摘要：为了评估公共建筑在地震后的安全性能，提出了基于建筑信息模型(BIM)和美国下一代性能评估方法FEMAP-58的地震次生火灾模拟方法。在该方法中，建立了基于BIM建筑火灾数值模型快速建模方法，并开发了水炮和排烟风机的数值模型；提出了基于FEMAP-58的消防设施震害预测方法。实现了石家庄国际展览中心在典型地震情景下的地震次生火灾模拟，结果表明该展览中心震后排烟性能下降，但满足人员疏散要求。
      地震往往会引发次生火灾，造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。其中，对公共建筑的地震次生火灾问题应给予高度重视。尽管公共建筑一般具有完备的消防设施，但地震会对消防设施造成破坏，而且公共建筑往往人员和财产高度聚集，地震后一旦失火可能造成极为惨重的后果。因此，需要研究考虑消防设施震害的公共建筑火灾模拟方法，来评估其震后消防能力。
      笔者提出了基于BIM和美国下一代性能评估方法FEMAP-58的地震次生火灾模拟方法。该方法通过BIM快速创建火灾数值分析模型，并基于FEMAP-58方法评估消防设施震害。以此方法，实现了以石家庄国际展览中心为研究对象的地震次生火灾模拟。
 
1  模拟方法
      公共建筑地震次生火灾模拟，需要解决两个关键问题：如何建立精细化的火灾数值分析模型；如何准确评价消防设施的震害。图1为模拟方法的技术路线图，笔者基于BIM和FEMAP-58解决以上两个关键问题，然后利用火灾动力学模拟软件FDS模拟地震次生火灾。
1.1火灾数值模型的建模方法
      对于大体量的公共建筑，建筑构件繁多，手动创建火灾数值模型的工作量巨大，而且难以保证建模精度。该方法涉及的火灾数值模型主要包括两部分：建筑FDS模型与消防设施FDS模型。
1.1.1建筑FDS模型
      针对建筑FDS模型的创建问题，提出了基于BIM的高效建模方法。近年来，BIM技术由于其自身的优势和政府的推广，在公共建筑项目中得到了很好的应用。BIM模型可以提供精细到构件级别的建筑模型数据，只需将模型进行适当转换即可导入火灾分析软件FDS，再进行一定的预处理之后，则可快速得到高精度的火灾数值分析模型。
      目前，BIM到FDS模型的转换主要有两种方式，基于IFC标准转换实现难度高，容易造成信息的丢失；基于RevitAPI转换实现难度高，开发工程量大，且过程繁琐。
      以上两种转换方法都存在一定的局限性。笔者采用fbx文件为中介，通过PyroSim软件实现了模型的准确转换。PyroSim是一款基于FDS的火灾模拟软件，具有图形化的操作界面，支持导入fbx格式文件，并且可以直接调用FDS程序进行火灾模拟，或者生成FDS文件。首先将建筑BIM模型导出为fbx格式的文件，然后将其导入PyroSim软件，该软件可以准确读取fbx格式的模型文件，并自动按照构件类别进行分组，导入之后的模型需要补充构件的材料属性，并设置合适的网格参数，最后通过运行PyroSim的模拟分析功能，可以自动生成FDS模型。
      通过图2的标准模型验证该转换方法的准确性。
      根据BIM模型，分别采取手动建模和PyroSim转换的方式获取FDS模型，进行火灾数值模拟。图3是根据模拟结果得到的同一位置的烟气浓度曲线图。从图3可以看出,两种方式得到的模拟结果基本一致，说明笔者采用的转换方法具有较高的准确性。
1.1.2消防设施FDS模型
      针对消防设施，开发了消防水炮与排烟系统的数值模型。这两种消防设施在公共建筑中很常用，但无法采用PyroSim软件进行直接转换，FDS也没有提供专有模型，因而需要开发模型。
      对于消防水炮系统，在FDS中仅需对水炮末端进行建模。虽然FDS没有提供专门的水炮末端模型，但是可以通过调整喷淋头模型的参数来模拟水炮。需要调整的参数主要包括：一是出射水流的形状，喷淋头喷洒出的水流一般呈锥形分布，但水炮一般为较聚合的水柱，故需要将水流的散射角度设为0°；二是水流速度，水炮的水流速度一般显著高于喷淋头，消防水炮的流量一般为5~200L/s，需要根据实际情况对该参数进行调整；三是出射方向，喷淋头的出射方向一般为垂直向下，而水炮的出射方向一般为倾斜向下，需要对方向参数进行调整。
      笔者采用的消防水炮模型可调整射程、出射角度、流速等参数，满足不同水炮型号的模拟需求。水炮喷射效果如图4所示。
      在FDS中，可以将消防排烟系统的每个排烟风口简化为一组风机系统来考虑。每组排风系统包括两个通风口、两个基于通风口的连接点、两个连接点之间的通风设备（排烟风机），如图5所示。
      图6为在FDS中模拟的风机排烟效果，左侧房间着火弥漫烟气之后，风机能够将左侧房间烟气排至右侧房间。本排烟风机模型可调整功率、排风口面积等参数，满足排烟系统设计需求。
1.2消防设施震害的预测方法
      笔者提出基于FEMAP-58的消防设施震害预测方法。FEMAP-58提供了建筑绝大部分结构构件和非结构构件的易损性数据库，包括易损性曲线和破坏状态的说明。消防水炮系统主要由输水管道、末端水炮组件构成，消防排烟系统主要由排烟风机、风管、末端的百叶风口组成。表1是P-58方法中与消防设施相关的部分易损性数据统计表，其中P-58没有提供水炮的易损性曲线，采用其相似构件喷淋头的易损性曲线代替，其余构件P-58均提供了准确的易损性曲线。
      在图7所示的易损性曲线中，部分构件有多种破坏状态，每种破坏状态对应一条曲线，横坐标为结构地震响应数据（楼层峰值加速度），纵坐标为每种破坏状态所对应的超越概率。该曲线为对数正态分布累积密度曲线，每个横坐标值x对应的超越概率p可通过式（1）计算得到，其中μ为标准值，σ为方差，P-58易损性数据库中均已给出。
      通过对结构进行地震响应时程分析，可以得到不同楼层的峰值加速度等。利用式（1）即可计算出消防设施中每类构件的震损概率，从而得到消防设施的震害情况。
2  实例
      石家庄国际展览中心由3组标准展厅、1组大型展厅及核心区会议中心组成，是集展览、会议于一体的大型会展中心。展厅屋面采用了双向悬索体系，是目前世界上最大的悬索结构展厅。
      选取标准展厅作为研究对象，该展厅最大高度大于30m，长度大于120m，宽度大于70m，高度方向上没有隔断性分层，属于高大空间建筑。一方面高大空间建筑一旦失火，火势蔓延迅速，这是消防设计的难点和重点；另一方面，该项目作用为展览中心，属于人员密集场所，一旦发生火灾，极易导致严重的人员伤亡。而且，悬索结构相对偏柔，地震下结构地震响应可能较大，会对消防设施造成更大的损害。因此，对该项目进行地震次生火灾模拟具有重要意义。
2.1火灾数值模型创建
      将标准展厅BIM模型导出为fbx文件，将其导入PyroSim软件，补充缺失信息后即可完成模型转换，转换完成的建筑模型如图8（a）所示。标准展厅采用了固定式消防水炮作为主要灭火设备，出水量为20L/s，保护半径为50m。在主展厅的东、西两侧各设置了4个水炮，标高均为10.95m。排烟系统的主要排烟设备采用了设置在4个角落的8台消防排烟混流风机，在东、西两侧的立柱上各设置了8个尺寸为3000mm×500mm的排烟风口，底标高为13.9m，每台排烟风机连接2个排烟风口，单个风口的排烟速率为10.42m3/s。针对以上4个水炮和16个排烟风口创建了FDS模型，如图8(b)所示。
2.2消防设施震害预测
      根据石家庄特点，选取可能的地震数据。结合结构地震时程分析结果和P-58构件易损性数据对消防设施进行震害预测，震害结果如表2所示。
2.3地震次生火灾模拟
      可燃物假设为展厅中央位置6个相邻的标准展位。在模拟中使用了6个尺寸为3m×3m×2m的方块代替，材质设置为聚氨酯（海绵、塑料泡沫），点火源是设置在中间展位的6个点火粒子，其表面温度为1000℃。
      根据以上消防设施震害预测结果，通过综合考虑建筑布局和火源位置，确定最不利破坏状态。水炮系统各构件虽然在分析中没有发生显著破坏，但这属于消防设计中的重要系统，且供水管道复杂，有一定可能性发生系统整体失效，所以可以在部分模拟场景中假设水炮系统完全失效。以下是本算例设置的3种地震次生火灾模拟场景，分别在FDS中进行了模拟计算：场景1，水炮系统完好，排烟风机锚固安装，排烟系统完好；场景2，水炮系统失效，排烟风机非锚固安装，北侧所有风机发生破坏，导致北侧8个排烟口失效；场景3，水炮系统失效，排烟风机锚固安装，排烟系统完好。
2.4模拟结果分析
      在场景1中，地震次生火灾发生10s后，4个消防水炮同时开始启动，火势得到迅速控制，第20s时即将火灾扑灭，仅在屋顶聚集了少量烟气，对人员疏散无任何影响，如图9所示。
      场景2和场景3由于水炮系统失效，地震次生火灾没有得到有效控制，火灾迅速蔓延到了相邻展台。两个场景的烟气首先竖直向上运动；遇到顶棚后，横向扩散；1200s时，火源自然熄灭，最后烟气聚集在顶棚。图10是1200s时3个场景的烟气扩散情况，由于场景2的部分排烟风机失效，所以其烟气层高度明显低于场景3，且烟气浓度较高，但是烟气层始终在18m以上，不会对人员疏散造成实质性影响。
      图11是北侧10m标高处的烟气浓度曲线图。从图11可以看出，场景1的烟气浓度一直维持在较低水平，由于场景2的部分排烟风机失效，所以场景2的烟气浓度后期明显高于场景3。
      模拟结果表明，该展厅在发生地震次生火灾后，烟气层一直保持在一个较高水平，能够保证室内人员的安全疏散。建议将排烟风机进行锚固处理，可以提高消防设施的抗震性能，从而进一步降低地震次生火灾的危险性。
 
3   结论
      提出了基于BIM和FEMAP-58的公共建筑地震次生火灾模拟方法，并应用于石家庄国际展览中心，相关结论如下：
    （1）提出了基于BIM的建筑火灾数值模型快速建模方法，开发了水炮和排烟风机两种典型消防设施的火灾数值模型，实现了公共建筑高效、准确的火灾建模。
    （2）提出基于FEMAP-58的消防设施震害预测方法，可给出可能地震下公共建筑消防设施的震害概率。
     （3）模拟了公共建筑地震次生火灾过程，评估了震后消防性能，为公共建筑震后火灾安全性评估提供了重要方法。