高校公共建筑安全疏散设计虚拟仿真实验教学指导书

一、实验名称

高校公共建筑安全疏散设计虚拟仿真实验

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二、实验课时及类型

1、学时:2

2、类型:虚拟仿真型

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三、实验目的

《建筑防火工程》是中国矿业大学的精品课程,是消防专业的主干课程之一。课程要求学生掌握建筑安全疏散设计中的建筑耐火等级的确认、关键消防安全疏散设施辨识与安装,并熟练掌握运用设计规范的规定。通过本实验要达到的教学目标如下:

1)掌握建筑耐火等级的概念及其对建筑安全疏散设计的影响;

2)理解掌握疏散设施的不同功能及其参数设置;

3)理解掌握疏散安全分区的定义及其对建筑安全疏散设计的影响;

4)会计算确定不同耐火等级和不同楼层疏散宽度;

5)理解掌握建筑内疏散距离的要求;

6)学会应急照明与疏散指示标志的辨识与安装;

7)了解建筑疏散的过程及一些关键指标。

上述实验教学目标的达成有助于学生毕业后快速适应建筑疏散设计、疏散设施安装、建筑消防疏散评估等工作,或从事建筑安全疏散等科学研究,为毕业生成长为高层次应用型“新工科”人才奠定重要的基础。

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四、实验原理及方法

本实验的实验原理和知识点覆盖了消防工程本科生课程《建筑防火工程》和《消防工程专业实验(2)》。

1)安全疏散设计实验原理

该模块以中国矿业大学图书馆建筑的实际场景为背景,学生通过虚拟场景首先对整个建筑形成一个基本认识,确定建筑耐火等级,并进行安全出口布置、疏散宽度设计以及应急照明、疏散指示标志的设置。

安全疏散设计是指根据建筑的特性设定的火灾条件,针对灾害及疏散形式的预测,采取一系列防火措施保证人员疏散安全,并使其具有足够的安全度。一般认为,到达符合规范要求安全条件的疏散楼梯间,即认为到达了相对安全区域,完成了安全疏散的过程。安全疏散设计的基本原则为,认真分析不同建筑物中人员在火灾条件下的心理状态及行动特点,并在此基础上采取相应的设计措施。安全疏散设计的具体原则包括双向疏散原则、简捷明了原则以及与正常生活流线相结合原则等。

2)安全疏散模拟实验原理

学生在完成疏散设施的布置和设计后,可选择进入安全疏散模拟模式。学生在进行仿真运行的过程中可在3D条件下通过第一人称视角漫游虚拟疏散场景。在模拟疏散过程中,学生需要确认不同能见度下的疏散情况。

① 正常能见度情况

烟气层高于2.0m的正常能见度情况下,以第一人称视角漫游整个疏散过程,以人员数量和疏散宽度修正运动速度、展示疏散的瓶颈。

② 最小安全能见度情况

烟气层下降至2.0m安全高度后,疏散走道的能见度降至20m时的疏散漫游,此时仅能所见2个相邻的疏散指示标志,验证疏散设施布设的合理性和可靠性。

③ 极限能见度情况

烟气温度达到60℃、CO浓度100ppm和能见度10m场景下的疏散漫游。设定人体耐受极限时间2min,看看能否疏散出去。并提出一个开放性问题,在极限条件下如何利用现有疏散设施进行疏散。

一次建筑结构参数的设置构成一个工况,能够重复进行实验,不同工况得到的结果不同。

3)考核模式实验原理

考核模式是进行安全疏散设计参数设置和检验的必要手段,同时系统将会在预设题库内随机抽取题目供学生作答。考核目的在于验证学生疏散设计是否合理,同时检验学生对设计规范的理解,如果疏散时间不达标或疏散时间过长,系统将给予提示,学生可在规定时间内重新修改并再次验证。最后,系统将基于疏散设计、疏散时间、试错次数、答题情况等多个因素进行综合评判,并给出最终成绩。

知识点:共8个

1. 建筑耐火等级的确定及其对建筑安全疏散设计的影响;

2.疏散设施的不同功能及其参数设置

3.疏散安全分区的定义及其对建筑安全疏散设计的影响;

4.不同耐火等级和不同楼层疏散宽度的计算及确定;

5. 建筑内疏散距离的要求

6. 应急照明与疏散指示标志的辨识与安装

7. 疏散时的不同能见度的定义及应用

8. 疏散时间的规定及要求

方法: 运用虚拟仿真技术,在虚拟场景中实现不同疏散参数、不同应急照明及疏散指示标志、不同疏散路径条件下高校公共建筑安全疏散设计的虚拟仿真实验。同时,根据选择的疏散参数不同,提供了对应的安全疏散仿真结果(疏散时间、疏散结果、疏散合理性判定等)。

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五、实验仪器和设备

虚拟仿真实验所用实验仪器设备分别如下:

硬件设备:该部分虚拟仿真项目的支撑平台为中国矿业大学安全工程学院虚拟仿真分析实验室,为学生提供了沉浸式公共建筑安全疏散虚拟仿真体验。

硬件设备主要有:高性能工作站1台、虚拟现实系统(立体式投影系统、运动捕捉系统、手柄、眼镜等)、50台桌面主机。

软件:3D Max,Unity,虚拟现实软件等。

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六、实验步骤及内容

为达成实验教学目标,本实验设置三个模块实验内容:

模块一:安全疏散设计。在建筑耐火等级与消防疏散设施的认知与辨识方面,培养学生的总体认知及建筑耐火等级识别能力,一定程度上可代替建筑现场的实习实践。在建筑安全疏散参数设计方面,培养学生的工程意识及工程设计思路,提升学生解决建筑安全疏散设计问题的能力,并拓展专业视野。在应急照明与疏散指示标志的布设方面,强化学生对应急照明与疏散指示标志的布设的认识,树立重视实践、关注数据、尊重客观规律的理念,锻炼学生从运行中发现问题、总结规律的能力,提升工程创新能力。

模块二:应急安全疏散的虚拟仿真。增强学生对建筑安全疏散过程的认识,帮助学生深入理解安全疏散设计的意义及其作用。

模块三:考核模式。该模块设立多重考核机制,学生不仅可在规定时间内对疏散设计重新进行整改优化,并在疏散模拟完成后,会随机从题库中抽取相关的习题进行考核,该模式可全面评价学生设计能力,增强学生对疏散系统理论知识更深层次的理解,提高理论知识与设计实践相结合的能力,同时易于让学生发现自己的薄弱环节,从而重点学习突破,以全面提高其解决工程技术问题的能力。

项目可在学生自己设计好的建筑疏散环境中,开启安全疏散模式,进行虚拟逃生演练。在演练过程中,学生可通过第一视角进行疏散,将真实的逃生场景进行了高度仿真,使学生身临其境,感受逃生时的心理状态。演练结束后,学生可从监控器视角进行逃生回顾,加深学生对于安全疏散场景的印象。

首先,虚拟运行仿真将为学生提供对前期建筑疏散设计的验证手段,通过对关键运行数据的分析发现设计中的问题,通过解决这些问题提升实践能力;其次,结合基本的疏散参数选择与制定,也有助于学生理解当前火灾安全疏散领域内的规范设计,从工程化的角度看待建筑安全疏散问题;最后,火灾逃生模拟演练能增强学生的工程实践体验,提升学生对于疏散现场知识的掌握。

整个实验过程共有十五个步骤:

1

步骤1:建筑属性设置

本实验步骤目的是在仿真系统内通过对建筑属性的一系列设置,完成疏散设计必要的步骤,使学生掌握关于建筑属性设置的相关规范。

本实验步骤操作过程:点击建筑属性选项,进入建筑属性设置界面,建筑属性包含建筑高度、耐火等级、使用属性、防火分区选项,学生需要依次设置相应的参数,在设置界面右侧区域给出了建筑属性设计规范供学生学习和参考。根据房间功能,在标准层视图设置建筑分隔的类型。

本实验步骤操作结果:本步骤学生根据相应技术规范,完成建筑属性的设计。

2

步骤2:疏散设计设置

本实验步骤目的是通过疏散设计,让学生掌握关于疏散设计的方法和规范,通过仿真系统生动形象的体会疏散设计的过程,并能够运用学到的知识解决设计中的问题。

本实验步骤操作过程:点击疏散设计选项,进入疏散设计界面。疏散设计包含疏散门、安全出口和疏散走道三个部分,学生需要依次对每一部分的参数进行设置。

1)疏散门的设置:点击疏散门按钮,在操作界面出现参数设置框,可设置门的类型、开启方向和宽度,输入完成后点击确定,将门设置在合适的位置。

2)安全出口的设置

点击安全出口选项,进入安全出口设置界面。在操作界面出现参数输入框,学生需要根据技术规范计算安全出口宽度,并将计算值输入到安全出口宽度设置框。选择安全出口的类型。参数设置完成后,点击设计完成按钮保存关于安全出口的设计。

3)疏散走道的设置

点击疏散走道选项,进入疏散走道设置界面。首先需要确定疏散走道的位置,然后在参数设置框内输入走廊宽度。点击确定可完成一次疏散走道的设置,完成所有的疏散走道设计后,点击设计完成按钮,完成此项目的设计。

本实验步骤操作结果:完成疏散设计这一步骤所有参数的设置。然后完成三个疏散设施的相关参数设置。

3

步骤3:逃生路径设计

本实验步骤目的是基于上一步骤疏散设计,选取逃生路径。使学生掌握逃生路径设计的相关知识,并计算选取的逃生路径距离,计算结果用于考核评价疏散设计的合理性。

本实验步骤操作过程:点击逃生路径选项,进入逃生路径设置界面,学生在此界面选取相应的疏散走道作为逃生路经,然后点击计算路径,系统将实时显示所选取逃生路径距离。

本实验步骤操作结果:完成逃生路径的选取,并计算出逃生路径距离。

4

步骤4:设施摆放设置

本实验步骤目的是完成消防设施摆放,使学生掌握应急照明及疏散指示标志摆放的技术要求。

本实验步骤操作过程:点击设施摆放按钮,出现消防设施选择框,点击要摆放的安全设施,然后点击开始布置按钮,在3D状态下,拖动应急照明灯或疏散指示标志,通过拖动鼠标来移动设施的位置,松开鼠标后将该器件安装在竖向墙体的某一位置。

本实验步骤操作结果:完成应急照明和疏散指示标志的安放。

注意事项:在完成此步骤时,消防设施应满足规范要求。

说明:首先拖动各构筑物进行位置的确定,然后进行各个参数的设定。每个参数可以设置一个滑块,拖动滑块选择相应的数值。

5

步骤 5:人员设置

本实验步骤目的是设置疏散场景中的人员参数。包括人数,所在楼层和区域,移动速度参数。

本实验步骤操作过程:点击人员选项,进入人员相关参数设置界面,如图所示。在设置界面有人员相关参数设置框,依次输入人数,所在楼层,选择区域,完成这些参数设置后点击确定。系统将自动修正运动速度并予以显示。

本实验步骤操作结果:完成疏散场景中人员参数的设置。

6

步骤 6: 能见度设置

本实验步骤目的是完成疏散场景的能见度设置,确定着火点的位置。考虑火灾的影响,合理的选择能见度的大小。

本实验步骤操作过程:点击能见度按钮,进入能见度相关参数设置界面。设置仿真模拟场景的能见度情况,并设置着火区域。

本实验步骤操作结果:选取能见度并确定着火点的位置。

7

步骤 7:疏散设计参数汇总

本实验步骤目的是汇总实验步骤1、2、5、6中的参数,用于后面考核。

本实验步骤操作过程:出现表格,汇总前面步实验骤输入的相关参数,包括建筑高度、耐火等级、疏散门宽度、人员数量和人员区域、运动速度、能见度和着火点。如需修改则退回相应的设置界面进行修改。

本实验步骤操作结果:汇总得到实验步骤1、2、5、6中的参数。

8

步骤 8:疏散走道的宽度合理性判定

本实验步骤目的是判断学生在疏散设计过程中设置的疏散走道宽度合理性。并使学生掌握疏散走道合理宽度计算方法。

本实验步骤操作过程,学生在表格中输入自己计算的各出口及疏散走道的宽度参数,系统将根据内置的疏散宽度计算规则判断输入的参数是否正确。

疏散人数选取原则:

1)每层的房间疏散门、安全出口、疏散走道的各自总净宽度,应根据本楼层的疏散人数计算确定。

2)当每层疏散人数不等时,疏散楼梯的总净宽度可分层计算:地上建筑内下层楼梯的总净宽度应按该层及以上疏散人数多一层的人数计算。

3)首层外门的总净宽度应按该建筑疏散人数多一层的人数计算确定,不供其他楼层人员疏散的外门,可按本层的疏散人数计算确定。

人员密集的观众厅内每个疏散出口平均通过人数不应超过250人。

9

步骤9:学生所选逃生路径的长度合理性判定

本实验步骤目的是判定学生所设计的逃生路径距离的合理性。使学生掌握疏散距离相关规定和疏散距离计算方法。

本实验步骤操作过程是系统根据内置的疏散距离计算规则判定:

a. 学生所计算隔间是否为疏散最不利位置;

b. 疏散路径的选取是否正确。

系统内置的疏散距离计算方法见下面说明。

疏散距离计算方法:

疏散距离均为行走直线距离,当计算室内最远点至最近疏散门(或安全出口)的直线距离时,通常不考虑设备、家具及办公桌椅等障碍物的影响,但对于室内隔间(即使隔间不到顶)的情况,需要考虑墙体遮挡的影响,要按其中的折线距离计算。

10

步骤10:消防设施摆放合理性判定

本实验步骤目的是判定学生在步骤4所作的消防设施布置的合理性。使学生掌握应急照明灯与疏散指示标志的相关安装要求。

应急照明灯的安装要求:

疏散照明灯具应设置在出口的顶部、墙面的上部或顶棚上;

应急疏散指示标志,并应符合下列规定:

a.设置在安全出口和人员密集的场所的疏散门的正上方;

b.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应大于20 m;对于袋形走道,不应大于10 m;在走道转角区,不应大于1.0 m。

根据上述规则判定:

a.所有应急照明灯和疏散指示灯安装是否正确;

b.根据学生所选择单盏应急照明灯的亮度计算疏散走道中线处的亮度是否满足要求。

11

步骤11:正常能见度情况下疏散漫游

本实验步骤目的是在正常能见度条件下,对所作的疏散设计进行仿真运行,观察此条件下的整个疏散过程,得到疏散时间,展示疏散中的问题。

本实验步骤操作过程:点击第一视角,点击开始疏散,系统开始进行事故疏散模拟,此时烟气层高于2.0 m的正常能见度情况下,以第一人称视角漫游整个疏散过程,最终以人员数量和疏散宽度修正运动速度、展示疏散的瓶颈。(需要3D动画表现出来)

本实验步骤的结果是完成该能见度条件下的疏散,得到疏散时间,展示疏散中的问题。

12

步骤12:最小安全能见度情况下疏散漫游

本实验步骤目的是在最小安全能见度条件下,对所作的疏散设计进行仿真运行,观察此条件下的整个疏散过程,验证疏散设施布设得合理性和可靠性。

本实验步骤操作过程:烟气层下降至2.0 m安全高度以下后,疏散走道的能见度降至20 m时的疏散漫游,此时仅能所见2个相邻的疏散指示标志。

本实验步骤的结果是完成该能见度条件下的疏散,得到疏散时间,验证疏散设施布设得合理性和可靠性。

13

步骤13:极限条件下疏散漫游

本实验步骤目的是在极限条件下,对所作的疏散设计进行仿真运行,观察此条件下的整个疏散过程,验证能在允许时间内完成疏散。

本实验步骤操作过程:烟气温度达到60℃、CO浓度100ppm和能见度10m场景下的疏散漫游。设定人体耐受极限时间2min,看看能否疏散出去。并提出一个开放性问题,在极限条件下如何利用现有疏散设施进行疏散?

本实验步骤的结果是完成该条件下的疏散,验证是否能完成疏散。

14

步骤14:汇总疏散时间

本实验步骤目的是汇总上述几种情况下的疏散总时间,作为疏散设计合理性的判据。

本实验步骤操作过程:疏散完毕后会给出疏散所用时间。若不满意某一时间,则可退回对应场景进行重复疏散实验。一次建筑结构参数的设置构成一个工况,能够重复进行实验,不同工况得到的结果不同。

本实验步骤的结果是汇总三种条件下疏散完毕得到时间,将最终结果作为疏散设计合理性的判据。

15

步骤15:疏散设计结果评价

本实验步骤目的是对学生所作得疏散设计进行评价,并给出练习题库供学生完成。通过这一步骤完成对实验操作的评价。

本实验步骤操作过程:列表输出步骤7、8、9、10和14的汇总参数。系统根据判定准则验证预设的参数,完成安全疏散设计评价。随机从题库中抽取相关的习题进行规范考核。

本实验步骤结果是对疏散设计参数进行评价,最后给出综合成绩。

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七、注意事项

1、预习实验指导书,了解实验内容、明确实验原理、实验步骤。  

2、认真观察仿真实验,积极思考,踊跃的提出问题并努力回答问题。

3、实验完成后完成实验报告,记录实验结果。  

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