BIM技术在建筑火灾中的应用综述

秦艳慧，胡孔知

(1.青岛理工大学 滨海人居环境学术创新中心，青岛 266033；2.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525)

近年来，建筑物火灾已经成为威胁人们人身财产安全的灾害之一，随着城市化进程的快速发展，大量的建筑综合体涌现，这些建筑内部的装饰材料可燃物多，随之出现的是建筑消防隐患。公安部消防局政务公开数据显示，2009—2019年火灾造成的人员伤亡、经济损失和火灾发生数量如图1所示(http://www.119.gov.cn/xiaofang/)。频繁发生的建筑火灾造成了大量的人员财产损失，直接影响经济社会发展。

图1 2009—2019年全国火灾造成人员伤亡和财产损失

建筑物一旦发生火灾，火灾发展迅速且具有很强的随机性，若想对被困人员进行快速疏散，减少人员伤亡，准确快速有效的救援疏散路径引导就显得尤为重要[1]。火灾发生时，消防救援人员到达火灾现场后需迅速做出救援方案，但是由于消防员对建筑物复杂的内部结构了解少，因为对疏散路线的不熟悉而导致的疏散效率低是目前亟待解决的问题。传统的疏散引导通常使用二维疏散引导图进行静态疏散，二维疏散引导图存在直观性差的问题；若疏散救援人员对建筑物复杂的内部结构不熟悉，则不能及时找到消防设备或在安全时间内找到安全出口，因此，建立具有较强直观性的三维疏散模型非常必要[2]。传统的消防疏散引导通常是静态的，没考虑起火点位置对疏散路径的影响，现代建筑内部结构复杂，安全出口多，起火点的位置会影响疏散路径选择，因此，传统的静态引导方式存在疏散引导效率低的问题[2]。消防疏散演习虽然可以被用来研究建筑物的安全疏散问题，但参加消防疏散人员不重视和敷衍的现象时常发生，并且消防疏散演习存在着耗时长和成本高的问题，消防疏散演习覆盖人员范围小，其所能达到的演习效果有限[3]。

因此，在火灾发生时，救援人员如何全局掌控灾害空间布局和建筑结构信息，如何规划最佳的动态的火灾救援疏散路径，这些问题都值得探讨。随着计算机技术的发展，格子气模型、元胞机自动机模型和社会力模型等虚拟仿真模型被应用到火灾救援工作中，但疏散仿真对建筑结构信息、建筑内可燃物性能和消防设备的数量和位置的表达不详细，这些都会降低仿真效果[4-7]。

1 建筑内部火灾救援研究

随着20世纪初GIS(Geographic Information System)技术的快速发展，消防GIS系统不仅具有普通信息管理系统的采集、管理、分析和输出等功能，还具备强大的空间分析和辅助决策功能，比如灾害危险程度分区、灾害类型分析和灾情动态演变等，可有效和直观地显示在电子地图上，并为消防救援人员提供室外救援路线和一些辅助决策。通常情况下，GIS 技术平台能够实现建筑物的二维图纸分析，建筑消防系统复杂、数据信息量大并且非常繁琐，建筑物的二维图只能获得建筑内部和消防设备的空间拓扑关系，并不能满足建筑消防的透视思维等专用功能。仅利用消防GIS系统目前尚无法获取建筑物内部信息，而各种大型公共建筑通常具有复杂的内部结构，火灾发生点多变，因此，在开展建筑物的消防救援工作时，不但需要能够在灾难事件突发的第一时间进行响应，还需要能够在灾难发生时全面把握与疏散有关的所有建筑物内部空间结构及其详细信息，并且能准确、快速和动态地为疏散救援人员指引合适的疏散通道[8]。所以，若能够提供建筑疏散通道出入口位置，其内部消防设施配置信息和建筑内部空间结构信息，将可以更好实施救援工作[9]。

随着计算机技术和建筑信息技术的发展，BIM技术应运而生。目前，有关BIM的定义主要有四种：建筑一体化管理 (Building Integration Management)、建筑信息管理 (Building Information Management) 、建筑信息建模 (Building Information Modeling ) 、建筑信息模型 (Building Information Model)，尽管以上四种定义存在一些差异，但其表达的本质含义都相同，即在整个生命周期中生成、使用和管理建筑数据的过程[5,10]。基于BIM技术建的建筑模型，不再是面、线和点等简单元素的组成，还会包含梁、柱、窗、门、墙体和建筑内的一些基础设施。BIM技术具有模拟性、可视性、可协调性、可优化性及可出图等特征，为传统的建筑消防设计和建筑火灾救援带来了新方法和新技术[11]。BIM技术的模拟性特征可以为疏散救援提供模拟场景，使人们能在电脑上进行消防疏散演习，这样既能给没有参与过实际演习的人们带来火灾场景的真实感受，也能适当降低消防演习的经济成本；其可视化特征，为救援疏散提供空间视觉体验；可协调特征可以将实际建筑物整合成三维可视化模型，便于漫游体验，使消防救援人员可以直观、迅速地掌握火灾建筑周边情况及建筑内部信息；优化性特征可以对多种建筑疏散方案进行优化对比，进而选择高效的救援疏散方案；其可出图性特征可以给疏散救援方案提供二维图纸和表格，供火灾救援用[10-12]。

将BIM技术和传统的建筑消防管理的有效结合，可以为火灾救援疏散提供完整且详细的建筑信息，反过来也可以将建筑消防的相关信息反馈到BIM模型中，以便及时对BIM模型进行更新和完善，进而提高建筑消防安全水平[13]。BIM技术应在数据信息共享和交换方面充分发挥其优势，为行政执法部门和物业管理单位的管理提供保障。GIS和BIM的主要功能都是创建空间信息模型，GIS主要用于宏观层面的室外建模，BIM主要用于微观层面的室内建模(室内设备信息和构件等)，GIS和BIM的结合，即为宏观和微观的结合[14]。GIS系统和BIM模型分别负责建筑物外边和内部的数据信息，基于两者优点，并将两者结合加以应用，即可帮助解决目前火灾救援过程中存在的诸多问题[5,9]。在国内，目前BIM技术多应用在建筑设计和施工领域，2011年才出现关于BIM 技术在建筑火灾应用的相关论文发表，BIM 在建筑火灾方面的研究在国内尚处于起步阶段，因此，值得进一步探索和发展[1]。在火灾发生后，消防救援人员迫切需要了解事故建筑物内部详细信息(比如安全出口、消防设施的存放位置、疏散通道、建筑构件和防火分区等)和火灾周边的外界环境信息(火灾现场周边的风向和风力、有无安全避难地方、周边的交通环境等)，以便在最短时间内制定救援方案，提高建筑火灾消防救援效率[15]。进一步对相关文献调研后发现，目前与此相关的研究结果有限，且尚未形成体系，主要集中在BIM技术在防火监督方面的应用(火灾发生前)，BIM技术在火灾现场模拟的应用(火灾发生时)和BIM技术在应急疏散的应用(火灾发生后)，因此，本综述对目前主要集中的三方面相关成果进行总结梳理，并对未来需要深入研究的工作进行展望，可为消防救援相关工作提供一定的参考。

2 BIM技术在建筑火灾中的应用

2.1 BIM技术在防火监督方面的应用

BIM模型具有精确性和真实性，即模拟环境与实际环境非常相似，基于BIM模型的优势，可以对已经投入使用的建筑物的消防设施进行调整和更新。BIM模型所存储的建筑物信息，不仅包含了建筑的几何信息，还包含大量的建筑性能信息，是模型和信息结合，利用该模型可直接将前期的建筑信息形象直接反映在消防员面前，可以让管理人员在短时间内对建筑消防设施有直观的印象。

陈远等[16]提出了一种基于 BIM 的建筑消防安全管理应用框架，并验证 BIM 技术在建筑消防安全管理中的实现和应用价值，为建筑消防安全管理提供了技术支持和参考。王林等[9]提出将BIM模型嵌入到城市消防指挥GIS系统中，可以实现建筑物内部详细信息的漫游功能和可视化，进而可以提高建筑消防救援的效率和准确性。陆扬[17]在性能化防火设计中应用BIM技术，并将BIM模型转换为疏散和火灾模型，通过设定消防安全目标，考虑火灾发生、发展和蔓延的基本规律与烟气蔓延规律，实现消防性能相关模拟，并完成对黑龙江五大连池博物馆的消防性能化设计。王佳等[18]研究了基于 IFC(Industry Foundation Class) 标准的 BIM 技术在大型公共建筑应急管理领域和消防设计的应用，推动建筑的扁平化、交互化和动态化的消防管理模式的实现。周建亮等[19]将 BIM 与应急救援预案工作相结合，并用 BIM 技术模拟施工动画和应急预案演练，证实结合的可能性，起到了预案作用。张勇[20]对江苏省南京市某科研楼进行建筑火灾模拟分析，表明基于BIM技术的建筑消防疏散模型，可以给出人员疏散建议方案和风险评估。谢东[21]构建基于BIM技术的高层建筑消防安全管理模型，实现了对消防设施的全面管理和对管理信息的共享，并为提升高层建筑消防安全管理水平提供了合理化建议。

由以上研究可见，在火灾发生前，救援人员若能全局掌控灾害空间布局和建筑结构信息，可在火灾发生时实现最佳的动态的火灾救援疏散路径规划，BIM技术对实现建筑消防模式的扁平化、动态化和交互化具有推动作用，但大部分研究还仅限于理论上的提出，实施到实际应用的还不太广泛。

2.2 BIM技术在火灾现场模拟方面的应用

目前，许多大型建筑采用FDS(Fire Dynamics Simulator)软件对火灾现场进行模拟，再将其与BIM和VR(Virtual Reality)技术结合，可以为火灾现场提供多维数字化救援预案，建筑设计人员可通过三维场景进行建筑漫游和人机交互等，即可以实现对建筑疏散通道的设计是否合理的检验[22]。

KHAN等[23]利用BIM的可视化编程工具进行相应建模工作，发展了一种基于多智能体的建筑消防安全规划仿真系统。LÜ等[24]提出一种基于BIM和VR的室内震后火灾救援方案仿真框架，并以某医院19层建筑为例建立火灾救援方案，结果表明，此方法建立的VR场景具有很高的真实感和流畅的交互性，烟雾对火灾救援的影响比落下的碎片更为显著。BI等[14]设计一种以 BIM 技术为核心的数字化的防火应急管理系统，该系统几乎包含所有建筑信息，可大大改善应急救援效率，同时结合优化的防火设计、人员疏散软件和火灾动态模拟，实现智能化的火灾应急分析。王婷等[25]将BIM 模型分别导入Building Exodus人员疏散软件和Pyro Sim火灾模拟软件，进而将BIM模型转换为疏散模型和火灾模型，这样简化了直接使用火灾模拟软件建模的工作量，同时也体现了BIM技术的可视化和数据化的特点。邓朗妮等[26]将BIM模型导入疏散模拟软件Pathfinder，通过火灾模拟软件Pyro Sim建立模型，研究广西百色图书馆在火灾发生时的烟气温度分布、烟雾扩散及能见度对疏散逃生的影响，并对比疏散所需时间与火灾发生后可用逃生时间，得出对于像图书馆这种人员不密集而且安全出口较多的建筑，在火灾还未蔓延时，馆内人员均能逃离现场。李俊尧[27]将应急疏散系统成功应用在“国金中心”，该系统可以根据建筑物内不同的火灾点，通过交互性操作对火灾位置信号进行决策，能够有效提高火灾逃生效率。

综上所述，在火灾发生时，消防救援人员通过BIM技术、VR技术和火灾模拟软件，可提高建筑物的真实感和人机交互感，进而实现对建筑疏散通道和火灾位置进行决策，并对火灾应急救援提供重要参考信息，能够有效提高建筑物火灾逃生效率。

2.3 BIM技术在应急疏散方面的应用

BIM技术与应急疏散预案软件结合，可以实现可视化的疏散模拟，协助管理者在建筑物举办大型群众活动时编制疏散预案，此种结合方式可以生成各个房间和各个楼层的应急疏散动画模拟，可以形象地对相关救援人员进行疏散培训[22]。目前此方面的应用较多，研究成果相对成熟。

RUPPEL等[28]，WANG等[29]，LI等[5]利用BIM技术与VR技术相结合建立仿真疏散场景进行疏散救援模拟。RUEPPEL等[30]、TEO等[31]和 WALDER等[32]通过BIM为救援人员提供准确的建筑内部信息，使其能够对室内被困人员进行精确的定位，有利于提高救援效率。WANG等[33]提出一种基于分布式架构的方法，利用 BIM 模型和 Cell-DEVS 疏散算法在云中进行模拟，研究人群疏散行为。汪再军等[34]分析了 BIM 技术应用于应急疏散模拟中的必要性与可行性，制订了应急管理 BIM 模型参数信息、建设范围和建设深度，为 BIM 模型与疏散模拟软件的结合奠定了一定理论基础。李宏程等[35]以上海市儿童福利院为例，基于BIM技术模拟疏散所需时间，并与实际演练疏散所用时间进行比较，认为消防疏散模拟应重点考虑人员拥挤情况和救援通道的宽度等对疏散时间的影响。吴水根等[36]将某高10层的住宅BIM模型导入到Pathfinder应急模型，通过建立合理的疏散模型，与常规利用全楼梯疏散相比，表明在实际火灾逃难过程中，如果能保证电梯的安全性，使用电梯为主步梯为辅的疏散模式，可以对高层建筑的逃生效率有所提高。李勃衡等[37]将华北科技学院博观楼BIM模型导入到Pathfinder 软件中，建立了教学楼应急疏散模型，此结果可以为高校教学楼的设计提供优化设计方案及为教学楼的管理提供参考。杨烜峰等[38]运用逃生模拟分析软件结合建筑物BIM模型，研究不同逃生路径及疏散人数等差异化参数设置对疏散效果的影响，这一结果有利于建筑师优化和调整建筑设计，并有效缩短灾害逃生时间。高雪等[2]结合VR和BIM技术建立消防疏散模型，并利用图论相关技术，实现了在建筑物内部的三维动态的疏散路径引导，使得消防救援指挥变得科学、高效和便捷。何欣等[39]将BIM模型和Pathfinder结合，以某商场建筑为例，仿真模拟人员疏散过程，并讨论分层疏散、整体疏散、开闭不同楼梯间疏散等三种疏散方案的结果，模拟结果可以为紧急情况下的疏散救援工作提供解决方案。徐建辉等[40]基于BIM技术下的疏散模拟方法，定量模拟分析上海天文馆两个假定火灾场景下人员全部安全疏散所需要的时间，确定建筑物在不同火灾场景下的人员安全状况，可以为大中型公共建筑物发生火灾时的人员疏散安全管理提供指导。

查阅文献发现，BIM技术对于大型建筑物火灾疏散的影响主要表现在对消防指挥救援效率的提高，具体归纳为以下3个方面：1)提高消防应急预案管理水平；2)提高消防人员的信息识取能力；3)提高普通人员的自救能力[41]。在火灾实战中，消防指挥员迫切需要了解火灾周边的环境和建筑内部的有效信息，供其在短时间内提出救援实施方案。但目前消防部门对辖区内建筑基本情况的数据信息的管理通常是碎片化，难以保证对建筑信息的准确与及时掌握[42]。BIM 技术的优势，能够清晰明了地显示建筑物消防设施的位置、防火分区、疏散通道的状态等，这些信息能够给消防应急救援预案提供一定的指导意义，可提高建筑火灾指挥救援效率[43]。目前，消防救援人员通常通过已有的二维建筑平面图了解建筑物的内部空间结构进而以此来实施救援。BIM 技术的三维可视化功能则可以协助消防救援人员快速熟悉出事建筑物内部空间结构，进而及时高效地进行救援指挥。将BIM技术引入到传统火灾救援中，可以使消防员从传统的通过看图纸转换为三维建筑模型详细熟悉建筑物的内部空间结构状况，可以减少消防人员时间和精力付出[18]。大多数人对建筑的结构、消防疏散路径并不熟悉，一旦火灾发生，多数人会变得慌张和盲目，导致无法做出理智且正确的逃生判断和决策。虽然现在也经常进行消防演习，但绝大多数普通人参与消防演习的机会并不多，消防演习能达到的效果也可能不理想。目前虽然建筑物内部通常会在醒目位置张贴消防疏散指示平面图，但大家通常会忽视，分析其原因主要是人们的自我安全意识淡薄。火灾发生时，普通人能快速有效地看懂消防疏散平面图也存在一定困难。BIM 技术的三维可视化和漫游模拟功能，可给普通群众带来火灾场景感受使其在真正面临火灾时可进行理智有序地进行自救，进而可以大大减少人员伤亡。综上分析，无论是从救援方还是被救方，BIM技术在建筑物火灾救援的应用给火灾消防指挥带来很大的冲击和变革，让各类信息能快速且准确的查阅与传递，可以缩短从火灾报警、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，提高消防人员的火灾救援效率[18]，同时还应更多地去拓展其附属价值，如根据业主的需求，可以将BIM模型与消防疏散软件进行融合，还可以将其应用到日常的消防安全教育宣传中[44]。

综上所述，BIM技术可以及时并持续提供各项实时数据，借助BIM技术的可视化和模拟性等特点，可实现建筑信息的共享与转换，当发生火灾时，基于BIM 技术的三维疏散引导方法可以动态地根据起火点的位置在疏散路线安全原则、有序疏散原则、就近与均衡兼顾原则的要求下，动态地生成疏散路线[45]。再将BIM技术与其他技术和方法相结合，比如VR技术、大数据技术、机器学习、室内定位技术和GIS技术等，还有些研究将建筑BIM模型与疏散模拟软件(如Pathfinder，Building Exodus，Simulex和Fds+Evac等)结合进行三维动态疏散模拟，通过设置建筑类型和使用功能等建筑信息，人员密度和构成等人员信息，模拟不同场景人员疏散情况[42]。在火灾发生时能及时实现应急疏散，可利用物联网中的RFID技术，对建筑物内的人员进行实时追踪，实时获取并汇总火灾现场所有人员数据，基于BIM数据信息，再利用云计算、大数据和人工智能等智能计算技术对海量数据进行分析处理，提取有用信息，进而实现火灾救援疏散的智能决策与控制；借助5G网络的快速传输途径，可及时、高效、精确地进行火灾现场的应急疏散救援。建筑火灾疏散过程中，人员构成、人员认知、人员位置、人员年龄构成、人员初始位置和人员流动性等对人员疏散都会产生巨大影响[42]。人们在火灾时的心理、行为与决策因个体因素差异巨大，对能否成功疏散至关重要，通常会存在疏散延迟现象，但真正认识人们在建筑火灾中的行为规律，还需要做更细致和有针对性的探索，要立足于对发生建筑火灾的幸存者的行为心理学与群体心理学等详细调研和研究，并尝试从行为本身到评价行为、矫正行为、服务行为和指引行为的研究应成为未来有关建筑火灾疏散研究的发展方向之一。虽然BIM技术出现在应急救援方面的应用时间不长，但学者们将其与疏散模拟做了很多结合。相比传统应急疏散救援方式，结合BIM的疏散模拟不仅在安全性、耗时和费用等方面存在明显的优势，而且能够更加直观且深入地模拟火灾发展规律和人员疏散过程。

3 结论

目前国内对BIM技术的相关研究大部分都集中在建模，但BIM的本质是一种信息共享。伴随着现代信息技术飞速发展，挖掘BIM、GIS、GPS(Global Positioning System)、3D扫描、行为心理学、社会心理学和社会综合因素在建筑火灾中的应用价值在应急管理领域深度，尤其是与5G、VR、云计算、物联网和大数据等先进技术的结合还有待进一步研究，未来真正实现火灾疏散系统的快速、高效和智能化。目前，绝大部分利用BIM技术进行三维动态疏散模拟的研究都停留在理论研究阶段，将其应用在某一特定建筑物，且用模拟方法模拟火灾发生时应急救援疏散路径和疏散时间，真正应用于具体火灾事件还处于初步尝试阶段。目前还存在并非每栋建筑物都有BIM模型的问题，未来随着智慧建筑逐渐代替传统建筑，每座新建建筑都拥有独立的BIM模型，在火灾发生后，消防救援人员就可以迅速地调出火灾救援所需要的信息实施救援疏散，这将大大减少因信息获取不及时及不全面所带来的人员伤亡和经济损失。开发移动终端如手机和平板电脑等应用程序，可让人们在平时生活工作中熟悉建筑内部复杂结构，在火灾灾害发生时，有利于消防救援人员及时掌握建筑内部信息，进而提高火灾时疏散救援效率。