基于BIM的隧道阻燃沥青路面火灾模拟与安全疏散研究

基于BIM的隧道阻燃沥青路面火灾模拟与安全疏散研究

吴振东1，于博一1，熊建洋2

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

摘要：围绕隧道消防安全的问题，本文利用BIM构建了隧道模型，完善了基于阻燃沥青路面的隧道信息，设计了火灾模拟场景，并分析火灾发生后的烟气蔓延、高度、浓度及疏散情况。结果表明，铺有阻燃沥青路面的隧道其烟气不会在路面表面发生蔓延，烟气临界高度约6m，安全疏散时间约380秒。

关键词：BIM；阻燃沥青；隧道；火灾模拟

0引言

截止2022年底，全国公路隧道24850处、2678.43万延米，其中特长隧道1752处、795.11万延米，长隧道6715处、1172.82万延米，已成为了世界上公路隧道数量最多、结构最复杂、增长速度最快的国家[1]。但是，近年来公路隧道安全面临严峻考验。相较于其它公路路段，隧道存在路面排水差、视觉感差、空间狭窄等特点，导致车辆行驶洞内与洞外环境差异大，交通事故率远大于隧道外路段，进而引发隧道火灾[2-4]。在此环境中，发生火灾以及其他紧急突发事故人员疏散过程，逃生人员的心态会受到很大程度的影响，同时由于其封闭特性，火灾蔓延过程中，燃烧产物对疏散人员身体影响效果较为明显，一定程度上增加了疏散难度，从而产生严重的安全事故。表1统计了近十几年国内外发生的较为严重的隧道安全事故[5]。

表1 国内外较大隧道安全事故

然而，由于隧道结构局限，难以开展火灾相关研究；学者对于隧道火灾疏散的研究方法主要分为实际演习与疏散理论模型研究，两种方法都存在较为明显的局限性，实地演习成本较高、存在一定的危险性，同时由于演习人员对于演习与真实突发事件的认知差距，导致演习结果的真实有效性无法得到保障。疏散理论模型研究隧道火灾疏散时，会对隧道人员疏散路径提前规划设计，以此会导致无法真实还原突发情况下隧道站内人员真实疏散选择，疏散结果较为理想化。

近年来，随着BIM技术及多种疏散软件的开发研究，为隧道火灾模拟与人员安全疏散仿真研究提供了技术基础。本文拟采用BIM技术建立隧道阻燃沥青路面模型，结合Pyrosim火灾模拟软件，分析气体浓度、温度、可见度的变化，计算出有效安全疏散时间；使用Pathfinder疏散软件进行隧道火灾情景下的人员疏散研究，分析人员安全疏散情况，计算得出必需安全疏散时间，从而对隧道安全设计进行评估，并对隧道安全管理提出优化建议。

1隧道与火灾场景

1.1隧道与火灾动态仿真模拟的模型

本文基于BIM模型，通过Autodesk Revit 2024软件对隧道模型进行构建，包括隧道的基本信息、阻燃性能以及隧道的消防性能化设计。然后，将模型导入PyroSim 2023软件进行模拟。模拟时，确定任意的一个起火点，并在隧道内设计排布热电偶与烟层探测装置，监测火灾发生时的温度，烟雾高度等，模拟结果会以动画和数据两部分展示出来，以供后期对于火灾烟气蔓延速度的研究用。通过模拟得出的火灾及烟气蔓延的数据得出隧道人员疏散的最佳时间。

1.2火灾演示场景设计

首先将已经搭建好的BIM模型以DWG的格式导出，导入pyrosim软件中，随后对模型进行火灾模型的建立，导入后模型如图1所示。

图1 导入后的隧道模型

火灾场景假定隧道中某一辆运送木材车辆的木材起火。根据不同的设计方案，对于烟气火灾蔓延分析、人员疏散方案以及防火性能化设计的建议都会有不同的结果。所以在设计火灾场景的时候，会考虑到火灾发生具体位置，火灾发生时可燃物多少，人员分布情况，以及隧道的结构特性等情况。火灾的模拟一般都是考虑最不利的情况。具体着火点如图2所示。

2图3.2.2-1  着火

图2 隧道火灾着火点

1.3 数据参数

火灾的初始条件：系统默认条件，环境初始温度20℃，环境初始相对湿度30％，环境大气压力101325Pa，风速：0m/s；用户自己设置条件，火灾模拟运行时间600s，燃烧类型为木材燃烧。

燃烧位置为一皮卡车车斗中的木材，为了能更准确测量烟雾温度，烟雾浓度与火灾发生时间的关系，以及发生火灾时被困人员最佳合理疏散时间的数据。在模型中放置了若干热电偶。排布如下：

（1）因隧道内部最低点与最高点的距离为9.5m，故在水准高度1.5m至水准高度11m上设置烟气层高探测装置，以检测烟气高度随燃烧时间的变化情况。

（2）隧道总长度250m，以十米为间隔，以X=0点为起始，沿X轴方向（隧道延伸方向）放置了25根烟气层高探测装置。

（3）从层高探测装置最高点（Z=11m）为基准，放置热电偶以探测对应点位温度随着燃烧时间的变化，在同一烟气探测装置上，以最高点处热电偶为基准，向下每隔1m复制一个热电偶，故在一条烟气层高探测装置上，共有9个热电偶；再将每一个烟气分层装置上的全部九个热电偶统一选中，沿X轴方向每隔10米复制一组，共24组。

（4）在火源发生处，X=161m和Y=9.5m处放置2D切片；我国成年人平均身高据2020年国家官方公布为男169.7cm和女158.0cm，因为儿童身高远低于成年人，故这里以成年人为准，取最高值男人的身高，眼睛高度约为160cm左右，如果烟气高度低于此高度，既此处已经不适合疏散逃离。在Z=4m的高度处放置上述的四种类型的切片。每一处放置四个类型的切片，分别探测温度、可见度、气流速度、一氧化碳体积分数。切片位置如图3所示。

图3 隧道内的四个切片位置

（5）网格划分，由于本模型体量较大，采用1m为边长的网格单元。X方向，网格的覆盖范围从X=0m到X=253m；Y方向，网格的覆盖范围从Y=0m到Y=14m；Z方向，网格的覆盖范围从Z=0m到Z=14m。

（6）网格优化，网格单元边长较大，可能会对火源周围的环境模拟不准确，也可能会带来无法燃烧的情况。本文对火源附近环境的网格进行优化，通过网格划分，将范围在：X（159m~164m），Y（8m~11m），Z（0m~14m）的网格，网格单元长度调整为0.2m。同时，在建立好的网格基础上，将隧道两侧开口处以及隧道顶部，设置为开放式边界条件，以此来模拟大气环境，便于隧道内的烟气排出。

（7）在皮卡后斗处，绘制厚度为0.2m的黄松木板，以模拟其运送的木材。通过查阅资料，将黄松的着火点手动为250℃，将其燃烧的热释放速率调整为2MW/m2，以方便火灾的蔓延。

2 隧道的阻燃模拟

2.1烟气蔓延规律

图4为隧道内着火后不同时间烟气的蔓延情况。由图可知，起火后，5秒后烟气腾空，范围为皮卡车；20秒后，烟气开始蔓延周围10米的范围；60秒后，烟气已蔓延至隧道内150米；180秒后，隧道内烟气满布。然而，随着阻燃沥青的使用，尽管沥青路面发生燃烧，但其烟气并未发生蔓延，可见阻燃沥青对隧道的防火安全有提升作用。

图4 不同时间内隧道的烟气蔓延情况

2.2 烟气临界高度

火灾发生产生的高温有毒有害烟气，是火场里致人死亡的罪魁祸首，烟气产生的遮光性会使疏散逃生的人员产生巨大恐慌。人们往往会因为看不见路而惊慌失措，导致迷路并吸入大量烟气导致窒息死亡。随着烟气蔓延，会逐渐在隧道顶部聚集，烟气层的增厚也会使疏散通道渐渐失效。研究烟气的临界值高度，可以通过烟气高度预估出疏散通道最佳疏散时间，为隧道人员疏散提供建议。

        公式1

烟气中最佳临界安全高度可由式1计算得出，公式中Hs为烟气高度，Hc为人们可通行的临界安全高度，Hp为人眼的平均高度，Hb隧道高。

图5 隧道内烟气的临界高度

2.3 有毒有害气体浓度

燃烧产生的烟气中含有大量有毒有害气体，对人体的影响严重，50ppm为健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度；200ppm浓度下2-3小时后，轻微头痛、乏力；400ppm浓度下1-2小时内前额痛，3小时后威胁生命；800ppm浓度下45分钟内，眼花、恶心、痉挛，2小时内失去知觉，2-3小时内死亡；1600ppm 浓度下20分钟内头痛、眼花、恶心，1小时内死亡[6]。由模拟可知隧道内烟气最高浓度768ppm，其中主要产物为一氧化碳（CO）。由此可见，含有阻燃沥青路面的隧道内人员逃生的极限时间约45分钟。

2.4 Pathfinder安全疏散模拟

Pathfinder中设置两组人员参数，分别为成年男人与成年女人，不考虑儿童与老人。对于摩托车，每一辆边上放置一位男性；对于其他车辆，均假定乘员为一男一女。其中，男性参数为：身高1.83m，疏散速度（1.5~3.5m/s）。女性参数为：身高1.65m，疏散速度（1~3m/s）。在着火的皮卡处，设置障碍物，设置障碍物的目的是阻碍乘员从皮卡处经过疏散。通过模拟计算，共需380s时间全部疏散完成，如图6所示。

图6 安全疏散后的效果图

5结论

本文研究了将BIM软件应用于隧道火灾模拟与应急疏散，利用Revit软件建立隧道模型，将建立好的隧道模型导入Pyrosim火灾模拟软件进行隧道火灾模拟，最后将火灾模拟完成后的隧道模型导入Pathfinder人员疏散仿真软件，分析疏散模拟获得结果得出以下结论：

1.利用BIM技术建立的隧道模型，不仅能够提供更为精确的隧道内部信息，同时在和火灾模拟软件以及疏散仿真模拟软件之间的信息交互也更为便捷准确。

2.在进行火灾仿真模拟时，分析研究了隧道内部发生火灾情景，分析展示了火灾过程中的烟气温度、CO浓度以及可视性的变化过程，确定隧道可疏散时间。

参考文献

[1]交通运输部. 2022年交通运输行业发展统计公报[N]. 交通运输部,2023-06-16.

[2]马庆禄,唐小垚.嵌入Dense Net的YOLOv4多尺度隧道火灾检测算法[J].计算机仿真,2023,40(04):120-127+144.

[3]曾嘉伟,杜召华,曾威,肖帅,陈晓勇,曹卫平.山岭隧道火灾烟气蔓延特性数值模拟研究[J].工业安全与环保,2023,49(06):1-6.

[4]李恒.高速公路隧道火灾应急处置对策研究——以香丽高速公路隧道为例[J].中国应急救援,2023(02):55-62.

[5]张宇金.建筑火灾烟气危害性分析[J].四川水泥,2019(10):275.

[6]连思斌,吴火星.长隧道火灾事故灭火救援浅析[J].化学工程与装备,2017(06):287-288+200.