基于BIM模型的火災探測器自動布置方法研究

馬可天， 王佳

(北京建筑大學電氣與信息工程學院， 北京 100044)

消防設計在繪圖工作中十分繁瑣，涉及的設備種類是電氣設計中最為復雜的，其中設備布置比較繁瑣的當屬火災探測器[1]。對于一座大型辦公建筑的火災探測器布置工作而言，設計師甚至需要在一張平面圖中布置幾十個探測器，工作量大且操作單調(diào)。當前，設計單位通常采用AutoCAD繪圖軟件進行繪圖設計。運用AutoCAD進行繪圖工作時，因二維平面作業(yè)方式硬性限制，在設計效果呈現(xiàn)上不夠直觀，且設計院各個專業(yè)之間協(xié)同效率差使得電氣設計的繪圖效率較低。BIM繪圖軟件可以呈現(xiàn)建筑物的三維模型展示效果，且設計單位各個專業(yè)可以在同一建筑模型里進行共同作業(yè)。因此，本研究提出一種基于BIM的火災探測器自動布置方法，實現(xiàn)自動識別、提取建筑模型內(nèi)部空間，并根據(jù)消防規(guī)范中火災探測器的布置規(guī)則，實現(xiàn)房間內(nèi)布置火災探測器的自動布置。

目前，中外有關(guān)基于BIM在室內(nèi)自動布置消防設備的研究鮮少。現(xiàn)有有關(guān)自動設計的研究大多是有關(guān)自動抗震設計方面的應用。Daniele等[2]提出了基于建筑信息模型的非結(jié)構(gòu)元件的自動抗震設計，實現(xiàn)了在建筑模型內(nèi)自動布置灑水噴淋管道的設計。陳達[3]提出了基于AutoCAD的綜合建筑抗震支吊架的自動設計的研究，實現(xiàn)地鐵管道抗震支吊架的自動布置。還有一部分研究是針對在建筑平面內(nèi)自動布線的研究。傅軍棟等[4]提取一種基于混合粒子群的三維建筑電氣自動布線設計方案，建立了一種符合辦公建筑內(nèi)的數(shù)學模型。孔令明等[5]開發(fā)了一種自動三維布線系統(tǒng)，解決了在鐵路信號系統(tǒng)大規(guī)模線纜布設時效率低的問題。

針對目前消防設計存在的可視化程度低、人工設計工作較復雜且各專業(yè)協(xié)同性差導致的繪圖效率低等問題。現(xiàn)提出一種在房間內(nèi)自動布置感煙探測器的方法，根據(jù)三維凸殼增量算法和三維模型的布爾運算算法識別、提取出模型內(nèi)部空間，根據(jù)《GB50116—2013火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》中火災探測器的布置規(guī)則，實現(xiàn)房間內(nèi)火災探測器自動布置功能。

1 模型內(nèi)部空間提取方法

空間表示實際中或理論上界定的區(qū)域或體積，室內(nèi)空間是用于在建筑物內(nèi)提供某種功能的區(qū)域或體積[6]。在BIM軟件中，IfcSpace用于構(gòu)建建筑物的空間結(jié)構(gòu)。IfcSpace相關(guān)的語義信息存儲在建筑模型的IFC文件中，這些信息定義了建筑模型中每一部分的空間區(qū)域[7]。然而在實際應用中，大多數(shù)的模型在設計之初缺乏IfcSpace語義信息的設定，這就使得想要在一個完整的模型內(nèi)提取出單獨的房間和區(qū)域十分困難，為了解決這個問題，本文研究提出了一種提取模型內(nèi)部空間的方法。

首先，定義模型內(nèi)部空間：表示空間內(nèi)通過墻構(gòu)件分割成的具有功能性的空間體積。模型內(nèi)部空間通常包含樓板、墻、柱子、家具等構(gòu)件設施，是一個在室內(nèi)環(huán)境下封閉的功能區(qū)域:如房間、走廊或樓梯間等。為得到模型內(nèi)部空間區(qū)域，運用三維凸殼增量算法求取房間凸包，結(jié)合三維幾何體的布爾運算進行模型凸包與模型的“作差”處理，最終得到模型內(nèi)獨立的空間區(qū)域，再在得到的室內(nèi)空間內(nèi)布置火災探測器。模型內(nèi)部空間提取及探測器的布置流程圖如圖1所示。

圖1 模型內(nèi)部空間提取及探測器的布置流程圖Fig.1 Flowchart of model interior space extraction and detector layout

1.1 轉(zhuǎn)換坐標系

很多BIM模型在繪制時創(chuàng)建的x、y、z坐標并不平行于模型本身的長寬高。為了方便研究，首先通過4×4旋轉(zhuǎn)偏移矩陣對模型進行旋轉(zhuǎn)以使得模型的長寬高分別平行于x、y、z坐標軸。對于一個普通的BIM模型，建模時的z軸通常是建筑物垂直于地板高度方向的坐標。但對模型x、y軸的設定卻不一定平行于模型的長、寬方向。本文引入旋轉(zhuǎn)偏移矩陣，使模型的長、寬分別繞z軸旋轉(zhuǎn)至與x、y軸分別保持平行的角度。轉(zhuǎn)換x、y、z坐標的公式寫成4×4矩陣的形式，即

(1)

式(1)中：θ為建模之初x、y坐標底面與實際模型底面之間的夾角。

根據(jù)式(1)，得到經(jīng)過旋轉(zhuǎn)偏移之后模型對應的坐標值x′、y′、z′，以使得模型的三維坐標軸與模型的長寬高分別相互平行。

1.2 三維凸殼增量算法求取房間凸包

包圍盒的類型包括球體、軸對齊包圍盒、有向包圍盒以及凸殼/凸包等。凸殼通常可以被認為是包含模型全部點集合的最小凸多面體[8]。本文研究利用三維凸殼增量算法求取模型凸包，得到包含建筑模型全部點集合的最小凸多面體。三維凸殼增量算法的原理如圖2所示。

圖2 三維凸殼增量算法圖示Fig.2 Diagram of 3-D convex hull increment algorithm

圖3為模型凸包提取過程流程圖。首先在模型中提取P1、P2點，從模型中找到與P1、P2不共線的第三點P3，將P1、P2、P3組成平面N1，再從模型中找到與N1不共面的點P構(gòu)成多面體S，任取一點M判斷其位于多面體S內(nèi)部或外部，若位于外部則進行融合組成新的多面體。以此方法遍歷模型內(nèi)全部點，將模型中全部點進行上述方法的篩選，組成新的多面體，最終得到完整模型的凸包。如圖4所示。

圖3 模型凸包提取過程流程圖Fig.3 Flowchart of model convex hull extraction process

圖4 模型凸包示意圖Fig.4 Model convex hull diagram

1.3 三維布爾運算算法提取模型內(nèi)部空間

求得的模型凸包是包含全部模型內(nèi)部點集合的最小凸多面體。為進一步劃分出模型內(nèi)部空間區(qū)域，需要將模型凸包與模型進行“作差”處理，即通過三維幾何體的布爾運算刪去兩者相交部分，得到模型內(nèi)部的空間體積。三維布爾運算是對幾個三維立體圖形進行求交、并和差等運算[9]。假設有兩個立體圖形a和b，根據(jù)計算機圖形學運用式(2)對模型進行合并、作差等處理。

(2)

式(2)中：ainb表示a立體圖形的表面處于b立體圖形內(nèi)在的部分;aoutb表示a立體圖形處于b立體圖形外部的部分;(bina)-1表示b的表面處在a圖形內(nèi)部部分的補集。

根據(jù)上述方法劃分出模型內(nèi)部空間，每一個劃分出的模型內(nèi)部空間代表含有某種功能的房間。每一個房間用包圍盒表示以便于設計師進行可視化區(qū)分并方便進行后續(xù)火災探測器的布置工作[10]，如圖5所示。進而完成火災探測器的布置，如圖6所示。

圖5 房間內(nèi)部包圍盒Fig.5 Room interior bounding box

圖6 火災探測器的布置Fig.6 Layout of fire detector

2 火災探測器自動布置方法

消防設備在室內(nèi)布置時都有其相應的布置規(guī)則，其中火災探測器的布置較為復雜，需要根據(jù)房間面積大小、功能類型來選擇探測器的類型及相應的布置方式。

2.1 火災探測器的種類選擇

火災探測器的分類按照物質(zhì)在燃燒過程中產(chǎn)生的產(chǎn)物進行分類，如圖7所示，分為物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量轉(zhuǎn)換兩大類。物質(zhì)轉(zhuǎn)換又分為氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物，分別對應氣體探測器和感煙探測器。能量轉(zhuǎn)換有兩種：溫度和火焰光，分別對應感溫探測器、火焰探測器[11]。表1對主要探測器及其適用房間類型進行了匯總。

圖7 火災探測器的分類Fig.7 Classification of fire detectors

表1 不同探測器及其適用場所的劃分Table 1 Distribution of different detectors and their suitable locations

2.2 火災探測器的布置規(guī)則

在對房間進行火災探測器的布置時，首先要對設計場所的規(guī)模、功能用途進行分析與判斷。作為火災報警系統(tǒng)中最重要的設備，需對探測器的可靠性與實用性進行考慮[12]。探測器按照安裝方式分為點型探測器和線性探測器。對于公共建筑而言一般安裝點型探測器，點型火災探測器的布置規(guī)則[13]如下。

2.2.1 火災探測器布置個數(shù)的判定

對房間進行點型火災探測器的布置時，根據(jù)《GB50116—2013火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》中布置要求對房間內(nèi)所需布置的探測器個數(shù)N進行求取，公式為

(3)

式(3)中：S為房間面積；K為修正系數(shù)；A為保護面積。對于普通的辦公樓、實驗室等場所，K一般取值1.0；根據(jù)房間面積、房間高度以及屋頂坡度的不同，對房間內(nèi)所需布置探測器的保護面積A和保護半徑R進行取值選擇，如表2所示。

表2 探測器保護面積和保護半徑的選擇Table 2 Selection of protection area and radius of detector

2.2.2 火災探測器布置間距的判定

火災探測器的安裝間距依據(jù)消防設計規(guī)范中探測器安裝間距極限曲線圖進行判定。本文研究選取保護面積為80 m2的極限曲線進行探測器間距的選擇，如圖8所示。安裝間距的極限曲線根據(jù)式(4)和式(5)進行繪制而成。

圖8 探測器安裝間距的極限曲線Fig.8 Limit curve of detector installation spacing

ab=80

(4)

a2+b2=(2R)2

(5)

3 實驗驗證

針對目前消防設計存在的可視化程度低，且人工設計涉及專業(yè)多、設備布置數(shù)量大導致的繪圖效率低等問題，提出一種在房間內(nèi)自動布置火災探測器的方法。創(chuàng)建火災探測器自動布置插件以實現(xiàn)對模型房間內(nèi)火災探測器的布置。運用三維增量凸殼算法提取模型的凸包，根據(jù)三維布爾運算對模型凸包與模型進行“作差”處理，求得模型內(nèi)部空間區(qū)域。根據(jù)消防規(guī)范相關(guān)條例對房間火災探測器數(shù)量及方式進行相關(guān)計算。最后實現(xiàn)對模型房間內(nèi)火災探測器的自動布置。

為驗證本文提出方法的可行性，對北京建筑大學科研樓進行火災探測器自動布置實驗。該科研樓為二級民用建筑，耐火等級為二級。選取科研樓模型的其中一層作為實驗對象對建筑內(nèi)部房間進行火災探測器的自動布置實驗。

首先在火災探測器自動布置插件平臺上傳.ifc格式的建筑模型文件。上傳后的科研樓模型文件效果如圖9所示。

圖9 科研樓模型效果圖Fig.9 Model effect diagram of scientific research building

根據(jù)文中提出的三維凸殼增量算法求得該建筑模型的凸包，如圖10所示。再根據(jù)三維布爾運算得到與模型“作差”處理后的內(nèi)部空間區(qū)域。將這些內(nèi)部空間全部用包圍盒突出表示，每一個包圍盒代表具有特定功能的室內(nèi)空間。提取出的模型室內(nèi)空間包圍盒效果圖如圖11所示。

圖10 科研樓模型凸包效果圖Fig.10 Effect diagram of convex hull of scientific research

圖11 科研樓模型空間區(qū)域包圍盒效果圖Fig.11 Effect chart of surrounding box in model space area of scientific research building

提取模型室內(nèi)空間包圍盒上表面，計算包圍盒上表面面積，得到房間面積S。根據(jù)式(3)，求得房間所需布置探測器的個數(shù)N。根據(jù)式(4)和式(5)得出探測器之間的安裝間距a、b。得到房間內(nèi)火災探測器的布置參數(shù)即可完成對該科研樓火災探測器的自動布置，效果圖如圖12所示。

圖12 實現(xiàn)探測器布置的模型效果圖Fig.12 Model effect diagram for realizing detector layout

本文方法在不使用傳統(tǒng)繪圖軟件的基礎上實現(xiàn)了在房間內(nèi)自動布置火災探測器的功能。火災探測器種類繁多、數(shù)量大，對其進行繪圖布置時工作效率低、重復度高。本文提出的方法可以提升消防設計中火災探測器布置的可視化程度，減少因簡單重復工作導致的繪圖效率低等問題。

4 結(jié)論

提出了一種在BIM模型內(nèi)自動布置火災探測器的方法。創(chuàng)建火災探測器自動布置插件對模型進行探測器的布置工作。主要方法是應用三維增量凸殼算法求取模型凸包，根據(jù)三維布爾運算提取模型內(nèi)部空間。根據(jù)規(guī)范計算得出火災探測器的布置個數(shù)與間距，最后完成房間內(nèi)火災探測器的自動布置工作。本文研究相對傳統(tǒng)二維平面繪圖方式，提升了繪圖設計工作的可視性，增強了設計師對復雜建筑模型的理解力，避免因建筑工程龐大且布置工作單調(diào)等問題引起的繪圖錯誤，是設計繪圖工作從人工參與多到實現(xiàn)自動化的重要轉(zhuǎn)變。但是該方法依舊存在著一定的局限，比如該方法僅適用于規(guī)則的封閉房間，對開放式或者不規(guī)則的空間不適用。因此，在未來將對不規(guī)則空間的探測器布置進行進一步的研究。