蔣科明

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

近年來，隨著國(guó)內(nèi)消防法律法規(guī)制度的逐步完善及全民消防意識(shí)的普遍提高，消防安全越來越成為建筑設(shè)計(jì)和建筑運(yùn)維中不可或缺的一部分，人們對(duì)建筑消防安全性能的要求不斷提高，消防性能化分析也逐漸得到行業(yè)的認(rèn)可和接受。

消防性能化分析一般包括火災(zāi)模擬和人員疏散模擬兩項(xiàng)內(nèi)容，其核心都是利用專業(yè)的計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)建筑三維模型進(jìn)行仿真模擬，得出較為科學(xué)的模擬結(jié)果，并將結(jié)果以可視化的形式進(jìn)行直觀表達(dá)。本文以火災(zāi)煙氣模擬為背景，探索相關(guān)技術(shù)軟件在該過程中結(jié)合應(yīng)用的可行性。文中涉及的2款軟件分別為火災(zāi)模擬軟件PyroSim 2018（2018.1.0417版）和建筑信息模型軟件Revit 2016。

1 軟件介紹

1.1 PyroSim軟件

隨著經(jīng)濟(jì)水平和施工技術(shù)的不斷提高，越來越多超高、超大、設(shè)計(jì)新穎的現(xiàn)代化建筑開始不斷涌現(xiàn)，這給火災(zāi)發(fā)生時(shí)建筑的安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。以現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的“處方式”設(shè)計(jì)、評(píng)估方法往往難以滿足這些現(xiàn)代化建筑對(duì)防火設(shè)計(jì)及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求，越來越多的人開始采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方式對(duì)建筑防火設(shè)計(jì)的安全性加以驗(yàn)證，對(duì)建筑的防火設(shè)計(jì)加以輔助[1]。

目前消防工程界認(rèn)可度較高的火災(zāi)模擬軟件有美國(guó)NIST開發(fā)的場(chǎng)模擬軟件FDS；美國(guó)NIST開發(fā)的區(qū)域模擬軟件CFAST；美國(guó)NIST開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件CONTAMW；英國(guó)火災(zāi)研究站開發(fā)的場(chǎng)模擬軟件JASMINE等。

與科學(xué)研究不同，大部分針對(duì)建筑工程所進(jìn)行的火災(zāi)模擬是指在設(shè)定好火災(zāi)場(chǎng)景后對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行模擬分析，不考慮火勢(shì)的蔓延，也被稱為火災(zāi)煙氣模擬。因此，以流體力學(xué)及燃燒學(xué)相關(guān)公式為核心算法的場(chǎng)模擬軟件FDS成為了最受業(yè)界認(rèn)可的火災(zāi)模擬軟件之一，其可以采用大渦模擬和直接數(shù)據(jù)模擬2種方式對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算的準(zhǔn)確性和模擬的細(xì)致性方面相較于其他模擬軟件更具優(yōu)勢(shì)。美國(guó)Thunderhead Engineering公司基于FDS開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件PyroSim則使FDS得到了更加廣泛的認(rèn)可和運(yùn)用。PyroSim在保留了FDS核心算法的同時(shí)，為FDS設(shè)計(jì)了可視化和更加友好的建模、結(jié)果處理界面，使火災(zāi)模型的建模過程從抽象的“指令-代碼”式變成了更為大眾所接受的“可視化”建模。此外，在模擬結(jié)果處理方面，PyroSim也提供了直觀和友好的操作界面，除保留了FDS固有的模擬結(jié)果處理功能外，還加入了更加靈活和實(shí)用的結(jié)果處理方法。PyroSim在沿用FDS核心算法的基礎(chǔ)上，更擅長(zhǎng)用動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的圖形對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模型的搭建和模擬結(jié)果的表達(dá)。

1.2 Revit軟件

建筑信息模型（BIM）技術(shù)是指將建筑工程項(xiàng)目中的基本構(gòu)件作為設(shè)計(jì)元素，將描述構(gòu)件元素的幾何尺寸、物理特性、材質(zhì)信息等相關(guān)信息有機(jī)地組織起來，形成一個(gè)綜合建筑系統(tǒng)全方面信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)件的所有參數(shù)信息都儲(chǔ)存在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并以此數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成了建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)模型[2]。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)圖模式，BIM技術(shù)能將工程師們的設(shè)計(jì)方案以立體三維的形式進(jìn)行展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)“所想即所見”，大大提高了設(shè)計(jì)方案的直觀性，進(jìn)而帶來一系列諸如設(shè)計(jì)、交底、管理等方面效率的提升。

作為目前國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)使用最為廣泛的BIM技術(shù)軟件之一，Autodesk Revit具有可視性、動(dòng)態(tài)性、模擬性的特點(diǎn)。Revit可視性體現(xiàn)在能夠?qū)⒂啥S線、面構(gòu)成的設(shè)計(jì)圖以三維立體模型的形式展示出來，使設(shè)計(jì)方案得到直觀而充分的表達(dá)；Revit動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)在能夠以各種角度和方式查看建筑模型，如能夠?qū)ㄖＰ瓦M(jìn)行剖切、透視、隱藏，靈活地設(shè)置平面、立面、剖面視圖，使建筑模型以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的形式展現(xiàn)在使用者面前；Revit模擬性體現(xiàn)在其能夠?qū)⒛Ｐ鸵訧FC、DWG、DXF、DWF等行業(yè)主流格式進(jìn)行保存，支持導(dǎo)入大部分性能化分析軟件供其進(jìn)行模擬運(yùn)算，同時(shí)軟件本身也具有動(dòng)態(tài)漫游功能[3]。

2 PyroSim與火災(zāi)煙氣模擬

火災(zāi)煙氣模擬大體可分為資料收集、火災(zāi)場(chǎng)景論證、模型搭建、模擬計(jì)算、結(jié)果分析、得出結(jié)論6個(gè)階段，其中搭建模型、模擬計(jì)算為必須使用計(jì)算機(jī)軟件完成的2個(gè)階段。模型搭建階段需由使用者操作計(jì)算機(jī)軟件完成（模擬計(jì)算階段則全程交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行），受軟件功能及使用者知識(shí)水平影響較大，其搭建模型的質(zhì)量將直接影響模擬結(jié)果的真實(shí)性，甚至決定了火災(zāi)煙氣模擬的成功與否，對(duì)總體工作而言至關(guān)重要。

2.1 模型的搭建

按照設(shè)計(jì)圖或?qū)嶋H建筑情況搭建相應(yīng)的三維模型是開展模擬工作的首要步驟，要想得出科學(xué)、合理的模擬結(jié)果，使火災(zāi)煙氣模擬具備真正意義上的參考價(jià)值，就必須搭建出一整套與設(shè)計(jì)方案或?qū)嶋H建筑情況幾乎完全一致的模型。不僅如此，對(duì)于可能會(huì)影響火災(zāi)發(fā)展的建筑構(gòu)件還應(yīng)賦予其合理的材質(zhì)信息，以模擬出真實(shí)的燃燒環(huán)境。

2.2 PyroSim在建模方面的不足

PyroSim本質(zhì)是一款以各類學(xué)科方程為核心的數(shù)值計(jì)算軟件，強(qiáng)調(diào)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，軟件自身提供的建模功能較為簡(jiǎn)陋，使用PyroSim進(jìn)行建模耗時(shí)大，且難以實(shí)現(xiàn)建筑較復(fù)雜部位的創(chuàng)建。

2.2.1 建模功能過于簡(jiǎn)單

PyroSim在保留FDS核心算法的基礎(chǔ)上為用戶提供了較為簡(jiǎn)易的建模功能，在表達(dá)建筑的體量化空間占位方面，該軟件的建模功能僅有墻、柱、板、洞口命令，這些命令功能單一，不能靈活變換形狀和坡度，難以滿足諸如曲面墻、異形屋頂、玻璃幕墻、不規(guī)則中庭等的建模，尤其是當(dāng)建筑中存在貫通上、下樓板的敞開式樓梯、自動(dòng)扶梯、坡道時(shí)，這些簡(jiǎn)單的建模命令就會(huì)顯得力不從心（圖1）。

圖1 不規(guī)則形狀的墻體

2.2.2 FDS網(wǎng)格劃分原則的弊端

使用者在PyroSim建模模式下創(chuàng)建完模型（以下簡(jiǎn)稱為“建模模型”）后，軟件會(huì)根據(jù)網(wǎng)格劃分原則，將建模模型轉(zhuǎn)換成能夠被FDS算法接受的模型（以下簡(jiǎn)稱“模擬模型”）。在FDS網(wǎng)格劃分原則的影響下，構(gòu)件各部位要么轉(zhuǎn)換成填充滿整個(gè)單元格的實(shí)體，要么轉(zhuǎn)換成貼合于單元格邊界的薄片（圖2）。

圖2 經(jīng)網(wǎng)格劃分原則轉(zhuǎn)換后模型

受此機(jī)制影響，使用洞口命令繪制火災(zāi)情況下敞開的門、窗時(shí)，某些特殊位置（網(wǎng)格）會(huì)出現(xiàn)在PyroSim建模模型中。繪制于墻體或樓板上的洞口轉(zhuǎn)化成FDS模擬模型時(shí)，其厚度小于或等于墻體或樓板的厚度，導(dǎo)致洞口無法打穿墻體或樓板的現(xiàn)象出現(xiàn)。這一現(xiàn)象在前期使用PyroSim建模時(shí)往往難以發(fā)現(xiàn)，需要轉(zhuǎn)換成FDS模擬模型后才會(huì)顯現(xiàn)，這一現(xiàn)象若發(fā)生在對(duì)煙氣蔓延至關(guān)重要的位置，則會(huì)在一定程度上造成模擬結(jié)果的失真。為避免上述問題的出現(xiàn)，使用者需逐一對(duì)各門窗洞口進(jìn)行檢查，對(duì)存在問題的洞口進(jìn)行調(diào)整，工作量較大。

可以看出，PyroSim以數(shù)值計(jì)算為核心，附帶簡(jiǎn)易建模功能，僅靠該軟件的建模功能來搭建三維模型難以保證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)于一些造型奇特、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑甚至顯得無能為力，無法滿足現(xiàn)代化建筑對(duì)于強(qiáng)大建模功能的需求。

3 Revit與PyroSim的結(jié)合應(yīng)用

相較于PyroSim的簡(jiǎn)易建模功能，Revit作為一款專為建筑信息模型（BIM）而開發(fā)的軟件，其在建筑建模方面顯得尤為出色。Revit靈活的建模功能能夠滿足絕大部分建筑對(duì)異形構(gòu)件的建模需求，其可通過拾取CAD二維線的方式快速生成相應(yīng)建筑構(gòu)件，使得依圖建模的速率大大提升。此外，參數(shù)化族也是Revit建模的一大亮點(diǎn)，它使得構(gòu)件模型更加靈活多變，尤其是針對(duì)一些不規(guī)則構(gòu)件所創(chuàng)建的族，一旦被正確參數(shù)化，使用者便可通過輸入?yún)?shù)的形式得到不同尺寸的該種建筑構(gòu)件，無需重新創(chuàng)建相應(yīng)構(gòu)件模型。

因此，Revit能夠很好地彌補(bǔ)PyroSim在建模準(zhǔn)確性上的缺陷。利用Revit完成建筑模型的創(chuàng)建，生成DWG、DXF或FBX格式文件（Pyrsoim 2018支持該3種格式文件的導(dǎo)入），再使用PyroSim導(dǎo)入建筑模型，在完成模擬參數(shù)的設(shè)置后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

3.1 Revit與PyroSim的兼容性

3.1.1 構(gòu)件的自動(dòng)分組

“圖元”是構(gòu)成三維模型的最基本單元（可以理解為構(gòu)成模型的各建筑構(gòu)件），與另一款國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)常用的三維建模軟件SketchUp不同，Revit使用“族”的概念對(duì)不同類型的圖元進(jìn)行了劃分，在Revit中任何圖元都從屬于相應(yīng)的族，例如墻族、板族、柱族、門族、窗族等?！白濉边@一特性在對(duì)PyroSim進(jìn)行模型導(dǎo)入時(shí)得到了很好的保留，即Revit創(chuàng)建的建筑模型導(dǎo)入PyroSim后，軟件將按照族類別在導(dǎo)航欄（Navigation View）中自動(dòng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分組，并使用族類別的英文簡(jiǎn)寫對(duì)組進(jìn)行命名，這極大地方便了使用者在PyroSim中對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行定位和操作。

3.1.2 共享坐標(biāo)系

不同三維軟件相互移植模型時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)不一致的現(xiàn)象，該現(xiàn)象通常由軟件無法正確識(shí)別模型文件中所包含的坐標(biāo)定位信息所致。Revit與PyroSim能夠共享空間坐標(biāo)系，PyroSim在導(dǎo)入Revit所建模型時(shí)可不用調(diào)節(jié)模型標(biāo)高，使用默認(rèn)設(shè)置即可將模型定位至相應(yīng)標(biāo)高。

3.1.3 材質(zhì)丟失

對(duì)于PyroSim而言，構(gòu)件材質(zhì)是影響模擬計(jì)算的重要因素之一，材質(zhì)的熱值、導(dǎo)熱性、燃點(diǎn)、輻射系數(shù)、發(fā)煙率等都會(huì)直接影響模擬結(jié)果。遺憾的是，PyroSim并不能識(shí)別Revit所建模型中包含的材質(zhì)信息，導(dǎo)致導(dǎo)入Revit模型后所有構(gòu)件的材質(zhì)都將丟失，對(duì)于這些失去材質(zhì)的各建筑構(gòu)件，PyroSim會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建諸多不同顏色的“基礎(chǔ)材質(zhì)”表面（一種以環(huán)境溫度、輻射系數(shù)0.9為條件計(jì)算熱輻射及熱對(duì)流的表面材質(zhì)）進(jìn)行賦予（圖3）。

圖3 模型在Revit中的顯示效果（左圖）與模型導(dǎo)入PyroSim后的顯示效果（右圖）

3.1.4 “空心”構(gòu)件的形成

對(duì)于DWG、DXF及FBX格式文件，無論是三維立體模型還是二維設(shè)計(jì)圖，PyroSim僅能對(duì)導(dǎo)入的文件進(jìn)行“線識(shí)別”和“面識(shí)別”，即只能識(shí)別文件中的線圖形與面圖形，無法識(shí)別體量化的空間占位。受此影響，在PyroSim中導(dǎo)入的三維模型，實(shí)際是由多個(gè)平面或曲面圍合而成的空心體，這嚴(yán)重地降低了模型在PyroSim中的可編輯性，譬如要?jiǎng)h除一堵筆直的墻體，則需刪除圍合成該堵墻體的6個(gè) 平面。

此現(xiàn)象在使用PyroSim洞口命令對(duì)導(dǎo)入模型的墻體（尤其是較長(zhǎng)、較厚的墻體）進(jìn)行門窗洞口開洞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大問題：進(jìn)行火災(zāi)煙氣模擬時(shí)，這些被洞口貫穿的空心墻體相當(dāng)于一個(gè)個(gè)大小不一的儲(chǔ)煙倉(cāng)，當(dāng)煙氣經(jīng)過洞口時(shí)有可能會(huì)蔓延至本應(yīng)無法進(jìn)入的墻體內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致模擬結(jié)果 失真。

3.1.5 消防設(shè)備需二次建模

消防設(shè)備（火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、噴淋、防排煙系統(tǒng)等）對(duì)火災(zāi)的抑制及撲滅過程是PyroSim的重要模擬內(nèi)容之一。Revit擁有一套完整的機(jī)電設(shè)備建模體系，遺憾的是Revit所創(chuàng)建的設(shè)備模型導(dǎo)入PyroSim后僅僅只是具有設(shè)備外觀的“模型”而已，其并不能被PyroSim或FDS所識(shí)別為相應(yīng)設(shè)備，無法起到探測(cè)、排煙、噴灑等影響火災(zāi)發(fā)展的作用。

3.2 模型移植的優(yōu)化及解決辦法

利用Revit向PyroSim移植火災(zāi)煙氣模型，除了具有縮短建模時(shí)間、構(gòu)件自動(dòng)分組、共享坐標(biāo)系等優(yōu)點(diǎn)外，也暴露出材質(zhì)丟失、空心構(gòu)件、消防設(shè)備二次建模等不兼容的問題。究其本源在于PyroSim（2018.1.0417版）不支持rvt格式（Revit格式）及IFC（建筑工程數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，用于異質(zhì)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交換和共享）格式文件。Revit所建模型需要保存為DWG、DXF或FBX格式文件方能導(dǎo)入PyroSim，不同三維軟件對(duì)該類文件中信息的提取和識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，因此，跨軟件移植模型所導(dǎo)致的信息丟失問題在所 難免。

使用者需采取合理手段對(duì)模型移植后出現(xiàn)的不兼容現(xiàn)象加以調(diào)整和優(yōu)化，以保證模擬能夠順利進(jìn)行。

3.2.1 使用PyroSim重新為構(gòu)件賦予材質(zhì)

由于Revit模型導(dǎo)入PyroSim后會(huì)丟失所有材質(zhì)信息，使用者必須在PyroSim中重新為構(gòu)件賦予材質(zhì)信息。不過大部分針對(duì)建筑工程進(jìn)行的火災(zāi)煙氣模擬只模擬火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的煙氣流動(dòng)情況，不考慮火源引燃其他可燃物而導(dǎo)致的火勢(shì)蔓延過程，因此，只需對(duì)火源進(jìn)行燃燒材質(zhì)的設(shè)置，其他建筑構(gòu)件均設(shè)置為惰性材質(zhì)（INERT）即可。

3.2.2 使用Revit進(jìn)行構(gòu)件開洞

針對(duì)PyroSim“線識(shí)別”和“面識(shí)別”機(jī)制而產(chǎn)生的空心構(gòu)件現(xiàn)象，若在模型導(dǎo)入PyroSim后發(fā)現(xiàn)有需要修改的地方，不宜在PyroSim中直接對(duì)模型進(jìn)行修改（尤其是開洞命令形成的“儲(chǔ)煙倉(cāng)”式墻體），而應(yīng)使用Revit對(duì)原模型進(jìn)行調(diào)整，再重新導(dǎo)入PyroSim中。

3.2.3 放棄Revit對(duì)消防設(shè)備的建模

Revit創(chuàng)建的設(shè)備模型導(dǎo)入PyroSim后僅僅只是徒有其表，無法在模擬計(jì)算時(shí)履行相關(guān)功能。因此，使用Revit創(chuàng)建設(shè)備模型意義不大，建模時(shí)無需耗費(fèi)時(shí)間創(chuàng)建設(shè)備模型，待模型導(dǎo)入PyroSim后再使用PyroSim的設(shè)備創(chuàng)建功能為模型添加相關(guān)消防設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

火災(zāi)煙氣模擬是進(jìn)行消防性能化分析的重要手段之一，它能將人們非常關(guān)注但又無法試驗(yàn)的火災(zāi)事件以科學(xué)的方式在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行虛擬推演、輔助方案設(shè)計(jì)及評(píng)估 論證[4]。

本文通過分析模型移植的兼容性，提出優(yōu)化解決方法，并輔以實(shí)例操作的形式探索了PyroSim 2018與Revit 2016在火災(zāi)煙氣模擬中結(jié)合應(yīng)用的可行性。2款軟件在建模和模擬方面各有著重，使用者在進(jìn)行火災(zāi)煙氣模擬時(shí)應(yīng)合理搭配軟件進(jìn)行使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在提高效率的基礎(chǔ)上既體現(xiàn)模型的真實(shí)性和美觀性，又保證模擬結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，以事半功倍的效果完成火災(zāi)煙氣模擬工作。