王躍強(qiáng)，周 瑾

(1．上海城建職業(yè)學(xué)院 建筑與環(huán)境藝術(shù)學(xué)院，上海 201415；2．邵陽市消防救援支隊(duì)，湖南 邵陽 422000)

目前火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估僅充當(dāng)了補(bǔ)充消防規(guī)范不足的輔助性角色，沒有充分體現(xiàn)出自身的技術(shù)優(yōu)越性，原因是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法還有諸多局限與不足[1-2]，例如當(dāng)前火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中普遍存在信息交互成本高且效率低的情況。近年來，新興的BIM(Building Information Modeling, 建筑信息模型)技術(shù)憑借強(qiáng)大的數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3-4]，已在建筑設(shè)計(jì)、施工、節(jié)能和概預(yù)算等方面得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。借助BIM技術(shù)可彌補(bǔ)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在信息交互方面的諸多局限，因此，將BIM與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合進(jìn)行研究就顯得很有必要。

Spearpoint[7]開發(fā)了基于BIM模型的文件解析器，可以從模型中直接提取所需信息導(dǎo)入火災(zāi)模擬軟件中進(jìn)行模擬；Dimyadi等[8]開發(fā)了一個(gè)基于網(wǎng)頁(yè)的ifcSTEP-FDS工具軟件，可通過XML格式的文件將BIM模型與火災(zāi)模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；陸揚(yáng)[9]將某博物館大廳的BIM模型轉(zhuǎn)換為火災(zāi)模型和疏散模型后進(jìn)行了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；林天揚(yáng)等[10]利用BIM和VR技術(shù)提出了建立可視化消防管理平臺(tái)的方法；陳勇鑫等[11]將IFC(Industry Foundation Class，工業(yè)基礎(chǔ)類)標(biāo)準(zhǔn)所描述的建筑構(gòu)件幾何形體和材料信息轉(zhuǎn)換為火災(zāi)模型進(jìn)行分析；道吉草等[12]基于Revit API二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BIM建筑模型與FDS軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)有研究主要是側(cè)重于BIM技術(shù)在建筑防火某一方面的應(yīng)用，缺少在多專業(yè)協(xié)同合作的基礎(chǔ)上對(duì)基于BIM的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的系統(tǒng)研究。

本文針對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的局限性問題，結(jié)合BIM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，制定基于BIM的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立多專業(yè)參與的BIM防火平臺(tái)，提高參與方在建設(shè)項(xiàng)目各階段的信息交互效率，實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的安全評(píng)估。

1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的局限性

1.1 信息互動(dòng)性差。目前火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的建筑防火信息呈零散化、碎片化狀態(tài)，由于缺少有效的建筑信息交互平臺(tái)，造成了各專業(yè)或部門之間在進(jìn)行信息交互時(shí)，普遍存在信息丟失、溝通不暢或交互成本過高等問題。

1.2 缺少建筑全生命周期安全評(píng)估。目前火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍是一種階段性的、靜態(tài)的設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，主要應(yīng)用在建設(shè)項(xiàng)目的方案階段，缺少對(duì)建筑全生命周期的安全評(píng)估。另外，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍無法在火災(zāi)頻發(fā)的大量普通民用建筑中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

1.3 與建筑設(shè)計(jì)聯(lián)系不緊密。目前火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作主要由消防工程師承擔(dān)，建筑師由于不具備消防工程學(xué)的專業(yè)知識(shí)，因而很難參與到評(píng)估的工作環(huán)節(jié)，這就造成了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與建筑設(shè)計(jì)的脫節(jié)，增加了設(shè)計(jì)成本。

1.4 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定過于理想化。建筑火災(zāi)是一個(gè)受多方面因素綜合作用的復(fù)雜過程，如果要科學(xué)合理地設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景，就需要收集建筑物各方面的信息，如建筑空間、功能、結(jié)構(gòu)、裝修、材料、火災(zāi)荷載、設(shè)備、人員特征和消防管理等。但就目前的建筑設(shè)計(jì)與消防制度來說，很難將這些信息完整、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)量化收集與管理，因而導(dǎo)致在火災(zāi)模擬時(shí)主觀設(shè)定的若干火災(zāi)場(chǎng)景可能與實(shí)際情況有較大差距。

1.5 火災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)不完善。目前我國(guó)火災(zāi)科學(xué)的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和指標(biāo)數(shù)據(jù)仍沒有形成較完整的數(shù)據(jù)體系，特別是有些重要數(shù)據(jù)指標(biāo)仍參考國(guó)外的相關(guān)規(guī)定，并不完全適合我國(guó)國(guó)情，因此建立和完善我國(guó)火災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)將是火災(zāi)研究領(lǐng)域一項(xiàng)重要而長(zhǎng)期的課題。

1.6 缺少適合我國(guó)國(guó)情的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件。目前我國(guó)使用的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件絕大部分是由歐美國(guó)家開發(fā)的，由于在規(guī)范要求、設(shè)計(jì)方法、經(jīng)濟(jì)性、安全性、人員行為及個(gè)體差異等方面的不同，造成了國(guó)外的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件與我國(guó)的實(shí)際設(shè)計(jì)需求存在一定差距，火災(zāi)評(píng)估的準(zhǔn)確性與科學(xué)性需要進(jìn)一步提升。

2 BIM及其特點(diǎn)

BIM通過數(shù)字化技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立的三維虛擬模型可提供建筑全生命周期的所有信息，這些信息能夠在綜合數(shù)字環(huán)境中保持不斷更新，并可為各階段使用者提供訪問。BIM的主要內(nèi)涵與技術(shù)特點(diǎn)包括：(1)BIM不僅記錄了建筑物的幾何特性，還記錄了建筑物的功能特性，如材料特性、物理性能、防火性能等。(2)BIM是一個(gè)隨著建筑物的生長(zhǎng)變化而不斷更新的協(xié)同過程，其記錄了建設(shè)項(xiàng)目從策劃、設(shè)計(jì)到施工建設(shè)，再到使用、運(yùn)營(yíng)，直至拆除的全生命周期的所有信息。(3)BIM可為包括開發(fā)商、業(yè)主、設(shè)計(jì)師、承包商、施工方、管理部門等在內(nèi)的相關(guān)各方提供一個(gè)交互平臺(tái)，各方根據(jù)自己的責(zé)任和權(quán)利來提供、獲取相關(guān)信息。(4)BIM技術(shù)采用結(jié)構(gòu)化的信息形式和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，可以準(zhǔn)確、高效地實(shí)現(xiàn)信息的無損傳遞，將設(shè)計(jì)人員從繁重的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來，提高設(shè)計(jì)效率。(5)BIM是未來建筑領(lǐng)域新思想和新技術(shù)革命的代表，可以與云計(jì)算、智能建筑、數(shù)字城市、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)緊密對(duì)接。

3 基于BIM的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

根據(jù)BIM的技術(shù)特點(diǎn)，筆者對(duì)目前通用的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行了一定的優(yōu)化，將BIM技術(shù)運(yùn)用在評(píng)估的各階段，突出BIM技術(shù)的高效性、可靠性與科學(xué)性，提出了基于BIM的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本流程，如圖1所示。

圖1 基于BIM的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本流程

BIM在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各階段的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

3.1 在對(duì)建筑周邊環(huán)境進(jìn)行評(píng)估時(shí)，通過BIM可以與GIS系統(tǒng)(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))共享建筑物的相關(guān)規(guī)劃信息，如城市規(guī)劃要求、場(chǎng)地環(huán)境、相鄰建筑、消防道路、消防給水與市政設(shè)施等；通過BIM模型可以提取建筑設(shè)計(jì)信息，如建筑功能、用途、重要性、規(guī)模、高度、平面布局、特色空間、火災(zāi)荷載及可能起火源的分布狀況等；通過BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)可提取使用人員的特性、數(shù)量、消防培訓(xùn)情況等；可以明確建筑設(shè)計(jì)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與法規(guī)，檢查核實(shí)建筑方案是否符合相關(guān)防火規(guī)范；通過BIM與消防管理平臺(tái)的互動(dòng)，可定量分析當(dāng)?shù)叵啦块T的人員裝備、素質(zhì)、應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間等消防救援水平。

3.2 在確定建筑物的消防安全目標(biāo)時(shí)，通過BIM分析評(píng)估系統(tǒng)，可以根據(jù)建筑物的功能、重要性、業(yè)主要求及建筑特點(diǎn)進(jìn)行綜合判斷，提出可能的消防安全總體目標(biāo)及子目標(biāo)，如保證建筑物內(nèi)使用人員以及救援人員的人身安全，保證建筑物內(nèi)財(cái)產(chǎn)的安全或減少火災(zāi)造成的財(cái)產(chǎn)損失，建筑物的結(jié)構(gòu)不會(huì)因火災(zāi)作用而受到嚴(yán)重破壞或發(fā)生垮塌等。

3.3 通過BIM分析評(píng)估系統(tǒng)，可明確建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的定量化目標(biāo)，如最高人員傷亡數(shù)量、最大財(cái)產(chǎn)損失程度、結(jié)構(gòu)安全程度以及明確生命安全和非生命安全標(biāo)準(zhǔn)(熱效應(yīng)、毒性、能見度、火災(zāi)蔓延和煙氣損害)等。

3.4 在進(jìn)行建筑物火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，通過BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)可方便高效地實(shí)現(xiàn)建筑模型到火災(zāi)模型的轉(zhuǎn)換，建立可靠的火災(zāi)模擬場(chǎng)景(火災(zāi)位置、起火源、可燃物特性、火災(zāi)增長(zhǎng)規(guī)律、建筑材料、使用情況、門窗及通風(fēng)情況等)，建立合理的人員疏散模型(人員數(shù)量、分布、類型、清醒程度及人員素質(zhì)等)。通過BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)提取消防系統(tǒng)信息，評(píng)估火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等消防系統(tǒng)的可靠性與安全性等。

3.5 在方案優(yōu)化階段，利用BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)多種火災(zāi)模擬軟件(FDS、Phoenics、Fluent)的比較分析，驗(yàn)證所設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景的合理性、火災(zāi)性能判定標(biāo)準(zhǔn)的適用性以及模擬結(jié)果的可靠性等。另外，BIM分析評(píng)估系統(tǒng)可分別采用故障樹分析、事件樹分析和可靠性分析等方法對(duì)建筑物進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.6 在編制火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告階段，利用BIM提取建筑物的基本信息，生成相關(guān)圖表，描述消防安全目標(biāo)和滿足目標(biāo)的設(shè)計(jì)條件，描述設(shè)定的火災(zāi)場(chǎng)景與所采用的分析模型、前提假設(shè)、選擇依據(jù)等，描述分析模擬結(jié)果與判定標(biāo)準(zhǔn)的比較等，并按照標(biāo)準(zhǔn)格式生成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。

4 基于BIM的建筑防火信息交互平臺(tái)研究

4.1 BIM防火平臺(tái)的概念

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在建筑施工、節(jié)能和概預(yù)算等領(lǐng)域開發(fā)了若干基于BIM的信息交互平臺(tái)，而關(guān)于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的BIM信息交互平臺(tái)的研究還不多。筆者在參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)BIM信息交互平臺(tái)研究的基礎(chǔ)上[5-6]，針對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中信息交互問題提出了基于BIM的建筑防火信息交互平臺(tái)(簡(jiǎn)稱BIM防火平臺(tái))，初步制定了其體系框架，如圖2、圖3所示。

圖2 基于BIM的建筑防火信息交互平臺(tái)

圖3 BIM防火平臺(tái)體系框架

4.2 BIM防火平臺(tái)的功能要求

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，完全依靠人工的消防審查方式已不能滿足社會(huì)的建設(shè)需求，有必要建立基于BIM防火平臺(tái)的自動(dòng)或半自動(dòng)消防審查系統(tǒng)。BIM防火平臺(tái)能夠?qū)⒒馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的成本大幅降低，可使火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在大量普通民用建筑中得到廣泛應(yīng)用，這樣在確保普通民用建筑滿足現(xiàn)行規(guī)范的前提下，通過BIM防火平臺(tái)可以進(jìn)一步提升建筑物的安全性能。通過BIM防火平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的安全評(píng)估，尤其是在建筑物的使用階段，業(yè)主和消防部門可以通過BIM防火平臺(tái)及時(shí)掌握建筑物的消防安全狀態(tài)，對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高的建筑物進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控和及時(shí)整改。BIM防火平臺(tái)可基于IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。BIM防火平臺(tái)可將導(dǎo)入的BIM文件格式存儲(chǔ)在IFC數(shù)據(jù)庫(kù)中，并能夠自動(dòng)提取下游火災(zāi)模擬軟件所需的參數(shù)，可以將IFC數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)，從而節(jié)省人工成本。

4.3 BIM防火平臺(tái)的初步開發(fā)

筆者初步開發(fā)了設(shè)計(jì)階段BIM防火平臺(tái)的操作界面和功能菜單，如圖4、圖5所示。其主要功能包括：(1)以IFC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的建筑模型信息可以與火災(zāi)模擬文件格式進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換；(2)提取設(shè)計(jì)階段與建筑防火相關(guān)的信息，如建筑空間、火災(zāi)荷載、人員狀態(tài)、消防設(shè)備等信息；(3)檢查建筑方案的規(guī)范性指標(biāo)，如建筑防火分區(qū)、防火間距、疏散距離、構(gòu)件的耐火等級(jí)、消防設(shè)備等是否符合現(xiàn)行防火規(guī)范的要求，能夠以顯色或文字標(biāo)注的方式標(biāo)注出設(shè)計(jì)中不合規(guī)范之處；(4)利用平臺(tái)自帶功能對(duì)建筑方案的火災(zāi)性能進(jìn)行分析計(jì)算，如建筑空間火災(zāi)性能計(jì)算及繪制火災(zāi)性能表現(xiàn)圖等；(5)調(diào)用外部火災(zāi)模擬軟件對(duì)建筑方案進(jìn)行火災(zāi)模擬，如FDS模擬、人員疏散模擬、結(jié)構(gòu)防火性能模擬等；(6)根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)建筑進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并生成報(bào)告。

圖4 設(shè)計(jì)階段BIM防火平臺(tái)系統(tǒng)操作界面

圖5 設(shè)計(jì)階段BIM防火平臺(tái)系統(tǒng)功能菜單

5 結(jié)論

5.1 基于BIM的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的安全評(píng)估，基于BIM的建筑防火信息交互平臺(tái)可提高建設(shè)項(xiàng)目各階段的信息交互效率。

5.2 BIM防火平臺(tái)是對(duì)建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行深入研究與廣泛應(yīng)用的必要技術(shù)保障，其代表了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的發(fā)展方向，有可能會(huì)給現(xiàn)行的消防管理體系帶來變革。

5.3 BIM技術(shù)與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合的研究思路，可以科學(xué)有效地?cái)U(kuò)大火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用范圍，特別是針對(duì)當(dāng)前面臨較嚴(yán)峻火災(zāi)形勢(shì)的普通民用建筑。如果能夠在保證大量普通民用建筑滿足現(xiàn)行建筑防火規(guī)范的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決存在的消防問題，則可以極大地降低火災(zāi)發(fā)生概率，提高我國(guó)建筑消防安全的整體水平。