蔣科明

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

長期以來，火災發(fā)生時如何確保人員安全疏散一直是建筑消防設計關注的焦點之一，也是衡量建筑消防安全性能的一項重要指標，隨著我國消防法律法規(guī)制度的不斷完善以及全民公共安全意識的增強，人們對建筑消防安全性能的要求不斷提高。

雖然在《建筑設計防火規(guī)范》《辦公建筑設計規(guī)范》等規(guī)范中有諸多強制性條款對建筑疏散條件提出了最低要求，規(guī)定了人員疏散的最基本環(huán)境，但這種依據(jù)國家規(guī)范、標準而進行的“處方式”設計、評估方法，依然難以滿足人員眾多、結構復雜的現(xiàn)代化建筑對安全疏散的要求。越來越多的人開始采用性能化分析的方式對建筑消防安全性能加以驗證，對消防安全設計加以輔助[1]。

性能化分析強調(diào)依據(jù)設計圖或?qū)嶋H建筑情況搭建3D模型，將相關設計信息或?qū)嶋H環(huán)境參數(shù)錄入模型，利用專業(yè)的計算機模擬軟件對模型進行仿真模擬，從而得出較為科學的模擬結果，并將結果以可視化的形式進行直觀表達。消防性能化分析一般包括火災模擬和人員疏散模擬兩項內(nèi)容，本文以人員疏散模擬為背景，探索相關技術軟件在該過程中的結合應用，文中涉及的兩款軟件分別為人員疏散模擬軟件Pathfinder 2019（2019.1.0508）和建筑信息模型軟件Revit 2016。

1 軟件介紹

1.1 Pathfinder

目前，在消防、安全工程領域存在較多具備人員疏散模擬功能的軟件，較為常用的有Pathfinder、STEPS、AnyLogic等。其中美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的Pathfinder智能人員疏散模擬軟件在行業(yè)中的受認可度較高。該軟件提供了可視化模型繪制界面，通過設置樓梯、門、坡道、電梯等關鍵構件的尺寸及人員肩寬、胸圍、步行速度、響應時間等人體特征因素來模擬緊急情況發(fā)生時人員的流動情況。

該軟件不僅能夠模擬人員的自然疏散過程，還可通過人為設置路徑點、延遲動作時間的方式來模擬特殊部位、特殊群體在火災中可能會表現(xiàn)出的多樣性行為（譬如老年人及距離火災較遠位置的人群對火災的識別及響應時間較長），使模擬結果更具真實性。

Pathfinder提供了兩種行為仿真模式——基于人流密度的SFPE模式和基于人員碰撞及交互的steering模式，其中steering模式對于擁擠情況下人員的運動情況還原度較高，仿真結果更貼合實際。

在結果處理方面Pathfinder不僅能將各種數(shù)據(jù)繪制成相應的統(tǒng)計圖、表，還能將模擬結果直觀展現(xiàn)出來，使用者可直接觀察建筑各部位在不同時間段的人員擁堵情況。

1.2 Revit

建筑信息模型技術（BIM技術）是指將建筑工程項目中的基本構件作為設計元素，將描述構件元素的幾何尺寸、物理特性、材質(zhì)信息等相關信息有機地組織起來，形成一個綜合建筑系統(tǒng)全方面信息的數(shù)據(jù)庫，構件的所有參數(shù)信息都儲存在該數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并以此數(shù)據(jù)庫構成了建設項目的數(shù)據(jù)模型[2]。

相較于傳統(tǒng)二維設計圖，BIM技術能將工程師們的設計方案以立體三維的形式進行展現(xiàn)，實現(xiàn)“所想即所見”，大大提高了設計方案的直觀性，進而帶來一系列諸如設計、交底、管理等方面效率的提升。

作為目前國內(nèi)建筑設計行業(yè)使用最為廣泛的BIM技術軟件之一，Autodesk Revit具有可視性、動態(tài)性、模擬性的特點。Revit可視性體現(xiàn)在能夠?qū)⒂啥S線、面構成的設計圖以三維立體模型的形式展示出來，使設計方案得到直觀而充分地表達；Revit動態(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行剖切、透視、隱藏，靈活地設置平面、立面、剖面視圖，將建筑模型以實時動態(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、FBX等行業(yè)主流格式進行保存，支持導入大部分性能化分析軟件供其進行模擬計算，同時軟件本身也具有動態(tài)漫游功能[3]。

2 Pathfinder與人員疏散模擬

人員疏散模擬的意義在于通過利用計算機搭建全尺寸模型并進行仿真模擬的方式來實現(xiàn)現(xiàn)實中難以進行的試驗（諸如頻繁動員整棟樓內(nèi)人員進行應急疏散演練），輔助建筑疏散設施的設計及應急預案的制定。因此，如何搭建一套與設計方案或?qū)嶋H建筑高度吻合的模型，為數(shù)值計算提供更真實的模擬環(huán)境就成了人員疏散模擬的關鍵。

2.1 模型的搭建

根據(jù)設計圖或?qū)嶋H建筑情況搭建相應的三維模型是利用計算機開展仿真模擬的首要步驟，模型搭建的準確度將直接影響模擬結果的準確性，甚至決定了人員疏散模擬的成功與否。Pathfinder本質(zhì)為基于人員疏散行為的模擬器，其本身具備的建模功能較為簡陋，建模工作耗時大，難以實現(xiàn)建筑較復雜部位的建模。

2.2 Pathfinder在建模方面的不足

2.2.1 立體表達效果不強

Pathfinder用來執(zhí)行模擬計算的環(huán)境是一種被稱為“導航網(wǎng)格（Navigation Mesh）”的二維平面，導航網(wǎng)格被創(chuàng)建完成后軟件會自動將其劃分為眾多連續(xù)的“三角網(wǎng)格（Triangulated Mesh）”平面（圖1），人員必須被放置在Pathfinder所創(chuàng)建的導航網(wǎng)格上行走。

圖1 “三角形網(wǎng)格”單元示意

基于此特性，Pathfinder所搭建模型實際為2D平面在空間中相互連接而成的“偽”三維模型，建模時只需要搭建供人員行走的二維樓板、樓梯、坡道和電梯即可，墻、柱、家具等人員不能穿過的豎向構件則不需要建模，直接用房間邊界或缺口表示（圖2），這使得模型的立體表達效果較差。

圖2 二維平面組成的Pathfinder模型

2.2.2 建模功能過于簡易，難以繪制復雜邊界

Pathfinder提供了可視化繪圖界面，但其建模功能極其簡易，僅能以矩形和不規(guī)則多邊形的方式繪制導航網(wǎng)格，難以繪制室內(nèi)不規(guī)則區(qū)域（譬如不規(guī)則中庭、螺旋樓梯、環(huán)形坡道等）。對于構造復雜的大體量建筑，使用Pathfinder建模耗時巨大，模型質(zhì)量較差，不能很好地還原建筑實際情況。

雖然Pathfinder提供了底圖拾取功能，能夠拾取導入的CAD圖紙并自動生成相應區(qū)域的導航網(wǎng)格，但該功能對底圖的預處理要求較高，必須由單一不重合的線條圍合而成的封閉區(qū)域才能被Pathfinder正確識別，區(qū)域內(nèi)任何多余、重合的線條、標注等都有可能導致Pathfinder識別錯誤。該功能只能自動繪制所識別區(qū)域中的樓板，門、樓梯、坡道等其他影響人員疏散的建筑構件仍需手動添加。

3 Revit與Pathfinder的結合應用

Pathfinder獨特的建模機制決定了它無法快速、準確地創(chuàng)建出富有立體感的三維模型，要想增強模型的三維表達效果、提高建模的效率，唯有通過借助將外界已經(jīng)生成的模型的導入。

相較于Pathfinder，Revit作為一款專為建筑信息模型（BIM）而開發(fā)的軟件，其在建筑建模功能方面就顯得尤為出色。Revit靈活的建模功能能夠滿足絕大部分建筑對異形構件的建模需求，其可通過拾取CAD二維線條的方式快速生成相應建筑構件，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，它使得構件模型更加靈活多變，尤其是針對一些不規(guī)則構件所創(chuàng)建的族，一旦被正確參數(shù)化，則使用者便可通過輸入?yún)?shù)的方式得到不同尺寸的該種建筑構件，無需再重新創(chuàng)建相應構件 模型。

因此，Revit能夠很好地彌補Pathfinder模型立體表達效果差、建模速度慢的缺陷。利用Revit創(chuàng)建建筑模型，導出DWG、DXF、FBX或IFC格式文件（Pathfinder 2019之前的版本僅支持前3種格式文件的導入，不支持IFC格式文件），再使用Pathfinder導入建筑模型，完成模擬參數(shù)的設置后進行模擬計算。

3.1 Revit與Pathfinder的兼容性

3.1.1 構件的自動分組

“圖元”是構成三維模型的最基本單元，與另一款國內(nèi)建筑設計行業(yè)常用的三維建模軟件SketchUp不同，Revit使用“族”的概念對不同類型的圖元進行了劃分，在Revit中任何圖元都從屬于相應的族，例如墻族、板族、柱族、門族、窗族等。

“族”這一特性在Revit與Pathfinder進行模型移植時得到了很好的保留。Revit創(chuàng)建的建筑模型，導入Pathfinder后會按照族類別在導航欄（Navigation View）中進行分組，從屬于族的建筑構件會自動劃分至相應組內(nèi)，這使得用戶在Pathfinder中能夠更快、更輕松地定位和修改某一建筑構件或?qū)嫾M行批量操作。

以DWG、DXF格式導入時，軟件將按照族類別在導航欄中對建筑構件進行分組，并以族類別的英文簡寫對相應組進行命名，對組內(nèi)建筑構件不按語言邏輯命名；以FBX格式導入時，所有建筑構件均被分至同一組內(nèi)，軟件將按照構件在Revit中的族名稱、類型名稱對構件進行命名，并且保留構件的中文名稱。

作為國際協(xié)同工作聯(lián)盟（IAI）為建筑行業(yè)發(fā)布的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達的標準格式，IFC格式對文件中數(shù)據(jù)的劃分更為科學和細致，對各BIM技術軟件的開放性較強[4]。Pathfinder導入IFC格式文件時，使用者可自主選擇“按種類”或“按空間”兩種方式對建筑構件進行分組，“按種類”劃分的分組、命名規(guī)則與導入DWG、DXF格式文件的規(guī)則類似，依據(jù)族類別劃分構件組，以英文簡寫對組進行命名，所不同的是該方法會保留組內(nèi)構件的中文名稱；“按空間”則會將模型構件按照Revit所建項目編號、標高、族類別的順序進行分組，建筑構件保留中文名稱，上級組采用英文簡寫命名。

3.1.2 共享坐標系

不同三維軟件相互移植模型時往往會出現(xiàn)坐標不一致的現(xiàn)象，該現(xiàn)象通常由軟件無法正確識別模型文件中所包含的坐標定位信息所導致。Revit與Pathfinder能夠共享空間坐標系，Pathfinder在導入Revit所建模型時可不用調(diào)節(jié)模型標高，使用默認設置即可將模型定位至相應標高。

需要注意的是，在設置導入模型的長度單位時，DWG、DXF、IFC格式文件需設置成“毫米”，F(xiàn)BX格式文件需設置成“米”。

3.1.3 材質(zhì)信息的移植情況

材質(zhì)屬性決定著構件的顏色、紋理、貼圖等外觀表達效果，由于Revit對DWG、DXF、FBX文件中包含的材質(zhì)信息進行了限制和加密處理，Pathfinder無法提取和識別這些信息，致使Pathfinder在導入該3種格式文件時模型將丟失全部材質(zhì)屬性。

對于DWG、DXF格式，Pathfinder會依據(jù)導入模型包含的族創(chuàng)建若干材質(zhì)，并為這些材質(zhì)隨機設置不同顏色，賦予族下轄的所有構件；對于FBX格式，Pathfinder不會為其創(chuàng)建材質(zhì)，僅以白顏色填充所有構件表面。

對于以IFC格式導入Pathfinder的模型，Pathfinder并不能直接繼承各構件在Revit中的材質(zhì)屬性，但其能夠識別IFC文件中關于材質(zhì)信息的部分描述。Pathfinder能夠識別IFC格式文件中的材質(zhì)名稱以及材質(zhì)的RGB配色代碼信息，模型導入Pathfinder后軟件會創(chuàng)建出相同數(shù)量、相同名稱、相同RGB配色代碼的材質(zhì)，并賦予相應構件。由于Pathfinder的材質(zhì)管理器不具備紋理繪制功能，因此IFC文件中材質(zhì)表面的紋理信息在Pathfinder中無法得到還原。同樣，材質(zhì)在Revit中原有的貼圖也無法移植至Pathfinder，若想復原構件在Revit中的貼圖效果，需在Pathfinder中重新導入相應貼圖。

3.1.4 空心構件的形成

無論是三維立體模型還是二維設計圖，Pathfinder僅能對導入圖形進行“線識別”和“面識別”，即只能識別圖形文件中的線與面，無法識別體量化的空間占位，導入Pathfinder中的三維模型實際是由多個平面或曲面圍合而成的空心體（圖3）。

圖3 構件剖切后的空心墻、柱

該圖形識別機制使得Pathfinder對導入模型的可編輯性較差，尤其是以DWG、DXF格式導入的模型，圍合成同一構件的各平面互不關聯(lián)，相互獨立，使得Pathfinder對單個建筑構件的操作（隱藏、刪除）變得非常煩瑣，譬如要刪除、隱藏一堵筆直的墻體，則需分別刪除、隱藏圍合成該堵墻體的6扇平面。

3.1.5 需對疏散環(huán)境進行二次建模

人員在不同建筑部位（例如樓板、樓梯、坡道、門等）的行走情況是Pathfinder進行模擬計算的基礎，直接導入Pathfinder中的模型由于不具備人員行走所需環(huán)境而不能直接用于模擬計算（人員不能在無導航網(wǎng)格的模型表面行走）。因此需要在導入模型的表面再鋪設一層導航網(wǎng)格以完成人員疏散環(huán)境的創(chuàng)建（圖4）。

圖4 人員疏散環(huán)境的創(chuàng)建模型

3.2 模型移植的優(yōu)化及解決辦法

利用Revit搭建三維模型具有建模速度快、模型精度高、立體效果強等優(yōu)勢，兼容性方面能夠與Pathfinder實現(xiàn)共享坐標系、構件自動分組、還原外觀配色方案等，同時也存在著模型可編輯性較差、疏散環(huán)境需要二次建模等不兼容現(xiàn)象。使用者需要采取合理手段對模型移植過程中出現(xiàn)的問題加以調(diào)整和優(yōu)化，以保證人員疏散模擬能夠順利進行。

3.2.1 選擇最佳模型移植格式

Revit可向Pathfinder移植模型的格式共4種：DWG、DXF、FBX、IFC。Pathfinder對該4種格式文件中信息的提取、識別能力不盡相同，這也導致了以不同格式導入的模型會呈現(xiàn)出不同的特質(zhì)。

模型移植時宜優(yōu)先選用IFC格式文件。Pathfinder對IFC模型中構件的分組最為細致，構件命名的語言邏輯性最強，不僅方便了使用者對模型構件進行批量操作，也使得針對構件的操作更加靈活。與Revit采用相同RGB配色方案，外觀還原度最高，使用者無需再在Pathfinder中對導入模型各構件進行外觀調(diào)色，增強了模型的美觀性。模型雖由空心構件組成，但圍合成同一構件的各二維面均相互關聯(lián)，為一整體，在對單個構件進行刪除、隱藏操作時不受“空心”特性的影響。

3.2.2 巧用快速拾取功能進行人員疏散環(huán)境的二次建模

除2.2.2所述2種Pathfinder建模方式外（手動繪制、底圖拾?。?，Pathfinder還提供了一種針對BIM模型的快速建模方式——BIM元素提?。℅enerate Model from BIM Selection）。該功能能夠快速識別BIM模型中不同類型的建筑構件（圖5、圖6），并在這些構件表面自動鋪設相應的導航網(wǎng)格，充分發(fā)揮了BIM模型在形體表達方面的優(yōu)勢。導航網(wǎng)格被軟件自動創(chuàng)建完成后使用者只需要校核其與原模型的一致性，并進行微調(diào)，極大地縮短了人員疏散環(huán)境的二次建模時間，同時也是保證二次建模模型質(zhì)量的最佳方式。

圖5 BIM模型繪制的人員疏散環(huán)境

圖6 “BIM元素提取”功能創(chuàng)建的螺旋樓梯導航網(wǎng)格

使用“BIM元素提取”功能的前提是模型中相關建筑構件必須被正確賦予“導入類型（Import Type）”，共有門、自動扶梯、樓板、自動走道、障礙物、坡道、樓梯7種類型可選，Pathfinder將根據(jù)構件所屬的“導入類型”來創(chuàng)建相應的導航網(wǎng)格。

需要注意的是，以D W G、D X F、F B X 格式導入的模型，其默認“導入類型”均為“障礙物（Obstruction）”，使用者需手動為各建筑構件設定“導入類型”，由于Pathfinder對DWG、DXF模型具有族類別自動分組功能，同一類型的建筑構件同屬一組，因此在設定“導入類型”時可利用這一特點在導航欄中對組內(nèi)構件進行批量操作，相較于FBX模型更便捷；以IFC格式導入的模型，Pathfinder能夠識別模型中與人員疏散相關的建筑構件（如樓板、樓梯、坡道等），并賦予其相應的“導入類型”，其他影響人員疏散的建筑構件（如墻、柱、家具、盆栽等）的“導入類型”均被設置為“障礙物”，一般無需使用者再手動為各建筑構件設置“導入類型”，使得“BIM元素提取”的效率更高。

4 結語

人員疏散模擬是評估建筑消防安全性能的重要手段之一，它能將人們非常關注但又無法試驗的事件以科學的方式在計算機中進行虛擬推演，既能幫助設計方校驗設計方案的安全性，又能輔助運維方進行疏散通道管理制度及應急疏散預案的制定。如何快速、準確地搭建出一套與設計方案、實際建筑相一致的高質(zhì)量模型是進行人員疏散模擬的關鍵與難點。

本文以實例操作的形式探索了Pathfinder 2019與Revit 2016在建筑火災人員疏散模擬中結合應用的可行性，分析了跨軟件模型移植的兼容性，并提出了相應的優(yōu)化解決辦法。出于不同的開發(fā)目的和產(chǎn)品定位，該兩款軟件在建模和模擬方面各有著重，使用者在進行建筑火災人員疏散模擬時應合理搭配軟件的使用，各取所需、取長補短，在提高效率的基礎上既體現(xiàn)模型的真實性和美觀性，又保證模擬結果的科學性和準確性，以事半功倍的效果完成人員疏散模擬工作。

[1] 陳思帆.淺談建筑性能化防火設計的發(fā)展及應用[J].山東化工, 2019,48(4):127-128;130.

[2] 邵光華.BIM技術在建筑設計中的應用研究[D].青島:青島理工大 學,2014.

[3] 歐陽愍,歐陽慧.淺析Revit建筑軟件在建筑構造與識圖課程中的應 用[J].山西建筑,2020,46(1):191-192.

[4] 江文.BIM技術在公共建筑運營維護階段的應用研究[D].大連:大 連理工大學,2016.