基于数字孪生理念的复杂建筑消防安全疏散动态分析.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10596-08科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-11-25修订日期:2023-06-02基金项目:国家重点研发计划(2021YFB2600500)第一作者:宋洋(1977),男,汉族,天津人,博士,教授。研究方向:建筑火灾与应急救援疏散。E-mail:ysong 。通信作者:王静(1997),女,汉族,河南焦作人,硕士研究生。研究方向:建筑火灾与应急救援疏散。E-mail:985148858 。引用格式: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.Song Yang,Wang Jing.Dynamic analysis of complex building safety evacuation based on digital twinJ.Science Technology and Engineer-ing,2023,23(24):10596-10603.基于数字孪生理念的复杂建筑消防安全疏散动态分析宋洋1,2,王静2(1.中国民航大学经济与管理学院,天津 300300;2.中国民航大学安全科学与工程学院,天津 300300)摘 要 为提高复杂建筑火灾的精确模拟,进行疏散方案的实时优化,用数字孪生技术构建高层复杂建筑三维数字镜像模型,利用仿真软件,通过耦合火源点、排烟、喷淋等因素,分析复杂建筑的安全性和消防安全疏散问题。在构建的模型基础上,阐述数字孪生框架下物理实体和虚拟空间的安全疏散动态思路。采用数字孪生技术搭建丰富的实验环境,运用火灾仿真软件 Pyrosim,结合火灾发展态势与火场人员位置进行基于数字孪生的消防安全动态疏散研究,研究新方案可以配合消防部门进行快速响应,为被困人员提出基于现场火势的撤离指引,改善目前建筑物疏散路线无法按照火势演变状况动态的进行、且无法兼顾人员位置的缺陷。关键词 数值模拟;复杂建筑;数字孪生;动态疏散中图法分类号 X921;文献标志码 ADynamic Analysis of Complex Building SafetyEvacuation Based on Digital TwinSONG Yang1,2,WANG Jing2(1.School of Safety Science and Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;2.School of Safety Science and Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)Abstract In order to improve the accurate simulation of complex building fire and real-time optimization of evacuation scheme,thedigital twin technology was used to build a high-rise complex building fire model,and the simulation software was used to analyze thesafety and fire safety evacuation of complex buildings by coupling fire source,smoke exhaust,spray and other factors.On the basis ofthe constructed model,the dynamic thinking of safe evacuation of physical entity and virtual space under the framework of digital twin-ning was expounded.Digital twin technology was adopted to build a rich experimental environment,and fire simulation software Pyro-sim was used to conduct a dynamic fire safety evacuation study based on digital twin combined with the fire development situation andthe location of fire site personnel.The new research scheme can cooperate with the fire department for rapid response,and put forwardevacuation guidance based on the scene fire for trapped personnel.Improve the current building evacuation routes can not be carried outdynamically according to the evolution of the fire situation,and can not take into account the location of personnel defects.Keywords numerical simulation;complex building;digital twin;dynamic evacuatio 随着社会的发展和建筑技术的不断进步,造型奇特的复杂建筑应用日益广泛。凹型建筑因其独特的设计风格和美观性日益受到人们的喜爱,空间面积的高效利用使高层建筑成为当代建筑的流行趋势,以凹形高层建筑为研究对象,进行基于数字孪生的消防安全动态疏散研究。高层建筑又有疏散距离长、烟气蔓延快、建筑高度大可燃物多火灾扑救困难等特点1-2,如果发生火灾将造成巨大的财力损失和人员伤亡。中外针对建筑火灾演化及应急疏散的研究较多,吕辰等3通过火灾动力学模拟工具(fire dynam-ics simulator,FDS)对不同凹型外立面结构因子影响下的火场温度、火焰前锋蔓延速率进行了研究,提出防火挑檐的合理设置可有效阻止火势沿凹型外立面向高处相邻住户蔓延。赵立财4将火灾的增长因子、最大热释放速率等参数导入蚁群算法,并改进原有的计算函数、疏散策略,在整体疏散路径中寻求时间、路径最短的逃生路线;毛清华5以投稿网址:多出口建筑为研究对象,基于蝴蝶算法和社会力模型,结合人群疏散特点制定疏散方案,建立应急疏散路径优化模型并进行验证。传统的疏散路径规划和消防救援难以在实际的紧急情况下为疏散人员和救援人员提供火灾实时信息6-7,当被困人员按照事先规划好的路线进行逃生却遭危险区域阻拦时,再进行折返另行寻觅疏散出口就会造成路径的延长、时间的浪费。与大多数普通建筑不同的是,发生火灾时,凹型高层建筑救援力量无法及时到位需要依靠自救,且凹型建筑疏散较为复杂:转折多、可选择疏散线路多、紧急情况下逃生人员方向感差。因此如何在结构复杂的凹型高层建筑中,将被困人员进行高效快速的疏散是需要解决的重要问题8-9。为提高高层建筑火灾精确模拟和疏散方案的实时优化,根据陶飞等10提出的数字孪生五维模型的概念,再结合凹型高层建筑室内特点和疏散需求,提出以孪生数据为核心的消防安全动态疏散方案,这一方案既可以配合消防部门进行快速响应,又能够为被困人员提供结合实时火灾的疏散指导来实现更安全的救援。对于减少人员伤亡,实现快速高效的人员疏散来降低事故损失具有重要研究意义。1 数字孪生驱动的疏散方案1.1 数字孪生驱动的疏散方案思路数字孪生是指把现实世界中的物理模型映射到数字世界中,参考现实建筑物的各种数据在数字世界构建一个完全相同的数字模型。现实世界的实测数据或者监测数据,可以随时输入数字模型进行仿真计算,两个模型的数据信息可以相互传输、相互影响、相互之间不断进行优化,相当于传统所说的交互式仿真,即研究人员可以根据实测数据,随时更改输入数据,使仿真计算实时跟进现实情况,并调整计算过程,使计算结果更加真实。消防安全动态疏散方案,如图 1 所示。首先根据物理建筑物构建虚拟世界三维数字镜像模型,然后通过传感器监测到的如建筑布局、室内环节、人员位置这些数据来修正数字模型。当火灾发生时,传感器将监测到的数据传至数据管理层,安防预警层立马发出警报并启动消防应急装置,被困人员感知报警之后即刻展开自救逃生,疏散引导层根据搜集来的火场实时数据分析火情并进行火灾发展预测,划定不可通行区域然后结合人员位置规划出更高效的疏散路线,不同位置的消防广播为人员提供相对应的安全疏散引导。图 1 中,数据管理层即室内环境信息采集与人员位置确定。在数据管理层,有很多类型的数据,如室内环境数据、用户位置数据、设备和传感器数据、用户行为数据等。室内人员位置信息至关重要,可以通过信标、检测传感器(超声波、运动检测等)和利用无线电信号应用进行检测;当某处监测数据超过设定数值,建筑安防预警层会立刻做出警示并快速反馈到消防控制中心;疏散引导层提供火灾实时状况、火灾蔓延预测、疏散空间优化分析等,它负责向用户提供最佳疏散指导。当火灾发生时,图 1 数字孪生驱动的消防疏散方案框架Fig.1 Digital twin-driven fire evacuation scheme framework795012023,23(24)宋洋,等:基于数字孪生理念的复杂建筑消防安全疏散动态分析投稿网址:疏散引导层将结合建筑布局、火灾信息和人员位置,对被困人员进行有建筑实景的疏散引导,节约逃生时间。1.2 基于数字孪生五维模型的疏散框架构建将数字孪生五维模型6应用于消防安全动态疏散研究中,如式(1)所示。MDT=(PE,VE,SS,DD,CN)(1)式(1)中:MDT为该消防疏散五维模型;PE 为建筑、室内环境、人员的物理实体;VE 为建筑、室内环境、人员的虚拟实体;SS 为消防疏散动态指引;DD 为传感器监测到的数据,CN 为各组成部分间的连接。需要注意的是,因为研究的是人员疏散问题,VE 几何模型中的形状、尺寸,物理模型中的属性、特征等与研究无关,不予考虑,另将人员个体设置为独立状态、互不影响。该研究主要借助数字孪生模型,并结合物联网、大数据来确定人员位置和火灾发展情况,从而实现被困人员疏散和救援人员应急的动态指导,其核心是现实数据向虚拟数字世界的映射。表 1 为现有研究与基于数字孪生动态疏散方案的差异。表 1 现有研究与目标方案差异Table 1 Differences between existing studies andtarget programs现有研究目标方案对于疏散问题的研究很少应用到实际的建筑物当中在数字世界中构建现实世界建筑物相对应的数字模型直接应用随着火灾发展原有方案被破坏,没有合适的替代方案跟随火灾进展提供适当的疏散路径疏散路径规划不能根据火灾的发展态势实时动态地进行提供火灾实时信息,并预测即将危险区域,进行疏散路径规划路径规划不能把人员的位置和火灾的发展态势进行综合考虑不仅考虑了室内的危险区域,还考虑了人员在建筑物内的位置信息2 数字模型构建2.1 工程概况及网格划分以某交流中心为研究对象,建立几何模型。该交流中心是集教室、办公室、餐厅、泳池、宿舍等于一体的综合性建筑,项目主体为框架混凝土结构,拥有大量可燃物,具有扑救和逃生困难等特点。该建筑高度 53.55 m,地上 1 层层高 5.55 m;地上 2、3层,层高 4.5 m;地上 4 13 层,层高 3.9 m。1 9层建筑面积约为 4 620 m2,10 13 层建筑面积约为6 916 m2。窗户尺寸为 0.9 m 1.5 m,房间门尺寸为 1.5 m 2 m。为研究最真实火灾情况,建筑内设置排烟与喷淋系统,模拟耦合火源点、排烟、喷淋、热电偶等因素的实体空间火灾,设置外界温度为20,风速 0 m/s。为了模拟能尽可能贴近实际火灾,将 1 9 层设置为第一网格,网格大小为2 m 2 m 2 m,将10 13 层设置为第二网格,网格大小为1 m 1 m 1 m,该交流中心模型图如图 2 所示,模型总的网格数量为 182 096 个,模拟时间设置为 400 s。图 2 模型构建示意图Fig.2 Schematic diagram of model construction2.2 火灾场景设置火灾场景的设置遵循最不利原则,选取真实的火灾情形进行设计,将火源位置设在 11 层西侧房间A,为了模拟火灾发生的真实性,在建筑内设置了沙发、书桌、床等日常用具。在左侧楼梯口设置烟气探测点,并在 11、12、13 层平面 Z=43.85 m、Z=47.75 m、Z=51.65 m 处设置温度、CO 浓度及能见度切片,5 个 CO 体积分数探测点。火源点及探测点位置如图 3 所示。图 3 起火点及探测点示意图Fig.3 Schematic diagram of ignition point anddetection point2.3 火灾参数设计从 4 个方面来对火源进行设置,分别为火源类型 t2、火灾增长因子、火源荷载密度 q、火源最大热释放速率 Q 的确定。89501科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:根据火灾发展过程,为了得到既合理又最接近实际的火灾模拟,火源热释放速率模型采用 Q=t2非稳态火模型。其中,为火灾增长因子,t 为火灾发展时间。火灾增长因子 由材料的燃烧等级 m以及火灾荷载密度 f来确定,可由式(2)确定。=m+f(2)f=2.6 10-6q5/3(3)式(3)中:q 为荷载密度。m由表 2 确定,交流中心建筑物的墙面装修材料为混凝土,是不燃性材料,m取 0.003 5 kW/s2。表 2m与建筑物墙面装修等级Table 2mand building wall decoration grade墙面装饰材料等级m/(kW s-2)材料种类A 不燃性材料0.003 5混凝土、黏土、玻璃等B1 难燃性材料0.014 0石膏板、防火塑料装饰板等B2 可燃性材料0.056 0木板、木质人造板等B3 易燃性材料0.350 0塑料制品、墙纸等火灾荷载密度是指房间内所有可燃物完全燃烧时所产生的总热量与房间面积之比。火灾荷载密度的确定可通过经验统计法,评估法或直接计算获得,计算公式为q=nc=1mcHcAf(4)式中:mc为可燃物的总质量,kg;Hc为可燃材料的有效热值,MJ/kg;Af为地面的总面积,m2。最大热释放速率的确定采用评估法,计算公式为Q=in=1qnAn(5)式(5)中:qn为单位面积热释放速率,kW/m2;An为燃烧面积,m2。由式(2)式(5)可以确定此类火灾场景最大热释放速率为3 000 kW,t=340 s,=0.025 6 kW/s2。3 火灾模拟结果分析3.1 能见度分析在进行安全疏散时,能见度是一个重要因素。交流中心布局复杂,在能见度不足的情况下,被困人员进行疏散逃生的速度会大大减弱。火源点 A发生火灾时,西侧房间的能见度会大大降低,人员的疏散速度也会减慢。能见度曲线如图 4 所示,11层烟气延走廊蔓延,a、b 点能见度分别在 210、240 s之后下降至 10 m 以下,240 s 能见度切片测得数据如图 5 所示。因为距离火源位置较远,又有喷淋、排图 4 火源点 A 能见度曲线Fig.4 Visibility curve of fire point A图 5 240 s 时火源点 A 能见度切片图Fig.5 Visibility section of fire source point A at 240 s烟系统保障,与 a、b 点相比,点 c、d、e 能见度下降速度缓慢,可以有足够时间用于人员疏散。3.2 CO 体积分数分析CO 中毒导致神志不清是大多数人在火灾中被烧死的主要原因。表3 为不同 CO 浓度对人体的影响。火灾烟气由于烟囱效应向上蔓延,随着楼层的升高,CO 气体浓度也在增大,13 层楼梯口的 CO 气体浓度大于 12 层,12 层又大于 11 层。耦合火源点、排烟、喷淋等因素下的火灾烟气主要为横向蔓延,在整个建筑,如图 6 所示,在 260 s 时 CO 气体的体积分数最大为 1.5 10-8mol/mol,远小于临界值5 10-4mol/mol。因此在该火灾发生过程中,火灾产生的 CO 气体对人员影响不大。表 3 CO 浓度对人体影响Table 3 Effect of CO concentration on human bodyCO 浓度/%对人体健康的影响0.1620 min 头疼、头晕、恶心,2 h 内可致命0.325 10 min 头疼、头晕、恶心,30 min 可致命0.641 2 min 头疼、头晕,20 min 可造成抽搐、呼吸停止1.28呼吸 2 3 次即造成意识丧失,3 min 内即可致命995012023,23(24)宋洋,等:基于数字孪生理念的复杂建筑消防安全疏散动态分析投稿网址:图 6 260 s 时 CO 体积分数切片图Fig.6 Section of CO volume fraction at 260 s3.3 温度分析温度是产生人员伤亡的另一重要原因,人体对温度的耐受极限为 60。当 11 层西侧房间起火后,如图 7 所示,在 228 s 时着火房间温度达到最高114。烟气快速蔓延至楼梯口,温度随之升高,11层西侧南向楼梯口温度变化范围在30 以内,最高温度为 47。而随着烟气聚集楼梯口温度上升超过 60 将对人员具有很大威胁。该楼梯口温度达到临界值,将直接影响相邻房间以该楼梯口为疏散通道的人群,因此,数字孪生驱动下的结合火灾实时状况的动态疏散指引至关重要。图 7 228 s 时温度切片图Fig.7 Temperature section diagram at 228 s4 数字孪生驱动的疏散规划机理4.1 数字孪生驱动的疏散模型框架第 3 节已对火灾中温度、能见度、CO 体积分数等重要特征值进行过分析,将传感器的危险临界值设置为以上特征值的临界值,如表 4 所示,当某一区域任一特征值超过危险临界值,即会造成人员休克甚至死亡,则判定为危险区域不予通行。表 4 特征参数危险临界值Table 4 Characteristic parameter danger threshold特征参数特征值可通行临界值不可通行温度/60能见度/m10CO 体积分数/(10-6molmol-1)500选取交流中心第 11 层西侧部分房间作为重点研究对象,采用 Peng 等12的方法,用一个节点表示一个独立空间,用两点之间的连线表示空间的联通,用直线表示疏散距离与方向,将具体建筑模型简化成图 8 所示的疏散模型。图 8 中,两直线相交位置为疏散连接点,将每个点根据房间、楼梯、走廊等空间类型的不同采用不同格式 RN、EN、CN 进行编号,其中 N 表示点的顺序。为节约查寻疏散路线的时间,将在不同的位置设置消防广播进行语音引导,提示该区域人员向安全方向疏散,为方便直观计算应用效果,将空间距离标注在路线上,如图 9 所示,11R1 表示 11 层 1 号房间。需要明确的是,两点之间的连线距离代表该段路径的长度,不能以直线长度丈量。4.2 基于 Dijkstra 算法的路径寻优规划方法在完成疏散模型的构建后,选用解决运筹学中最短路径问题常用的迪杰斯特拉算法(Dijkstra algo-rithm)实现疏散路径的计算13。迪杰斯特拉算法原理10以一个无向图为例,算法步骤如下。步骤 1指定一个节点为源点,如要计算 A 点到其他节点的最短路径。步骤 2 引入两个集合(S、U),S 集合包含已求出的最短路径的点(以及相应的最短长度),U 集合包含未求出最短路径的点。步骤 3 从 U 集合中找出距离源点 A 路径最短的点,加入 S 集合。步骤 4 将 U 集合中其余节点重新排序,选出最短距离更新 U 集合路径。步骤 5 循环执行步骤 3、步骤 4,直至遍历结束,得到 A 到其他节点的最短路径。本次研究只需寻求源点到疏散出口的最短安全路径。依此思路,将迪杰斯特拉算法进行改进,改进内容为:根据实时监测到的人员位置进行源点设定,无向图选取为被困人员所在楼层,无向图和源点随着人员位置的变动而随之变化;当某一区域所监测到的火灾特征参数值达到危险临界值时,将源点到该节点位置的距离设置为无穷大;只选取出口 EN 作为终点,通过迪杰斯特拉算法求出其中最短的一条路径。00601科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:图 8 凹型建筑 11 层部分平面拓扑图Fig.8 A partial plane topology of the 11th floor of a concave building图 9 第 11 层部分平面拓扑及两种情况的示意图Fig.9 Partial plane topology of layer 11 and schematic diagram of two cases5 应用效果以某交流中心这一凹型建筑为例,对该建筑第11 层进行拓扑模型构建,将楼梯口 E1 设置为危险区域不可通行,使用基于数字孪生的系统进行疏散路径规划,由于 R1 R7 房间延用原有疏散路径,距离没有变化,将上半部分其余房间人员的疏散数据进行前后对比,结果如图 10 所示,可以看出,基于数字孪生规划的疏散路径有明显缩短,此外,疏散减少距离与距离危险区域的远近有关,距离危险区域越远,了解火灾实时信息越不及时,但在动态疏散指引下可以缩短更长的逃生路径节约更多的时间。以 R11 房间和R16 房间为例,如图 9 所示,分别分析数字孪生指导下的动态疏散的效果。路径和效果分析如表5 所示。106012023,23(24)宋洋,等:基于数字孪生理念的复杂建筑消防安全疏散动态分析投稿网址:表 5 两种情况下方案优化前后效果分析Table 5 Effect analysis before and after scheme optimization in two cases人员所在位置危险所在位置一般分析时可能的疏散路径结合数字孪生的动态疏散路径优化后节省的距离/m优化后节省的时间/s11R16E1R16C13C14C15C16C17C18C17C16C15C5C3C4E2R16C13C12C11C10C5C3C4E238.419.211R11E1R11C15C16C17C18C17C16C15C5C3C4E2R11C15C14C13C12C11C10C5C3C4E225.612.8图 10 方案优化前后不同起点人员疏散距离Fig.10 Evacuation distances of personnel at differentstarting points before and after optimization将人员疏散速度设置为 2 m/s,当人员起始在R16 房间时,采用数字孪生规划出的路径可节省疏散路程 38.4 m,节约时间 19.2 s;当人员起始位置在 R11 房间时,采用数字孪生规划出的路径可节省疏散路程 25.6 m,节约时间 12.8 s。以上数据可以看出,基于数字孪生的动态疏散指引对于被困人员疏散距离的缩短,疏散时间的减少,疏散效率的提高有明显成效。当建筑发生火灾,被困人员进行疏散逃生时,简单的按照已规划好的疏散路径就近寻找逃生出口,没有结合具体火灾发展态势,逃生途中遇到危险区域再折返进行安全疏散路径的寻找就会造成时间的浪费。如以 R8 房间人员为例,火灾发生时,被困人员根据原有逃生路线选择就近逃生出口 E1,到达逃生出口 E1 时发现火情严重,再原路返回选择 E2 作为逃生出口,此时疏散距离比本文拟议方案长 45 m,以 2 m/s 疏散速度估算将要浪费 23 s 时间。而基于数字孪生的消防安全动态疏散指引能有效帮助被困人员了解危险所处的位置,规划疏散路径,提高逃生效率。基于数字孪生三维数字镜像模型,在对疏散路径进行制定的时候,结合传感器实时监测到的火灾发展态势、室内火灾温度、能见度、CO 体积分数等特征值以及人员位置,可以有效避免由于对现场危险位置的不确定而导致的盲目逃生。所以对以靠近危险区域为主要疏散路径的人员来说,路径优化效果明显,并且以危险区域为圆心,减少距离与距离危险区域长度呈反比。6 结论首先对某凹型高层建筑耦合火源点、排烟、喷淋、热电偶等因素的火灾进行模拟分析,掌握室内火灾温度、能见度、CO 体积分数等特征值变化情况,然后基于数字孪生概念提出消防安全动态疏散方案,该方案可以配合消防部门进行快速响应,为被困人员提供结合实时火灾的疏散指导。得出如下结论。(1)通过传感器,可以了解火灾发展实时态势、人员被困位置、人员疏散情况。(2)在进行疏散路径制定时,基于数字孪生模型,可以将室内的危险位置与被困人员位置结合起来,制定针对个人的疏散路径。(3)该方案制定的路径可根据数据监测结果,预测火灾发展走向,避免途径即将要变成危险区域的位置,节约逃生时间。参考文献1 丁厚成,徐远迪,邓权龙,等.高层建筑火灾烟气流动对疏散影响的模拟研究J.中国安全科学学报,2020,30(12):118-124.Ding Houcheng,Xu Yuandi,Deng Quanlong,et al.Simulationstudy on the influence of smoke flow on evacuation in high-risebuilding fireJ.China Safety Science Journal,2020,30(12):118-124.2 宋英华,程鹤,王奇明,等.大型体育场馆行人分区疏散优化策略研究J.中国安全生产科学技术,2021,17(3):19-25.Song Yinghua,Cheng He,Wang Qiming,et al.Research on opti-mization strategy of pedestrian zoning evacuation in large sports ven-uesJ.Journal of Safety Science and Technology,2021,17(3):19-25.3 吕辰,夏新兴,潘锴等.高层建筑凹型结构外立面火灾竖向蔓延规律数值模拟 J.科学技术与工程,2022,22(31):14065-14071.L Chen,Xia Xinxing,Pan Kai.Numerical simulation of verticalfire propagation law of concave structure facade of high-rise buildingJ.Science 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