基于BIM和优化蚁群算法的建筑消防疏散路径规划研究

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，火灾发展过程中会伴随着释放出大量的火灾烟气产物，这些火灾烟气产物极大地影响了逃生人员的疏散速度。通过采用 Revit 软件搭建建筑的 BIM建模，实现模拟场景和实际建筑的统一。并在此基础上通过 Pyrosim 火灾消防软件进行建筑火灾烟气监测模拟，通过不同时间节点烟气温度、能见度和有毒气体浓度的火灾数据分析和采集，为改进蚁群算法当量长度的计算提供数据基础。

  火灾事故的频频发生，给人类造成了很大的安全问题，大空间建筑的安全疏散问题一直是国内外关注的热点。本章介绍了论文的研究背景以及建筑消防疏散路径规划的研究意义，对国内外建筑消防疏散的研究现状做了归纳分析，提出了研究思路和方法，最后对文章的整体结构做了介绍。

  1.1 研究背景及意义

   近年来，随着城市大空间建筑的不断增多，建筑的复杂性和密集性都发生了质的飞跃。在城市建筑飞速发展的同时，也给建筑消防安全带来了一系列的问题。据统计 2019 年全国共接报火灾 23.31 万起，死亡人数达到了 1335 人，伤837 人，已统计造成直接财产损失 36.72 亿元。全年发生较大火灾 73 起，同比去年增加了 2 起。其中，城乡居民住宅火灾占比较大，高层住宅建筑发生火灾6974 起，亡 56 人，同比去年上升了 10.62%，其次是人员密集场所，发生火灾1472 起，亡 32 人，分别占总数的 7.5%和 22.6%。从上述数据分析可知，我国每年的火灾发生频率非常高，造成的人员伤亡和财产损失也十分严重。从住宅和密集场所的火灾事故调查中发现，造成人员伤亡的原因有很大程度上是由于火灾发生时疏散不及时造成的。由于疏散人群对建筑物内部通道路口的不熟悉和相关消防意识的匮乏，在发生火灾时，无法及时获取到通往安全出口的正确路线进行疏散撤离，消防人员也不能快速地开展救援和火灾扑救工作，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，加强城市公共消防安全管理，提高大空间建筑中密集人群的安全疏散和救援的效率，是目前建筑火灾消防安全面临的最大的问题。建筑消防疏散路径的规划研究有利于提高人们应对火灾的能力，最大化地减少火灾事故中的人员伤亡和损失，为人员的疏散救援提供合理可行的指导方案。当代消防安全需求不同以往，新兴的现代建筑具有复杂的空间结构和巨大的建筑体量，给建筑火灾的消防安全疏散和救援的带来了很大的难度。火灾事故发生后，如何快速的制定最优疏散路径规划方案，并及时的指导应急逃生人员进行安全有效撤离，是现代建筑火灾消防疏散面临的新的考验。BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术的应用为现代建筑的消防疏散提供了新的思路。在城市大空间建筑的消防安全问题上，利用 BIM技术数据集成和三维可视化的特点，建立智能的建筑消防疏散路径引导方式是适应现代建筑消防疏散的发展趋势。本文着眼于大空间建筑火灾的消防疏散路径规划研究，采用 Revit 软件构建建筑实体的建筑信息模型，并结合 Pyrosim 火灾烟气监测模拟、改进蚁群算法的疏散路径规划、BIM 技术和 Web GL 技术等方法实现了建筑消防最优疏散路线的规划和疏散路径的可视化显示。期望为应急疏散人群提供安全、准确的疏散指导，从而降低火灾事故造成的人员伤亡。综合以上研究分析，本文研究通过结合 BIM 技术和 Pyrosim 火灾数值模拟建立建筑火灾烟气监测模型，从影响人员疏散路径规划的环境因素出发，对火灾环境中高温、毒害气体、烟气浓度进行数值模拟分析，并提出当量长度的概念，引入到蚁群算法的计算中以保障疏散路线的安全性。其次，对蚁群算法的进行优化设计，提高疏散路径规划的计算效率和精度，使疏散路径规划更为合理。最后基于 BIM 技术构建智能化的建筑消防疏散管理系统进行建筑信息模型的三维漫游和路线的可视化显示，期望为撤离人群提供直观、便捷的疏散指导。

  1.2  本文的研究内容及组织框架

  本文研究内容主要包括：（1）人员安全疏散影响因素研究，通过调查研究，总结现代建筑火灾的特点，从人与人、人与火灾环境和人与建筑结构三各方面对影响人员安全疏散的主观因素和客观因素进行分析研究。（2）火灾烟气监测模型的研究，学习 IFC 标准和 EXPRESS 语言，运用 Revit 建模软件制定建筑 BIM 模型的建模方案。以 BIM 模型为火灾模拟场景，采用流体力学理论与数值模拟相结合的方法，运用 Pyrosim 火灾动态模拟软件进行火灾烟气模拟，对建筑内火灾烟气蔓延速度、火场温度、有毒有害气体浓度状况进行研究分析和数据收集，为安全疏散奠定了基础。（3）蚁群算法的改进研究，针对蚁群算法计算时间长、收敛速度慢的问题，对算法进行优化设计。分别从选择策略和信息素更新策略对算法进行改进，提高疏散路径规划的计算效率和精确度。（4）疏散路径的可视化研究，利用 Web GL 技术进行建筑信息模型的三维重建，实现 PC 端上模型的显示、漫游和属性查询功能。并结合 BIM 技术建立建筑消防疏散管理系统实现疏散路径的可视化显示。

  建筑火灾是一个动态的变化过程，火灾发生的过程分为火灾发生初期、火灾蔓延初期、火灾旺盛阶段和扑救熄灭阶段四个阶段。这个过程中，火灾环境及其所产生的的蔓延产物严重的影响了撤离人群的疏散效率。本章通过分析建筑火灾的特点和传统消防疏散的缺陷，论述了建筑火灾消防疏散的重要性。并从人与人、人与火灾环境和人与建筑结构三方面对人员安全疏散的影响因素进行了分析研究。最后对 BIM 技术在消防疏散领域的应用进行了简述，包括 BIM技术的特点、功能以及在消防疏散方面的应用优势。

  2.1 建筑火灾消防疏散的特点和基本理论

  随着城市高层建筑、大空间建筑的与日俱增，建筑火灾消防面临的问题也越来越多。现代城市中这些建筑巨大的内部空间结构和复杂且较长的通道路径使得现代建筑火灾消防疏散的难度越来越大。目前，我国在城市建筑火灾消防疏散方面还存在着许多的不足和缺陷，当发生火灾时，由于撤人员对建筑内部环境的不熟悉，以及这些大空间建筑空间构架复杂、人员密集度高等特点，使得人员疏散效率低，救援难度大。给消防救援带来了很大的难度。随着现代大空间建筑的不断涌现。这些建筑给我们日常生活带来了许多的便利。但同时也给城市消防安全带来了一系列的安全隐患。现代建筑火灾的特点有以下几个方面：（1） 火势蔓延途径多、速度快，现代大空间建筑中，由于功能需求，其内部设有楼梯间、电梯井、管道井、电缆井、等诸多的管井，当发生火灾是，这些管井会助长火势，使得火灾蔓延速度加快。而且这中间由于无法设置隔断，火势借助外部风力的作用会迅速扩大火灾事态。（2） 功能复杂、安全隐患多，由于大空间建筑体积大，内部结构复杂多样，设备繁多。各式各样的公共设施和服务设施线路复杂，功率大，导致火灾发生的几率增高。其次，由于大空间建筑人口密集度高，潜在的火灾隐患增多。现代大空间建筑在发生火灾时，用电基础设施均不能使用，人们只能通过楼梯和通道进行撤离。但是这些大空间建筑体量巨大，结构复杂，很难在短时间内找到正确的路线进行撤离。再加上其内部空间大、人员密集度高，疏散人群对建筑空间结构的不熟悉，就非常容易造成拥挤、踩踏等事件的发生。从而造成疏散效率低下和人员伤亡。消防救援人员也很难展开及时的救援和灭火。

  2.2 火灾人员安全疏散的基本理论

  人员安全疏散是火灾发生时保障人员生命安全和快速逃生的重要环节。建筑火灾环境中，人员安全疏散的影响因素可以从人与人、人与建筑、人与火灾环境三方面进行描述。即疏散人群个体之间的行为特性差异、建筑内部的复杂的空间结构特征以及火场环境中火灾产物的动态增长都是影响人员安全疏散的重要因素。在火灾发生后，有效分析火灾现场的实际情况并快速制定相应的疏散路径规划方案可以最大限度的保证人员生命安全，提高消防疏散的效率。在建筑火灾消防疏散问题上，人员是整个疏散过程中的主体。研究发现，在火灾环境下，疏散人员自身的一些特性对疏散的效率有着至关重要的影响。疏散人员的特性主要分为心理特性和行为特性。火灾环境中，人员在疏散过程受到声音、温度、烟雾、刺激性气味等因素影响，导致人员做出错误的疏散决定，影响人员安全的疏散效率。疏散过程中人员个体典型的心理表现有：人群在面对突发性火灾状况时，没有足够的心理准备和消防安全意识，表现出来一种焦虑心理状况，随着火灾的蔓延，人员的心理压力也越来越大，焦虑发展为惊慌心理。在火灾环境中，惊慌心理会导致人员在慌乱中做出不合理的疏散行为。在面临突发火灾时，人们大多会选择有亮光和光线明亮的方向进行逃跑，这是人们在面对突发火灾时根据趋光心理而做的本能反应。在实际的建筑防火设计中，可以合理利用人群趋光心理的特性，设置一些应急照明设备和疏散指示灯等，可以有效的帮助人群进行疏散撤离。在面对火灾时，由于受到外界环境和他人的双重刺激下，人员会有手足无措的表现，在这种情况下，人员会大概率的选择与他人相同的疏散方向进行撤离。研究表明从众心理在疏散中是非常重要的影响因素，当处在能见度非常低的火灾环境中，人们会对群体较强的依赖感，表现出较大的盲目性疏散。面对火灾时，多数人员会表现出丧失理智、盲目、慌不择路的冲动行为。这种行为不仅会加剧自己的恐惧，而且还会导致其他人陷入混乱，给火灾救援工作带来了很大的困难。在正常环境下，人的行为特征一般遵循“心理--行为”的方式。但在面对突发火灾情况时，由于心理受到比较强烈的刺激，因此会表现出与往常行为较大的差异。研究表明，疏散人员在逃生的过程中，其行为是受动机和需求支配的。人员在疏散过程中的行为、动机和目的是一体的。但是三者在人员的疏散过程中会不断变化，人员在疏散过程中时刻都在从外界获取信息，从而反馈给动机和行为，不断进行调整。

  3.1 建筑信息模型的建立

  3.2 火灾烟气监测模型的建立

  3.3 火灾烟气模拟结果分析

  3.4 火灾产物对人员疏散的量化分析

  3.5 本章小结

  4.1 蚁群算法

  4.2 改进蚁群算法的疏散路径规划

  4.3 改进蚁群算法的疏散路径寻优实现流程

  4.4 火灾环境下疏散路径规划

  4.5 本章小结

  5.1 建筑消防疏散管理系统的建立

  5.2 基于 BIM 技术的建筑消防疏散管理系统
  5.3 疏散路径规划的可视化实现

  5.4 本章小结

  本文将 BIM 技术和蚁群算法相结合，用于解决建筑的疏散路径规划问题。采用 BIM 技术建立建筑三维信息模型作为火灾模拟场景，实现模拟场景与实际建筑的统一。结合优化的蚁群算法进行疏散最优路径的计算，最后通过 Web GL技术实现疏散路径的可视化显示。本文的主要研究成果如下：（1）基于 BIM 理论构建了建筑火灾的烟气监测模型，以 BIM 模型为火灾模拟场景，采用流体力学理论与数值模拟相结合的方法，运用 Pyrosim 火灾动态模拟软件进行火灾烟气模拟，对建筑内火灾烟气蔓延速度、火场温度、有毒有害气体浓度状况进行动态模拟分析。为疏散最优路径规划提供了理论依据和数据基础。（2）蚁群算法的策略优化，针对蚁群算法早熟和收敛速度慢的问题，对算法进行了优化设计。启发函数方面，综合考虑火场动态参数对疏散的影响，用当量长度来代替传统算法中的几何长度，作为算法的启发函数，提高疏散路径规划的安全性；信息素更新策略方面，采用全局信息素与局部信息素同步更新的方法，动态调整信息素挥发因子，提高算法的搜索能力和计算效率；并通过仿真实验验证了算法的有效性，实现了建筑火灾疏散路径的动态寻优。（3）疏散路径的可视化显示实现，利用 Web GL 技术进行建筑信息模型的三维重建，实现 PC 端模型的显示、漫游和属性查询功能。并结合 BIM 技术建立建筑消防疏散系统，实现建筑消防设备信息的收集管理与逃生路线的可视化显示。最后，利用案例建筑进行了消防设备的可视化定位、逃生路线和火灾扑救路线的可视化模拟。本论文在大空间建筑的消防疏散路径规划的工作虽然取得了一些成果，但还存在不少的问题，需要进一步完善。（1）建筑火灾的人员疏散问题上，影响逃生路径选择的因素有很多，本文主要考虑了高温、烟气能见度、CO 气体浓度对疏散的影响，并未考虑人员拥挤程度等对疏散影响，后续还要进一步研究。（2）科技的迅猛发展和大数据时代的来临，数字资源的优势是不可比拟城市建筑的消防和应急疏散更加趋向于智能化。将 BIM 技术与物联网技术相结合，充分发挥建筑大数据的优势，根据不同类型的建筑选择相适应的建筑消防疏散方式，构建出一个更加全面、有效的火灾应急疏散系统，达到真正的智能化消防疏散管理。