趙　楊

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

在火災(zāi)數(shù)值模擬的過(guò)程中，繁重的建模工作量和模型的精度問(wèn)題一直困擾著廣大消防工作者。近些年來(lái)，隨著建筑信息模型Building Information Modeling(BIM)的出現(xiàn)以及持續(xù)的深入研究，BIM所具有的種種特點(diǎn)為傳統(tǒng)的建筑防火設(shè)計(jì)，特別是火災(zāi)數(shù)值模擬帶來(lái)了新的技術(shù)和方法。

1　BIM及其數(shù)據(jù)格式

BIM的概念最早被提出是在20世紀(jì)80年代，是信息化技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合的必然產(chǎn)物。BIM技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)建筑(組成與功能)全部信息的數(shù)字化表達(dá)，組建一個(gè)豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)為所有參與者提供決策支持[1]。BIM技術(shù)自被提出以后，已在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑行業(yè)引發(fā)了巨大變革，如今也掀起了我國(guó)建筑行業(yè)的改革浪潮。Autodesk(歐特克)公司開(kāi)發(fā)的Revit軟件是使用BIM技術(shù)的主要代表之一。圖1為某辦公樓的BIM模型。

圖1　某博物館3F三維Revit模型

1.1　IFC數(shù)據(jù)格式

BIM模型數(shù)據(jù)的定義采用Industry Foundation Classes(IFC)標(biāo)準(zhǔn)，IFC為BIM提供了數(shù)據(jù)定義模式和信息交換格式，其中模型數(shù)據(jù)采用EXPRESS語(yǔ)言和EXPRESS-G圖進(jìn)行定義。IFC是一種開(kāi)放型的數(shù)據(jù)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，使BIM應(yīng)用過(guò)程中各參與學(xué)科能共享和交換不同階段不同時(shí)期所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息[2-3]。目前，其最新版本為IFC4，由Building SMART組織于2013年3月發(fā)布實(shí)施[4]。

IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件的空間結(jié)構(gòu)從數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系上可以劃分為四個(gè)階層，從高往低分別為領(lǐng)域?qū)印⒐蚕韺?、核心層和資源層[5]，如圖2所示。領(lǐng)域?qū)邮荌FC文件格式空間結(jié)構(gòu)中的最高層，領(lǐng)域?qū)又腥魏我环N引用或是使用的定義在獨(dú)立和核心資源層上的任何信息模型都是獨(dú)立的，領(lǐng)域?qū)拥闹饕饔檬菫榱四軌蛏钊氲礁鱾€(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的內(nèi)部數(shù)據(jù)中去，形成不同的專(zhuān)業(yè)信息[6]。共享層是IFC文件格式空間結(jié)構(gòu)中的次高層，該層的主要功能是為領(lǐng)域?qū)臃?wù)，共享層重點(diǎn)解決了領(lǐng)域?qū)拥哪Ｐ托畔⒔换サ膯?wèn)題[7]。核心層的主要功能是提供基本的IFC數(shù)據(jù)文件模型結(jié)構(gòu)與概念，將資源層的數(shù)據(jù)信息有效地管理組織起來(lái)，成為一個(gè)有機(jī)的整體，來(lái)客觀反映真實(shí)的模型文件結(jié)構(gòu)。資源層是IFC文件格式空間結(jié)構(gòu)中的最底層，為其他三層服務(wù)，資源層的功能是描述IFC標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的基礎(chǔ)信息，不針對(duì)具體的專(zhuān)業(yè)。

圖2　IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件的空間結(jié)構(gòu)示意圖

IFC數(shù)據(jù)格式的模型由實(shí)體、定義類(lèi)型、選擇類(lèi)型、規(guī)則、函數(shù)以及屬性集組成[8]。IFC標(biāo)準(zhǔn)包括了很多實(shí)體，其中IFCROOT是IFC實(shí)體定義中最重要的根類(lèi)，其余實(shí)體都是IFCROOT派生的，分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是可獨(dú)立用于數(shù)據(jù)交換的實(shí)體，分布在框架層、共享層和領(lǐng)域?qū)?，具有GLOBALID屬性；另一類(lèi)不可以獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，常以IFCROOT派生實(shí)體的屬性形式存在，不具備全局標(biāo)識(shí)特性，該類(lèi)實(shí)體全部分布在資源層。

1.2　BIM數(shù)據(jù)的交換方式

基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)交換主要有三種方式：一是按照IFC標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各軟件之間的數(shù)據(jù)交換；二是進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，基于Revit API以插件的形式顯示在Revit中[9]；三是其他形式的交換，如基于中間文件Excel的數(shù)據(jù)交換。本文選擇了第一種方式進(jìn)行研究?；贗FC的BIM可以存儲(chǔ)多種類(lèi)型的幾何模型數(shù)據(jù)，表1列出了支持的幾何模型類(lèi)型。其中Curve 2D、Geometric Set、Geometric Curve Set用于描述由點(diǎn)、線、面基本圖元組成的模型。Surface Model用于描述表面模型。Solid Model用于描述實(shí)體模型，又可細(xì)分為Swept Solid、Brep、CSG、Clipping、Advanced Swept Solid等多種類(lèi)型[10]。

表1　IFC預(yù)定義的幾何表達(dá)類(lèi)型

2　FDS數(shù)據(jù)格式

在FDS(Fire Dynamics Simulator)模型中，空間內(nèi)實(shí)體的幾何信息有其特定的存儲(chǔ)方式。建筑構(gòu)件和室內(nèi)裝飾物是用若干個(gè)長(zhǎng)方體來(lái)表示，每一個(gè)長(zhǎng)方體在模型中都有特定的定義方式[11]。建筑構(gòu)件和室內(nèi)裝飾物的幾何信息通常用OBST命令進(jìn)行表達(dá)(個(gè)別構(gòu)件除外，如門(mén)窗)，一個(gè)OBST就表示一個(gè)長(zhǎng)方體，包含其坐標(biāo)位置信息。每一個(gè)長(zhǎng)方體用2個(gè)對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)表達(dá)，例如一個(gè)長(zhǎng)方體，其兩對(duì)角點(diǎn)A(X1，Y1，Z1)和B(X2，Y2，Z2),在OBST中的表達(dá)形式為AB=X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2。即用該長(zhǎng)方體的最大最小兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)表示，如圖3所示。

圖3　FDS模型中實(shí)體的幾何表達(dá)方式

3　數(shù)據(jù)交換方案

以往FDS軟件對(duì)于模型的建立只能通過(guò)文本編寫(xiě)程序來(lái)完成，材料、裝備等各種參數(shù)同樣需要編寫(xiě)文本，為模型的創(chuàng)建帶來(lái)極大的不便，因此可采用Pyrosim軟件來(lái)簡(jiǎn)化建模過(guò)程。Pyrosim是由美國(guó)Thunderhead Engineering公司在FDS基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一款用于對(duì)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、煙氣溫度和毒氣濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析的軟件，其最大的特點(diǎn)在于為FDS的建模過(guò)程提供了三維可視化圖形操作界面，提高了建模的工作效率[12]。本研究中首先采用Revit作為建筑設(shè)計(jì)的CAD平臺(tái)，創(chuàng)建BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，利用該平臺(tái)的IFC轉(zhuǎn)化功能自動(dòng)生成BIM模型的IFC數(shù)據(jù)交換文件DXF文件，供FDS軟件Pyrosim模擬使用，圖4為數(shù)據(jù)交換方案示意圖，圖5為導(dǎo)入Pyrosim后的某博物館3F示意圖。

圖4　數(shù)據(jù)交換方案示意圖

圖5　導(dǎo)入Pyrosim后的某博物館3F示意圖

DXF是Autodesk(歐特克)公司開(kāi)發(fā)的用于AutoCAD與其他軟件之間進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)文件格式[13]。DXF是一種開(kāi)放的矢量數(shù)據(jù)格式，可以分為兩類(lèi)：ASCII格式和二進(jìn)制格式[14]。ASCII具有可讀性好的特點(diǎn)，但占用的空間較大；二進(jìn)制格式則占用的空間小、讀取速度快。不同類(lèi)型的計(jì)算機(jī)其DWG文件是不可交換的。為了克服這一缺點(diǎn)，AutoCAD提供了DXF類(lèi)型文件，其內(nèi)部為ASCII碼,這樣不同類(lèi)型的計(jì)算機(jī)可通過(guò)交換DXF文件來(lái)達(dá)到交換圖形的目的，由于DXF文件可讀性好，用戶(hù)可方便地對(duì)它進(jìn)行修改、編程，達(dá)到從外部圖形進(jìn)行編輯和修改的目的[15]。ASCII格式的DXF可以用文本編輯器進(jìn)行查看。

4　數(shù)據(jù)交換關(guān)鍵問(wèn)題

通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同的火災(zāi)模擬軟件導(dǎo)入的格式是不一樣的，導(dǎo)入模型存在接口和格式的要求。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)研究，筆者發(fā)現(xiàn)在模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中采取DXF格式最為直接也不容易導(dǎo)致錯(cuò)誤，模型在Pyrosim中能夠顯示正常，三維瀏覽較流暢，但也應(yīng)注意以下問(wèn)題：(1)模型的導(dǎo)出導(dǎo)入應(yīng)注意單位一致的問(wèn)題，Pyrosim和Revit默認(rèn)的單位分別是cm和mm，所以必須修改一致。(2)在進(jìn)行BIM模型轉(zhuǎn)換為DXF格式時(shí)，需要將FDS模型中并不需要的實(shí)體去除，例如“綠化”“散水”等，或者需要根據(jù)模擬情況進(jìn)行相關(guān)模型的拆分和簡(jiǎn)化，僅選取有關(guān)火災(zāi)模擬的模型部分導(dǎo)入Pyrosim，以免后期進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)出錯(cuò)。(3)模型導(dǎo)入Pyrosim后，Pyrosim會(huì)自動(dòng)為模型在三維空間中進(jìn)行坐標(biāo)定位。建立火災(zāi)模型時(shí)Pyrosim會(huì)根據(jù)導(dǎo)入的建筑模型自動(dòng)給出參考網(wǎng)格大小以及數(shù)量，但是給出的網(wǎng)格數(shù)量往往都包含了整個(gè)模型，需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改以便貼近模型，這樣模擬的結(jié)果才更貼近真實(shí)。(4)BIM模型是分區(qū)域建立的，當(dāng)導(dǎo)入到Pyrosim以后，不同區(qū)域中間會(huì)產(chǎn)生模型上的隔離現(xiàn)象，需要在區(qū)域連接處設(shè)置多個(gè)可通過(guò)的門(mén)，使其煙氣和人員可以通過(guò)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與FDS模型的實(shí)體幾何信息進(jìn)行了分析，通過(guò)DXF格式文件并在Pyrosim軟件中實(shí)現(xiàn)了正確識(shí)別BIM模型。本文已進(jìn)行的工作仍然存在不足，后續(xù)開(kāi)發(fā)仍有較多工作要做，其主要工作包括：(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換仍需完善，如相關(guān)建筑材料的熱力學(xué)性質(zhì)以及熱解屬性等信息的提取識(shí)別等。(2)不規(guī)則建筑構(gòu)件的轉(zhuǎn)換識(shí)別。