新论文：BIM+新一代性能化设计=喷淋系统破坏后的地震次生火灾模拟

BIM+新一代性能化设计=喷淋系统破坏后的地震次生火灾模拟

Post-earthquake fire simulation considering overall seismic damage of sprinkler systems based on BIM and FEMA P-58, 

Automation in Construction, 2018, 90: 9-22.

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1. 研究背景

现代建筑日益复杂，喷淋系统对保障建筑火灾安全具有重要价值（图1）。 

图1 建筑火灾喷淋系统(图片来源：fairmountfire.org)

在地震发生后，一方面因为电路短路、炉具倾覆、煤气和燃料泄漏等，发生次生火灾的风险会显著增加。另一方面，喷淋系统在地震下可能会发生严重的破坏（图2），灭火能力可能会显著下降。这显然就属于关键时候“掉链子”的事情了。 

 图2 地震后导致屋顶天花板及喷淋系统破坏(图片来源：building.govt.nz，stuff.co.nz)

现阶段国内外对地震导致的喷淋元件（如喷头、管道）等破坏的研究已经有很多成果。但是，实际建筑中的喷淋系统是作为一个体系来工作的。地震对整个喷淋系统工作能力的影响，以及喷淋系统地震破坏后对火灾蔓延行为的影响，目前国内外相关的研究还很少。因此，本文重点对地震后引起喷淋系统的破坏以及喷淋系统破坏后次生火灾的蔓延问题展开专门研究。

2. 关键问题

要研究地震后喷淋系统的破坏及对次生火灾蔓延的模拟，有3个关键问题有待解决：

(1) 建立一个精细的，考虑喷淋系统的建筑火灾场景模型；

(2) 确定地震对喷淋元件的破坏程度；

(3) 确定整个喷淋系统的工作能力。

针对上述关键问题，本文建议了包含以下4个方面的模拟框架（图3）：

图3 本文建议的模拟框架

首先，基于建筑信息模型（BIM），开发相应的数据转换方法，将建筑以及建筑内的喷淋系统的BIM模型，自动转换到常用的火灾模拟软件FDS中，从而得到可用于火灾场景模拟的FDS模型。 

图4 从建筑信息模型BIM到FDS火灾模拟模型

其次，基于新一代性能化抗震设计方法（FEMA P-58），通过建筑抗震弹塑性分析得到楼面加速度等地震响应信息，进而根据FEMA P-58提供的喷淋元件易损性曲线，就可以得到不同喷淋元件的破坏程度；

再次，通过树状数据分析，研究喷淋系统中不同元件破坏对整体供水能力的影响，从而确定最不利的喷淋系统震害场景。

图5 将喷淋系统描述为树状数据

图6 从喷淋系统元件破坏得到整个喷淋系统的破坏状态

最后，在FDS中进行火灾场景模拟，得到喷淋系统破坏后建筑的次生火灾场景

3. 案例分析

下面通过一个案例来说明这个技术如何使用及效果。选取一个6层的宿舍楼，其BIM模型如图7所示。通过本文建议方法，可以自动得到其FDS模型如图8所示。

图7 案例建筑及其喷淋系统的BIM模型 

 图8 从BIM模型转换得到的FDS模型

输入地震荷载后，通过建筑抗震弹塑性分析，根据FEMA P-58可以得到每个喷淋元件的破坏状态（图9）。

图9 通过建筑抗震弹塑性分析得到喷淋系统元件的破坏

进而设定起火工况（图10），在FDS中进行火灾场景模拟，并监控起火房间、楼道、大厅的温度、烟气浓度变化（图11、12）。 

图10 设定的起火房间

可以看出，考虑震害后，因为喷淋系统功能下降，使得建筑内部烟气浓度和分布范围显著增加（图11），进而可能造成更加严重的次生火灾后果。

图11 喷淋系统震害对次生火灾烟气分布的影响

 图12喷淋系统震害对关键位置温度和烟气分布的影响

4. 结论

本文建议了一个基于BIM和新一代性能化抗震设计方法的建筑次生火灾模拟方法，主要创新点在于：实现了从BIM到FDS模型的转换方法；基于树状数据分析，得到整个喷淋系统的震害，并确定最不利工况；最后给出考虑喷淋系统震害的次生火灾场景模拟，量化该震害对火灾蔓延的影响。

主要研究人员

许镇博士

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