基于BIM技術的交通樞紐工程消防管理信息系統(tǒng)

鄧鐵軍，吉韻芝，鄧紅波

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基于BIM技術的交通樞紐工程消防管理信息系統(tǒng)

鄧鐵軍1, 2，吉韻芝1，鄧紅波2

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 2. 湖南大學 設計研究院，湖南 長沙 410082)

由于高鐵站、機場航站樓等大型交通樞紐使用人員多、單層面積大、疏散距離長，在消防管理方面存在諸多客觀難點。以性能化設計思想為核心、BIM技術為平臺，建立BIM大型交通樞紐工程消防管理信息系統(tǒng)。從BIM建模、消防應急預案及實施救援到消防設施維護管理，研究BIM技術在類似建筑的消防全壽命周期中的具體運用，為BIM技術在大型交通樞紐工程消防管理信息化提供新的方法和思路。

BIM技術；消防管理；信息系統(tǒng)；火災模擬；場景設計

高鐵站、機場等作為大型交通樞紐，人員周轉密集，內(nèi)部出入手續(xù)辦理大廳、行李托運區(qū)、商貿(mào)餐飲區(qū)、辦公區(qū)等場所眾多、環(huán)境復雜，消防救援難度大。一旦發(fā)生火災，后果將非常嚴重，極有可能影響到高鐵站或機場的營運，使列車、航班延誤或中斷，造成極大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。同時，由于目前針對高鐵站或機場航站樓建筑的消防規(guī)范較少，因此，此類大型交通樞紐只能依照普通建筑防火設計規(guī)范進行消防設計。但大型交通樞紐設計較為獨特、占地面積大，容易出現(xiàn)防火分區(qū)超出規(guī)范、疏散距離過長、主體建筑采用的大體積鋼結構材料耐火性較差等問題[1]，管理方面也存在組織結構缺乏整體性、駐場單位責任不明確、應急預案專業(yè)性不強等問題，極大地影響了交通樞紐工程的消防管理效果。大型交通樞紐工程存在的消防設計問題需運用性能化設計解決。性能化設計指利用消防工程學原理，依據(jù)建筑物火災發(fā)展特性制定防火目標，并對火災危險性定量分析和預測，從而完善防火設計并為制定救援方案提供方向的一種設計方法。而管理問題則需要通過加強管理機構整體性、系統(tǒng)性，提高管理能力的專業(yè)性、協(xié)調(diào)性來解決。BIM(Building Information Modeling)技術為同時解決上述2類問題提供了支持。BIM技術是用于實現(xiàn)工業(yè)、建筑業(yè)精細化和信息化管理的重要工具，它可以利用項目信息建立3D模型進行仿真模擬，具備可視化、可優(yōu)化和信息關聯(lián)等功能。由于其強大的整合協(xié)調(diào)功能，研究人員相繼提出了將BIM技術應用到消防設計與管理中的設想。王佳等[2?3]研究BIM在消防全周期當中的理論應用，馬建龍等[4?5]研究BIM在消防設施管理中的運用，陳遠等[6?7]則通過案例介紹了BIM在消防救援中的應用。但整體而言，目前消防管理領域對于實際應用問題如BIM技術如何在消防管理各階段起作用、如何在大型交通樞紐這一特定場所進行消防管理等的研究較少。本文在此背景下，構建基于BIM的交通樞紐工程消防管理系統(tǒng)，探討B(tài)IM技術在此類建筑的消防全壽命周期中的具體運用。

1 基于BIM技術的交通樞紐工程消防管理信息系統(tǒng)

本系統(tǒng)是利用BIM技術搭建而成的適用于大型交通樞紐工程消防管理的信息系統(tǒng)，以性能化設計思想為核心、BIM為平臺，利用IFC標準化整合BIM建模、火災模擬和人員疏散等軟件形成完整的信息通路。通過BIM平臺的信息共享和聯(lián)動，可加強各部門間的聯(lián)系，消防部門參與其中進行專業(yè)管控。從BIM建模、火災模擬、實施救援及日常維護等方面進行全過程消防管理，從而達到提高溝通效率和專業(yè)性、減少火災隱患、降低救援難度和保障人員安全的目的。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1) 基礎平臺：BIM平臺；

2) 應用平臺：消防設計審查系統(tǒng)、火災模擬預案系統(tǒng)、實際救援疏散系統(tǒng)和日常維護管理系統(tǒng)；

3) 數(shù)據(jù)庫：BIM數(shù)據(jù)庫、火災模型數(shù)據(jù)庫、消防設施數(shù)據(jù)庫和其他數(shù)據(jù)信息。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)在消防管理全過程中的應用

系統(tǒng)運作流程可劃分為BIM建模、火災模擬、實際救援和日常維護4個階段，如圖2所示。

本系統(tǒng)涵蓋了一個完整的建筑消防全壽命周期， BIM建模階段為基礎工作，構建的BIM模型作為建筑信息集成載體，為后續(xù)的火災模擬、實際救援和日常維護3個階段的管理提供了基礎平臺和數(shù)據(jù)支撐。下面就系統(tǒng)各階段的具體工作及BIM技術的應用進行說明。

圖2 系統(tǒng)工作流程

2.1 BIM建模階段

BIM交通樞紐工程性能化消防救援管理系統(tǒng)在BIM建模階段的具體應用如圖3所示。

1) 建立模型：包括建立工程建筑模型和建筑機電設備模型(即Mechanical Electrical Plumbing， MEP)。與一般建筑建模相比，因使用的目的性，本系統(tǒng)建模過程中需加入更多消防設施信息。

2) 消防圖紙審查：利用3D圖形并渲染著色，可以更加直觀地對防火分區(qū)、消防管線等進行審查，此外還可接入二次開發(fā)的各類審圖軟件來輔助審查，驗證建筑消防設計是否滿足防火規(guī)范要求[8]。

3) 后續(xù)修改：交通樞紐內(nèi)各部門如商業(yè)開發(fā)部門對建筑使用功能、空間分隔進行后期調(diào)整時，可以通過BIM技術的聯(lián)動性實時體現(xiàn)在模型中，在所有相關信息中實現(xiàn)“一動全動”，使其對整體消防功能的影響一目了然。

4) 建立建筑消防信息庫，錄入交通樞紐工程消防相關的所有信息，包括建筑信息、消防設施信息、消防管理職責分工等，便于后期進行信息查詢。

圖3 系統(tǒng)在BIM建模階段的具體應用

2.2 火災模擬階段

因為大型交通樞紐體量大、建筑結構較特殊，需要依照性能化設計步驟開展消防模擬。包括以下幾方面。

1) 設計火災場景：針對大型交通樞紐的建筑特點設計火災場景，確定火災的發(fā)生背景和火災發(fā)展模型，從而反映出建筑發(fā)生火災時可能發(fā)生的最不利情況[9]。具體包括起火源位置、火災荷載、熱釋放速率模型和火災發(fā)展時間等，為軟件模擬初始參數(shù)的確定提供依據(jù)。

2) 火災軟件模擬：將上一階段建立的BIM模型導入模擬軟件，輸入初始參數(shù)，對設計火災場景進行火災模擬和人員疏散模擬。

目前較常用的消防模擬軟件有利用Pyrosim進行前處理的FDS+EVAC(火災煙氣+人員疏散模擬)軟件、人員疏散模擬軟件Pathfinder和SIMLUX等，此類軟件都需要構建建筑模型，但直接在這些軟件中建立的模型往往精度較低，模擬結果與實際情況存在一定誤差。而利用BIM技術能構建出信息更完整、精度更高的模型，不僅包含位置和結構信息，還具備材料、家具、管線以及消防設施等信息，令火災模擬更精準。

2.3 模擬結果運用

對煙氣蔓延情況、火場溫度分布、人員疏散情況等模擬結果進行分析。

1) 優(yōu)化消防設計：基于BIM模型的火災模擬給消防管理信息系統(tǒng)的使用者提供了一種3D可視的交互界面，火災發(fā)生后建筑內(nèi)煙氣的走勢、火勢的大小和蔓延、人員逃生的流向等都可以生成3D動畫進行演示。同時通過模擬反饋的數(shù)據(jù)，可以更為直觀清楚地檢查建筑防火分區(qū)、建筑功能區(qū)的劃分、消防設備的配置是否滿足消防和人員疏散要求等，并針對問題進行調(diào)整，達到消防設計的再優(yōu)化目的。

2) 制定應急預案：根據(jù)模擬結果有針對性地制定數(shù)字化消防應急預案，對易發(fā)多發(fā)、救援難度大的位置重點預防。并且充分利用BIM模型存儲信息多樣且全面的特點，可以將相關的救援預案信息存入工程消防管理信息庫，進而指導實際救援，提高救援效率和可靠度。

此外，還可以將火災模擬的結果導出為3D動畫，作為消防教育素材，讓旅客更直觀地接受消防教育、熟悉逃生通道。

2.4 實際救援階段

發(fā)生火災時，消防人員可以利用BIM三維模型漫游功能快速直觀地掌握建筑內(nèi)部信息、火源位置和著火點周邊情況等信息；也可從系統(tǒng)信息庫中調(diào)取應急預案，根據(jù)火災實際情況作相應調(diào)整，從而更科學快速地制定出消防救援方案。

2.5 日常維護階段

大型建筑發(fā)生火災時，利用建筑內(nèi)部的消防設施進行初期自救十分關鍵，因此需要確保這些消防設施在日常運行中完好有效[10?11]。在設施維護方面，利用BIM的實時性、動態(tài)性和聯(lián)動性，可以在系統(tǒng)可視化交互界面中借助設施名稱、編號等信息快速準確地查看任意位置設施信息，并且實現(xiàn)后期設施維護管理如新設備采購更新、老舊壞損設備處置更換等，提高運維管理的工作效率。

管理方式上，在建筑消防全壽命周期各階段創(chuàng)新消防管理模式，變多頭管理為多方協(xié)同管理，設計方、建造方、交通樞紐管理公司各部門及當?shù)卣啦块T共同參與，在統(tǒng)一的BIM平臺上進行消防管理，各方關系從串聯(lián)式變成了扁平式，實現(xiàn)信息的平行對接、快速傳遞，提高溝通和工作效率。

3 工程應用

3.1 工程概況

案例工程為某機場擴建航站樓，主體建筑地上2層，局部設備用房地下1層，建筑高度23.60~28.8 m。總建筑面積2 0165 m2，建筑類別為中型建筑，結構類型為鋼筋砼框架結構和鋼結構屋面，耐火等級二級。根據(jù)工程圖紙及相關資料建立該航站樓BIM模型如圖4所示。

3.2 消防設計分析

本案例工程消防設計依據(jù)包括該機場工程可行性研究報告、設計任務書、《建筑設計防火規(guī)范》(GB50016—2014)、《民用建筑設計通則》(GB50352 —2014)和《民用航空運輸機場安全保衛(wèi)設施》(MH/ T 7003—2017)等。

3.2.1 防火分區(qū)

航站樓內(nèi)防火分區(qū)示意圖如圖5。

各防火分區(qū)主要功能如表1所示。

由于混凝土原材料的使用量大，而且運輸不便，所以大部分的混凝土組料采取就地取材的方式，以降低成本，提高效率。因我國幅員遼闊，各地區(qū)的地質(zhì)情況差異較大，在配制混凝土時所用水泥、砂石的物理化學性質(zhì)不盡相同，這些材料在自然條件下的含水率也可能有較大差異。這些因素最終決定了混凝土的強度、耐久性、密實度等性能是否能達到設計要求。所以，在不同的自然條件下，混凝土的配比和配制方式就成為保證混凝土質(zhì)量的關鍵。

圖4 項目3D模型效果圖

(a) 1層防火分區(qū)示意圖；(b) 2層防火分區(qū)示意圖

表1 案例工程防火分區(qū)參數(shù)

本工程共6個防火分區(qū)，各防火分區(qū)的面積較大，呈不規(guī)則分布，且有防火分區(qū)1和5跨樓層分布，平面圖展示無法達到完整立體效果。而在BIM航站樓消防管理系統(tǒng)中，利用航站樓BIM模型，用不同顏色標記不同防火分區(qū)，能顯著提升直觀性，提高設計審查工作效率。

3.2.2 消防設施

BIM建模軟件中自帶各類管道及通風設備，在建模式可以直接創(chuàng)建。此外還可以手動創(chuàng)建其他設備自建族，將消防設備各項屬性如功能、成本和供應商等錄入并存入消防設施信息庫，為后續(xù)工作做準備。

3.2.3 消防管線

建筑消防設計中存在大量管線，包括消防給水系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)和火災報警系統(tǒng)等，都屬于建筑MEP設計內(nèi)容。BIM技術支持MEP各專業(yè)設計信息共享，并進行管線碰撞檢測模擬。

此外，還可以應用BIM技術對建筑消防設計進行審圖，以三維模型代替二維圖紙，接入二次開發(fā)的圖紙審核軟件輔助審查，就能夠有效解決傳統(tǒng)的二維審圖時由于直觀性不強而帶來的設計圖紙中錯、漏、碰、缺等常見問題[12]。

3.3 火災軟件模擬

3.3.1 火災場景設計

結合工程設計說明和實地調(diào)研，對各防火分區(qū)內(nèi)的可燃物構成情況及燃燒熱值進行統(tǒng)計，各防火分區(qū)的火災荷載密度及相關參數(shù)如表2所示。

表2 案例工程航站樓各防火分區(qū)火災荷載統(tǒng)計表

注：防火分區(qū)1主要為庭院花園，火災荷載較小，不考慮

可知防火分區(qū)5空間面積和平均火災荷載密度均為最大，且最大疏散距離為99 m，大于《建規(guī)》規(guī)定的37.5 m，發(fā)生火災的可能性和危害性相對較大，因此選取防火分區(qū)5進行火災和人員疏散模擬。防火分區(qū)5 的2層局部平面圖如圖6所示。

圖6 防火分區(qū)5的2層局部平面圖

根據(jù)防火分區(qū)5的建筑布局和火災荷載密度，將其內(nèi)的商貿(mào)餐飲區(qū)中心確定為起火源。火災荷載密度=387.8 kW/s2。熱釋放速率模型采用2模型，根據(jù)火災荷載密度和房間裝飾裝修等級確定火災增長系數(shù)為0.057 1，從而得到航站樓防火分區(qū)5的熱釋放速率曲線模型為=0.057 1t。根據(jù)采用的2模型，計算出該單元火災場景內(nèi)的最大熱釋放速率為4.265 MW。

3.3.2 火災軟件模擬

將航站樓BIM模型輸出為DXF格式，導入到Pyrosim軟件中，結合火災場景設計分析，輸入火災模擬和人員疏散的各基本參數(shù)，生成FDS文件運行，生成的模擬結果可經(jīng)Smokeview軟件生成動畫顯示。

3.3.3 模擬結果分析

評價建筑消防設計的2個重要指標是ASET (available safe egress time)和RSET(required safe egress time)值，即火災發(fā)生后人員疏散可利用的安全時間和人員安全撤離所需要的時間。ASET值可通過分析火災模擬結果中煙氣上下層溫度、火場能見度和煙氣層高度3個指標隨時間的變化得到；RSET值可通過人員疏散模擬結果得到。只有當ASET>RSET時，才能保證人員安全疏散，建筑消防設計滿足要求[13]。

根據(jù)軟件輸出結果，得到火災發(fā)生150 s和860 s后建筑內(nèi)煙氣蔓延和人員疏散情況分別如圖7所示，2號樓梯處煙氣層的高度隨時間的變化如圖8所示。

整理出與ASET相關的指標參數(shù)值如表3 所示。

結合表3相關數(shù)據(jù)可得：安全出口1號樓梯處的ASET值為920 s，安全出口2號樓梯處的RSET值為860 s。根據(jù)最不利原則，取較小值，即防火分區(qū)5的ASET值為860 s。

圖8 2 號樓梯處煙氣層的高度隨時間的變化

表3 ASET指標參數(shù)

同時，根據(jù)EAVC人員疏散模擬的結果，可得防火分區(qū)5的RSET值為823 s，略小于ASET值。因此，防火分區(qū)5的消防設計基本滿足安全要求。

3.4 模擬結果運用

基于BIM模型的FDS+EVAC模擬結果，本案例防火分區(qū)5的消防設計基本符合要求，但局部地區(qū)煙氣層下降速度過快，人員在逃往安全出口的過程中受到煙氣威脅。同時疏散過程中，消防安全出口使用不均，大部分人員逃往2號出口，造成擁堵，人員疏散流向不合理。針對模擬中出現(xiàn)的問題，提出以下建議：

1) 對消防設計進行優(yōu)化：①加大2層候機區(qū)高大空間側面的機械排煙排量；②提高商業(yè)餐飲區(qū)防火墻防火等級；③適當調(diào)整候機室、商業(yè)區(qū)布局，可以在1號和2號樓梯之間增設一級防火卷簾以改善疏散路線。

2) 完善應急救援預案：①將火災模擬過程中防火分區(qū)5內(nèi)1號出口、2號出口使用不均衡的現(xiàn)象反饋到BIM模型的數(shù)字化消防應急預案中，增強預案的針對性和專業(yè)性；②將模擬結果生成的3D動畫演示在候機廳人員較密集處進行播放，讓旅客對火災發(fā)生時的逃生通道、安全出口有更直觀的 了解。

4 結論

1) 提出BIM技術在交通樞紐工程消防管理中的具體應用思路，構建BIM交通樞紐工程消防管理信息系統(tǒng)。以BIM技術作為核心平臺，綜合使用消防火災模擬和人員疏散等軟件，全方位、全過程地進行消防安全管理，有利于推動大型交通樞紐消防信息化管理模式的實現(xiàn)。

2) 從建筑物消防全生命周期的角度，包括BIM建模、救援預案制定、火災救援以及消防設施日常維護等方面，對系統(tǒng)各階段的具體工作及BIM技術在各階段的應用進行詳細說明。

3) 結合某航站樓改擴建工程實例，對BIM交通樞紐工程消防管理信息系統(tǒng)在該航站樓消防安全管理中的具體運用進行分析，通過建立BIM模型、進行火災模擬等對該航站樓的消防設計進行完善，對救援預案的制定提出相關建議。

[1] 趙焰林, 柳濟杰. 機場航站樓消防設計研究[J]. 價值工程, 2010, 29(32): 100?101. ZHAO Yanlin, LIU Jijie. Study on fire fighting design for airport terminal[J]. Value Engineering, 2010, 29(32): 100?101.

[2] 王佳, 周小平. BIM在建筑消防中的應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2016: 31?33. WANG Jia, ZHOU Xiaoping. Applications of BIM in building fire protection[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2016: 31?33.

[3] 王丹凈. BIM技術在消防工程中的應用[J]. 吉林省教育學院學報(中旬), 2014, 30(12): 92?94. WANG Danjing. BIM technology in fire fighting engineering[J]. Journal of Educational Institute of Jilin Province, 2014, 30(12): 92?94.

[4] 馬建龍. 淺析BIM在消防設備管理中的應用[J]. 土木建筑工程信息技術, 2016, 8(5): 86?89.MA Jianlong. Feasibility study on BIM technology in fire equipment management[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2016, 8(5): 86?89

[5] 李升一, 王佳. 基于BIM的消防產(chǎn)品庫構建研究[J]. 消防技術與產(chǎn)品信息, 2016(10): 71?75. LI Shengyi, WANG Jia. Based on BIM’s fire product library construction research[J]. Fire Technology and Product Information, 2016(10): 71?75.

[6] 陳遠, 任榮. 建筑信息模型在建筑消防安全模擬分析中的應用[J]. 消防科學與技術, 2015, 34(12): 1671? 1675. CHEN Yuan, REN Rong. The application of BIM in building fire safety simulation[J]. Fire Science and Technology, 2015, 34(12): 1671?1675.

[7] 陸揚, 李嘉軍, 蘇駿. 基于BIM的性能化分析手段在建筑防火設計中的研究與實踐[J]. 土木建筑工程信息技術, 2011, 3(4): 63?71. LU Yang, LI Jiajun, SU Jun. Study and practice on BIM-based performance analysis in building fire safety design[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2011, 3(4): 63?71.

[8] 蔣士磊, 常民. 淺析BIM技術在建筑消防中的應用[J].工程建設與設計, 2017(13): 73?75. JIANG Shilei, CHANG Min. Application of BIM technology in building fire protection[J]. Engineering Construction, 2017(13): 73?75.

[9] 王金平. 我國典型既有建筑火災荷載的標準值[C]// 中國消防協(xié)會, 安徽省消防總隊. 2013中國消防協(xié)會科學技術年會論文集, 2013. WANG Jinping. The standard value of fire load for typical existing buildings in China[C]// China Fire Protection Association, Anhui Provincial Fire Brigade. 2013 China Fire Association Annual Conference of Science and Technology, 2013.

[10] Fontana M, Favre J P, Fetz C. A survey of 40 000 building fires in Switzerland[J]. Fire Safety Journal, 1999(32): 137?158.

[11] Dorothy Bruck. The who, what, where and why of waking to fire alarms: a review[J]. Fire Safety Journal, 2001(36): 623?639.

[12] 紀凡榮, 徐友全, 曾大林, 等. BIM技術在某項目管線綜合中的應用[J]. 施工技術, 2013, 42(3): 107?109. JI Fanrong, XU Youquan, ZENG Dalin, et al. Application of BIM technique in some comprehensive Pipeline project[J]. Construction Technology, 2013, 42(3): 107? 109.

[13] 楊高尚, 彭立敏. 公路隧道火災性能化安全疏散設計與防火安全評估研究[M]. 成都: 西南交通大學出版社, 2012: 15?18, 31. YANG Gaoshang, PENG Limin. Study on performance- based evacuation design in road tunnel fire and fire safety evaluation[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2012: 15?18, 31.

Fire management information system of traffic hubs based on BIM technology

DENG Tiejun1, 2, JI Yunzhi1, DENG Hongbo2

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Design Institute of Hunan University, Changsha 410082, China)

There’re many difficulties in fire management of large traffic hubs such as high-speed rail station and airport terminal, because of its large number of users, large single floor area and long evacuation distance. This paper built a fire management information system of large traffic hub with the core of performance-based design and the platform of BIM technology. Discussed the application of BIM technology in the whole fire protection life cycle of this kind of building, from fire control design, emergency response and rescue to actual maintenance stage, the new methods and ideas were provided for the application of BIM technology in the fire control field of large traffic hub.

BIM technology; fire management; information system; fire simulation; fire scenario design

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.034

TU714

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0542 ? 08

2018?03?01

湖南省住房與城鄉(xiāng)建設廳科技項目(2017BIMS0016)

鄧鐵軍(1960?)，男，四川夾江人，教授，從事建筑工程施工與經(jīng)濟管理及工程項目管理研究；E?mail：dengtiej@ 163.com

(編輯 陽麗霞)