基于BIM技術的FDS軟件數據轉換研究

趙　楊

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

在火災數值模擬的過程中，繁重的建模工作量和模型的精度問題一直困擾著廣大消防工作者。近些年來，隨著建筑信息模型Building Information Modeling(BIM)的出現以及持續的深入研究，BIM所具有的種種特點為傳統的建筑防火設計，特別是火災數值模擬帶來了新的技術和方法。

1　BIM及其數據格式

BIM的概念最早被提出是在20世紀80年代，是信息化技術與數字化技術結合的必然產物。BIM技術旨在實現建筑(組成與功能)全部信息的數字化表達，組建一個豐富的數據庫，在整個建筑生命周期內為所有參與者提供決策支持[1]。BIM技術自被提出以后，已在歐美等發達國家的建筑行業引發了巨大變革，如今也掀起了我國建筑行業的改革浪潮。Autodesk(歐特克)公司開發的Revit軟件是使用BIM技術的主要代表之一。圖1為某辦公樓的BIM模型。

圖1　某博物館3F三維Revit模型

1.1　IFC數據格式

BIM模型數據的定義采用Industry Foundation Classes(IFC)標準，IFC為BIM提供了數據定義模式和信息交換格式，其中模型數據采用EXPRESS語言和EXPRESS-G圖進行定義。IFC是一種開放型的數據表達標準，使BIM應用過程中各參與學科能共享和交換不同階段不同時期所產生的數據信息[2-3]。目前，其最新版本為IFC4，由Building SMART組織于2013年3月發布實施[4]。

IFC標準數據文件的空間結構從數據的邏輯關系上可以劃分為四個階層，從高往低分別為領域層、共享層、核心層和資源層[5]，如圖2所示。領域層是IFC文件格式空間結構中的最高層，領域層中任何一種引用或是使用的定義在獨立和核心資源層上的任何信息模型都是獨立的，領域層的主要作用是為了能夠深入到各個應用領域的內部數據中去，形成不同的專業信息[6]。共享層是IFC文件格式空間結構中的次高層，該層的主要功能是為領域層服務，共享層重點解決了領域層的模型信息交互的問題[7]。核心層的主要功能是提供基本的IFC數據文件模型結構與概念，將資源層的數據信息有效地管理組織起來，成為一個有機的整體，來客觀反映真實的模型文件結構。資源層是IFC文件格式空間結構中的最底層，為其他三層服務，資源層的功能是描述IFC標準中所涉及的基礎信息，不針對具體的專業。

圖2　IFC標準數據文件的空間結構示意圖

IFC數據格式的模型由實體、定義類型、選擇類型、規則、函數以及屬性集組成[8]。IFC標準包括了很多實體，其中IFCROOT是IFC實體定義中最重要的根類，其余實體都是IFCROOT派生的，分為兩大類：一類是可獨立用于數據交換的實體，分布在框架層、共享層和領域層，具有GLOBALID屬性；另一類不可以獨立進行數據交換，常以IFCROOT派生實體的屬性形式存在，不具備全局標識特性，該類實體全部分布在資源層。

1.2　BIM數據的交換方式

基于BIM技術的數據交換主要有三種方式：一是按照IFC標準，實現各軟件之間的數據交換；二是進行二次開發，基于Revit API以插件的形式顯示在Revit中[9]；三是其他形式的交換，如基于中間文件Excel的數據交換。本文選擇了第一種方式進行研究。基于IFC的BIM可以存儲多種類型的幾何模型數據，表1列出了支持的幾何模型類型。其中Curve 2D、Geometric Set、Geometric Curve Set用于描述由點、線、面基本圖元組成的模型。Surface Model用于描述表面模型。Solid Model用于描述實體模型，又可細分為Swept Solid、Brep、CSG、Clipping、Advanced Swept Solid等多種類型[10]。

表1　IFC預定義的幾何表達類型

2　FDS數據格式

在FDS(Fire Dynamics Simulator)模型中，空間內實體的幾何信息有其特定的存儲方式。建筑構件和室內裝飾物是用若干個長方體來表示，每一個長方體在模型中都有特定的定義方式[11]。建筑構件和室內裝飾物的幾何信息通常用OBST命令進行表達(個別構件除外，如門窗)，一個OBST就表示一個長方體，包含其坐標位置信息。每一個長方體用2個對角點坐標來表達，例如一個長方體，其兩對角點A(X1，Y1，Z1)和B(X2，Y2，Z2),在OBST中的表達形式為AB=X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2。即用該長方體的最大最小兩個坐標點來表示，如圖3所示。

圖3　FDS模型中實體的幾何表達方式

3　數據交換方案

以往FDS軟件對于模型的建立只能通過文本編寫程序來完成，材料、裝備等各種參數同樣需要編寫文本，為模型的創建帶來極大的不便，因此可采用Pyrosim軟件來簡化建模過程。Pyrosim是由美國Thunderhead Engineering公司在FDS基礎上開發的一款用于對火災煙氣的運動規律、煙氣溫度和毒氣濃度進行準確預測分析的軟件，其最大的特點在于為FDS的建模過程提供了三維可視化圖形操作界面，提高了建模的工作效率[12]。本研究中首先采用Revit作為建筑設計的CAD平臺，創建BIM數據庫，利用該平臺的IFC轉化功能自動生成BIM模型的IFC數據交換文件DXF文件，供FDS軟件Pyrosim模擬使用，圖4為數據交換方案示意圖，圖5為導入Pyrosim后的某博物館3F示意圖。

圖4　數據交換方案示意圖

圖5　導入Pyrosim后的某博物館3F示意圖

DXF是Autodesk(歐特克)公司開發的用于AutoCAD與其他軟件之間進行CAD數據交換的CAD數據文件格式[13]。DXF是一種開放的矢量數據格式，可以分為兩類：ASCII格式和二進制格式[14]。ASCII具有可讀性好的特點，但占用的空間較大；二進制格式則占用的空間小、讀取速度快。不同類型的計算機其DWG文件是不可交換的。為了克服這一缺點，AutoCAD提供了DXF類型文件，其內部為ASCII碼,這樣不同類型的計算機可通過交換DXF文件來達到交換圖形的目的，由于DXF文件可讀性好，用戶可方便地對它進行修改、編程，達到從外部圖形進行編輯和修改的目的[15]。ASCII格式的DXF可以用文本編輯器進行查看。

4　數據交換關鍵問題

通過大量試驗發現：不同的火災模擬軟件導入的格式是不一樣的，導入模型存在接口和格式的要求。經過反復的試驗研究，筆者發現在模型轉換過程中采取DXF格式最為直接也不容易導致錯誤，模型在Pyrosim中能夠顯示正常，三維瀏覽較流暢，但也應注意以下問題：(1)模型的導出導入應注意單位一致的問題，Pyrosim和Revit默認的單位分別是cm和mm，所以必須修改一致。(2)在進行BIM模型轉換為DXF格式時，需要將FDS模型中并不需要的實體去除，例如“綠化”“散水”等，或者需要根據模擬情況進行相關模型的拆分和簡化，僅選取有關火災模擬的模型部分導入Pyrosim，以免后期進行火災模擬時出錯。(3)模型導入Pyrosim后，Pyrosim會自動為模型在三維空間中進行坐標定位。建立火災模型時Pyrosim會根據導入的建筑模型自動給出參考網格大小以及數量，但是給出的網格數量往往都包含了整個模型，需要對網格進行修改以便貼近模型，這樣模擬的結果才更貼近真實。(4)BIM模型是分區域建立的，當導入到Pyrosim以后，不同區域中間會產生模型上的隔離現象，需要在區域連接處設置多個可通過的門，使其煙氣和人員可以通過。

5　結束語

本研究對IFC數據標準與FDS模型的實體幾何信息進行了分析，通過DXF格式文件并在Pyrosim軟件中實現了正確識別BIM模型。本文已進行的工作仍然存在不足，后續開發仍有較多工作要做，其主要工作包括：(1)數據轉換仍需完善，如相關建筑材料的熱力學性質以及熱解屬性等信息的提取識別等。(2)不規則建筑構件的轉換識別。