肖凌枫，张 宁，王庆智

（北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）

1 引言

随着2021年第七次人口普查结果的结束，新一轮的老龄化问题再次成为社会各界探讨的话题。此次普查结果显示：60岁及以上人口为26 402万人，占18.70%，与2010年相比，上升了5.44%，老龄化程度再一次加深。而如何养老，成了社会各界都在持续关注的一个严峻问题。

养老院等养老机构成为了许多人的选择，而这些养老建筑的消防安全是每个人都十分重视的要求。近些年，养老建筑的火灾次数逐渐增加，重特大火灾事故时有发生。一方面是因为养老机构在防火系统上的滞后；另一方面是因为老年人群自身行动能力的不便和对火灾感知能力的滞后。正是在如此迫切危急的情况下，火灾前的火警监测、火灾时的防火遏制与火灾后的应急救援成为了智能防火系统里重要的组成部分。针对这三方面，对现有的养老建筑防火系统进行了研究分析，并设计出更为高效且智能化的防火系统，以完善现有养老建筑的防火系统精度，降低火灾的影响程度。

ZigBee无线传输技术以耗资小、安装维护方便等优点，成为许多防火系统设计师们的首选。并以此为媒介，利用传感器采集数据，快速汇总至监测系统后台处理器，对其进行有效分析，做出决策。

使用符合耐火极限等要求的新型建筑材料，关键在合适处布置必要的消防设备并连入监测系统，组成防火结构系统，及时防止火灾蔓延，减少更多的伤亡。

利用以可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性为5大特点的BIM技术，以建筑整体结构为蓝本，通过监测系统里传感器体系对火情发生地点的迅速捕捉以及救援系统模块对火情危险程度的判断与分析，在救援系统软件中利用5大模块模拟机算出最优逃生路线并提前预演，指导养老建筑内工作人员和老人们有效地安全撤离。

2 智能防火系统

2.1 火警监测系统

长期以来，火警监测同为人民生命财产安全、社会安定密切相关问题，而楼宇作为人们聚集场所则更应该注重火警的监测。通过调研现有的北京某知名长者公寓，可以从中发现目前的有线消防监测系统在建设过程中，大多存在大量的预埋管和管内穿线工作，成本高，建设周期长；同时在建成后，检查和扩建麻烦，耗费大量的人力和物力。因此，针对目前有线消防监测系统存在的问题，开发一种低成本、布置简单、误报率低、快速高效的火灾自动监测系统迫在眉睫，根据该要求设计出了基于ZigBee技术的无线自适应火警监测系统。

2.1.1 组成部分

无线自适应火警监测系统主要由2部分组成：传感器节点部分和网络控制中心部分。网络控制中心部分是将ZigBee节点、协调器以及路由器通过边缘为星形的网状拓扑连接而成；传感器节点部分所设计的传感检测器是由烟雾、火焰、温度和气体多重传感融合而成，以弥补单纯使用单一传感器所存在的不足，很大程度上提高监测火灾能力，降低了误警率。同时在传感器的选择上，本系统温湿度传感器选择DHT21，火焰传感器选择R2868，烟雾传感器选择MQ-2，气体传感器选择MQ-7[1]，4种传感器各自向处理器发送数据，处理器融合四路信息作出决策，实现多传感融合，提高系统精度。

2.1.2 工作原理

本系统的工作原理如图1所示[2]，当网络覆盖范围内某处物理位置发生火警时，此物理位置范围内的传感器节点监测到火警发生并将其通过ZigBee无线传感器网络传播出去，经过网关传送到手持设备或PC机软件中并显示火灾位置，以此完成了火警位置的体现；进入火灾现场的消防人员随身携带移动节点,它向其周围位置已知的节点发送位置命令消息进行双向信息反馈,接收到命令消息的节点将其所在位置包含的已知物理信息传递给位置未知的移动节点，进而估算出移动节点与火警发生附近节点的位置关系。网络协调器可将网络内信息传送到PC中，从而可了解网络节点工作情况以及移动节点的位置[3]。

图1 无线自适应火警监测系统示意图

2.1.3 系统性能

该系统从节点的层面上看，各智能型节点具备休眠、唤醒、联动、定位、自检等功能，且具备节能特点，平时处于休眠状态，对任一节点附近出现的火灾能迅速反应并唤醒系统中的其他所有节点，使处在监测区域内的各处都能获得事故发生点的信息，为及时处理火灾事故赢得时间。在该系统各节点的功能方面，ZigBee网络主要由PC机、网关、路由节点、目标节点4部分构成，其中PC机主要负责网关指令的发送、网关数据的接收，由此实现人机交互目的;网关主要负责将计算机所发送的指令、传感器节点数据、路由节点数据的完成，将所接收的数据向计算机传输;路由节点主要负责当网关无法同传感器节点通信时，作为传感器节点、网关二者间的中介达成通信任务，路由通信功能也由此达成，其中目标节点任务主要为控制设备、采集数据。从系统的层面上看，这样的系统能适应各种复杂的环境场合，无线通信的方式可适应各种应用场合的快速布点和扩充；具备自组织和自愈合的功能，系统中个别节点“失效”也不影响系统的整体功能，有很高的可靠性。

2.2 防火结构系统

2.2.1 防火材料

养老设施内所有的装修材料，都是防火阻燃的，采用不燃性材料和燃烧性能为A级的保温材料，取材困难时可采用难燃性材料，并应按照《建筑防火设计规范》中规定的材料耐火极限进行铺设。

常用的防火材料包括防火板、防火门、防火玻璃、防火涂料、防火包等。

1）石膏板。石膏板吊顶是目前建筑市场上比较常见的一种防火板，通常被用来制作建筑吊顶。

石膏板的板芯中有很多非常微小的气泡，而空气的导热系数是非常小的，再加上石膏板通常采用双层结构，所以对于养老建筑内的居室来说，保温隔热的效果十分显著，能够让居室的温度基本保持稳定。

石膏板的主要材料是石膏，而石膏受热时要释放化合水其耐火极限可达2 h以上。石膏芯本身不燃，且遇火时在释放化合水的过程中会吸收大量的热，延迟周围环境温度的升高。因此，双层的石膏板具有更加良好的防火阻燃性能。

相较于木板吊顶，石膏板吊顶因其具有保温隔热、防火防潮、稳定抗裂、隔音美观、轻质利施等优点，逐渐占据市场主流，被广泛采用于许多重要建筑的吊顶施工。

2）PVC防火塑胶板。作为现代建筑行业使用最广的材料之一，PVC有着其他材料不曾具备的优势。而利用PVC材料制成的防火塑胶板，更是被频频应用于建筑地板等领域。

PVC防火塑胶地板的主要原料是聚氯乙烯，具有良好的气密性和不透水性。质量合格的该类地板的防火指标达到了B1级别，有着遇水即黏的特性的同时也会做防滑处理（耐磨层花纹），在环保性能方面相较于会释放甲醛等有害物质的木地板有着绝对的优势。一般的PVC塑胶地板重量为2～3 kg/m2，不足普通地面的10%，在高层养老建筑中有助于减轻楼体承重并且节约空间。此外，这种地板质地柔软，在重物冲击下具有良好的弹性恢复能力，再加之可达20 dB的吸音效果，备受养老建筑设计师们的青睐。

2.2.2 消防设施

1）防火门。根据《建筑防火设计规范》要求，防火隔墙上必须设置的门、窗采用乙级防火门、窗。通风、空气调节机房和变配电室的门采用甲级防火门，消防控制室等其他设备房的门采用乙级防火门。电缆井、管道井、排烟道等竖向井道的井壁上的检查门采用丙级防火门。

而养老建筑内，日常人流量较大的防火门最好保持开启状态，但火情发生后第一时间自动关闭并反馈信号至消防控制室；其他位置的防火门平时呈紧闭状态，并贴有“保持防火门关闭”的明显提示标语。

2）消火栓和自动洒水喷头。在养老建筑内设置与供水系统直接连接的消防软管卷盘，并在关键位置布置，如电梯间、活动区、餐饮区等。消防软管卷盘的设置间距不大于30.0 m。

养老建筑内设置自动灭火系统，通过火警监测系统识别灭火源，利用房间内或是过道内的自动喷水装置（洒水喷头）实施灭火。

3）消防应急照明和疏散指示灯。设置在安全出口和人员密集场所疏散门的正上方；设置在疏散走道及其转角处距地面高度1.0 m以下的墙面或地面上。灯光疏散指示标志的间距不大于20 m；对于袋形走道，不大于10 m；在走道转角区，不大于1.0 m。

养老建筑内疏散照明的地面最低水平照度不低于10.0 lx；消防设备房应设置备用照明，其作业面的最低照度不应低于正常照明的照度。

2.3 应急救援系统

在对北京知名养老院长者公寓进行走访调查后，发现现有的应急逃生管理体系存在许多漏洞，无法满足火灾发生时针对不同情况的逃生需求，从而可能会导致不必要的伤亡，因此，为了提升老年公寓在火灾事故时的人员疏散速度，设计合理的疏散指示标志系统，并结合具体位置进行逃生路线优化指导，提高疏散的效率。

此次研究中，将利用BIM技术的方法，设计改善优化老年建筑消防疏散速度的系统。

2.3.1 组成部分

由BIM建立建筑信息模块，结合利用当前先进的人工智能系统，以防火设计模块、火灾模拟模块、人员安全疏散模块、消防应急预案模块、消防信息管理模块和包含老年公寓在修建之初所使用的BIM建筑信息模板为基础，组成智能化的应急救援系统。系统整体结构如图2所示[4]。

图2 系统整体结构设计

2.3.2 工作原理

在火情发生时，系统通过预先设置好的数据库，获取建筑整体结构模型，并根据火情发生的地点和危险程度，通过对某个老人不同逃生线路的整体模拟分析以及在计算机软件中模拟不同逃生路线状况对老人的逃生路线提前模拟预演，并根据老人的身体状况及时修改路线，及设计消防设计模块，并在此过程中利用传感器技术、计算机建模技术以及计算机模拟演算实现老年公寓中的老人在火灾过程中的逃生路线推演。

系统的具体工作流程原理如下：当火情发生时，系统通过传感器体系捕捉火情发生的时间地点信息，通过火灾模拟模块准确计算火灾初始参数，并对火灾火焰的强度、火灾所产生的浓烟程度以及火情模拟老年公寓内相关火情区域扩散形势的现场情况，同时将火灾现场收集到的各种数据上传云端，通过云端穷举法，计算出火灾可能的扩散路线及扩散趋势，从而根据此计算结果规划相关逃生方案，为消防疏散救援提供可靠依据。

利用人员安全疏散模块针对火灾情况制定老年人优化的疏散方案，针对老年人的身体状况，行动能力，体力等制定最安全的疏散方案，并通过对不同楼层的地形状况分析，合理安排不同年龄段老人的居住结构，以便于在紧急情况做到对老人的有序疏散，对某些有特殊情况的老年人制定特化疏散路线或者提供特殊应急救援方案，为老年公寓消防救援提供最优化的救援方案。

消防应急预案模块以上述3个模块为基础，同时根据火灾现场实际情况，针对某些特定的人员疏散情况采取人工介入操作的方式，制定一些特化的临时应急预案，便于应对在消防疏散过程中可能出现的特殊情况，从而快速制定适合老年人的救援方案。

消防信息管理模块可管理消防救援过程中系统收到信息的整合记录，通过对历史火情记录的整理分析，归纳出适应本建筑的最优消防方案，同时可在以后方便随时查阅。经过多方面考证模拟测试结果显示，该系统可准确构建老年公寓的建筑信息模型，提升消防疏散过程计算精度，有利于消防疏散与应急预案的准确制定。

3 结语

正处于探索阶段的智慧养老这种新型养老方式，已然成为当代养老服务行业的一大潮流，巧妙结合迅速蓬勃发展的智能技术，旨在降低行业成本的同时，提高老年人的生活质量。而针对养老建筑的智能防火系统，本研究进行了火警监测、防火结构和应急救援三方面的研究。以ZigBee网络技术为核心设计火警监测系统，以防火材料和消防设施为核心设计防火结构，以BIM技术为核心设计应急救援系统，构成智能防火系统的重要的三个子系统。在实际应用和后续优化过程中，还需针对系统的实用性与安全问题，以及系统硬件软件设计方面进行具体的应用可行性检查，以提升该系统的精准性和实用性。