基于BIM的火灾风险评估研究

王跃强，周 瑾

(1．上海城建职业学院 建筑与环境艺术学院，上海 201415；2．邵阳市消防救援支队，湖南 邵阳 422000)

目前火灾风险评估仅充当了补充消防规范不足的辅助性角色，没有充分体现出自身的技术优越性，原因是火灾风险评估方法还有诸多局限与不足[1-2]，例如当前火灾风险评估中普遍存在信息交互成本高且效率低的情况。近年来，新兴的BIM(Building Information Modeling, 建筑信息模型)技术凭借强大的数字化技术优势[3-4]，已在建筑设计、施工、节能和概预算等方面得到了广泛应用[5-6]。借助BIM技术可弥补火灾风险评估在信息交互方面的诸多局限，因此，将BIM与火灾风险评估相结合进行研究就显得很有必要。

Spearpoint[7]开发了基于BIM模型的文件解析器，可以从模型中直接提取所需信息导入火灾模拟软件中进行模拟；Dimyadi等[8]开发了一个基于网页的ifcSTEP-FDS工具软件，可通过XML格式的文件将BIM模型与火灾模拟软件进行数据转换；陆扬[9]将某博物馆大厅的BIM模型转换为火灾模型和疏散模型后进行了火灾风险评估；林天扬等[10]利用BIM和VR技术提出了建立可视化消防管理平台的方法；陈勇鑫等[11]将IFC(Industry Foundation Class，工业基础类)标准所描述的建筑构件几何形体和材料信息转换为火灾模型进行分析；道吉草等[12]基于Revit API二次开发技术，实现了BIM建筑模型与FDS软件之间的数据转换。现有研究主要是侧重于BIM技术在建筑防火某一方面的应用，缺少在多专业协同合作的基础上对基于BIM的火灾风险评估的系统研究。

本文针对火灾风险评估的局限性问题，结合BIM的技术优势，制定基于BIM的火灾风险评估方法，建立多专业参与的BIM防火平台，提高参与方在建设项目各阶段的信息交互效率，实现建筑全生命周期的安全评估。

1 火灾风险评估的局限性

1.1 信息互动性差。目前火灾风险评估中的建筑防火信息呈零散化、碎片化状态，由于缺少有效的建筑信息交互平台，造成了各专业或部门之间在进行信息交互时，普遍存在信息丢失、沟通不畅或交互成本过高等问题。

1.2 缺少建筑全生命周期安全评估。目前火灾风险评估仍是一种阶段性的、静态的设计与评估方法，主要应用在建设项目的方案阶段，缺少对建筑全生命周期的安全评估。另外，火灾风险评估仍无法在火灾频发的大量普通民用建筑中进行广泛应用。

1.3 与建筑设计联系不紧密。目前火灾风险评估工作主要由消防工程师承担，建筑师由于不具备消防工程学的专业知识，因而很难参与到评估的工作环节，这就造成了火灾风险评估与建筑设计的脱节，增加了设计成本。

1.4 火灾场景设定过于理想化。建筑火灾是一个受多方面因素综合作用的复杂过程，如果要科学合理地设定火灾场景，就需要收集建筑物各方面的信息，如建筑空间、功能、结构、装修、材料、火灾荷载、设备、人员特征和消防管理等。但就目前的建筑设计与消防制度来说，很难将这些信息完整、准确地实现量化收集与管理，因而导致在火灾模拟时主观设定的若干火灾场景可能与实际情况有较大差距。

1.5 火灾基础数据库不完善。目前我国火灾科学的基础试验数据和指标数据仍没有形成较完整的数据体系，特别是有些重要数据指标仍参考国外的相关规定，并不完全适合我国国情，因此建立和完善我国火灾基础数据库将是火灾研究领域一项重要而长期的课题。

1.6 缺少适合我国国情的火灾风险评估软件。目前我国使用的火灾风险评估软件绝大部分是由欧美国家开发的，由于在规范要求、设计方法、经济性、安全性、人员行为及个体差异等方面的不同，造成了国外的火灾风险评估软件与我国的实际设计需求存在一定差距，火灾评估的准确性与科学性需要进一步提升。

2 BIM及其特点

BIM通过数字化技术在计算机中建立的三维虚拟模型可提供建筑全生命周期的所有信息，这些信息能够在综合数字环境中保持不断更新，并可为各阶段使用者提供访问。BIM的主要内涵与技术特点包括：(1)BIM不仅记录了建筑物的几何特性，还记录了建筑物的功能特性，如材料特性、物理性能、防火性能等。(2)BIM是一个随着建筑物的生长变化而不断更新的协同过程，其记录了建设项目从策划、设计到施工建设，再到使用、运营，直至拆除的全生命周期的所有信息。(3)BIM可为包括开发商、业主、设计师、承包商、施工方、管理部门等在内的相关各方提供一个交互平台，各方根据自己的责任和权利来提供、获取相关信息。(4)BIM技术采用结构化的信息形式和面向对象的设计方法，可以准确、高效地实现信息的无损传递，将设计人员从繁重的重复劳动中解放出来，提高设计效率。(5)BIM是未来建筑领域新思想和新技术革命的代表，可以与云计算、智能建筑、数字城市、物联网等新技术紧密对接。

3 基于BIM的火灾风险评估方法

根据BIM的技术特点，笔者对目前通用的火灾风险评估方法进行了一定的优化，将BIM技术运用在评估的各阶段，突出BIM技术的高效性、可靠性与科学性，提出了基于BIM的火灾风险评估基本流程，如图1所示。

图1 基于BIM的火灾风险评估基本流程

BIM在火灾风险评估各阶段的应用包括以下几个方面：

3.1 在对建筑周边环境进行评估时，通过BIM可以与GIS系统(Geographic Information System，地理信息系统)共享建筑物的相关规划信息，如城市规划要求、场地环境、相邻建筑、消防道路、消防给水与市政设施等；通过BIM模型可以提取建筑设计信息，如建筑功能、用途、重要性、规模、高度、平面布局、特色空间、火灾荷载及可能起火源的分布状况等；通过BIM信息数据库可提取使用人员的特性、数量、消防培训情况等；可以明确建筑设计所遵循的标准、规范与法规，检查核实建筑方案是否符合相关防火规范；通过BIM与消防管理平台的互动，可定量分析当地消防部门的人员装备、素质、应急响应时间等消防救援水平。

3.2 在确定建筑物的消防安全目标时，通过BIM分析评估系统，可以根据建筑物的功能、重要性、业主要求及建筑特点进行综合判断，提出可能的消防安全总体目标及子目标，如保证建筑物内使用人员以及救援人员的人身安全，保证建筑物内财产的安全或减少火灾造成的财产损失，建筑物的结构不会因火灾作用而受到严重破坏或发生垮塌等。

3.3 通过BIM分析评估系统，可明确建筑火灾风险评估的定量化目标，如最高人员伤亡数量、最大财产损失程度、结构安全程度以及明确生命安全和非生命安全标准(热效应、毒性、能见度、火灾蔓延和烟气损害)等。

3.4 在进行建筑物火灾风险评估时，通过BIM信息数据库可方便高效地实现建筑模型到火灾模型的转换，建立可靠的火灾模拟场景(火灾位置、起火源、可燃物特性、火灾增长规律、建筑材料、使用情况、门窗及通风情况等)，建立合理的人员疏散模型(人员数量、分布、类型、清醒程度及人员素质等)。通过BIM信息数据库提取消防系统信息，评估火灾探测与报警系统、自动灭火系统、防排烟系统等消防系统的可靠性与安全性等。

3.5 在方案优化阶段，利用BIM信息数据库可实现多种火灾模拟软件(FDS、Phoenics、Fluent)的比较分析，验证所设定火灾场景的合理性、火灾性能判定标准的适用性以及模拟结果的可靠性等。另外，BIM分析评估系统可分别采用故障树分析、事件树分析和可靠性分析等方法对建筑物进行火灾风险评估。

3.6 在编制火灾风险评估报告阶段，利用BIM提取建筑物的基本信息，生成相关图表，描述消防安全目标和满足目标的设计条件，描述设定的火灾场景与所采用的分析模型、前提假设、选择依据等，描述分析模拟结果与判定标准的比较等，并按照标准格式生成火灾风险评估报告。

4 基于BIM的建筑防火信息交互平台研究

4.1 BIM防火平台的概念

当前国内外在建筑施工、节能和概预算等领域开发了若干基于BIM的信息交互平台，而关于火灾风险评估的BIM信息交互平台的研究还不多。笔者在参考了国内外有关BIM信息交互平台研究的基础上[5-6]，针对火灾风险评估中信息交互问题提出了基于BIM的建筑防火信息交互平台(简称BIM防火平台)，初步制定了其体系框架，如图2、图3所示。

图2 基于BIM的建筑防火信息交互平台

图3 BIM防火平台体系框架

4.2 BIM防火平台的功能要求

随着我国城镇化进程的加快，完全依靠人工的消防审查方式已不能满足社会的建设需求，有必要建立基于BIM防火平台的自动或半自动消防审查系统。BIM防火平台能够将火灾风险评估的成本大幅降低，可使火灾风险评估在大量普通民用建筑中得到广泛应用，这样在确保普通民用建筑满足现行规范的前提下，通过BIM防火平台可以进一步提升建筑物的安全性能。通过BIM防火平台可实现建筑全生命周期的安全评估，尤其是在建筑物的使用阶段，业主和消防部门可以通过BIM防火平台及时掌握建筑物的消防安全状态，对火灾风险较高的建筑物进行连续监控和及时整改。BIM防火平台可基于IFC标准进行自动数据转换。BIM防火平台可将导入的BIM文件格式存储在IFC数据库中，并能够自动提取下游火灾模拟软件所需的参数，可以将IFC数据自动转换为火灾模拟数据，从而节省人工成本。

4.3 BIM防火平台的初步开发

笔者初步开发了设计阶段BIM防火平台的操作界面和功能菜单，如图4、图5所示。其主要功能包括：(1)以IFC数据存储的建筑模型信息可以与火灾模拟文件格式进行自动转换；(2)提取设计阶段与建筑防火相关的信息，如建筑空间、火灾荷载、人员状态、消防设备等信息；(3)检查建筑方案的规范性指标，如建筑防火分区、防火间距、疏散距离、构件的耐火等级、消防设备等是否符合现行防火规范的要求，能够以显色或文字标注的方式标注出设计中不合规范之处；(4)利用平台自带功能对建筑方案的火灾性能进行分析计算，如建筑空间火灾性能计算及绘制火灾性能表现图等；(5)调用外部火灾模拟软件对建筑方案进行火灾模拟，如FDS模拟、人员疏散模拟、结构防火性能模拟等；(6)根据模拟结果对建筑进行火灾风险评估并生成报告。

图4 设计阶段BIM防火平台系统操作界面

图5 设计阶段BIM防火平台系统功能菜单

5 结论

5.1 基于BIM的火灾风险评估方法可实现建筑全生命周期的安全评估，基于BIM的建筑防火信息交互平台可提高建设项目各阶段的信息交互效率。

5.2 BIM防火平台是对建筑火灾风险评估进行深入研究与广泛应用的必要技术保障，其代表了火灾风险评估研究的发展方向，有可能会给现行的消防管理体系带来变革。

5.3 BIM技术与火灾风险评估相结合的研究思路，可以科学有效地扩大火灾风险评估的应用范围，特别是针对当前面临较严峻火灾形势的普通民用建筑。如果能够在保证大量普通民用建筑满足现行建筑防火规范的同时，对其进行火灾风险评估，及时发现并解决存在的消防问题，则可以极大地降低火灾发生概率，提高我国建筑消防安全的整体水平。