數字模型化在建筑消防設施設計與防火監督中的運用

趙宗虎

摘 要：消防設施是現代樓宇建筑的重要組成部分，消防設施的設計是否科學、安裝是否合理，將會對居民的生命財產安全產生直接的影響。在智慧建筑背景下，借助于三維數字模型，可以在虛擬環境下對建筑消防設施的規劃、設計、安裝等進行模擬，從而及時發現問題，持續改進施工方案，為消防設施的安裝與建筑防火監督等工作的開展提供技術支持。本文首先概述了現階段建筑消防設施常見的一些問題，隨后分別介紹了數字模型在消防設施設計與安裝，防火監督與救援決策等方面發揮的重要作用，最后對未來數字模型在建筑消防領域的發展前景進行了展望。

關鍵詞：數字模型;消防設施;可視化;防火監督

中圖分類號：TU998 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0194-02

0引言

通過分析近年來發生的若干起建筑火災事故發現，很多建筑的消防系統存在各種隱患、故障，導致在火災發生時沒有發揮報警、滅火作用，錯過了最佳撲救時機，造成了事故嚴重化、擴大化。為了規避此類問題的發生，一種措施是從建筑消防設施的設計、施工與維護等方面出發，保障消防設施始終正常運行、發揮作用;另一種措施則是利用信息技術做好防火監督，火災隱患及時發現，火災事故及時報警，方便采取相應的措施。數字模型化為這兩種措施的應用提供了技術支持，探究數字模型的應用方法具有重要價值。

1建筑消防設施常見的問題

1.1消防設施的安裝不科學

現代建筑在消防系統的設計上日益完善，但是在具體安裝消防設施時，由于設備種類和數量多，加上線路較為復雜，經常會出現安裝不達標，消防設施無法正常運行的情況。例如由于大型建筑在設計時消防設施線路、管路錯綜復雜，安裝過程中，現場施工空間小，管路錯綜復雜，設備線路、管路接口處理不當，接觸不良密封不嚴現象時有發生。消火栓栓口密封不嚴，水帶與消火栓連接處連接不牢固，后期使用時很容易出現滲漏泄壓，水帶脫扣漏水等問題，從而影響火災的撲救工作。還有的噴淋滅火裝置，當發生火災時，噴淋啟動滅火，由于電氣控制系統的線路錯綜復雜，接觸不良現象時有發生，即便是噴淋系統動作了，由于起泵信號未能傳送到消防控制系統，從而無法發送起泵指令，從而噴淋裝置也無法發揮應有作用。由于上述問題的存在，導致消防設施無法發揮出應有的作用，帶來了嚴重的建筑火災隱患。

1.2 消防報警系統存在功能缺陷

建筑消防系統的前端元件，是各種類型的傳感器，例如煙氣濃度傳感器、空氣溫度傳感器等。如果煙氣濃度、空氣溫度超過一定數值，傳感器就會發送報警信號，此時報警系統響起，提醒有關人員及時采取滅火措施。但是調查發現，許多建筑物內的火災報警系統，存在不報警、誤報警、報警延時等常見問題。如果存在上述缺陷，不利于建筑火災隱患的發現、火災事故的處置。因此在建筑消防系統的設計與安裝中，也需要通過檢查確定各類功能是否正常發揮。

2數字模型化在建筑消防設施中的應用

2.1利用數字模型化優化消防設計

2.1.1 協同設計

消防系統的設計與安裝中，需要與建筑內部的其他系統（如給排水系統、照明系統等）產生關聯，為了避免各個系統之間相互影響，需要借助于數字模型技術，提前做好協同設計。設計人員應結合建筑設計圖紙，利用計算機上的相關軟件，制作3D的數字模型。在該模型上分別進行消防系統與其他系統的設計與布局。例如消防水泵的安裝位置，給水管道的布局等。基于數字模型的協同設計，可以最大程度上避免沖突問題，為后期消防設施的安裝提供了便利和參考。另外，即便是其他系統發生了設計變更，也可以及時在數字模型上做出修改，協調速度較快。

2.1.2 可視化設計

以往建筑消防設施的設計與布局，主要是通過二維平面圖紙來展現。但是由于圖紙上各類管線錯綜復雜，不僅給設計增加了難度，而且消防設施的安裝也有較大概率出現質量問題。相比來看，數字模型真正實現了消防設計的“所見即所得”。對于安裝人員來說，只需要將數字模型上的線路布局、設備定位，直接復制到實際建筑物上，就可以保質量的完成消防系統的施工。從設計人員角度來說，可視化設計還能夠從不同的角度，例如俯視視角、剖面視角等，核對設計方案是否科學;從安裝人員角度來說，借助于數字模型，可以更加全面的了解設計意圖，也有助于確保消防設施的安裝質量，提高其防火、滅火能力。

2.1.3 碰撞檢測

在建筑規劃設計中，消防系統只是其中的一個組成部分，另外還包括給排水系統、通風系統等。這些系統雖然功能不同，但是相互之間存在密切的聯系。例如消防系統的功能發揮，離不開給排水系統的支持。碰撞檢測的目的，就是從宏觀層面上，檢驗各個系統之間是否存在沖突，或是能否正常聯動。利用數字模型開展碰撞檢測，一方面可以更加細致、全面的反饋細節問題，設計人員可以結合這些問題，重新對設計方案、系統布局進行優化;另一方面也能夠增強信息反饋的時效性，盡快修改以避免對后期的安裝施工造成負面影響。近年來高層、超高層建筑有增加趨勢，建筑內部系統更加復雜，基于數字模型的碰撞檢測其重要價值也得到了進一步的凸顯。

2.2 利用數字模型化進行消防設計審核

建筑消防設計除了應當嚴格遵循相關的規范外，還應當結合每一座建筑的具體情況，對設計方案中的具體細節，尤其是消防部分進行審核、檢驗。比如，在審核消防分區面積時，由于在設計過程中已將消防分區的信息錄入系統，且可以通過顏色來區分不同分區，審核人員可以直觀地查看某一分區的邊界、面積、疏散路線等信息，無需再像以往那樣反復查看設計圖才能完成審核。數字模型可以接入多種二次開發的軟件輔助審查，比如審核人員利用相關審查軟件，設置合理的審查規則，軟件就可以自動進行多種類設計審查，并形成相關報告。基于數字模型的消防設計審核，其優點在于設計內容直觀、明確，有無設計缺陷可以一眼看出來，這樣就提高了審核效率。還有就是即便發現了設計問題，也方便在3D建筑模型上做出修改。

2.3 利用數字模型化指導消防設施安裝

建筑消防系統中主要包含消防設施、管路和其他電器元件。以往在建筑消防設施的安裝時，部分安裝人員對CAD圖紙理解有誤，導致安裝出現質量問題。相比之下，如果使用數字模型指導消防設施的安裝，一方面是更具指導意義，包括每一種消防設施的所在位置，管線的布局等等，都可以清晰的標注出來，為現場安裝提供了參考。另一方面，方便了現場安裝人員隨時進行對照，如果有安裝問題，也可以第一時間發現，保證了消防設施的質量隱患可以盡快處理。從系統組成上來看，傳感器也是消防系統的主要部分，參考數字模型安裝好傳感器，為下一步的防火監督也提供了便利。

3 數字模型化在建筑防火監督中的應用

3.1防火監督和制定救援預案

建筑火災的突發性和危害性，決定了必須要通過密切監控，第一時間發現隱患，采取措施，將損失降至最低。數字模型可以通過防火監督和制定應急預案的方式，為火災救援工作開展提供一定的支持。在建筑消防系統投入運行后，可以源源不斷的收集消防系統的運行參數，并利用這些參數對現有的數字模型進行優化、更新，最大程度上保證了建筑消防系統的實際運行效果，與3D數字模型保持一致。這樣就可以通過大數據分析，提前發現異常信息，例如電氣設備漏電導致電壓波動，發現這一問題后及時排查線路故障。根據數據分析結果，安排工作人員及時排查隱患，降低火災發生率，支持防火監督工作開展。另外，依托數字模型進行火災模擬，還可以根據模擬結果提前編制救援預案。這樣即便是后期發現了火災，也能夠利用應急預案，將火災損失降至最低。

3.2 為現場救援指揮決策提供參考

火災事件中剩余可燃物數量決定燃燒速度，即：初始階段時可燃物數量龐大，其燃燒速率為時間遞增函數，隨著可燃燒物顯著減少，燃燒速度在極大程度上得到抑制，燃燒速率表現出大幅度下降趨勢。借助數字運算將建筑消防設計及消防效果之間的直接關系計算出來。公式為：

dn/dt=-Kn（t）

式中：n（t）為可燃物剩余量;t為燃燒時間;K為常數。對上式進行相應變型可得到：

n（t）=c×e-kt

式中c=2.11，k=0.05，進一步簡化與細化數字模型，經階躍函數Au（t-t0）表征消防設施滅火功效可得式：

式中的t表示整個可燃物燃燒時間;t0表示從火災發生到啟動消防設施滅火的時間間隔。借助上述各式能夠直觀計算與評估建筑消防設施情況，并可為消防設施安裝及防火監督預案的制定提供科學有力的依據。

4數字模型在建筑消防設施與防火監督中的發展前景

近年來5G技術、AI技術的成熟度日益提高，并且在建筑智能控制領域得到了試點應用。信息技術的應用為建筑消防設施與防火監督提供了技術支撐，也讓數字模型的精確度、可信度和智能化程度得到了進一步的提升。從現階段的數字模型應用效果來看，還存在數據反饋不及時、模型細部結構不夠完善等問題。在利用數字模型開展建筑消防設施的設計與防火監督時，這些問題的存在極有可能帶來重大隱患。因此，要想讓數字模型在相關領域有更出色的表現，下一步還需要著重在數據收集與轉化處理、模型細部結構優化處理等方面繼續做好研究工作。例如利用大數據技術，可以將整個建筑的消防、照明、水電等復雜系統的運行數據，同步的反饋給中央控制系統。然后利用云計算技術，快速做出精準分析，增強防火監督的時效性。相信隨著技術的不斷進步，數字模型在建筑消防領域中的應用也會越來越成熟。

5結語

在信息時代，信息技術與建筑行業的聯系更加密切，并直接催生了若干種專門用于建筑規劃設計、施工監督、質量管理等方面應用軟件，例如BIM（建筑信息模型等）。數字模型就是建筑信息化發展背景下的產物。在計算機上構建出3D建筑模型，該模型在內部結構與建成后的實體建筑完全保持一致，因此在虛擬模型上所作的消防系統規劃，對后期建筑消防設施的安裝有很強的指導意義。此外，還可以借助于數字模型進行防火監督、火情報警，為建筑火災的防控提供參考。今后要繼續做好數字模型的優化與應用，以支持建筑消防系統更好的使用。

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