言 娟,徐黎明

(江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213000)

在建筑设计领域，建筑安全事故具有不确定性，因此对于建筑应急安全问题一直是相关部门的研究重点[1]。建筑应急疏散作为确保建筑应急安全方面中重要内容，目的是在建筑发生安全事故的第一时间，能够快速撤离人员，避免人员伤亡。针对建筑应急疏散路径的设计是建筑应急疏散中的主要内容，考虑到在建筑应急疏散过程中不可避免的是人在灾难面前的恐慌情绪，在此必要前提条件下，为保证建筑应急疏散工作能够顺利进行，必须优化建筑应急疏散路径，最大限度保证建筑应急疏散路径的合理性以及适用性[2]。因此，对于建筑应急疏散路径优化最重要的是，能够解决建筑应急人员拥挤问题，实现建筑应急人员应急疏散功能，选择最优的路径到达安全地点。目前建筑应急疏散路径选择主要是通过神经网络算法以及遗传算法，利用机器学习的方式，优化建筑应急疏散路径。此种方法的建筑应急疏散路径优化计算过程十分复杂，且只能取得局部最优解，而非全局最优解；另外，为考虑时空因素，导致建筑应急疏散路径优化存在很大的局限性。为弥补传统建筑应急疏散路径优化中存在的问题，在考虑时空拥挤度的基础上，将BIM应用在建筑应急疏散路径优化中，致力于提高建筑应急疏散路径优化的合理度。

1 时空拥挤度分析

时空拥挤度是基于时空维度提出的，主要针对拥挤度的时效性特点，即拥挤度会随时间的变化而变化[3]。时空拥挤度能够表明在当下限定空间内，人数与空间之间的所占比例，人数与空间之间的所占比例越大，证明时空拥挤度高，空间拥挤现象越严重；人数与空间之间占比越小，证明时空拥挤度越低，空间拥挤现象越轻微。时空拥挤度主要适用于封闭性建筑中，时空拥挤度能够衡量该空间在当下时间中的流通量，一旦在封闭性建筑中出现大量客流滞留的现象，必然会导致该空间时空拥挤度上升，空间拥堵风险等级升高。因此，本文以时空拥挤度作为建筑应急疏散路径优化的关键参数，通过制定有效的建筑应急疏散路径优化措施，确保建筑空间客流量在可控范围内。

2 BIM技术分析

BIM又称建筑信息模型，主要用于表达建筑施工中难以直观表示的三维立体图像与导向类建筑物[4]。早在2001年就有学者将BIM应用在建筑设计中，建立建筑设计信息模型，只需要在模型中修改控制当量，便可以得到不同参数形态下的建筑结构，得出建筑设计最优的结果。BIM是以数字化和信息化来展示设计项目所有信息的一种方式，能够在建筑领域取得较好的应用效果。基于此，本文将BIM应用在建筑应急疏散路径优化中，通过BIM项目虚拟化建模实现建筑应急疏散路径可视化优化设计。在该模型中，项目管理者可以将建筑应急疏散路径设计各个阶段的信息进行资源共享和分析。通过BIM技术进行建筑应急疏散路径优化是本文研究的重点内容，具体应用内容，详见下文。

3 建筑应急疏散路径优化方法

3.1 设置建筑应急疏散路径时空指标

在建筑应急疏散路径优化过程中，考虑到建筑应急疏散具备实时性以及不确定性的特点，本文基于时空拥挤度中对于时空维度的考虑合理设置建筑应急疏散路径优化时空指标[5]。设置建筑应急疏散路径优化时空指标，作为评判建筑应急疏散路径时空拥挤度的关键参数。建筑应急疏散路径优化时空指标具体内容见表1。

表1 建筑应急疏散路径时空指标

根据表1可知，本文选取4个时空指标作为本次建筑应急疏散路径优化中衡量时空拥挤度的核心指标，为下文判断建筑应急疏散路径时空拥挤度提供基础指标。

3.2 判断建筑应急疏散路径时空拥挤度

在设置建筑应急疏散路径优化时空指标的基础上，基于时空拥挤度，判断建筑应急疏散路径时空拥挤度[6]。首先，设平均客流密度的计算表达式为p，将p代入平稳状态方程式，可得公式(1)。

(1)

公式(1)中，n表示建筑空间内总客流量；s表示建筑空间面积。通过公式(1)计算，p值越大证明此时建筑平均密度空间分布越聚集，建筑应急疏散路径时空拥挤度越大；反之越小。运用时空拥挤度，直观描述建筑内客流的平均疏散速度。设客流的平均疏散速度的计算表达式为v，可得计算公式(2)。

(2)

公式(2)中，i表示建筑空间拥堵系数，为实数；h表示建筑空间拥堵系数的疏散速度。v值越大证明平均速度空间分布越缓慢，建筑应急疏散路径时空拥挤度越大；反之越小。针对平均客流密度的计算以时空拥挤度中的时间跨度最小为标准，设平均客流密度计算表达式为j，可得公式(3)。

(3)

公式(3)中，E表示建筑空间拥堵风险等级评价时刻。j值越大证明建筑瞬时密度空间分布越聚集，建筑应急疏散路径时空拥挤度越大；反之越小。最后，计算建筑客流量密度持续时间，设其表达式为t，可得公式(4)。

(4)

公式(4)中，k表示时刻精度。t值越大，表示高于指定密度的持续时间越长，建筑应急疏散路径时空拥挤度越大；反之越小。通过基于时空拥挤度计算上述建筑应急疏散路径优化时空指标系数，对计算得出的数据进行模糊聚类，进而获取更为准确的建筑应急疏散路径时空拥挤度判断相关本体类[7]。以综合得出的时空拥挤度为依据，尽可能选择出时空拥挤度低的建筑应急疏散路径。

3.3 基于BIM技术计算建筑应急疏散路径信息素浓度

以选择时空拥挤度低的建筑应急疏散路径为建筑应急疏散路径优化原则，基于BIM计算建筑应急疏散路径信息素浓度，以此作为判据，得出建筑应急疏散路径下一步的转折点[8]。基于BIM中Rhino参数化，通过BIM项目虚拟化建模实现建筑应急疏散路径可视化优化设计，在BIM模型中输入建筑应急疏散路径结构参数。将建筑应急疏散移动空间设置为C，结合建筑应急疏散路径优化行进方向，设定建筑内人员的自由度设置为6[9]。通过BIM计算建筑应急疏散路径信息素浓度，设建筑应急疏散路径信息素浓度为j1(v)， 则其公式如下式(5)所示。

(5)

公式(5)中，τ表示建筑应急疏散路径的信息素量；t表示建筑应急疏散时刻；α表示建筑应急疏散路径启发信息权重；η表示建筑应急疏散路径集合；β表示建筑应急疏散路径优化决策影响程度系数[10]。通过公式(5)，得出建筑应急疏散路径信息素浓度，选取j1(v)数值最大时建筑应急疏散路径作为下一步的转移点位，通过BIM建筑信息模型统一建筑应急疏散路径信息中的参数属性，将建筑应急疏散路径算量信息属性与BIM模型相关联，如此递归迭代下去，实现建筑应急疏散路径优化。

3.4 建立建筑应急疏散路径优化适应度函数

在明确建筑应急疏散路径转移点位的前提下，利用BIM建立疏散路径适应度函数[11]。通过BIM对建筑应急疏散路径优化数据的处理可分为两部分。第一部分为对建筑应急疏散路径优化偏转角数据处理时，标志着建筑应急疏散路径优化偏转角的调整尺度；第二部分引入蒸发因子，将切分后影响数据精度的环境因素进行ColumnGroup定义，其定义的目的是为后续数据计算提供方便[12]。设建筑应急疏散路径优化适应度函数为q，可得公式(6)。

q=aj1(v)p(x)+bj1(v)p(y)+cj1(v)p(z)+d

(6)

在公式(6)中，a、b、c表示环境因素等惩罚系数，为实数；p表示蒸发因子；x、y、z表示建筑应急疏散路径优化特征聚类的融合概率密度函数；d表示环境影响系数，为实数。通过公式(6)，可以有效提高全局收敛性[13]。采用BIM中的启发式因子特征分解方法，降维处理建筑应急疏散路径优化适应度函数，得到建筑应急疏散路径优化适应度函数的降维表达式，如公式(7)所示。

(7)

公式(7)中，p(x∩y∩z)指的是建筑应急疏散路径优化特征信息融合的交叉分布概念集。以MySQL为统一格式，结合TCP/IP服务器以及A/D转换协议对建筑应急疏散路径优化信息进行实时读取以及相应的管理。

3.5 实现建筑应急疏散路径优化

建立建筑应急疏散路径优化适应度函数后，为进一步提高建筑应急疏散路径合理度，实现建筑应急疏散路径优化，还需要剔除掉建筑应急疏散路径中的环境影响因素，进而提高建筑应急疏散路径优化的合理度[14-15]。建筑应急疏散路径优化示意图，如图1所示。

图1 建筑应急疏散路径优化示意

通过图1可知，通过全局路径寻优，选择满足建筑应急疏散路径优化约束条件的当前节点以及后继节点。因此，设建筑应急疏散路径优化方程式为PNP，则有公式(8)。

(8)

公式(8)中，f指的是建筑应急疏散路径优化信息特征的权重。通过公式(8)可以得出建筑应急疏散路径优化全局寻优结果，将此结果输出，作为建筑应急疏散路径优化最终决定方案。

4 实例分析

4.1 实验准备

构建实例分析，实验对象选取某城市建筑。该建筑具体信息见表2。

表2 建筑具体信息

本次实验对象的建筑具体信息见表2。依据《通行能力理论》，将客流在建筑内平均步行速度设定为2 m·s-1，驾车速度为15 m·s-1。在保证实验具有有效性的前提下，选择同一个测试指标进行，实验的内容为测试本文基于时空拥挤度与BIM设计路径优化方法与传统路径优化方法之间的路径优化合理度，路径优化合理度越高证明该路径优化方法规划精度越高。在此次的实验中，首先使用本文设计方法优化建筑应急疏散路径，通过MATLAB测得路径优化合理度，使其为实验组；再使用传统方法优化建筑应急疏散路径，同样通过MATLAB测得路径优化合理度，设其为对照组，共进行10次对比实验，并记录实验结果。

4.2 实验结果分析

4.2.1 实验数据

整理实验数据，见表3。

表3 路径优化合理度对比

通过表3可知，本文基于时空拥挤度与BIM设计的路径优化方法建筑应急疏散路径优化合理度明显高于对照组，建筑应急疏散路径优化可行性更强，更具有推广以及现实应用价值。

4.2.2 实验结果

经过上述分析与验证，不仅从理论上证明了基于时空拥挤度与BIM的建筑应急疏散路径优化的有效性，在经过实验后，也表明了本文方法在实际应用中，规划的路径更加合理，具有较高的实用价值，在未来建议推广使用。

5 结 论

通过上述研究，能够取得一定的研究成果，解决传统建筑应急疏散路径优化中存在的问题。由此可见，本文设计的建筑应急疏散路径优化方法是具有现实意义的，能够指导建筑应急疏散路径优化。在后期的发展中，应该坚持以时空拥挤度为核心参数，应用BIM技术，共同实现建筑应急疏散路径优化。但本文不足之处在于没有针对建筑应急消防通道的设计加以深入研究，在后续研究中可以加以补足，希望为提高建筑的应急疏散性能提供专业化指导。