BIM及智能化技术在消防系统中应用研究

薛文军

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 前言

随着经济快速发展，城市化进程越来越快，高层建筑越来越多，娱乐设施越来越集中、群租现象越来越严重、老旧小区越来越难以管理，这都给消防工作带来难题和挑战。

传统的消防设施已不能满足社会的智能化发展需求，随着物联网技术、人工智能技术的发展，智慧消防系统应运而生。但是由于整个消防系统的长期封闭，造成目前智慧消防系统相较于其他智能场景发展速度相对较慢。BIM(Building Information Modeling建筑信息化模型)技术随着我国基建发展越来越受重视，并在建模、模拟、仿真、数字孪生等方面为各类应用带来更高的智能化水平[1－2]。本文将在智慧消防系统基础上探究BIM应用与实现方式，从而提高智慧消防系统的易用性与实用效果。

2 消防行业政策改革趋势

近年来，全国各级各部门高度重视消防事业发展，消防工作整体水平明显提升。随着城市容量不断增长，新技术、新业态、新产业发展迅速，城市公共消防安全形势面临新情况、新问题，传统的消防监管模式难以适应新形势、新挑战。

智慧消防在国内发展相对较慢，并且区域之间发展极不平衡。在长三角、珠三角区域发展较快，上海等城市已推出相关政策强制新建建筑配备智慧消防系统，消防隐患较大的老旧小区必须进行智慧消防系统改造。而其他地区虽然目前没有相关政策落地，但随着智慧消防系统的普及与应用，必将追随发达地区脚步推出强制政策推进智慧消防系统的发展，提高地区消防水平，为保障人民生命财产安全提高安全系数。

国家公安部依据“智慧消防”公消【2017】297号要求，在社会消防安全治理中进行模式创新，呼吁全面参与社会消防安全治理，利用大数据、互联网、5G等信息化技术进行多元治理，利用新兴技术推进“智慧消防”建设[13]，依据消防业务在信息化方向不断探索，实现信息化与消防深度融合，打造信息化消防体系，全面提升消防能力，为社会体系由传统向智慧转变提供方向，为社会消防安全提供科技支撑，提升整体消防体系水平。

3 智能消防系统介绍

与传统消防系统相比，智慧消防以云计算、云存储、通信控制为技术核心，通过各类智能感知设备为重点防火单位提供物联网消防预警服务[5－6]。监管方消防部门和用户方物业管理部门可以通过信息化平台获取消防设施的信息和状态，并通过平台系统发出控制命令，从而实现消防系统的智慧管控。

平台能力可以用“感、传、知、用”四个字来概括(见图1)。“感”:实现设备设施运行状态的全面感知；“传”:实现全天候实时数据信息同步互联；“知”:实现设备设施故障预知及警情预测；“用”:实现多级安全管理统计分析和决策。

图1 智能化自主感知设备接入

平台系统通过对设备、产品进行管理，对设备进行实时有效监控，实现了消防状态可视化实时预警，并且支持TCP/UDP、MQTT等主流物联网接入协议，见图2。

图2 智慧消防系统管理平台

消防单位或者物业用户通过信息化管理平台实现故障、预警、响应、恢复闭环消防任务。

智慧消防产品的优势在于系统化、平台化，将原有独立产品、独立任务通过物联网、大数据、信息化技术联系到一起，联动管控。

4 BIM及智能化在消防系统中的应用

BIM技术是基于三维面向应用对象的数据库技术，通过对建筑物建模，并对几何尺寸信息、材料信息等相关信息进行录入，构建功能、经济信息、建筑材料重量等非几何信息，实现信息化管理。BIM技术可将项目各阶段的信息整合到模型中，如前期规划设计阶段、过程建造、后期运营管理等[7](见图3)，项目管理人员通过对项目全过程跟踪即可获得各阶段完整的数据信息。在项目前期，数据库建立信息较少，但随着工程进度的推进，数据信息不断丰富和完善，不同需求人员可以从中获取需要的信息，实现信息共享，同时保证了信息一致性，进而实现项目各阶段降本增效，同时提高项目协同效率。

图3 BIM模型的应用

BIM模型信息的完备性、关联性、一致性能够为建筑生命周期管理提供高效支持，通过信息共享、数据协同实现管理提升，利用模型的数据集成性，能增强项目主体的交互协作意识[8－9]。在智慧消防系统中引入BIM技术能够更加科学、智能，实现消防安全管理可视化。

4.1 智慧消防系统产品设计阶段

协助设计人员在系统设计初期把控全局。借助建筑物和物联网设备、管网的BIM模型，设计人员可以对各种传感器设备、管网及消防节点在整体上“一目了然”，从而可以更加合理地分配资源、预先查看安装效果、与监管单位沟通是否满足需求，同时还能通过系统通盘检查模型是否有死角、盲点遗漏。这些功能在BIM模型的基础上实施起来更加直观，使各种枯燥数据形象化，以达到可视化目的。

4.2 智慧消防系统产品安装实施阶段

指导安装人员直观掌握消防设施特点性能、定位设备精确安装位置、安装方式，并且在安装完成后可以在BIM模型上检查设备安装实施效果，对照实物运行情况进行质量检测，最终对项目进行验收。与传统数据记录模式相比，基于BIM模型的智慧消防系统，在设备安装、调试、检测、验收方面大大提高了智慧消防系统实施的效率和准确性。

4.3 智慧消防系统产品运维阶段

协助运维、管理人员在安装部署了智慧消防系统的建筑物、园区、社区的BIM消防模型上对消防设备、设施、管网等进行实时监测，并检查其运行状态、参数，以确保火灾发生时各消防设备、设施能及时按要求启动工作；在设备配置改变时，可以通过BIM消防模型进行同步更改，保证运维、监管部门能获取系统的最新数据与状态[10]，解决了以往消防系统在服役多年后出现的数据丢失及难以维护的问题。

4.4 在火灾模拟演练和火灾实际发生阶段

通过布设在通道内的摄像头和基于BIM的智慧消防模型，可以实时监测各通道畅通情况、实时计算各通道当前逃生人员流量、实时监测各通道逃生门是否处于打开状态等。以上数据通过后台进行整合、数据分析、数据计算，迅速提供建筑物各层、各户人员当前最优逃生路线，可以通过BIM消防模型实时显示或者联动现场扩音器以音频形式指导逃生人员正确选择逃生路线，指导灾情现场所有人员有序撤离。BIM消防模型见图4。

图4 BIM智能模型指导逃生

5 BIM及智能化在消防系统中的实现模式

智慧消防系统的实现需要考虑两种情况:一种是老旧小区、楼宇改造，需要对目标进行轻量级3D建模，把基于BIM的智慧消防系统布置到建筑模型中，并进行数据通信的匹配；另一种是新建高层建筑，基于BIM的智慧消防系统只需考虑对不同服务器及引擎系统进行技术对接。

5.1 系统架构

设备接入层是智慧消防的基础建设，通过覆盖指定区域的传感器网络模块，对区域消防各类数据进行采集，并上传至互联智慧消防云平台，用于BIM或其他信息技术运用。

BIM虚拟层是对智慧消防数据的3D化承载与展示。建筑信息的集成与融合，在BIM与物联网结合应用后得以呈现。物联网技术提供建筑构件的信息感知、收集、传递、监控等功能，而BIM技术起到信息集成、交互、展示和协调管理的作用。二者结合是虚拟信息化管理和实体环境硬件的结合。

业务实现层呈现给用户的业务功能，包括信息展示、设备监管、流程机制等。在这些业务功能基础上，BIM为共享、共治平台提供协同管理，降低消防指挥的管理难度，提高了消防救援效率。

5.2 智慧消防设备信息与BIM模型实时联通

设备在安装调试成功后，BIM记录设备的安装位置并反映在BIM模型上。通过设备数据接口，将设备状态和信息通过5G网络，加密传送到服务器上。服务器收到相应指令后，对信息进行解密，并将设备状态或者设备信息在BIM模型上进行显示。系统将BIM模型作为设备信息的载体，在BIM模型上建立可视化的交互操作，数据通过BIM模型的实体类属性加载到模型中，通过局部动态数据更新以及相关的可视化手段，对数据进行展现[11－12]。

用户交互方面，系统内置了多种交互事件。通过事件触发，提交用户指定动作信息，并加密发送到设备中。设备收到数据指令信息后，对数据进行逆向解密，并按照指令触发相应的设备动作，见图5。

图5 智慧消防系统信息交互

BIM结合物联网技术，将数据服务接收到的设备信息进行加载，通过三维可视化的方式，将数据直观地展现给用户。

5.3 智慧消防系统与BIM模型交互接口

智慧消防系统与BIM模型交互接口包括:

(1)BIM模型定义接口。该接口用于定义设备在BIM模型的类别、位置、坐标、描述、属性、业务意义等相关信息。

(2)基于BIM模型设备属性接口。该接口用于定义设备的各项属性，结合BIM模型实现三维图像的显示。

(3)基于BIM模型的设备数据接口。该接口主要定义设备的数据类别和数据格式，通过数据格式定义实现数据传输，识别信息和指令将通过数据格式定义进行格式化，然后加密传输。

(4)基于BIM模型的设备交互方式接口。该接口主要定义用户触发的相关操作，定义用户操作属性和操作方式，配置用户与设备交互的相关信息体和信息内容，实现在BIM模型上对设备进行指令发送、设备状态查询等功能。

通过以上四类接口对不同设备进行定义，配置交互方式、规定数据传输的数据格式，并在BIM模型上进行描点、渲染，以实现智慧消防系统与BIM模型紧密结合。

6 结论

BIM技术应用于智慧消防系统优势明显，未来的智慧消防系统，将深入结合人工智能、大数据、云技术等技术，并在BIM模型上实现三维实景展现，与设计、运维、监管人员形成深度互动，可更好地执行消防任务，保卫人民群众生命财产安全。