基于BIM的建筑消防安全管理應用框架研究

陳 遠， 任 榮

(鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

基于BIM的建筑消防安全管理應用框架研究

陳 遠， 任 榮

(鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

隨著我國城市化步伐的加快，城市火災的發生呈上升趨勢，火災防治的難度不斷加大，對防火設計和消防安全管理的要求不斷提高。近年來建筑信息模型(BIM)技術的不斷發展，為建筑消防設計和消防安全管理提供了新的思路和方法。研究探討了基于BIM的建筑消防安全管理的應用框架，包含基于BIM的建筑消防設計子模型、基于BIM的消防預案管理子模型和基于BIM的智能消防系統子模型。通過實際工程的案例分析，驗證了BIM技術在建筑消防安全管理中的實現和應用價值，為建筑消防安全管理的改進提供了參考和技術支持。

消防安全管理；建筑信息模型；建筑消防設計；消防預案管理

隨著我國經濟的發展和城市化步伐的加快，全國各地涌現出大量的高層、超高層以及地標性建筑，包括大型商業綜合體、公共建筑、大型綜合交通樞紐以及“鳥巢”、“水立方”等。但是我國城市火災發生整體呈上升趨勢，經濟損失和人員傷亡高居不下，火災發生原因多樣化，火災威脅的對象在增加，而火災防治的難度卻在不斷加大，這就對建筑物的防火設計和消防安全管理提出了更高的要求。近年來，隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術的發展和在工程實踐中的深入應用，其打破了傳統的設計、施工和運營管理的理念，在建筑全生命周期中的應用實現了各專業信息的共享和協同，也為建筑消防設計和消防安全管理提供了新的思路和新的方法。

1 建筑消防安全管理

消防安全管理是在認識火災的客觀規律的基礎上，運用先進的設計方法和科學技術，有效地減少火災的發生次數、縮小火災發生的范圍、降低火災的損失。近年來，隨著我國建筑行業的快速發展，建筑類型復雜性的增加，建筑功能不斷擴展，大量新型建筑材料的使用，以及建筑電力和熱力等大型設備的使用，大大提高了火災發生的概率和火災后果的嚴重程度。建筑消防管理要落實“預防為主，防消結合”的方針，將防火和滅火兩項工作結合起來，在完善各項防火工作的同時，也要為各項滅火工作做好充足的準備。

建筑消防安全管理是一項專業性、技術性和科學性很強的工作，主要包括火災風險評估、建筑防火設計、建筑消防預案管理以及建筑消防信息管理。火災風險評估是在建筑系統的消防滅火安全分析的基礎上，以大量已有的火災統計數據為基礎，應用不同的風險評價方法，對建筑物的火災風險進行衡量，并且在評估的基礎上對建筑防火設計進行調整，消除火災隱患，降低事故發生概率和火災危險程度。目前在火災風險評估方面的研究包括利用不同的風險評價方法和理論模型對不同種類的建筑進行評估。例如：利用層次分析方法(analytic hierarchy process，AHP)建立大型綜合性實驗室的火災評估指標的權重[1]，基于模糊評價模型的火災評估框架對建筑內居住者和逃生出口關系的研究[2]以及基于計算機模型的 FIERA系統對工業和大空間建筑進行火災評估的理論方法[3]。

長期以來，我國建筑工程消防設計主要是按照國家的建筑防火規范進行設計，即采用規格式防火設計方法。而性能化防火設計是在20世紀80年代中期出現，近些年在理論和技術方面都有很大的發展，并且制定了性能化防火設計的設計方法和設計步驟。Hadjisophocleous[4]的研究對各個國家的防火設計從基于規格式到基于性能化的努力進行了綜述，并且提出了制定性能化防火規范的基本步驟。由于在性能化防火設計中火災場景和火源設計的重要性，Borg等[5]的研究通過對當前火災場景設計方法和參數確定的綜述，提出了一個基于防火工程理論的框架模型，包含了不同的火源設計、火災場景設計以及不同的環境因素。而Bjellland等[6]的研究則從不同的角度提出了傳統的基于自然科學的火災安全理論是有局限性的，火災安全尤其是安全邊際的研究更應該考慮社會科學的理論。

消防預案是為了指導和規范火災事故的應急救援工作，降低火災事故的危害，落實消防工作“預防為主，防消結合”的基本原則，應付突發的火災事故所制定的應急預案。傳統消防應急預案通常是現場預案，是對火災事故現場各部門的指揮協調，包括橫向多部門的聯動以及縱向上下級部門的指揮和調度，一般有固定的格式。新興的消防應急預案，首先對建筑內部結構布局進行分析，針對其可能發生的火災事故，根據建筑本身的實際情況進行消防管理，并參照滅火方案、疏散措施等制定應急預案。

2 建筑信息模型(BIM)

BIM是一個智能化的建筑3D模型，是一種嶄新的集建筑設計、施工、管理與一體的方法，是對工程對象的完整描述，可被建設項目各參與方普遍使用，幫助項目團隊提升決策的效率與正確性[7]。BIM 強調利用數字模型實現建筑工程全生命周期信息集成和動態管理，通過創建一個以多視角、參數化的建筑構件為基礎的三維協同工作環境，將業主、建筑師、設計師、施工方、運維方以及其他項目各方整合到一個平臺，達到提高決策速度和質量、降低項目成本和提高項目質量，增加項目收益的目的[8]。

圖1是以BIM模型為核心面向建筑工程項目全生命周期各階段應用BIM信息的理論模型。建筑工程項目全生命周期的各個階段通過對上階段 BIM信息的提取、利用和擴展，創建本階段相對應的BIM信息，同時也為下階段BIM信息的應用提供了基礎。隨著工程項目的進展，BIM信息將不斷的更新、積累、完善和應用，最終形成基于全生命周期的工程信息集合和完整的BIM模型。各階段的應用軟件根據自身的信息交換需求，通過提取和擴展BIM模型實現數據的集成和共享。由于BIM模型的應用各階段各專業的工程項目信息得以集成和擴展，從而解決了土木建筑工程領域的信息丟失和信息孤島問題。

圖1 建筑信息模型BIM理論模型

由于 BIM 技術在建筑工程中的潛在應用前景，目前對于這一領域的研究有很多。包括基于BIM的建筑設計[9]、基于BIM的模擬系統用于改善設計師與業主的交流[10]、基于BIM的4D施工進度模擬[11]、BIM與虛擬施工[12]、BIM與工程項目質量控制[13]、基于BIM的火災疏散模擬[14]以及BIM與設施管理[15]。

3 研究目的與研究方法

通過對這一領域研究現狀的綜述，可以看出目前消防安全管理還存在一些問題：

(1) 我國建筑防火設計主要參照《建筑設計防火規范》進行，后期建筑的二次裝修和改造會嚴重影響建筑的防火等級，如何保證建筑的防火等級是建筑防火設計的難題。

(2) 建筑的消防設計工作通常按照初步設計、二次設計和深化設計等多階段來進行，由于不同階段的設計通常由不同的設計單位和設計人員來完成，如何進行設計協同，保證設計的一致性，避免產生遺漏和沖突，也是需要解決的問題。

(3) 在運維階段，防火和滅火設備在使用過程中要經常進行檢測和檢修，需要對整個消防系統和設備的信息進行存儲和管理，若消防設備檢修不當，發生火災時如果智能消防系統不能正常運行，將會造成巨大損失。

針對目前建筑消防安全管理中存在的問題以及建筑信息模型BIM的巨大應用潛力，本研究項目綜合應用BIM的新理論和新方法，探索將建筑消防安全管理整合到BIM模型中的方法，探討BIM模型在建筑消防安全管理中的具體應用，建立基于BIM的建筑消防安全管理理論框架。本研究項目的研究方法包括文獻分析、專家調研、BIM技術研究以及案例分析。

4 基于BIM的建筑消防安全管理應用框架

與傳統的建筑消防安全管理相比，由于BIM模型的三維特性，可以直觀顯示建筑內部結構、消防位置布局和消防通道狀態等，通過碰撞檢查解決軟沖突和硬沖突，促進不同專業的協同，通過火災模擬和人員疏散模擬，為新型的建筑工程消防設計提供依據。BIM模型包含項目全生命周期中各專業和各階段的全部信息，不僅包括建筑構件，還包括豐富的族庫以及自建族文件功能，可建立滅火器、火災探測器、消防栓等消防設備，并且可提供該消防設備的各種參數信息，將消防信息整合到BIM模型中，可以制定相應的消防預案，指導消防救援工作。在運維階段，通過將BIM數據庫整合到智能消防系統設計，與自動控制、傳感器、計算機網絡等技術相結合，通過系統平臺實現主動防火功能和被動防火功能，以達到最佳的防火保護。

圖2所展示的是基于BIM的建筑消防安全管理應用框架，包括建筑消防設計子模型、消防應急預案子模型、智能消防系統子模型等3個子模型。

圖2 基于BIM的建筑消防安全管理應用框架

圖3展示了基于BIM的建筑消防設計子模型，建筑防火設計分為主動防火設計和被動防火設計，主動防火設計是在建筑內部安裝消防給水系統、火災自動報警系統、火災自動滅火系統、防/排煙系統、疏散指示系統等設備，用于早期發現火災和撲滅火災、保證人員疏散、減少經濟損失。被動防火設計主要指建筑材料和構建的防火性能設計、防火分區設計、安全疏散線路的設計、擋煙垂壁等設計，用于將火勢和煙氣控制在一定空間內，避免蔓延，并和主動防火系統相互補充。利用BIM技術將主動與被動防火設計的防火設施和防火系統同建筑設計有機的整合到一起，建立統一的BIM模型，并且通過碰撞檢查發現防火設計與其他專業的沖突問題，及時反饋并修改設計方案，重新建模并指導防火工程的施工。BIM的建模過程就是將各種消防信息收集、存儲并管理的過程，消防設計的各種信息，包括建筑概括信息、內部消防設施設備的部署信息、通風口及疏散通道等信息都可以整合到 BIM模型中，使得消防管理信息完整、存儲位置明確便于以后的查找和使用。隨著信息技術的發展，計算機仿真成為建筑火災模擬的重要手段，通過火災模擬軟件精確模擬火災發生的真實場景。傳統的火災模擬方法需要手工設置物理空間，建筑設計細節，滅火設備位置和性能，室內可燃物性能等，工作量大而準確性低。基于BIM的火災場景設置，可以從BIM模型中直接提取建模信息導入到火災模擬軟件中，包括建筑信息、構件信息、防火設備信息、建筑構件的防火參數等，省略了再次建模的過程。同時，軟件模擬的結果又可以反饋給設計人員，對防火設計進行優化和更改，并更新BIM模型。

圖3 基于BIM的建筑消防設計子模型

圖4展示了基于BIM的消防預案管理子模型，消防預案是為了滿足火災救援及人員疏散等需求，通過對建筑物防火分區、防火設備、構件防火等級的分析，所制定的消防救援計劃和準備工作。通過BIM模型，建筑消防預案可以直接獲取建筑概況、消防設施設備信息、疏散出口通道等消防救援中的關鍵信息。傳統的消防預案是以建筑二維平面圖紙為依據，很難直觀的展示出建筑的實際結構和內部設施，而基于BIM的消防預案可以直接從模型中獲取三維信息，并且能夠方便獲取各層平面圖、防火分區圖等，提高了現場決策的速度和精確度。基于BIM和相關軟件的火災分析模擬，可以提供不同火災場景設置的分析結果，包括火源點、空氣流動方案、定義火源燃燒參數等，結合實際情況，制定滅火救援方案和人員疏散方案。

圖5展示了基于BIM的智能消防系統子模型。在運維階段，通過將BIM數據庫整合到現有的智能消防系統，與自動控制、傳感器、計算機網絡等技術相結合，通過系統平臺實現防火功能，以達到最佳的防火保護。其中BIM模型包含項目全生命周期中各專業和各階段的全部信息，不僅包括建筑空間、建筑構件、消防設備、防火分區、疏散出口通道等，還包括消防設備日常維護信息，定期的提醒相關人員進行設備檢修和維護，并將報告和維護數據錄入到BIM模型中，保證了系統的正常運行。當火災發生時，中央處理器將從BIM模型中獲取消防設備、防火分區、疏散出口等信息，并根據火災的實時發展，自動控制火災自動報警系統、防排煙設備、滅火設備和疏散設備等，達到控制火勢擴散、防止煙氣蔓延，火災現場滅火，指示人員疏散的目的。

圖4 基于BIM的消防預案管理子模型

圖5 基于BIM的智能消防系統子模型

5 案例分析

某大型商業綜合體項目，由3層地下室、8層商業裙房及其上的2棟超高層寫字樓組成，建筑面積120 000 m2。如圖6所示項目效果圖，地下3層分別為大型商超、停車場和機房，8層裙房為大型購物中心，2棟主樓為寫字樓。由于實際工程項目包含有大量的建筑數據信息，因此BIM的建模過程就是對建筑數據信息的提取和表達的過程。此工程項目的BIM建模過程包括：成立BIM小組，確定小組人員及分工職責，建立建模基礎環境，確定硬件配置、軟件配置、以及網絡配置，熟悉建模工作，制定模型標準，模型拆分，模型深度設計。圖7所示為某階段建模完成圖。由于本項目要探討基于BIM的消防安全管理，圖8所示為自建消火栓和滅火器族文件。

圖6 某工程項目效果圖

圖7 某階段BIM模型完成圖

圖8 自建消火栓、滅火器BIM族文件

本項目建筑面積大、樓層高、功能復雜、對于建筑消防設計要求很高，難度很大。根據前文所提出的基于BIM的消防安全管理應用框架，利用已建成的工程項目 BIM模型來進行消防火災模擬和疏散模擬。建筑消防設計重要指標之一是火災現場的煙氣濃度和溫度等條件達到建筑物內人員的承受能力之前，建筑的消防設施能否保證該建筑內人員安全撤離火災現場。即人員完全撤離的時間(required safe egress time，RSET)小于火災達到危險狀態的時間(available safe egress time，ASET)。本項目將寫字樓25～30層的BIM模型(圖9)通過IFC格式文件導入到PyroSim軟件，通過設置分析類型，確定模型范圍，制定空氣流動方案，確定火源燃燒的相關參數(圖10)等，進行火災模擬，得出各樓層3個時間點的平均溫度和煙氣平均蔓延速度。通過將寫字樓25～30層的BIM模型導入到PathFinder軟件，構建疏散場景，添加人員(圖11)，添加行為，并進行疏散過程模擬，可以得出人員疏散的總時間。

圖9 導入火災模擬軟件的BIM局部模型

圖10 確定火源燃燒的相關參數

圖11 添加人員完成后的場景圖

表1展示了火災模擬的結果和人員疏散模擬結果的數據對比，并對火災發生時人員的安全性進行了分析。分析結果驗證了消防設計的合理性，基本達到建筑防火要求。在消防應急預案制定過程中，模擬結果展示了建筑內部火災發生時煙氣及溫度的發展趨勢，并提供了人員疏散時間和路徑等數據，提高了消防預案制定的合理性和可靠性。將模擬結果存儲在消防信息管理系統中，可以提供圖片和視頻動畫，提醒使用者警惕火源，熟悉逃生路徑。

表1 各樓層人員疏散模擬時間(s)

6 基于BIM的建筑消防安全管理優勢

與傳統的建筑消防安全管理方法相比，BIM模型包含了建筑生命期各階段的全部幾何信息和非幾何信息，并且能夠以三維模型的形式真實顯示。BIM不僅包含了建筑構件信息，還可以以自建族的方法，載入滅火器、火災探測器、消防栓、消防指示燈等消防設備，并提供該設備的各種參數信息，為運維階段提供了準確的信息支持。另外，BIM模型還能夠直觀的展示建筑內部結構，顯示消防設備的位置布局和消防通道等狀態，為實現建筑消防系統的優化提供指導依據。

基于BIM的建筑消防安全管理優勢主要體現在：

(1) BIM模型提供了一個協同的工作平臺，將消防安全信息與其他專業的信息整合起來，提高了消防信息管理、傳遞、獲取和應用的準確性和實效性。

(2) BIM模型可以提供與建筑實體一致的三維虛擬模型，便于用戶直觀清楚的獲得消防安全信息。

(3) BIM模型是參數化的信息模型，隨著項目的進行不斷更新和完善，實現了全生命周期的消防安全信息管理。

(4) BIM模型采用IFC標準的信息數據存儲，模型通用性較強，支持跨平臺工作，支持多種消防安全相關軟件。

(5) 運維階段通過將BIM數據庫整合到現有的智能消防系統，與自動控制、傳感器、計算機網絡等技術相結合，通過系統平臺實現防火功能，以達到最佳的防火保護。

7 結 論

通過對基于BIM的建筑消防安全管理應用框架的研究以及對于建筑消防設計子模型、消防應急預案子模型、智能消防系統子模型等3個子模型的分析，與傳統的建筑消防安全管理相比，基于BIM的建筑消防管理具有明顯優勢。通過將基于BIM的建筑消防安全管理方法應用到工程實踐中，驗證了BIM技術在建筑消防系統中的實際可操作性和應用價值，為建筑消防安全管理的改進提供了參考和技術支持。

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The Research of the BIM-Based Building Fire Safety Management Framework

Chen Yuan, Ren Rong
(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)

As the great development of urbanization in our country, fire disasters in cities have increased largely and the fire safety management becomes more difficulty. With the progress of building information modelling (BIM), the fire safety design and fire safety management have achieved new methods and ideas. This research has developed a BIM-based building fire safety management framework consisting of the BIM-based fire safety design model, BIM-based Fire emergence response plan management and BIM-based intelligent fire system. This framework has been evaluated in a real construction project and illustrated that the application of BIM can increase the efficiency and reliability for building fire safety management and provide technical and managerial supports for the fire safety management lifecycle.

fire safety management; building information modelling; fire safety design; fire emergence response plan management

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060816

A

2095-302X(2016)06-0816-06

2016-04-12；定稿日期：2016-05-11

河南省科技攻關計劃項目(132102210402)

陳 遠(1975-)，男，河南鄭州人，副教授，博士。主要研究方向為土木建筑工程信息化。E-mail：chen_yuan@zzu.edu.cn