BIM 技術(shù)在高層建筑消防設(shè)備安全管理中的應(yīng)用研究

董文堂

（北京市豐臺區(qū)消防救援支隊，北京 100071）

近年來，我國高層住宅的快速發(fā)展給消防安全帶來了諸多問題。與單一的、低層的建筑相比，在同樣的防火要求下，高層建筑更有可能發(fā)生火災(zāi)。對高層建筑結(jié)構(gòu)特征及發(fā)生的各種消防安全事故的原因進(jìn)行分析，總結(jié)出3 點：一是在高層建筑中發(fā)生的火災(zāi)，傳播速度極快，傳播方式多種多樣。二是高層建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，人員的有序撤離比較困難，容易導(dǎo)致人員傷亡。三是高層住宅的消防工程比較煩瑣，一些消防設(shè)備和附屬設(shè)備還不完善。另外，高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和裝飾材料的多樣性，導(dǎo)致了其與低矮房屋相比，更容易發(fā)生火災(zāi)，高層建筑物的消防安全問題就顯得尤為突出[1]。因此，把建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM） 技術(shù)應(yīng)用到高層建筑消防安全管理中，具有重要的應(yīng)用價值和實踐意義。

1 BIM 技術(shù)的特點

BIM 技術(shù)能夠建立一種完整的信息模型，然后將各階段的施工項目數(shù)據(jù)、資源和過程等的信息連接起來，能夠?qū)κ┕ろ椖康哪繕?biāo)進(jìn)行完整的描述，可以在建筑工程中推廣使用。BIM 技術(shù)有以下5 個特點。

1） 模型數(shù)據(jù)及模型信息具有全面性。BIM 技術(shù)能夠把工程對象的三維空間結(jié)構(gòu)和設(shè)計、施工、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)的信息，通過一個視角來展現(xiàn)工程的整體情況。建筑物的種類、建筑物的材質(zhì)和建筑物的屬性是構(gòu)成建筑物的重要因素。維護(hù)數(shù)據(jù)包含了項目的安全使用年限、物料使用年限等。另外，BIM 技術(shù)還能更好地體現(xiàn)出物體間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

2） 模型數(shù)據(jù)及模型信息具有關(guān)聯(lián)性。在建筑物的信息模型中，物體可以被識別，物體之間具有關(guān)聯(lián)性。然后，運用BIM 技術(shù)對該項目的具體實施情況進(jìn)行了統(tǒng)計與分析，得出了該項目的具體實施方案。隨著目標(biāo)的改變，目標(biāo)的相關(guān)信息也隨之改變，以保證目標(biāo)的整體一致性。

3） 模型數(shù)據(jù)及模型信息具有一致性。在BIM模型建立中，BIM 技術(shù)保證了各環(huán)節(jié)信息的完整性和一致性。這種方法可以節(jié)省大量的時間，不必為一座建筑物重復(fù)地錄入同樣的資料。另外，模型將根據(jù)工程進(jìn)度，對施工過程中的各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，用戶只需要對各環(huán)節(jié)進(jìn)行簡單的補(bǔ)充和修正，就能保證施工過程中各環(huán)節(jié)的信息一致，防止出現(xiàn)多重誤差。

4） 三維圖像的可視化。在此基礎(chǔ)上，提出了基于BIM 技術(shù)的一種可視化的建筑建模方法。利用BIM 技術(shù)，可以將建筑的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等三維影像展現(xiàn)，使建筑建設(shè)者、管理者等能夠?qū)ㄖ旧淼奶卣饔幸粋€更好的認(rèn)識。

5） 三維模型的模擬。BIM 模型可以模擬出建筑進(jìn)風(fēng)口、照明、通風(fēng)、應(yīng)急疏散等。模擬功能能夠通過軟件操作的方式，避開常規(guī)模擬方式所產(chǎn)生的問題，還可以節(jié)約大量的人力、物力、財力等資源。BIM 技術(shù)可以將建筑設(shè)計與現(xiàn)實生活相結(jié)合，為建筑設(shè)計人員進(jìn)行建筑設(shè)計提供了依據(jù)。

這些特點使BIM 技術(shù)在項目全過程中的運用能夠提高項目全過程的管理效能。BIM 技術(shù)在建筑工程中的有效應(yīng)用，為建筑工程的規(guī)劃與管理提供了很大的方便。例如，可以加快工作進(jìn)程，以便節(jié)省時間[2]。然后，通過對模型進(jìn)行集成，加強(qiáng)了模型中各個部分的協(xié)作與配合，減少了錯誤的發(fā)生。此外，BIM 技術(shù)在項目施工中的運用，將會使項目的投資金額和成本大幅度下降。

2 BIM 技術(shù)在高層建筑消防安全管理應(yīng)用模型的設(shè)計

BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，是把整個建筑生命周期內(nèi)的全部信息，通過數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行整合和存儲，并根據(jù)項目的進(jìn)展進(jìn)行更新和補(bǔ)充。各相關(guān)方不斷地完善模型信息，形成一個集成的數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)對工程項目信息數(shù)據(jù)的共享與利用。該技術(shù)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑物結(jié)構(gòu)的可視化，可以更好地識別出潛在的危險源，進(jìn)而對建筑物的消防安全隱患進(jìn)行更深入的排查與判斷，并在發(fā)生火災(zāi)或其他災(zāi)害后，為救援人員提供更多更好的分析依據(jù)。同時，在BIM 系統(tǒng)軟件中，可以通過各種數(shù)據(jù)信息，將已發(fā)現(xiàn)的安全隱患與相應(yīng)的整改方案標(biāo)注在系統(tǒng)界面中，形成可作記錄的文字信息，并有利于組織基于BIM 技術(shù)的動態(tài)安全教育培訓(xùn)[3]。

在此基礎(chǔ)上，將BIM 技術(shù)應(yīng)用到高層建筑物的防火管理中，與傳統(tǒng)的防火管理方法相比，其更具科學(xué)性，更加智能化和可視化。

針對建筑消防安全管理存在的問題，運用BIM技術(shù)建立了3 個子模型（見圖1），并對它們進(jìn)行了詳細(xì)的分析。3 個子模型分別為：防火設(shè)計計劃、防火應(yīng)急預(yù)案、智能化防火系統(tǒng)。

圖1 BIM 技術(shù)在高層建筑消防安全管理的應(yīng)用模型框架

2.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑防火設(shè)計計劃中的子模型

該模式包含主動消防及被動消防，見圖2。主動消防是指在建筑內(nèi)部設(shè)置各類的消防設(shè)施，當(dāng)出現(xiàn)火情時，可以及時地進(jìn)行探測和撲救。例如，自動報警、防吸煙等。在發(fā)生火災(zāi)時，有必要安裝疏散指示器之類的設(shè)備來疏散大樓里的人。被動消防指建筑的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的抗火能力、消防區(qū)域、消防走道、消防出口、消防安全措施等。它主要用于控制火災(zāi)現(xiàn)場的煙霧和火勢的擴(kuò)散，并配合主動消防，從而提高滅火效率。

圖2 BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑防火設(shè)計計劃中的子模型

這種模式，除了能夠?qū)I救工作進(jìn)行指導(dǎo)之外，而且對碰撞檢測也起到了重要的作用。建設(shè)工程從設(shè)計到建設(shè)，經(jīng)過多個階段，涉及建筑、結(jié)構(gòu)、水電、機(jī)電等多個學(xué)科的設(shè)計，具有復(fù)雜性。除此之外，由于涉及的專業(yè)眾多，人員眾多，并且每個人的想法、習(xí)慣和思維都不盡相同，加之各個專業(yè)構(gòu)成的幾何關(guān)系，還有管道布局同樣具有復(fù)雜性，因此造成了在進(jìn)行設(shè)計的時侯，很可能會遇到許多矛盾和困難。例如，管道布局的矛盾、消防能力的要求等。

2.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑防火應(yīng)急預(yù)案中的子模型

消防應(yīng)急預(yù)案是必不可少的，其目標(biāo)是使消防救援更有效，人員疏散更快，主要是根據(jù)建筑物防火分區(qū)、消防設(shè)施、構(gòu)件防火等級等信息進(jìn)行分析，從而制定救援計劃及相關(guān)工作計劃，見圖3。

圖3 BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑防火應(yīng)急預(yù)案中的子模型

通過運用BIM 技術(shù)對建筑物消防應(yīng)急方案進(jìn)行分析，能夠快速獲得各類平面圖、防火分區(qū)圖等建筑物的三維空間數(shù)據(jù)，并通過三維空間顯示，提高突發(fā)事件下的決策準(zhǔn)確率。

與此同時，對火災(zāi)進(jìn)行了分析，并對其進(jìn)行了仿真，在得到了對不同的消防情景設(shè)定的分析結(jié)果之后，將仿真的結(jié)果與實際的現(xiàn)場狀況相結(jié)合，可以更好地為消防救援人員的撤離提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提出一種新型的模型化設(shè)計理論，并將模型信息化，實現(xiàn)模型的分析與優(yōu)化。另外，對于有可能出現(xiàn)的火災(zāi)情況下的撤離，可以引進(jìn)專門的撤離仿真軟件，根據(jù)建筑物的特征及人員撤離情況進(jìn)行撤離仿真。例如，以消防演練為例，通過將BIM 模型中的部分信息與互聯(lián)網(wǎng)平臺相結(jié)合，在線上呈現(xiàn)出一種更清晰、更易于公眾理解的消防演練情景，并使消防演練的宣傳形式更多元化。

2.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑智能化防火系統(tǒng)中的子模型

本模式的運用重點是運作管理，將BIM 技術(shù)與大樓內(nèi)的自動控制、傳感器、計算機(jī)等智能防火系統(tǒng)進(jìn)行集成，進(jìn)而實現(xiàn)了系統(tǒng)平臺的防火功能（見圖4）。時刻提示公司內(nèi)部人員做好滅火器材的維護(hù)工作，BIM 系統(tǒng)對滅火器材維護(hù)和更換等相關(guān)資料進(jìn)行及時的更新和完善。充分利用智能系統(tǒng)具有的全面、專業(yè)的優(yōu)勢，和BIM 平臺具有的可視化、參數(shù)化、信息共享的優(yōu)勢，建立起一套消防安全監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時地發(fā)現(xiàn)安全隱患，減少或預(yù)防事故的發(fā)生。

圖4 BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑智能化防火系統(tǒng)中的子模型

當(dāng)出現(xiàn)火情時，中央處理器可以從數(shù)據(jù)庫中獲得消防通道的布局、設(shè)施狀態(tài)、出口位置等信息，并可以根據(jù)火情和火災(zāi)情況，對報警系統(tǒng)、防排煙設(shè)備、滅火設(shè)備和人員撤離設(shè)備等進(jìn)行自動化處理，以達(dá)到對火情實時控制的目的，避免濃煙的蔓延。

3 基于BIM 技術(shù)的消防安全管理應(yīng)用

首先，以實際案例為例，對基于BIM 技術(shù)的高層建筑火災(zāi)仿真與人員疏散仿真進(jìn)行驗證。利用BIM 仿真中的文件，通過格式轉(zhuǎn)換，再使用Pathfider 軟件來進(jìn)行人員疏散仿真。其次，在此基礎(chǔ)上，對人群運動速度、人群類型等進(jìn)行了設(shè)定，并給出了相關(guān)的仿真結(jié)果。最后，得到了從疏散模擬開始后，各個樓層在不同的時間點上逃生的人數(shù)和殘留的人數(shù)，以及疏散的起點所處的樓層或房間，見表1。

用3D 動畫的方式，直觀、生動地展示了在火災(zāi)發(fā)生時所引起的煙霧與溫度的變化，從而為制定消防應(yīng)急預(yù)案提供了依據(jù)。例如，對于不同區(qū)域發(fā)生的火災(zāi)，給出了人員逃生的時間和路徑等數(shù)據(jù)。把建立好的模擬模型保存到數(shù)據(jù)庫中，便于以后的重新使用和修正。還可以將仿真的結(jié)果保存在火災(zāi)信息管理系統(tǒng)中，并將仿真的結(jié)果制成圖片或視頻，供人們觀看，以此來增強(qiáng)人們的火災(zāi)防范意識和提高自我救助的能力[4]。

由表1 可知，BIM 技術(shù)在高層建筑物消防安全中的運用，會取得明顯的消防成效。將此方法應(yīng)用于具體的項目中，驗證了BIM 技術(shù)在該方面的可行性，進(jìn)而顯示出其實用價值，為建筑的消防安全管理工作提供了數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持，提高了管理的效能。

4 結(jié)束語

由于高層建筑存在著很大的火災(zāi)風(fēng)險，必須采用行之有效的技術(shù)措施，才能使高層建筑的防火工作取得實效，因此，發(fā)揮高層建筑防火作用，將BIM 技術(shù)引入到高層建筑中勢在必行。本文分析總結(jié)了BIM 技術(shù)應(yīng)用在高層建筑消防安全管理中的特點和可能出現(xiàn)的問題，對BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)和消防安全管理中的應(yīng)用做了一些探討，并提出了3 個理論模型，并通過具體的工程案例進(jìn)行模擬應(yīng)用，希望這些理論模型可以有效提高消防安全管理的工作效率。