高層建筑施工場地布置優化研究＊

■ 黃鶯 熊文文 賴錦翌 劉夢茹

1.西安建筑科技大學土木工程學院 西安 710055

2.江西碧桂園地產有限公司 南昌 330000

0 引言

高層建筑在我國城市建設進程中展現出強大的生命力，與此同時，高層建筑施工中的火災安全事故也在頻繁發生。在高層建筑施工過程中，施工現場作業空間有限、生產要素密集，常伴有明火作業，致使高層建筑施工現場極易發生火災事故[1]，并且在施工階段，固定消防設施還未投入使用，一旦發生火災，常會因為現場消防設施不能提供可靠保障，致使高層建筑火災在豎向通道以及外界風的作用下迅速蔓延，形成大空間立體火場，從而造成大量人員傷亡和財產損失[2]。傳統的施工消防安全管理模式主要是依靠人的經驗檢查識別火災危險源，缺乏科學的方法和技術手段，效率低、效果差，現已難以滿足高層建筑施工消防安全管理的要求，而建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）技術的發展為施工安全管理水平的提升提供了強有力的技術支持。

BIM 技術作為建筑業數字化和信息化管理的重要工具，具有強大的整合協調功能[3]，并且，通過二次開發技術可實現更高層次的BIM 應用。目前，國內外很多學者就BIM 技術應用于消防安全進行了研究。Guofeng Ma[4]等基于BIM 構建了一個包括火災智能監測、預警、響應和處理的火災應急管理系統（Fire Emergency Man‐agement System,FEMS），幫助用戶決策選擇最佳逃生路線。Qi Sun[5]等開發一個基于BIM 的仿真框架，用于模擬不同的建筑布局場景火災的擴散和疏散性能。王印[6]等研究了Revit 與火災動力學模擬軟件（Fire Dynamics Simulator, FDS）的數據交互，通過應用程序編程接口（Application Programming Interface,API）二次開發技術將Revit 模型轉化成包含材料等屬性信息的FDS 火災模型。張蒙[7]等通過將BIM 技術與Pathfinder軟件結合，建立相應的應急疏散仿真模型，以此來研究樓梯間堆積物對高層住宅建筑人群火災應急疏散的影響。鄧鐵軍[8]等研究了BIM 技術在大型交通樞紐工程消防全壽命周期中的具體應用，并建立了相應的消防管理信息系統。道吉草[9]等應用Revit API 二次開發技術將FDS 和人員疏散模擬軟件（Pathfinder）模擬的火災與人員疏散結果信息集成到BIM 模型中，從而構建出完整的基于BIM 的建筑火災安全應急分析機制。2020年，葉繼紅[10]等創新性地提出了將BIM 模型與元胞自動機相結合的消防員救援路徑動態規劃系統。基于對以上研究的分析可知，目前的研究大多數集中在如何將BIM 技術應用于火災安全管理應急機制中，對于運用BIM 技術從源頭上預防火災安全事故的研究涉及較少。

大多數的高層建筑普遍存在施工場地狹小問題[11]，而該問題是引發施工現場火災事故的重要因素。所以高層建筑施工安全防火的源頭管控不僅要靠規范施工作業，而且依賴科學合理的施工組織設計，以確保施工現場平面中的臨時設施、設備布置滿足消防安全技術規范要求。因此在施工現場平面規劃階段，如何充分利用有限空間的施工場地，布置出同時滿足施工作業與消防安全管控要求的方案至關重要。本文以高層建筑施工建設過程中的施工場地布置為研究對象，將施工消防安全技術規范和BIM技術相結合，利用Revit API二次開發技術構建基于BIM 技術的施工消防安全規則檢查系統，以判斷施工現場臨時用房和設施是否滿足安全距離要求，然后對高層建筑施工平面布置進行優化設計，從而有效的避免火災事故發生。近年國家多個部委積極推動建筑信息化與智能建造，建筑信息化模型是其重要依托，因此課題獲得西安市住房和城鄉建設局資助，開展基于BIM 的施工安全管理研究，本文是該課題項目的部分成果。

1 基于BIM 技術的高層建筑施工消防安全規則檢查理論

1.1 消防安全規則檢查系統方案設計

傳統建筑施工過程中的消防安全管理主要是通過人工巡查消防設施與管理等缺陷，因此無法在施工活動開展前識別出施工現場中的潛在火災風險因素，并且在實際工程中，施工現場的布置也主要是依據管理人員的經驗進行判斷，缺乏科學有效的方法輔助施工管理人員對施工現場平面進行布置與優化。BIM 技術使用建筑工程項目的各項相關信息數據建立建筑模型，然后借助數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息[12]，具有可視化、模擬性、協調性、優化性和可出圖性等特點。針對高層建筑施工消防安全管理的特點，引入BIM 技術，可通過其三維模型對施工現場的平面布置與空間使用規劃等進行可視化分析，在動態展示施工現場空間使用功能同時，還可以更加直觀的方式分析施工現場臨時用房與設施的布置是否能滿足相應施工消防安全技術規范的要求。

如圖1介紹了本文基于BIM技術所構建的消防安全規則檢查系統框架。首先結合施工火災案例與施工消防安全管理人員的經驗，從施工消防技術規范與案例經驗中篩選可數據化的條文，將其編譯成計算機便于識別的規則，利用Easy GHM 軟件構建施工消防安全規則庫；其次是以Revit 軟件作為集成平臺，將建筑、施工、安全與進度信息等集成到建筑信息模型中，形成BIM 安全管理模型，從而可以直觀、動態的對施工過程進行精確的消防安全規則檢查模擬，然后再根據檢查結果對模型中布置不合理部分進行優化調整，以確保編制的施工平面布置滿足施工消防安全技術規范要求。

圖1 施工消防安全規則檢查系統架構設計

1.2 安全距離檢查多目標模型

基于消防安全角度對施工現場規劃布置進行優化，主要是考慮現場臨用房、設施、明火作業點、可燃物的放置點等的空間位置是否合理、布置是否達到消防安全距離要求，因此本文所設計的消防安全規則檢查系統的核心就是實現建設施工消防安全技術規范的查閱和現場安全距離的檢查。對施工現場臨時設施、設備進行安全距離檢查與組成該物體的材質無關，只涉及構件的形狀、尺寸，因此與構件的幾何形心有密切關系。BIM 模型可得到同一平面內兩臨時用房和設備（構件族）的形心坐標(xi,yi)、(xj,yj)，假定臨時用房或設施的長度分別為li、lj，寬度分別為wi、wj，通過查閱施工消防安全技術規范確定它們之間的安全距離閾值為Sij，基于此構建如下公式（1）～（3）安全距離檢查多目標模型[13]，經計算即可驗算臨時用房或設施分別在x、y方向上是否滿足安全距離要求。

式中：i≠j,i,j∈[0,n],i,j∈Z+；Cε和Cδ分別表示所驗算的兩臨時設施在x和y方向上的距離與安全距離閾值的差值；Fij表示x、y方向上安全距離最大富余值。由于施工場地都極為有限，往往難以同時在x和y方向上達到要求，因此，只需其中一個方向的距離達到要求，即Fij≥0，可認為所檢查的兩設施滿足消防安全技術規范的距離要求，若Fij< 0，則表示不滿足消防安全距離要求，且|Cε|、|Cδ|表示在施工現場布置優化過程中其一個設施應相向布置的最小距離。此外，施工現場臨時設施的布置還應考慮與在建工程的距離是否能滿足安全防火距離要求，此處以臨時設施與在建工程的最小垂直距離Cλ作為其驗算距離，當Cλ> 0即滿足消防安全距離要求。

2 建筑施工消防安全規則庫的構建

2.1 安全規則標準參數化

基于BIM 的建筑施工消防安全規則檢查系統的實質是對現場設施、在建工程等進行消防安全檢查，BIM技術難以實現直接根據建設施工消防安全技術規范中的條文對施工現場進行檢查，必須要將相關規范條文轉譯成BIM 模型可識別的數據信息，才能實現對模型中臨時設施、在建工程等的消防安全檢查。能被BIM 模型識別的規范條文首先應有明確的約束對象，此外，還應有具體的約束條件，如距離或相關參數的限制等。計算機語言是由“0”、“1”按照不同規則排列構成的代碼，因此需要將能被BIM 模型識別的規范條文的名稱、類型、屬性等信息，編譯成由對象、參數、邏輯組成的計算機規則模板。以臨時疏散通道相關的消防安全技術規范條文為例，對其進行安全規則標準參數化設定，如表1所示，在施工過程中，可根據施工現場的實際情況，利用條件判斷選擇邏輯來選擇對應的消防安全優化措施。

表1 施工防火規則

2.2 搭建建筑施工消防安全規則庫

本文主要以國家標準中的消防安全規范條文為依據，結合對施工現場火災風險因素的實地調研，利用Easy GHM 軟件，所構建出建筑施工消防安全規則庫如圖2所示。該庫包括建筑施工消防安全規范與火災危險源信息兩大內容板塊。建筑施工消防安全規范板塊，主要是利用2.1 所述安全規則標準參數化原則對《建設工程施工現場消防安全技術規范》[14]進行研究，篩選、編譯出可被數據化的規范條文，本文以施工現場臨時用房與設施布置、防火間距、以及在建工程與臨時用房防火管理相關規范條文為例做了標準化處理。鑒于建筑施工場地存在較多的建筑材料及制品，其燃燒性能與消防安全息息相關，因此基于火災危險源信息板塊則主要依據《建筑材料及制品燃燒性能分級》[15]及查閱相關資料構建，此處以危險性較大、用量較多的油漆為例，通過對其理化特性、危險性、預防措施等進行簡要說明，使管理人員可通過本文構建的建筑施工消防安全規則庫快速查閱高危建筑材料特性，進而對其進行一定的分區，確保明火作業點與易燃易爆材料倉庫、堆場等保持一定的安全距離。

圖2 施工消防安全規則庫

3 基于Revit二次開發的場地布置優化

3.1 Revit二次開發

Revit 作為我國建筑業BIM 體系中使用最廣泛的軟件之一，其內部有完整的API為Revit的二次開發提供了強大的技術支持。Revit API 是一套已經被開發人員編輯好的，可以與外部程序實現完美關聯的函數，它是一個類庫，為用戶對Revit 進行功能擴展提供了一個研發平臺[16]，并且API 采用.NET Framework 架構，允許開發人員編譯任何.NET 所支持的程序語言，包含Visual Ba‐sic .NET、C#及C++，用戶可根據自己的應用需求利用API 對Revit 創建新的插件，實現不同的設計和施工需求，通過集成第三方應用，實現鏈接外部數據庫、轉換數據與分析等應用，進而將更多的功能集成于Revit中。

利用Revit API進行功能擴展的開發，主要有外部命令(IExternal Command)與外部應用(IExternal Applicat‐ion)兩種方式。采用外部命令擴展Revit，是在代碼編寫完成后，從IExternal Command 接口派生，只有一個抽象函數Execute()，通過重載該函數實現外部命令；而采用外部應用進行功能擴展，繼承的IExternal Application 接口，需要加載On-Startup( )和OnShutdown( )兩個抽象函數才能實現程序的開發[17]。這兩種模式在開發前首先要引用Revit API.dll 和Revit APIUI.dll兩個接口裝配文件，Revit API.dll 文件包含的方法可以完成在數據庫層對Revit 的應用、文檔、對象和參數的控制，而Revit API‐UI. dll 包含了操作和Revit 用戶界面層的所有自定義API接口。

3.2 安全距離檢查功能的Revit二次開發

借助BIM 技術執行施工現場消防安全技術規范，完成對建筑施工現場消防安全檢查，不僅能以直觀的方式表述規范條文，而且通過與BIM 安全管理模型的信息交互，可實現消防安全規則自動檢查，降低施工火災發生的可能性。本文以消防安全距離檢查為目標，借助Re‐vit API 二次開發實現高層建筑施工消防安全檢查，并且在Revit 中對臨時用房或設施的布置進行可視化調整，從而實現在一個平臺上對高層建筑施工場地進行布置優化，大大提供了工作效率。

本文充分發揮Visual Studio 2019平臺優勢，使用C#語言對Revit 2016 版本進行功能擴展。Revit 2016 軟件開發工具包，即Revit SDK（Software Development Kit）里含有Revit API 幫助文檔及RevitLookup，在進行安全距離檢查插件開發時，可直接利用Visual Studio 2019 中的工具箱功能，引入Revit API.dll 和Revit APIUI.dll 兩個程序集，然后采用外部命令方式對Revit 安全距離檢查功能進行開發。具體開發流程如圖3所示。

圖3 系統開發流程圖

3.3 消防安全距離檢查插件界面設計

本文利用Revit API 二次開發技術所構建的建筑施工消防安全規則檢查系統，其核心功能是對施工現場臨時用房和設施進行安全距離檢查，主要是通過查閱消防安全規則，驗算現場設施距離是否滿足安全距離要求，進而對不滿足消防安全規范距離要求的臨時用房和設施采取措施加以調整。施工現場臨時用房和設施安全距離的計算，涉及臨時用房或設施的寬度、長度等幾何信息，利用上文基于Revit API開發的安全距離檢查功能可得到檢測對象的具體信息，計算出施工現場臨時設施間的距離，通過與標準安全距離進行驗算，即可實現現場臨時用房和設施間消防安全距離的自動檢查。為了便于對消防安全規則進行查閱，通過外鏈接方式將構建的建筑施工消防安全規則庫鏈接至安全防火距離檢查平臺中，最終設計出的界面如圖4所示。

圖4 消防安全距離檢查插件界面

4 應用實例分析

4.1 工程概況

某科研樓項目，總建筑面積約9 萬m2，總用地面積約4.77萬m2，地下2層，地上11層，建筑高度48.9m，為框架剪力墻結構。該項目臨近主要交通干線和小區住宅，施工場地面積較為狹小，目前，該項目地面平整已基本完成。本文依據施工組織設計中平面布置方案，利用Revit 2016 建立了如圖5所示的基于BIM 的安全管理模型，該施工場景模型中包含現階段在建工程現狀和及施工現場設施的布置，具體有鋼筋加工區、材料堆場、現場道路、生活區等的布置，以及施工機具、腳手架、塔吊等的設置。

圖5 基于BIM的安全規則檢查模型

4.2 基于BIM的消防安全距離檢查

在完成施工BIM 安全管理模型的建立后，就可對施工場地中的臨時用房、設施、以及與在建工程等的距離進行檢查。施工區材料庫房、明火作業點、鋼筋加工棚、配電房與堆放可燃材料廢物料的臨時用房作為失火的高危點，其與周邊臨時用房、設施之間的距離不滿足安全規范要求是導致施工現場火災的主要原因之一。因篇幅有限，本文僅對高危險區的臨時用房和設施距離進行消防安全距離檢查，具體如圖5中施工區一、施工區二的臨時用房和設備，結果見表2和表3。

表2 施工區一距離檢查結果(單位m)

表3 施工區二距離檢查結果(單位m)

4.3 檢查結果分析及方案優化

基于上文安全距離檢查理論對表2-3 中的數據進行分析可知，檢測的施工區一、二的平面布置方案中有多組距離不滿足消防安全技術規范要求。在施工區一中，具體有明火作業場所P、木工房Q 與在建工程安全防火距離不滿足要求，此外，周轉材料庫房M 與可燃材料庫房N、明火作業場所P 與木工房Q 之間未保持安全距離要求。施工區二，首先是鋼筋加工棚R 擬定的位置未與在建工程保持安全距離；其次是垃圾池T 與廢物料回收房S、配電房U 的距離也不滿足規范要求；并且S、T 中都可能存在可燃物，因此S、T 與宿舍D 之間的安全距離閾值為5m，經計算可知，S、T 與D 之間的最小距離分別為FSD= -4.32m，FTD= -0.29m，均不滿足最小安全距離要求。因此，施工管理人員在對施工區臨時用房、設施的布置進行優化時，可在BIM 模型中根據以上檢查數據結果對不滿足規范要求距離的臨時用房和設施做相應調整，直至施工現場各臨時用房、設施之間的安全距離都滿足規范要求。

5 結論與建議

5.1 研究結論

本文結合建設施工消防安全技術規范條文與Revit API 二次開發技術，從消防安全角度對高層建筑施工場地布置優化進行研究，構建了基于BIM 技術的施工消防安全規則檢查系統，從而實現了快速對施工現場臨時設施進行消防安全距離檢查，得到的檢查結果，為管理人員對不滿足安全距離要求臨時設施的調整優化提供了技術支持，從而做到對火災危險源的事前管理，有效避免火災事故的發生。本文基于BIM 技術開發的消防安全距離檢查系統僅考慮了施工現場臨時用房、設施、在建工程等的防火間距，對于如何實現以完整的消防安全技術規范對在建工程進行全面檢查，還有待進一步研究。

5.2 相關建議

5.2.1 完善施工消防安全規則庫

施工消防安全規則庫是通過對建筑施工火災事故分析后所建立的施工活動、火災危險和消防安全規則之間的明確關系庫，是BIM 技術用于識別和控制火災危險源觸發因素的重要基石，包含施工消防安全規范對施工現場進行實時動態檢查的管理方法。現有規則庫僅針對施工現場空間規劃進行了臨時用房布置的合規性檢查，對于其他消防安全規則的論證和應用不夠。建立考慮多因素協調、適用不同應用場景的的施工消防安全規則庫，對于提升BIM 技術在施工消防安全領域的應用意義重大。

5.2.2 強化建筑施工消防安全規則檢查系統集成設計

應從系統框架、功能模塊、組織流程及運行步驟等方面入手，打造多元化集成設計的施工消防安全規則檢查系統，不僅僅能滿足對臨時用房或設施的安全距離檢查以及施工平面優化布置設計，同時，利用Revit 二次開發的基于BIM 的安全距離檢查程序還能在復雜的高層施工場景以及在三維空間完成立體施工消防安全的檢查和施工組織優化設計，使得施工消防安全規則檢查系統向多功能集成和更好的適用性方面進行優化。

5.2.3 構建基于大數據的云集成與共享服務平臺

本文的研究僅僅將消防安全規則檢查作為切入點，所構建的施工消防安全規則檢查系統只適用于單體項目的施工安全管理信息的集成和共享，不具備跨平臺協作能力，而大多工程項目都存在相同的風險因素。因此，建立基于大數據的云集成與共享服務平臺，將實時采集的安全管理信息進行標準化處理，借助機器學算法等人工智能方法對數據與相關風險進行研究學習，并將其存儲于云服務器中，通過共享服務功能可提高實時采集的安全管理信息的利用效率。