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BIM在消防行业中的应用展望

发表日期:2016-03-23 文章来源:皇家国际APP消防

唐毅1丛北华2 
1上海消防总队闵行支队,上海市莘松路585号, 201612 
2同济大学上海防灾救灾研究所,上海市四平路1239号, 200092
 
    摘要:大型城市综合体、超高层塔楼、大型交通枢纽等大体量复杂建筑的纷纷涌现给消防安全带来了巨大挑战,本文概述了二维图纸的传统方式在消防设计及管理等方面存在的缺陷,介绍了BIM技术特点及其在建筑行业的应用现状,对BIM技术在消防设计、消防施工验收、消防运营管理阶段的应用模式提出了初步想法。
 
    关键词:BIM,消防,应用
 
BIM application expectations in fire engineering 
Yi Tang1Beihua Cong2 
1Shanghai Fire Department, 585 Xinsong Road, Minhang District,Shanghai 201612, China 
2 Shanghai Institute of Disaster Prevention and Relief, Tongji University, Shanghai 200092,China
 
    Abstract:Large-scale building complexes, super high-rise buildings, large interchange 
 
stations and other large-scale buildings have sprouted and brought challenges to fire safety.
 
 This paper outlined drawbacks of traditional 2D drawings used in fire safety
 
 design and management, summarized BIM’s technical advantages,
 
 current application status in construction industry. In the end, 
 
we proposed BIM’s future application expectations in full stage of fire safety, 
 
including fire design phase, fire construction & acceptance phase and daily operation phase.
 
    Keywords:BIM;firesafety;application
 
    1.引言
 
    近年来,大型城市综合体、超高层、大型交通枢纽等大体量复杂建筑纷纷涌现,其结构功能复杂多样、材料新颖,消防设备设施配备数量大,点位多,给消防设计和设备管理带来了新的挑战。
 
    从火灾案例中发现,事故发生的原因,一方面消防设备设施的老化、陈旧以及挤占等因素所造成;另一方面则多是建筑内部结构复杂,或者无法及时获得建筑内可燃物分布等信息,导致消防救援无法迅速有序开展,甚至造成消防人员伤亡等。例如,2003年11月3日,湖南衡阳衡州大厦火灾,部分消防官兵被废墟埋压,20名消防官兵壮烈牺牲,2015年8月12日天津滨海新区的天津东疆保税港区瑞海国际物流有限公司所属危险品仓库发生爆炸,165名消防官兵壮烈牺牲。
 
    传统的建筑消防设计主要是基于二维图纸的方式,系统及设备管理也主要以二维平面图形式在主机上显示,无论设计和系统管理的效率,还是在紧急情况发生后设备的协调性、救援的准确性、人员逃避时路线的选择等都大大滞后,利用目前的纸质图纸及静态存储管理无法处理海量数据难以适应新型建筑发展的需要。利用BIM技术建立可视化的消防管理平台,将建筑、结构、设备等多专业信息与消防日常管理和救援相结合,可提高消防管理的效率和水平,适应现代建筑行业信息化发展的趋势,加速整个行业的成长。
    2.BIM技术起源及特点
 
    2.1.BIM起源
 
    BIM(Building Information Modelling)最早起源于美国[1],国内常见的叫法是:建筑信息模型。建筑信息模型的研究对象是建筑物,它是一种提高管理效率的技术。BIM将从根本上解决规划、设计、施工、运营各阶段的信息断层问题,实现工程信息在全寿命期内的有效利用与管理,谋求根本改变传统设计方式以满足建筑信息化的市场需求。在欧美国家,BIM项目的数量已超过传统项目,并形成了各自的设计标准,如美国的《BIM项目实施计划指南》、英国《BIM行业应用标准》及澳大利亚的《国家数字模拟指南》。
 
    2.2.BIM技术特点
 
    BIM建筑信息模型是以三维数字技术为基础并集成建筑工程项目各种相关信息的工程基础数据模型,是对工程项目相关信息详尽的数字化表达。建设项目的各参与方可以通过模型在项目全生命周期中获取各自所需的管理信息并且可以更新、插入、提取、共享项目各项数据,从而实现协同管理,提高项目管理的效率。
 
    BIM本质上是一个服务于建筑工程及其相关行业的软件,BIM未来的发展取决于技术的发展。BIM的技术支撑主要包括两个方面:
 
    •统一的数据标准。BIM需要在建筑整个寿命周期内的各种软件间交换信息,如CAD软件、性能分析软件、施工管理软件、运营管理软件以及审核WEB平台。这些软件可能由不同的软件商开发,并建立在不同的技术平台上。要使这些软件能相互提取有关数据,必须形成和采用统一的BIM数据标准。
 
    •强大的软件平台。为各种软件提供整合接口。
 

图1:BIM产生的市场需求背景

图1:BIM产生的市场需求背景

    

2:BIM数据架构

图2:BIM数据架构

 
    
 
2:BIM数据架构
 
图2:BIM数据架构
 
    3.BIM建筑行业应用现状
 
    3.1.在我国的应用背景
 
    BIM技术对我国建筑领域的发展来说,是一种”革命性“技术,是建筑业信息化发展的基础。2011年国家颁布《2011~2015建筑业信息发展纲要》,明确提出要加快建筑信息模型(BIM)等新技术在工程中的运用,目前各省市积极响应建筑信息发展纲要要求,一方面颁布地方BIM执行标准推进BIM技术发展,另一方面积极开拓探索BIM技术在建筑各工程领域内的应用[2],一些大的城市基于行业及市场需要已颁布相应的BIM技术标准,如北京市地方标准《民用建筑信息模型设计标(DB11/1063-2014)》、深圳市BIM实施指南《深圳市建筑工务署BIM实施管理标准》及上海市BIM实施指南《上海市建筑信息模型技术应用指南(2015版)》等。
 
    3.2.建筑行业引用现状
 
    BIM技术作为三维数字化信息技术,在图形可视化、方案协调、施工模拟等方面具有显著的优势,其强大的功能理论上可以在建筑工程尤其复杂建筑领域得到大量应用,但是目前的BIM技术在我国消防领域的应用及发展还比较缓慢,主要体现在以下几个方面[3]:
 

图3:各单位推动BIM应用的比例

图3:各单位推动BIM应用的比例

 
    1.BIM技术在建筑工程领域的主要应用为喷淋管道的可视化设计及碰撞检查,应用范围相对比较狭隘;
 
    2.BIM技术的实施离不开软件的支持,目前BIM技术在消防领域缺少相关软件的集成,难以向建筑细分工程领域进一步扩展其应用;
 
    3.BIM应用的主要推动方为设计单位,主要用于可视化三维设计、内部协调以及碰撞审查,其次为施工单位,用于工程量统计和施工模拟,难以推动BIM应用进一步扩展。
 
    目前国内已经有不少建设项目尝试在建筑工程领域利用BIM技术协助进行消防设计、施工及运营维护,比如上海中心大厦和上海迪士尼度假旅游区,均在项目建造的各个阶段利用BIM技术解决设计和施工上的难点问题,上海迪士尼度假旅游区还在尝试将BIM技术运用于日常运营管理。总体上来说,国内建筑行业信息化趋势不可逆转,BIM技术作为这场建筑行业变革的关键技术必将越来越成熟规范。
    4.BIM消防行业应用展望
 
    消防工程作为建筑工程的重要一环,贯穿建筑设计、施工及运营维护整个生命周期,笔者根据消防工程多年的实践经验围绕BIM技术特点展开探讨BIM技术在消防行业各阶段可能的应用,抛砖引玉,以利用BIM技术提升消防设计、施工验收、消防安全管理的精细水平,进而提高建筑的整体消防安全水平。
 
    4.1.消防设计阶段
 
    1.消防设计复核
 
    传统的消防设计复核首先要了解建筑的基本情况,这就需要复核建筑的总平面图、平面图、立面图、剖面图来获取建筑的二维信息,通过二维的图纸在脑海中想象出三维的建筑特征,再对建筑消防设计的合规性进行审查,拿一栋50层的超高层项目来说,其主要的图纸就多达200份,消防审批部门需要针对每张图纸进行审查,这种传统的复核方式是一种逆推式的重复工作,将二维图纸还原出三维的建筑几何体,不仅效率低下而且容易遗漏部分细节,导致先天性消防隐患的产生。与传统CAD绘图相比,BIM模型是一种高度可视化的工具,建设工程审核人员可以从任一角度查看专业的三维模型,直观地读取设计者的意图,借助BIM模型,复核人员能够将更多精力集中于技术性审查,提高设计审查的效率和准确性。如在进行总平面布局合规性检查时,传统审核模式需要逐一测量建筑之间的防火间距,消防车道宽度、转弯半径、场地坡度等等参数,BIM模式下,审核人员只需要合理设置审查规则,软件就可以自动计算出相应参数指标并与设置的规范极限值进行比较并自动标注出不符合规定的设计,大大简化复核流程,提高审批的效率。

图4:基于BIM的消防设计审核模式示意图

图4:基于BIM的消防设计审核模式示意图 

 
    BIM技术运用消防设计复核后,还可以在工程设计的不同阶段(概念、方案、扩初)向模型中添加工程的所有相关信息,形成一个工程信息数据库,并通过网络充分共享,以达到信息的无损传递。
 
    2.消防设计优化
 
    随着人们对工程建设项目规模的需求日益扩大,追求的结构形式与建筑外观愈加复杂,企业和项目都面临着巨大的风险问题,尤其是消防风险。BIM技术的出现极大提高了设计质量和设计效率,并能有效克服上述风险。比如一些体量较大的商业综合体,其内部往往需要设置数目众多的中庭共享空间来营造宽敞明亮的购物空间,按照规范可以将这些共享空间设计为中庭或者带顶棚的室内步行街,通过BIM模型,建筑师可以在方案阶段提前对其进行比较和优化,选择最适合项目需求的方案,避免后期设计颠覆。而到了施工图阶段,设计师还可以利用BIM模型对防火分区划分,疏散走道宽度、楼梯位置等进行分析和优化,极大的提高了消防设计的质量和设计效率。
 
    3.特殊消防设计分析
 
    随着我国经济的快速发展,近年来出现了城市综合体、候机车船楼等大型交通枢纽,这些建筑因使用功能的需要,具有体量及空间巨大等特点,往往难以按照现行规范进行防火设计,此类建筑通常需要采用消防性能化设计的方法,通过软件火灾模拟来分析建筑的安全性。以往的火灾模拟通常采用FDS程序来实现,FDS程序再借助其它三维造型软件和网格生成工具如Pyrosim来处理较为复杂的几何场景,但由于软件本身的局限性,所有的模型和构件信息、建筑材料参数必须重新定义,往往还会进行一些简化,模型的精度直接影响模拟结果的可信度[4]。
 
    BIM模型是数字化的建筑中用虚拟建筑构件表达现实中建筑物的构件,所有内容都是以独有的构件形式存在,比如墙、梁、楼板、屋顶、门、窗等。每个构件都有相应的尺寸与信息内容,将建筑信息模型直接转换为火灾模型以提高软件模拟火灾的精确性及可信度,并大大节省二次建模的时间提高建模效率。
 
    4.2.消防施工验收阶段
 
    1.设计变更校核/碰撞检查
 
    消防工程是一个系统工程,包含水、暖、电等专业,传统的消防设计流程是水、暖、电各专业在建筑师初步设计图纸上进行设备施工图设计,各专业设计的图纸之间发生冲突之后,通过协调会等形式相互提条件修改最终生成二维施工图纸,这个阶段由于缺少承包方和施工方的参与,在施工中遇到的问题又将重新与设计单位进行协调沟通,整个过程的工作量大且容易出现错漏现象。而通过BIM的协同设计理念,各专业在同一个模型中进行设计,可以进行即时交流,同时,承包方和施工方能够在模型设计阶段参与,能够对变更方案进行校核评估,从而避免由于缺少沟通所造成的二次设计变更,提高设计效率,降低工程造价。

图5:BIM渲染图片

图5:BIM渲染图片    

图6:实际施工图片

图6:实际施工图片

 
    2.材料检测
 
    BIM技术的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型,利用数字化技术,为这一模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库,该信息库不仅完整包含了描述建筑物构件、装修材料的几何信息还包括这些材料的燃烧性能、发热量、产烟率等详细参数,通过这个模型可以协助材料检验机构对建筑各区域的火灾危险性进行分析,确定危险区域及需要进行燃烧性能测试的建筑构件及装修材料范围,同时利用BIM数据库还可以自动导出并生成构件/材料清单,该清单应包括材料的燃烧属性、使用位置以及使用量,这份清单还可以作为材料送检的依据,不仅提高了工作效率,还能帮助检验/审批机构加强对项目了解,降低消防审批风险。
 
    3.竣工验收
 
    传统的消防验收通常由验收人员对照竣工图纸根据消防验收评定规则对建筑各单项、分项工程按照一定的抽查比例进行验收,其过程主要依靠验收人员的工作经验进行现场评判,受场地及时间限制往往无法对建筑工程进行全面的验收检查,容易出现遗漏及误解的情况。通过BIM模型,消防验收人员可以指挥前方验收辅助人员达到指定位置,即可避免依靠二维图纸沟通容易出现误解的情况,又可直观进行实际消防施工情况画面与BIM模型的比对,对消防施工与设计的吻合度一目了然,而且该模型可作为验收资料进行存档便于日后查看。
 
    4.3.消防运营阶段
 
    1.协助后期消防运营管理
 
    现阶段消防运营管理存在最严重的两大问题:运营阶段与前期的“信息断流”问题,运维过程中的各数据之间“信息孤岛”问题。设计阶段一套消防设计理念及策略,运营阶段又是另一套理念及策略即存在“信息断流”问题,对于大型的建筑单位如机场/火车站/游乐场等人员密集场所,消防运营管理需要面对各式各样的部门,紧急情况下往往无法及时沟通,即存在“信息断流”问题。而BIM模型的所存储的建筑物信息,不仅包含建筑物的几何信息,还包含大量的建筑性能信息,是信息和模型结合,利用该模型可直接将运营前期的建筑信息直接传递到运营阶段,在运营阶段可根据具体运营方的管理要求创建基于BIM模型的操作平台,该平台储存了运营过程的全部数据信息,各部门可通过该平台共享数据信息,协同工作。消防运营管理部门可根据实际需求基于BIM技术定制以下应用[5]:
 
    1)消防设备状态监测联动控制
 
    通过第三方设备建立统一的通讯接口采集建筑内所有消防设备的运行参数及状态信息,如消防给水管网压力,消防供电设备,消防水泵/风机的运行参数及状态等,这些信息被完整准确的存储在BIM模型内,方便运营方各部门各专业人员通过统一平台进行监控管理,避免了“信息孤岛”问题。
 
    2)火灾工况模拟分析
 
    对建筑内火灾发生的过程和人员疏散的模拟分析,是数字化预案制定的一个必要环节。建筑消防设计阶段已对建筑进行了火灾场景仿真,仿真结果可直接使用,避免“信息断流”问题。同时,建筑在使用过程中,如出现建筑结构、功能和建筑材料的变化,数据库内的新兴可同步更新,再进行火灾场景仿真也变得较为便捷。
 
    3)数字预案表达与检验
 
    利用BIM虚拟现实技术,为数字化预案提供多维的表达方式。建筑火灾模拟过程可直观的显示,便于公众人员快速理解并熟悉预案。
 
    2.辅助消防安全课题研究
 
    BIM模型所包含的信息能满足建筑全生命周期的需要,实现绿色理念。通过BIM平台,可以展开虚拟现实及可视化的消防安全专题研究,比如人员密集场所紧急疏散策略研究。通过虚拟现实软件,设计人员可在三维场景中任意漫游,人机交互,检验疏散通道的设计是否存在缺陷?;贐IM模型,可针对节假日、赛事、集会等大型群众性活动进行可视化的疏散模拟,具有前瞻性,能够协助运营管理人员科学的编制疏散预案,而不用举行大规模的疏散演练对疏散预案进行检验。
 
    3.辅助消防救援指挥
 
    缩短火灾发生到消防人员到达现场的时间是扑灭大型公共建筑初期火灾,防止小火酿成大灾的关键,这一点对人员密集的大型公共建筑尤为重要。大型公共建筑作为消防重点单位,进入火灾状态后,城市消防指挥中心可在BIM数据库中提取建筑空间结构后,在虚拟的城市平台内显示建筑所在地点、周边路况、消防车道、消防水泵位置、火警所在位置等信息。信息的传递与提取均采用BIM数据格式,救援信息可在各个平台间快速、无损的传递,相关救援人员可通过BIM模型直接查看所需内容。各类信息快速准确的传递与查阅,进一步缩短了从火灾报警、消防部门接警出警、救援人员到达现场展开救援工作的时间,提高指挥中心的快速接警能力和消防部队的火灾救援效率。
 
    5.结语
 
    本文基于笔者消防工程从业经验对BIM在消防行业各阶段技术应用提出了初步想法,结合目前BIM在建筑行业的应用现状,笔者认为BIM技术在建筑行业的成熟应用还依赖于我国建筑信息化政策的大力支持和技术标准的进一步规范统一。BIM本身是一个技术软件,其推广和市场化如其他软件一样应同时注重后台服务器和前端用户界面两个层面的开发。本文主要讨论了作为行业从业用户的基本需求,后台服务器支持还依赖于BIM软件平台的整体开发(留有消防及其他建筑细分工种的接口)及消防同行对基于BIM的火灾专业软件的二次开发。

 参考文献:
 
    [1].杰里﹒莱瑟林,王新.BIM的重新定义:过程与技术[DB/OL]
 
    [2].柳建华.BIM在国内应用的现状和未来发展趋势[DB/OL]
 
    [3].刘思成.关于某项目中设计阶段下BIM的探索与实施[DB/OL]
 
    [4].陆扬.基于BIM的性能化分析手段在建筑防火设计中的研究与实践[DB/OL]
 
    [5].陈国良.基于BIM的消防安全管理综合应用系统探讨[DB/OL]

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