陳永樂(lè)

(福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建 福州 350118)

建筑防火設(shè)計(jì)(以下簡(jiǎn)稱防火設(shè)計(jì))是建筑設(shè)計(jì)尤其是深化設(shè)計(jì)階段的重要內(nèi)容，涉及大量建筑信息的提取、解析、處理和生產(chǎn)。然而，當(dāng)前防火設(shè)計(jì)的工作模式仍以人工為主，處理信息的效率和質(zhì)量都相對(duì)低下[1]。隨著以Dynamo為代表的基于建筑信息模型(building information modeling, BIM)的可視化編程插件的日趨完善，通過(guò)以算法驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化方法進(jìn)行防火設(shè)計(jì)成為可能。其通過(guò)算法在設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)結(jié)果間建立動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)[2]的工作原理非常適合防火設(shè)計(jì)的內(nèi)容和特點(diǎn)，不僅能高效、穩(wěn)定地完成大量簡(jiǎn)單的重復(fù)性工作，還能為設(shè)計(jì)決策提供實(shí)時(shí)、同步的數(shù)據(jù)支撐，有效提高建筑防火設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

當(dāng)前Dynamo的參數(shù)化應(yīng)用研究主要集中在復(fù)雜構(gòu)件的參數(shù)化建模和優(yōu)化[3-6]、建筑信息的批量處理[7-8]、構(gòu)件或空間的干涉判斷[9]等方面，在防火設(shè)計(jì)方面僅有少量針對(duì)個(gè)別規(guī)范條文的參數(shù)化建模研究[10]，未見(jiàn)系統(tǒng)性的理論架構(gòu)和技術(shù)方法的梳理和總結(jié)。因此，本課題選取建筑防火設(shè)計(jì)中較有代表性的民用建筑疏散寬度設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，通過(guò)其參數(shù)化建模流程和方法分析，總結(jié)建筑防火參數(shù)化設(shè)計(jì)的一般規(guī)律和技術(shù)要點(diǎn)。

1 防火設(shè)計(jì)特點(diǎn)與研究思路

與建筑設(shè)計(jì)的其他內(nèi)容相比，防火設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和規(guī)則相對(duì)清晰，以《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)劃》(BG50016-2018，以下簡(jiǎn)稱防火規(guī)范)[11]為其主要設(shè)計(jì)依據(jù)，輔以各專項(xiàng)建筑規(guī)范中的防火設(shè)計(jì)條文。由于涉及的設(shè)計(jì)問(wèn)題種類眾多，對(duì)設(shè)計(jì)措施的要求差異較大，規(guī)范基本遵循類型學(xué)原則進(jìn)行編制，即根據(jù)不同建筑屬性(功能、高度、耐火等級(jí)等)、不同設(shè)計(jì)階段(總平面布局、防火分區(qū)和層數(shù)、平面布置、建筑構(gòu)造和設(shè)備設(shè)施設(shè)計(jì)等)和不同類型的設(shè)計(jì)內(nèi)容(防火分區(qū)、疏散距離、疏散寬度、各關(guān)聯(lián)專業(yè)專項(xiàng)設(shè)計(jì)等)對(duì)具體設(shè)計(jì)要求分門別類地作出說(shuō)明。

這種“分”的方法雖然提高了條文檢索的效率，但防火設(shè)計(jì)更是一個(gè)“合”的過(guò)程，即通常需要圍繞具體設(shè)計(jì)問(wèn)題綜合性地理解、組織和調(diào)配分散在不同章節(jié)和條目甚至是不同規(guī)范中的條文。盡管規(guī)范在附錄中對(duì)條文的編制邏輯做了一定說(shuō)明，但總體上并未對(duì)條文間潛在的整體性邏輯著墨過(guò)多，能否正確、合理地使用規(guī)范主要依靠設(shè)計(jì)師個(gè)人的工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)能力，具有不確定性。建筑防火參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的目標(biāo)，就是要借助計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和可視化編程工具與設(shè)計(jì)操作結(jié)合緊密的特長(zhǎng)，按照正向設(shè)計(jì)邏輯將離散的規(guī)范條文組織為完整、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)算法和設(shè)計(jì)工具，變被動(dòng)的校核調(diào)整為主動(dòng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

本研究首先對(duì)規(guī)范中所有相關(guān)條文進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，提煉通過(guò)總結(jié)設(shè)計(jì)內(nèi)容和流程建立整體設(shè)計(jì)邏輯模型，然后基于計(jì)算性設(shè)計(jì)思維的技術(shù)和方法，應(yīng)用Dynamo的程序節(jié)點(diǎn)(node)對(duì)設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行參數(shù)化映射建模，將物理的建筑信息和設(shè)計(jì)操作轉(zhuǎn)譯為數(shù)理的算法參量和規(guī)則，形成完整線參數(shù)化設(shè)計(jì)算法。

2 疏散寬度參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)邏輯研究

2.1.1 規(guī)范條文

規(guī)范中關(guān)于民用建筑疏散寬度的相關(guān)條文主要集中在第5.5.18至5.5.21條(公共建筑)和第5.5.30條(住宅建筑)兩部分，并在第5.5.9條第3款、第6.4.5條第1款和第6.4.6條對(duì)共用(或借用)安全出口、室外疏散樓梯和丁戊類廠房的第二安全出口樓梯寬度做了部分補(bǔ)充性規(guī)定?？傮w而言，公共建筑和住宅建筑部分規(guī)定了民用建筑疏散寬度計(jì)算和設(shè)計(jì)核心內(nèi)容，本課題將重點(diǎn)圍繞這一部分展開(kāi)研究。

2.1.2 設(shè)計(jì)流程

由上述規(guī)范可知，住宅建筑可直接使用規(guī)范給定的寬度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核，公共建筑則需要經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程確定設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要分為以下3個(gè)步驟：

步驟1：建筑定性

建筑定性的目標(biāo)是根據(jù)建筑功能、層數(shù)、防火等級(jí)等參數(shù)，對(duì)需要進(jìn)行疏散寬度設(shè)計(jì)的建筑進(jìn)行建筑類型的初步定性。其中，功能是最主要的判定標(biāo)準(zhǔn)，除通用規(guī)定外，還需要對(duì)醫(yī)療、劇場(chǎng)、電影院、禮堂、體育館、歌舞娛樂(lè)放映游藝場(chǎng)所、商店等人員密集的建筑和場(chǎng)所采用特定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)劇場(chǎng)、電影院、禮堂、體育館等場(chǎng)所，還需要根據(jù)總?cè)菁{人數(shù)進(jìn)行等級(jí)的細(xì)分(第5.5.20條第2、3款)。

步驟2：疏散寬度計(jì)算

建筑類型初步確定后，需要借助其他參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行類型細(xì)分以確定各類建筑的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，主要分為兩個(gè)步驟展開(kāi)：

首先，計(jì)算疏散人數(shù)。疏散人數(shù)是疏散寬度計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)，分有固定座位和無(wú)固定座位兩種情況，前者按照實(shí)際座位數(shù)的1.1倍計(jì)算，后者則又可細(xì)分為一般場(chǎng)所和特定功能場(chǎng)所兩中情況：一般場(chǎng)所在防火規(guī)范中并未給出明確規(guī)定，需要結(jié)合其他專項(xiàng)規(guī)范(如《辦公建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等)予以確定；特定功能場(chǎng)所則在防火規(guī)范的5.5.21條第4、6、7款給出了人員密度標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合建筑面積可得出設(shè)計(jì)疏散人數(shù)。主要人員密度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)匯總?cè)绫?所示。

表1 人員密度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

其次，計(jì)算疏散寬度。疏散人數(shù)乘以疏散寬度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)即可獲得疏散總寬度，也可分為有固定座位和無(wú)固定座位兩種情況。前者按照容納人數(shù)規(guī)模和疏散走道的地面形式確定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，后者則依據(jù)樓層數(shù)量(地上)和與地面出入口的相對(duì)高差(地下)確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。各計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)匯總?cè)绫?所示。

表2 疏散寬度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

步驟3：疏散寬度校核與設(shè)計(jì)

得到疏散總寬度后，首先在水平方向上確定每個(gè)樓層或防火分區(qū)內(nèi)各房間疏散門、疏散走道、疏散樓梯安全出口和梯段凈寬度，其次在垂直方向上遵循地上部分下層總凈寬度按該層以上最大總凈寬度為準(zhǔn)的原則(地下部分反之)核算樓梯梯段及首層安全出口凈寬度是否滿足要求。

2.1.3 設(shè)計(jì)邏輯模型

綜上所述，疏散寬度的計(jì)算本身并不復(fù)雜，其難點(diǎn)在于如何對(duì)建筑類型進(jìn)行精確判定進(jìn)而選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算標(biāo)準(zhǔn)。這種判定貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段，既涉及非幾何屬性(功能、防火等級(jí)等)也涉及幾何屬性(層數(shù)、面積、走道形式等)，種類較多且判定方法差異較大，是參數(shù)化設(shè)計(jì)需要解決的核心問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 疏散寬度設(shè)計(jì)邏輯模型Fig.1 Logic model of evacuation width design

2.2 參數(shù)化算法研究

從計(jì)算性設(shè)計(jì)思維的角度分析，疏散寬度設(shè)計(jì)雖然涉及的建筑類型眾多、過(guò)程復(fù)雜，但其設(shè)計(jì)操作的可參數(shù)化特征是相似的：首先，規(guī)范規(guī)定的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是所有設(shè)計(jì)操作的基礎(chǔ)性參數(shù)；其次，設(shè)計(jì)過(guò)程可以被分解、提煉為若干種具有典型特征的核心操作，通過(guò)這幾種操作的反復(fù)調(diào)用和組合實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)合了參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊化特征。因此，研究首先分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和核心算法模塊兩部分，總結(jié)各組成模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序?qū)崿F(xiàn)方法，再根據(jù)設(shè)計(jì)邏輯將各模塊組織為完整的算法程序并通過(guò)項(xiàng)目實(shí)例驗(yàn)證其有效性和適用性。

2.2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)

建立設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的目標(biāo)首先是為設(shè)計(jì)提供完整、協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其次是要實(shí)現(xiàn)建筑類型判定和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)提取的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。疏散寬度設(shè)計(jì)的核心數(shù)據(jù)主要包括建筑類型、人員密度和疏散寬度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)部分，但由于三者的數(shù)據(jù)類型不同，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)需要建立一套統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)串聯(lián)三者的邏輯關(guān)系。

建筑類型是決定其它兩個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組織架構(gòu)的基礎(chǔ)，因此建筑類型的列表結(jié)構(gòu)是整體數(shù)據(jù)庫(kù)建構(gòu)的關(guān)鍵。通過(guò)綜合表1與表2的分類標(biāo)準(zhǔn)，建筑類型可分為劇院(電影院、禮堂)、體育館、游藝場(chǎng)所、展覽、商店和辦公6大類和若干子類。考慮到實(shí)際項(xiàng)目中同類功能房間命名方式的多樣性，可以利用Dynamo樹(shù)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，先按大類建立一級(jí)列表，再根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況在此架構(gòu)下創(chuàng)建次級(jí)列表，這樣既確保了參數(shù)檢索的穩(wěn)定性，又為數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展提供了靈活性和可能性。其余兩個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)也依此結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，即可通過(guò)對(duì)列表指針(index)的檢索實(shí)現(xiàn)不同建筑類型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的自動(dòng)提取，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.2 Design database

2.2.2 核心算法模塊

核心算法模塊主要包括輸入、邏輯判定、計(jì)算和輸出4種類型，由于計(jì)算模塊應(yīng)用的程序節(jié)點(diǎn)較為簡(jiǎn)單(math分類下的數(shù)學(xué)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)(operators))，以下將重點(diǎn)闡述其余3種模塊的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)方法。

輸入模塊是為判定、計(jì)算等操作進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的環(huán)節(jié)，是整體流程中使用最頻繁的算法模塊，可分為基礎(chǔ)信息(直接從模型圖元提取)和進(jìn)階信息(基于基礎(chǔ)信息通過(guò)數(shù)理或幾何運(yùn)算獲取)兩大類。由于“房間”圖元(Room)是Revit中建筑功能的主要載體，基礎(chǔ)信息主要包含房間及其關(guān)聯(lián)構(gòu)件(門、梯段等)的相關(guān)參數(shù)，其提取方法是通過(guò)Revit大類的Selection子類節(jié)點(diǎn)和Element子類下的圖元查詢類節(jié)點(diǎn)的組合完成操作。后者根據(jù)數(shù)據(jù)類型又可分為幾何類(建筑高度、樓層面積、與地面出入口的高差)、數(shù)量類(建筑層數(shù)、座位數(shù))和排序類(所在樓層)3種類型，涉及Revit與Dynamo之間圖元的提取與轉(zhuǎn)換、幾何運(yùn)算、排序與輸出等多種參數(shù)化解析和運(yùn)算方法的綜合運(yùn)用。以下以計(jì)算固定座位數(shù)為例簡(jiǎn)述其典型的實(shí)現(xiàn)方法，如圖3所示。

圖3 計(jì)算座位數(shù)算法模塊Fig.3 Algorithm module of calculating the number of seats

(1)圖元提取與轉(zhuǎn)換。首先分別使用Categories、Family Types、All Elements of Category(Family Type)從Revit模型中提取所有有固定座位的房間及其座椅，房間需使用后續(xù)的判定模塊篩選出有固定座位的相關(guān)房間，座椅則需使用Element.GetLocation節(jié)點(diǎn)提取其插入點(diǎn)(Point)。

(2)幾何運(yùn)算。將房間和插入點(diǎn)接入Room.IsInsideRoom節(jié)點(diǎn)的輸入端，判定座椅與房間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(連綴方式設(shè)置為叉積)，再使用List.FilterByBoolMask根據(jù)判定的布爾值每個(gè)房間內(nèi)的所有座椅。

(3)結(jié)果輸出。將座椅列表接入List.Count節(jié)點(diǎn)輸出座位數(shù)列表。該列表與房間列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，可接入后續(xù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)房間的寬度計(jì)算和校核。

邏輯判定模塊是在計(jì)算操作前基于輸入模塊提供的參數(shù)對(duì)建筑類型進(jìn)行細(xì)分并從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值，可分為建筑大類和子類判定兩種類型。大類判定模塊是在初始類型信息輸入后，使用Math分類下的“==”節(jié)點(diǎn)將其與建筑類型數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，再配合List.AllIndicesOf和List.GetItemAtIndex從所有房間中提取布爾值為真的房間和該建筑類型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值列表。子類判定模塊是在此基礎(chǔ)上，使用相似的判定流程，結(jié)合房間面積、所在樓層、座位數(shù)、與地面出入口高差等輸入?yún)?shù)對(duì)建筑類型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分并從大類的標(biāo)準(zhǔn)值列表中提取準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)用于后續(xù)的計(jì)算操作。

輸出模塊是在計(jì)算完成后，將寬度計(jì)算和校核結(jié)果以數(shù)據(jù)表格和模型標(biāo)識(shí)兩種形式輸出，為后續(xù)的模型調(diào)整提供決策依據(jù)。數(shù)據(jù)表格是使用List.Combine節(jié)點(diǎn)將所有參與計(jì)算的疏散門ID號(hào)、疏散寬度計(jì)算值、最小寬度限值以及核算結(jié)果的邏輯判斷值等參數(shù)進(jìn)行整合后，接入Data.ExportExcel節(jié)點(diǎn)輸出為Excel供設(shè)計(jì)使用。模型標(biāo)識(shí)則是在此基礎(chǔ)上，將核算結(jié)果通過(guò)不同顏色的色塊直接在模型中進(jìn)行標(biāo)記，提高修改時(shí)的檢索速度，其具體流程如下：首先使用Element.Faces將所有房間圖元轉(zhuǎn)換為面圖元，再將核算結(jié)果接入if節(jié)點(diǎn)的test端，true端和false端分別接入用于表達(dá)符合和不符合兩種判定結(jié)果的顏色材質(zhì)，最后將所有數(shù)據(jù)接入DirectShape.ByGeometry節(jié)點(diǎn)在模型中創(chuàng)建相應(yīng)材質(zhì)的常規(guī)模型體塊進(jìn)行標(biāo)識(shí)，如圖4所示。

圖4 校核結(jié)果標(biāo)記節(jié)點(diǎn)Fig.4 Tag nodes for checking results

2.2.3 整體架構(gòu)

基于以上分析，構(gòu)建疏散寬度參數(shù)化設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)如圖5所示。

首先，使用輸入模塊提取所有房間的房間名稱(考慮到程序響應(yīng)速度建議分層提取)，配合判定模塊篩選出所有需要進(jìn)行疏散寬度計(jì)算的房間，再根據(jù)分解出的各類建筑類型提取各自的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，最后接入計(jì)算模塊依次完成疏散人數(shù)和疏散寬度的計(jì)算，獲得最小寬度設(shè)計(jì)限值。

接著，使用輸入模塊提取各房間(包括走廊和樓梯)、疏散門及其寬度、走廊寬度、樓梯梯段寬度等參數(shù)，首先對(duì)各房間的單個(gè)疏散門寬度和總寬度進(jìn)行判定，再使用求和(sum)節(jié)點(diǎn)將所有房間疏散寬度匯總后依次對(duì)走廊、樓梯門和梯段寬度進(jìn)行校核，獲得相關(guān)邏輯判斷布爾值(Boolean)。

然后，使用數(shù)據(jù)表格輸出模塊對(duì)上述各類型的計(jì)算、校核結(jié)果和已提取的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匯總輸出為Excel表格，再將相關(guān)參數(shù)接入標(biāo)識(shí)模塊進(jìn)行模型標(biāo)記。

研究選取某綜合辦公樓的一層對(duì)算法進(jìn)行可行性測(cè)試。該樓層包含辦公、報(bào)告廳、展示等多種功能空間，測(cè)試前人為設(shè)置了房間總疏散寬度不符合、總疏散寬度符合但單個(gè)疏散門寬度不符合、走廊寬度不符合等3種違反規(guī)范要求的情況。通過(guò)測(cè)試，算法在設(shè)計(jì)結(jié)果輸出和錯(cuò)誤提示等方面均符合預(yù)期設(shè)想(圖6)。

圖6 算法輸出結(jié)果Fig.6 Output results of algorithm

3 結(jié)語(yǔ)

本課題基于計(jì)算性設(shè)計(jì)思維的技術(shù)和方法，總結(jié)了疏散寬度設(shè)計(jì)中從設(shè)計(jì)規(guī)范的自然語(yǔ)言向算法的程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)化的一般方法，并以適用性和便捷性為導(dǎo)向提出了符合實(shí)際設(shè)計(jì)流程和習(xí)慣的參數(shù)化設(shè)計(jì)算法，從理論和應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具和方法在民用建筑防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，但仍有三大難點(diǎn)有待進(jìn)一步研究：

1)本研究主要針對(duì)深化設(shè)計(jì)階段的疏散寬度設(shè)計(jì)，對(duì)BIM模型建模的規(guī)范度和精細(xì)度有一定要求，需至少具備柱、梁、板、墻、門、房間、樓梯等圖元構(gòu)件且建模規(guī)范。如何在不同基礎(chǔ)模型精度條件下，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、復(fù)雜空間關(guān)系的識(shí)別、判定和推理，是提升該算法在全設(shè)計(jì)流程中適用性的必然要求。

2)由于設(shè)計(jì)決策各種影響因素的復(fù)雜性，該算法成果的輸出采用了“計(jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)輸出和標(biāo)識(shí)+手動(dòng)模型修改”的模式。要實(shí)現(xiàn)在算法內(nèi)基于計(jì)算結(jié)果的自動(dòng)修改，需要在設(shè)計(jì)決策影響因素的構(gòu)成、約束規(guī)則及評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建等方面展開(kāi)更深入的研究。

3)本研究對(duì)規(guī)范條文自然語(yǔ)言的解譯、提煉及其向程序語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化主要依靠人工完成，具有較強(qiáng)的主觀性。在面對(duì)涉及更加大量和復(fù)雜規(guī)則的設(shè)計(jì)操作時(shí)，如何建立一套規(guī)范、簡(jiǎn)明、可操作的語(yǔ)義規(guī)則，大規(guī)模、自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)規(guī)范條文的提取和轉(zhuǎn)譯是確保算法準(zhǔn)確性和運(yùn)算效率的基礎(chǔ)。