧急出口门第一个场景对应于厨房因煤气燃烧器而发生的火灾事件，而第二个场景与电气室的电气故障有关。

每个火灾场景都是用来自中国的火灾测量输入数据建模的两种场景的模拟时间均设置为900s测量切片平面和临界点应位于模型中，根据公式(1)测量临界高度上的CO浓度、能见度和温度在这项研究中，人体的平均身高被认为是1.7米；因此，Hp等于1.36HB相当于3.3m的楼层高度，因此，临界高度等于1.69m图1 教学楼平面视图-模拟输入3.3 基于Agent的疏散仿真根据唐莉青[10]等人的说法(2019)，产生的热量、烟雾密度和毒性浓度构成了影响乘员移动的主要特征因此，FDS模拟被集成到探路者中，以考虑火灾期间人员的移动实验室里随机分配了50名人员，每个房间至少有一名人员计算了所需的安全出口时间(RSET)和每个乘员使用的出口门仿真验证是通过检查所有乘员的RSET是否小于ASET来进行的需要执行多个疏散模拟以实现最佳目标，同时使用PathFinder为每个租户导出考虑实时位置的最优指令集图2显示了厨房火灾情况下，正常情况下的疏散和火灾情况下的疏散之间的流速差异结果表明，在正常情况下，与火灾事故相比，各出口的流量是平稳的然而，后者在疏散过程中始终起伏不定此外，正常情况下的总疏散时间为54.5s，而火灾时的总疏散时间为251.5 s。

疏散时间的这一重要变化是由于能见度下降和烟雾造成的图2 火灾对室内人员流量的影响(厨房火灾场景)3.4 BIM在疏散管理中的应用BIM模型通过在Dynamo中执行的可视化编程代码提供传感器数据的实时可视化传感器提供有关温度、湿度和二氧化碳的实时数据图10a说明了温度数据可视化的示例总共在高入住率的房间安装了20个传感器来跟踪温度变化用颜色范围表示温度水平：绿色(最低温度)到红色(最高温度)如图例所示，温度在18.8◦C到21.8◦C之间变化，最高温度位于博士生办公室，那里的人比其他房间的人多对于每个房间，用户可以检查房间属性中传感器的记录数据(图10b)FDS和ABS中显示的结果在BIM环境中可视化并记录多个点的环境数据将被导出到Dynamo，后者将负责生成插值，以便在模拟间隔期间为每个环境参数提供热图值图3显示了厨房在火灾期间的CO变化结果表明，着火后CO排放迅速增加，然后基本保持不变图3 厨房内按时间计算的CO排放量(厨房起火情况)火灾和疏散模拟输出在BIM环境中同时可视化建议的系统根据乘客的位置说明了最优疏散路径，并提供了必要的信息，如RSET、所需距离和出口门在火灾发生时，BIM模型会根据最短和最安全的路线定位人员的位置并改变方向。

最后，系统显示乘客信息并向他们发送通知消息4、结论这项研究提出了一个综合的火灾疏散管理系统，该系统可以及早发现火灾；收集和分析传感器提供的环境数据；定位人员；为用户提供最优的疏散路径本文研究的新颖之处在于：首先是使用人工智能和之前的模拟，通过BIM环境学习和预测火灾期间乘员的最佳疏散路线其次该系统在BIM环境中同时可视化火灾和疏散模拟输出的能力它为疏散路线提供了关于安全疏散所需的距离和要采取的紧急出口的准确信息接着第三点是乘客使用移动应用程序与系统交互的能力最后本文通过在高校教学研究大楼的应用，说明了本文设计系统的有效性两个火灾场景显示了火灾的位置、类型和严重程度如何影响居民对疏散路线的选择参考文献[1]Nan L , Zheng Y , Ghahramani A , et al. Situational awareness for supporting building fire emergency response: Information needs, information sources, and implementation requirements - ScienceDirect[J]. Fire Safety Journal, 2014, 63(3):17-28.[2]Darko A , Chan A , Yang Y , et al. Building information modeling (BIM)-based modular integrated construction risk management – Critical survey and future needs[J]. Computers in Industry, 123.[3]方健, 司可. 塔式高层建筑火灾应急管理模型研究[J]. 中国公共安全(学术版), 2019.[4]杨丰辉, 郑亚阳. 在高层建筑消防安全管理中BIM技术的集成应用分析[J]. 内蒙古科技与经济, 2019, 000(012):84.[5]柳云龙. 基于Arduino的无线火灾监测系统设计%Design of Wireless Fire Monitoring System Based on Arduino[J]. 现代建筑电气, 2016, 007(008):17-20.[6]李娜, 齐爱玲, 贾澎涛,等. 两种火灾烟雾识别方法的研究[J]. 西安科技大学学报, 2019(05):898-904.[7] Sun 。