BIM及智能化技術在消防系統中應用研究

薛文軍

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 前言

隨著經濟快速發展，城市化進程越來越快，高層建筑越來越多，娛樂設施越來越集中、群租現象越來越嚴重、老舊小區越來越難以管理，這都給消防工作帶來難題和挑戰。

傳統的消防設施已不能滿足社會的智能化發展需求，隨著物聯網技術、人工智能技術的發展，智慧消防系統應運而生。但是由于整個消防系統的長期封閉，造成目前智慧消防系統相較于其他智能場景發展速度相對較慢。BIM(Building Information Modeling建筑信息化模型)技術隨著我國基建發展越來越受重視，并在建模、模擬、仿真、數字孿生等方面為各類應用帶來更高的智能化水平[1－2]。本文將在智慧消防系統基礎上探究BIM應用與實現方式，從而提高智慧消防系統的易用性與實用效果。

2 消防行業政策改革趨勢

近年來，全國各級各部門高度重視消防事業發展，消防工作整體水平明顯提升。隨著城市容量不斷增長，新技術、新業態、新產業發展迅速，城市公共消防安全形勢面臨新情況、新問題，傳統的消防監管模式難以適應新形勢、新挑戰。

智慧消防在國內發展相對較慢，并且區域之間發展極不平衡。在長三角、珠三角區域發展較快，上海等城市已推出相關政策強制新建建筑配備智慧消防系統，消防隱患較大的老舊小區必須進行智慧消防系統改造。而其他地區雖然目前沒有相關政策落地，但隨著智慧消防系統的普及與應用，必將追隨發達地區腳步推出強制政策推進智慧消防系統的發展，提高地區消防水平，為保障人民生命財產安全提高安全系數。

國家公安部依據“智慧消防”公消【2017】297號要求，在社會消防安全治理中進行模式創新，呼吁全面參與社會消防安全治理，利用大數據、互聯網、5G等信息化技術進行多元治理，利用新興技術推進“智慧消防”建設[13]，依據消防業務在信息化方向不斷探索，實現信息化與消防深度融合，打造信息化消防體系，全面提升消防能力，為社會體系由傳統向智慧轉變提供方向，為社會消防安全提供科技支撐，提升整體消防體系水平。

3 智能消防系統介紹

與傳統消防系統相比，智慧消防以云計算、云存儲、通信控制為技術核心，通過各類智能感知設備為重點防火單位提供物聯網消防預警服務[5－6]。監管方消防部門和用戶方物業管理部門可以通過信息化平臺獲取消防設施的信息和狀態，并通過平臺系統發出控制命令，從而實現消防系統的智慧管控。

平臺能力可以用“感、傳、知、用”四個字來概括(見圖1)。“感”:實現設備設施運行狀態的全面感知；“傳”:實現全天候實時數據信息同步互聯；“知”:實現設備設施故障預知及警情預測；“用”:實現多級安全管理統計分析和決策。

圖1 智能化自主感知設備接入

平臺系統通過對設備、產品進行管理，對設備進行實時有效監控，實現了消防狀態可視化實時預警，并且支持TCP/UDP、MQTT等主流物聯網接入協議，見圖2。

圖2 智慧消防系統管理平臺

消防單位或者物業用戶通過信息化管理平臺實現故障、預警、響應、恢復閉環消防任務。

智慧消防產品的優勢在于系統化、平臺化，將原有獨立產品、獨立任務通過物聯網、大數據、信息化技術聯系到一起，聯動管控。

4 BIM及智能化在消防系統中的應用

BIM技術是基于三維面向應用對象的數據庫技術，通過對建筑物建模，并對幾何尺寸信息、材料信息等相關信息進行錄入，構建功能、經濟信息、建筑材料重量等非幾何信息，實現信息化管理。BIM技術可將項目各階段的信息整合到模型中，如前期規劃設計階段、過程建造、后期運營管理等[7](見圖3)，項目管理人員通過對項目全過程跟蹤即可獲得各階段完整的數據信息。在項目前期，數據庫建立信息較少，但隨著工程進度的推進，數據信息不斷豐富和完善，不同需求人員可以從中獲取需要的信息，實現信息共享，同時保證了信息一致性，進而實現項目各階段降本增效，同時提高項目協同效率。

圖3 BIM模型的應用

BIM模型信息的完備性、關聯性、一致性能夠為建筑生命周期管理提供高效支持，通過信息共享、數據協同實現管理提升，利用模型的數據集成性，能增強項目主體的交互協作意識[8－9]。在智慧消防系統中引入BIM技術能夠更加科學、智能，實現消防安全管理可視化。

4.1 智慧消防系統產品設計階段

協助設計人員在系統設計初期把控全局。借助建筑物和物聯網設備、管網的BIM模型，設計人員可以對各種傳感器設備、管網及消防節點在整體上“一目了然”，從而可以更加合理地分配資源、預先查看安裝效果、與監管單位溝通是否滿足需求，同時還能通過系統通盤檢查模型是否有死角、盲點遺漏。這些功能在BIM模型的基礎上實施起來更加直觀，使各種枯燥數據形象化，以達到可視化目的。

4.2 智慧消防系統產品安裝實施階段

指導安裝人員直觀掌握消防設施特點性能、定位設備精確安裝位置、安裝方式，并且在安裝完成后可以在BIM模型上檢查設備安裝實施效果，對照實物運行情況進行質量檢測，最終對項目進行驗收。與傳統數據記錄模式相比，基于BIM模型的智慧消防系統，在設備安裝、調試、檢測、驗收方面大大提高了智慧消防系統實施的效率和準確性。

4.3 智慧消防系統產品運維階段

協助運維、管理人員在安裝部署了智慧消防系統的建筑物、園區、社區的BIM消防模型上對消防設備、設施、管網等進行實時監測，并檢查其運行狀態、參數，以確保火災發生時各消防設備、設施能及時按要求啟動工作；在設備配置改變時，可以通過BIM消防模型進行同步更改，保證運維、監管部門能獲取系統的最新數據與狀態[10]，解決了以往消防系統在服役多年后出現的數據丟失及難以維護的問題。

4.4 在火災模擬演練和火災實際發生階段

通過布設在通道內的攝像頭和基于BIM的智慧消防模型，可以實時監測各通道暢通情況、實時計算各通道當前逃生人員流量、實時監測各通道逃生門是否處于打開狀態等。以上數據通過后臺進行整合、數據分析、數據計算，迅速提供建筑物各層、各戶人員當前最優逃生路線，可以通過BIM消防模型實時顯示或者聯動現場擴音器以音頻形式指導逃生人員正確選擇逃生路線，指導災情現場所有人員有序撤離。BIM消防模型見圖4。

圖4 BIM智能模型指導逃生

5 BIM及智能化在消防系統中的實現模式

智慧消防系統的實現需要考慮兩種情況:一種是老舊小區、樓宇改造，需要對目標進行輕量級3D建模，把基于BIM的智慧消防系統布置到建筑模型中，并進行數據通信的匹配；另一種是新建高層建筑，基于BIM的智慧消防系統只需考慮對不同服務器及引擎系統進行技術對接。

5.1 系統架構

設備接入層是智慧消防的基礎建設，通過覆蓋指定區域的傳感器網絡模塊，對區域消防各類數據進行采集，并上傳至互聯智慧消防云平臺，用于BIM或其他信息技術運用。

BIM虛擬層是對智慧消防數據的3D化承載與展示。建筑信息的集成與融合，在BIM與物聯網結合應用后得以呈現。物聯網技術提供建筑構件的信息感知、收集、傳遞、監控等功能，而BIM技術起到信息集成、交互、展示和協調管理的作用。二者結合是虛擬信息化管理和實體環境硬件的結合。

業務實現層呈現給用戶的業務功能，包括信息展示、設備監管、流程機制等。在這些業務功能基礎上，BIM為共享、共治平臺提供協同管理，降低消防指揮的管理難度，提高了消防救援效率。

5.2 智慧消防設備信息與BIM模型實時聯通

設備在安裝調試成功后，BIM記錄設備的安裝位置并反映在BIM模型上。通過設備數據接口，將設備狀態和信息通過5G網絡，加密傳送到服務器上。服務器收到相應指令后，對信息進行解密，并將設備狀態或者設備信息在BIM模型上進行顯示。系統將BIM模型作為設備信息的載體，在BIM模型上建立可視化的交互操作，數據通過BIM模型的實體類屬性加載到模型中，通過局部動態數據更新以及相關的可視化手段，對數據進行展現[11－12]。

用戶交互方面，系統內置了多種交互事件。通過事件觸發，提交用戶指定動作信息，并加密發送到設備中。設備收到數據指令信息后，對數據進行逆向解密，并按照指令觸發相應的設備動作，見圖5。

圖5 智慧消防系統信息交互

BIM結合物聯網技術，將數據服務接收到的設備信息進行加載，通過三維可視化的方式，將數據直觀地展現給用戶。

5.3 智慧消防系統與BIM模型交互接口

智慧消防系統與BIM模型交互接口包括:

(1)BIM模型定義接口。該接口用于定義設備在BIM模型的類別、位置、坐標、描述、屬性、業務意義等相關信息。

(2)基于BIM模型設備屬性接口。該接口用于定義設備的各項屬性，結合BIM模型實現三維圖像的顯示。

(3)基于BIM模型的設備數據接口。該接口主要定義設備的數據類別和數據格式，通過數據格式定義實現數據傳輸，識別信息和指令將通過數據格式定義進行格式化，然后加密傳輸。

(4)基于BIM模型的設備交互方式接口。該接口主要定義用戶觸發的相關操作，定義用戶操作屬性和操作方式，配置用戶與設備交互的相關信息體和信息內容，實現在BIM模型上對設備進行指令發送、設備狀態查詢等功能。

通過以上四類接口對不同設備進行定義，配置交互方式、規定數據傳輸的數據格式，并在BIM模型上進行描點、渲染，以實現智慧消防系統與BIM模型緊密結合。

6 結論

BIM技術應用于智慧消防系統優勢明顯，未來的智慧消防系統，將深入結合人工智能、大數據、云技術等技術，并在BIM模型上實現三維實景展現，與設計、運維、監管人員形成深度互動，可更好地執行消防任務，保衛人民群眾生命財產安全。