基于BIM及仿真技术的古建筑火灾防控技术研究.pdf
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1、建筑防火设计Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9基于 BIM 及仿真技术的古建筑火灾防控技术研究刘慧1,2,李亭1,钟晨3(1.北京建筑大学 电气与信息工程学院,北京 102616;2.建筑大数据智能处理方法研究北京市重点实验室,北京 102616;3.应急管理部沈阳消防研究所,辽宁 沈阳 110034)摘要:我国古建筑多为木质结构,易遭受火灾威胁,目前古建筑火灾防控技术经验不足,也无法采用真实古建筑开展相关试验研究。为解决上述问题,基于 BIM 及仿真技术,通过计算机模拟火灾场景,对古建筑火灾防控技术开展研究。首先利用
2、BIM 技术对 4种典型的古建筑进行三维建模,并基于此模型,利用 CFD 技术开展古建筑自然通风及火灾烟雾蔓延场景的研究。结果表明,不同屋顶类型古建筑室外风场的自然通风状况有显著区别,气候条件也会对室内火灾烟雾扩散产生较大影响。该模拟方法能够用于各种古建筑的火灾烟气蔓延模拟,同时获取古建筑火灾发生时各监测区域的气体温度、流体速度、烟气分布等参数,进而对后续消防设施的布局提供合理化建议。关键词:BIM 技术;烟雾蔓延;火灾防控;数值模拟中图分类号:X913.4;TU998.1 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)09-1228-05中国古建筑经过历朝历代的演变和积淀,各具其时
3、代背景及文化特色,具有极高的艺术鉴赏及历史研究价值。这些建筑既是消防保护重点单位,也是消防保护最为薄弱的区域。由于古建筑多为木质结构,易燃性强,且内部结构复杂,建筑密集度高,火灾隐患远大于一般建筑,若不能得到及时处理,极易形成难以扑救的火灾。据统计,2013-2021 年我国共发生古建筑火灾事故 20 起,造成的经济和精神文化损失不可估量1。因此,对古建筑火灾防控技术进行研究已经成为我国建筑保护刻不容缓的课题。传统全尺寸建筑火灾试验成本高、耗时长,需测量的变量种类与位置受到一定限制,导致通过现场试验方法研究古建筑火灾烟气流动规律不现实,仿真技术能够在不破坏古建筑完整性的同时实现不同工况的火灾模
4、拟,常用于古建筑火灾防控研究且取得了一定成果。谷凡等2采用火灾动态模拟软件对西南地区典型的穿斗式木结构建筑的火灾发展过程进行模拟,得到不同风速条件下的温度、热辐射通量密度的变化规律,揭示了风速对木结构建筑防火间距的影响规律。已有研究表明,利用仿真计算方法可以再现古建筑火灾的蔓延过程,测量的火灾参数与真实火灾的误差在可接受的范围内。建筑信息模型(Building Information Model,BIM)是一种可对建筑全生命周期进行模拟的技术。国内外很多学者利用 BIM 技术模拟了建筑场景中可能发生的事件态势。LU X Z 等3提出基于 BIM 和虚拟现实的震后室内火灾救援场景的仿真框架。同年
5、,KHAN N 等4利用BIM 的可视化编程工具进行建模,发展了一种基于多智能体的建筑消防安全规划仿真系统,重点研究一种可视化的规则转换语言方法和 BIM 中基于多智能体的建筑防火安全规划仿真。陈琦等5提出一种结合 BIM 技术的应用,通过数字化建立古建筑信息数据库,将建筑实体转化为电子数据,对构件进行参数化建模,建立构件族库,完成了从开始到结束的全生命周期数字化应用。搭建实体古建筑模型花费巨大,而利用 BIM 技术能够对古建筑进行三维建模,较为全面地模拟古建筑结构特征,同时允许数据共享及决策支持,为古建筑消防保护提供新的思路。文章采用 BIM 与 CFD 相结合的方法,对典型古建筑的火灾防控
6、技术开展研究。首先,利用 Autodesk Revit软件对 4 种典型的古建筑进行三维建模;其次,基于此三维模型,采用 Space Claim 软件构建古建筑流场域;再次,利用 Fluent软件对古建筑自然通风及火灾烟雾蔓延场景进行模拟计算;最后,采用 CFD-POST 软件进行计算结果的可视化。根据计算结果,分析室内火烟的流动及温度分布,探讨古建筑温度传感器及烟雾传感器的布置策略,为古建筑火灾防控提供参考。1古建筑及地域气候概况1.1典型单体古建筑北京市是全国文物古建筑聚集的代表城市。因此,以北京市的典型单体古建筑为例进行研究。不同时代、不同地区的古建筑结构差异导致其火灾危险性存在较大差别
7、。本文方法可为不同地域环境的古建筑火灾防控提供借鉴。中国古代建筑以木质结构为主,其屋顶构造形式及建造用途反映了中国古代的等级制度,如官式建筑中重要的佛殿及皇宫的主殿等多用庑殿顶;宫殿、园林、坛庙式建筑多用歇山顶;民居则多用悬山顶、硬山顶;而攒尖顶多为无等级之分的亭台楼阁。总体来说,根据屋顶样式的不同,典型单体古建筑的模型主要分为以下 4 种,如图 1所示。1.2建筑气象环境古建筑火灾与建筑区域气象条件紧密相关,古建筑基金项目:国家重点研发计划课题(2020YFC1522804)所处地理位置不同,受自然环境因素的影响就不同,对于不同的气象要素,古建筑火灾防控需采用针对性的建议。因此,根据古建筑火
8、灾的特殊性,对其火灾防控技术研究应以“一处古建筑一套气象参数”的思路进行,其方法可以相互借鉴,本文以北京为例开展研究。北京市位于北纬 40,东经 116,三面环山,境内有河,属于暖温带半湿润半干旱季风气候,冬夏季节盛行的风向相反,全年干燥,易发生火灾。根据国家气象科学数据中心的 中国地面累年值月值数据集6,得出北京市1998-2010 年气象数据值为:年平均风速为 1.5 m/s,最大风速为 30 m/s,冬季以西北风为主。2模拟设置2.1古建筑模型构建及网格划分2.1.1基于 BIM 的古建筑三维建模针对庑殿顶、歇山顶、硬山顶、攒尖顶这 4种屋顶空间结构类型,开展典型单体古建筑模型内部结构的
9、简化设计。构建尺寸为 1.2 m1.2 m0.3 m 的古建筑屋顶模型,墙体高度为 0.4 m。首先绘制屋顶 CAD 图,并将其导入 Revit软件中绘制包含建筑信息的 BIM 模型,在每个单体建筑的相同位置布置自然通风口及火源。在建筑模型左右对侧山墙等高位置开设尺寸为 0.10 m0.10 m0.02 m 的通风窗,左侧为自然送风口,右侧为自然排烟口,并在建筑中心设置尺寸为 0.1 m0.1 m0.1 m 的简化火源。其中,建筑模型的通风窗参考真实古建筑山墙处的通风窗设计,建筑火源模型参考大殿香火案台的放置,具体火源功率及火灾烟气产率设定将在下节做出说明。构建完整单体古建筑模型如图 2所示,
10、从左至右依次为攒尖顶、歇山顶、硬山顶及庑殿顶建筑。2.1.2基于 Fluent的古建筑流体域构建(1)根据古建筑模型图纸,结合建筑所处的地域环境以及数值模拟过程中不相关的因素,采用 Space Claim 前处理软件对建筑模型进行简化及等比缩放处理。(2)建筑外部风场计算域参考北京市地标 DB 11/938-2012 绿色建筑设计标准 的规定:建筑覆盖区域小于整个计算域面积的 3%;以图 2 所示的目标建筑为中心,具体范围如图 3所示。对建筑模型进行体积抽取作为建筑室内火烟流场计算域,将内外流场进行合并处理,生成室内室外空气流通的完整流体域。(3)采用 Fluent 软件创建网格时遵循由面网格
11、至体网格的顺序,同时为获得更高几何分辨率与预期的流体流动分布规律,进行网格质量检查。本文模型生成面网格的网格偏度为 0.5,体网格的正交质量为 0.2,满足标准。攒尖顶、歇山顶、硬山顶、庑殿顶建筑模型网格数量分别为 793 855、812 995、802 086、794 874。古建筑通风环境网格构建整体流程如图 4所示(以歇山顶建筑为例)。2.2古建筑自然通风及火烟模拟针对古建筑自然通风及火灾烟气模拟,Fluent软件设置的边界条件及模型参数如表 1所示。(1)风速入口边界设置。以北京市气象环境参数为依据,设定古建筑流场域的风速入口以 x轴正方向为西北风向,室外风速流向以 y-z 平面流入计
12、算域,并沿 x 轴正向流动,设定 30 m/s 与 1.5 m/s 两种工况下的风轮廓函数;并根据 GB 50009-2012 建筑结构荷载规范 中地面粗糙度等级分类7,本课题研究的古建筑分布在 B类标准地貌中,地面粗糙系数选取 0.15,截断高度hg选取距离地面 10 m 处。使用 UDF(用户自定义函数)加载两种工况下风轮廓函数作为风流场入口边界条件,模拟大气边界层近地面附近的古建筑不同位置处的风速风压随高度的变化情况。(2)火烟入口边界设置。在建筑空间及火灾规模确(a)攒尖顶(b)歇山顶(c)硬山顶(d)庑殿顶图 1中国典型单体古建筑结构Fig.1Typical Chinese sing
13、le ancient building structure图 2古建筑完整模型构建Fig.2Complete model construction of ancient buildings6LLW5WH3H图 3古建筑风场计算域尺寸Fig.3Flow field size of ancient buildings创建 BIM 模型模型简化建立流体域模型网格局部切面流场网格化图 4古建筑风场网格化流程Fig.4Gridding process of flow field in ancient buildings表 1流场边界条件选取Table 1Selection of flow field b
14、oundary conditions1228消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期所处地理位置不同,受自然环境因素的影响就不同,对于不同的气象要素,古建筑火灾防控需采用针对性的建议。因此,根据古建筑火灾的特殊性,对其火灾防控技术研究应以“一处古建筑一套气象参数”的思路进行,其方法可以相互借鉴,本文以北京为例开展研究。北京市位于北纬 40,东经 116,三面环山,境内有河,属于暖温带半湿润半干旱季风气候,冬夏季节盛行的风向相反,全年干燥,易发生火灾。根据国家气象科学数据中心的 中国地面累年值月值数据集6,得出北京市1998-2010 年气象数据值为:年平均风速为 1.5 m/s,
15、最大风速为 30 m/s,冬季以西北风为主。2模拟设置2.1古建筑模型构建及网格划分2.1.1基于 BIM 的古建筑三维建模针对庑殿顶、歇山顶、硬山顶、攒尖顶这 4种屋顶空间结构类型,开展典型单体古建筑模型内部结构的简化设计。构建尺寸为 1.2 m1.2 m0.3 m 的古建筑屋顶模型,墙体高度为 0.4 m。首先绘制屋顶 CAD 图,并将其导入 Revit软件中绘制包含建筑信息的 BIM 模型,在每个单体建筑的相同位置布置自然通风口及火源。在建筑模型左右对侧山墙等高位置开设尺寸为 0.10 m0.10 m0.02 m 的通风窗,左侧为自然送风口,右侧为自然排烟口,并在建筑中心设置尺寸为 0.
16、1 m0.1 m0.1 m 的简化火源。其中,建筑模型的通风窗参考真实古建筑山墙处的通风窗设计,建筑火源模型参考大殿香火案台的放置,具体火源功率及火灾烟气产率设定将在下节做出说明。构建完整单体古建筑模型如图 2所示,从左至右依次为攒尖顶、歇山顶、硬山顶及庑殿顶建筑。2.1.2基于 Fluent的古建筑流体域构建(1)根据古建筑模型图纸,结合建筑所处的地域环境以及数值模拟过程中不相关的因素,采用 Space Claim 前处理软件对建筑模型进行简化及等比缩放处理。(2)建筑外部风场计算域参考北京市地标 DB 11/938-2012 绿色建筑设计标准 的规定:建筑覆盖区域小于整个计算域面积的 3%
17、;以图 2 所示的目标建筑为中心,具体范围如图 3所示。对建筑模型进行体积抽取作为建筑室内火烟流场计算域,将内外流场进行合并处理,生成室内室外空气流通的完整流体域。(3)采用 Fluent 软件创建网格时遵循由面网格至体网格的顺序,同时为获得更高几何分辨率与预期的流体流动分布规律,进行网格质量检查。本文模型生成面网格的网格偏度为 0.5,体网格的正交质量为 0.2,满足标准。攒尖顶、歇山顶、硬山顶、庑殿顶建筑模型网格数量分别为 793 855、812 995、802 086、794 874。古建筑通风环境网格构建整体流程如图 4所示(以歇山顶建筑为例)。2.2古建筑自然通风及火烟模拟针对古建筑
18、自然通风及火灾烟气模拟,Fluent软件设置的边界条件及模型参数如表 1所示。(1)风速入口边界设置。以北京市气象环境参数为依据,设定古建筑流场域的风速入口以 x轴正方向为西北风向,室外风速流向以 y-z 平面流入计算域,并沿 x 轴正向流动,设定 30 m/s 与 1.5 m/s 两种工况下的风轮廓函数;并根据 GB 50009-2012 建筑结构荷载规范 中地面粗糙度等级分类7,本课题研究的古建筑分布在 B类标准地貌中,地面粗糙系数选取 0.15,截断高度hg选取距离地面 10 m 处。使用 UDF(用户自定义函数)加载两种工况下风轮廓函数作为风流场入口边界条件,模拟大气边界层近地面附近的
19、古建筑不同位置处的风速风压随高度的变化情况。(2)火烟入口边界设置。在建筑空间及火灾规模确(a)攒尖顶(b)歇山顶(c)硬山顶(d)庑殿顶图 1中国典型单体古建筑结构Fig.1Typical Chinese single ancient building structure攒尖顶歇山顶硬山顶庑殿顶图 2古建筑完整模型构建Fig.2Complete model construction of ancient buildings6LLW5WH3H图 3古建筑风场计算域尺寸Fig.3Flow field size of ancient buildings创建 BIM 模型模型简化建立流体域模型网格局
20、部切面流场网格化图 4古建筑风场网格化流程Fig.4Gridding process of flow field in ancient buildings表 1流场边界条件选取Table 1Selection of flow field boundary conditions风场入口火烟入口流域出口壁面函数Velocity-inletMass-flow-inletOutflow可扩展壁面函数湍流模型求解器初始化收敛标准Realizable k-模型SIMPLE算法Hybrid Initialization迭代残差值维持稳定1229Fire Science and Technology,Sept
21、ember 2023,Vol.42,No.9定的情况下,火灾烟气的生成主要取决于烟羽流的质量流量。本研究采用火灾烟气产量表征火源功率,并以一氧化碳气体为研究对象,借鉴牛坤等8基于单室火灾的试验数据,选取质量流量 0.5 kg/s作为火灾烟气入口边界值,温度设置为 500 K,模拟火灾燃烧产生的高温气体。(3)出口边界设置。设定烟气到达出流面时为完全发展且无任何遮挡状态,出流边界出口的相对压力为 0。3模拟结果及分析模拟 30.0 m/s及 1.5 m/s两种风速下,不同类型古建筑的风速风压、室内火灾烟气流动及温度分布。3.1室外风场模拟及消防保护分析图 5图 8为古建筑屋顶模型正脊对应的垂直截
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