基于BIM 正向设计的建筑防火审查工具研究

陈炜

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

引言

2017 年前后“BIM 正向设计”的提法及实践逐步增多。正向设计最大的优势在于模型直接来源于设计师，避免了中间二次“翻模”转义导致的信息遗漏和错误，再基于“设计师模型”生成施工图，图模一致性问题得到了很好的解决。进入“十四五”时期，建筑业提出“数字建造”的转型目标，同时开始启动城市信息模型（CIM，City Information Modeling）的研究和示范应用工作，在此背景下，BIM 正向设计的必要性与迫切性就凸显出来[1]。

经过多年发展，正向设计在建模标准、管理流程、软件性能等方面都取得了很大进步。但整体上来说市场接受度不高，远没有达到普及应用的水平，究其原因还是相较于传统设计方式其价值力彰显不够，对设计阶段本身及下游产业链没有形成足够的支撑。在此前的设计实践中，大多数开展BIM 正向设计的企业（建设方、设计院）往往更注重正向设计的流程管理、生产周期及人力投入情况，而对于BIM 在信息集成上的应用关注度略显不足。BIM 模型中的构件是具有几何和语义特征的完整对象，而不仅仅是像CAD 模型中由点和线所定义的几何图形[2]。

2020 年以来，湖南、广州、南京等省市相继推出基于BIM 模型的施工图智能化审查平台，正式宣告BIM 模型智能审查时代的到来。张荷花等[3]阐述了将BIM 模型智能检查工具应用于湖南省BIM 审查系统并实现基于机器的消防审查的应用实践。王佳等[4]提出了面向BIM 消防智能审查的规范语义模型构建方法，实现消防规范条文的快速结构化表达，从而达到面向BIM 模型的消防智能审查的目的。乔长江等[5]根据消防审查要点和BIM 模型信息特点进行相关条文筛选和拆解，同时对BIM 消防合规性基础信息进行归纳整理。上述研究对进一步完善智能审查技术，提升审查效率和准确率起到了促进作用。然而，以上研究主要面向施工图审查环节及规范条文的数字化解析，对于设计阶段的校审应用与信息集成提及较少。

智能审查可以全面无死角审查，在很大程度上解放人力，提高设计质量和效率。但智能审查也不能是“无源之水”，要顺利实现目标，在模型中集成审查信息就变得必不可少。从已推行自动审查的湖南、广州等地来看，2020 年之后颁布的有关标准要求中BIM 模型内的消防设计深度仍然不足，导致消防设计信息本身不完整[6]。本文提出了一种在BIM 正向设计阶段快速高效赋予消防审查信息的方法，并成功开发了基于此的消防自动化校审工具AtCheck，为正向设计与自动审查的研究及应用提供新思路，供建筑设计从业者参考借鉴。

1 工具概况

AtCheck 工具运行平台是Autodesk Revit 2021。Revit 作为一款普适性三维建模软件，其全面准确的建筑数据和强大的建模工具为建筑数字化打下良好基础[7]。同时Revit 还提供了全面完善的二次开发功能，二次开发技术作为BIM 学习与应用中的一个研究热点，具有积极的实用和理论价值，能够解决快速建模、信息管理以及数据交互等方面的一系列应用难题，从而提高工作效率、缩短工作周期，得到了建筑业研究者广泛关注[8]。

AtCheck 工具的开发采用Visual Studio 2019 及Revit_2021_SDK，.NET Framework 4.8 框架，編程语言则采用当今流行的C#。目前，工具实现了针对疏散距离、疏散宽度、防火门等级、防火门开启方向、前室面积、防火分区等主要建筑防火设计内容的自动审查，已在2 个正向设计项目和近20 个逆向验证及BIM报审项目（包括初步设计阶段和施工图设计阶段）开展应用测试，累积建筑面积超150 万方。

2 功能介绍

当前市场下，BIM 正向设计的合同工作周期与传统CAD 设计相较略有延长或基本持平，因此，在正向设计阶段应用自动审查，从技术和管理上需要解决四个问题：审查信息快速录入；模型数据解读提取；审查规则准确植入；便利的过程及结果反馈。

AtCheck 工具架构组成上分为三个模块：指引模块、审查模块、输出模块。指引模块负责标准导入及审查参数的高效录入，是前处理重要的一环。审查模块负责模型信息提取及审查规则植入，是整个程序的核心部分。输出模块负责前处理信息及审查结果的外显（图形或报告等）。工具面板如图1 所示。

图1 AtCheck 工具面板

2.1 指引模块

常规BIM 模型深度不足以完全支持消防自动审查，且建模方式、命名规则等标准不统一。为了快速、统一地补充建筑防火设计信息，指引模块功能可以分为模型直接输入及关联信息生成两大类。本节介绍模型直接输入功能，关联信息生成将在第3 节主要算法中介绍。

模型直接输入功能主要包含初始参数、标准房间信息生成及检查工具等，标准房间的属性参数包括房间名称（可修改）、消防名称、功能编码、危险系数、百人净宽（可修改）、人员密度（自定义输入值大于5，程序按固定座位数考虑）、距离限值等。其中，消防名称和功能编码参照《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T 51269-2017，以下简称编码标准）附录A.0.3。危险系数是依据消防名称（与功能编码一一对应）定义的房间危险等级，程序内部定义的危险系数共分10个等级，从0 依次到9，数字越大代表越危险，室外安全区域定义为0，一般功能房间的危险系数是9，正确的疏散方向应是从危险系数高的房间指向危险系数低的房间。部分房间的消防名称、功能编码及其危险系数在程序中的定义如表1 所示。

表1 程序定义的房间参数（部分）

2.2 审查模块

审查模块分为审查判据生成、语义规则库及指标量化库三个部分，如图2 所示。

图2 审查模块组成结构图

审查判据是在语义规则库的指导下提取模型数据，经过计算分析后生成的模型对象（或信息），如疏散距离审查中的分析路径（PathOfTravel 对象）和防火门开启方向审查中的门两侧房间危险性定义（通过属性信息获取）。与软件工程领域提到的语义模型[9]不同的是，审查判据依赖于原始模型，存在于原始模型中，即信息与模型相集成。消防设计信息在以出图为主的正向设计中基本沿用传统2D 图形化的表达方式，存在相关信息集成度底、不易读取、复用困难等，而采用信息集成的方式则可以在一定程度上规避这些问题。

语义规则库是对规范条文进行分析拆解后的结构化语言表达，进而在程序中通过代码实现。语义规则库主要解决怎么审的问题，承担指导审查判据生成的功能，例如公共用房、走道、车库计算疏散距离的判据，其生成规则均有区别。并且语义规则库需要与指标量化库配合使用，两者之间是一对多的关系。

指标量化库包含对规范条文按策略分类后的量化记录，是审查判断的数值准绳。消防规范中存在许多判断方式相同但限值要求不同的情况，例如《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014，以下简称防火规范）对不同建筑类型的疏散门至最近安全出口的直线距离的规定。将量化库与规则库分离的策略模式，很好地适应了这一状况。

2.3 输出模块

输出模块的作用主要体现在两个方面：一是设计过程中将设计参数及时直观的以图形化方式显示便于修改及确认；二是审查阶段对结果的显示、加工、报告及导出等。图3 展示了某地下车库一层防火分区面积平面图在设计过程中AtCheck 自动审查的结果。

图3 地下车库防火分区自动审查结果展示

3 主要算法

在2.1 节提及的房间标准化生成及检查工具，为创建、查询、修改富含消防功能信息的房间提供了便利。但是，消防审查涉及的概念及参数众多，将这部分信息完整载入模型，无疑工作量巨大。如果仅依靠前期录入的方式，会给设计师形成不小的负担。因为，一般来说，为正向设计项目生成房间是必要的，但是输入与出图无关的过多信息则是不被接受的（除非合同有明确要求）。关联信息或审查判据依靠对已有数据的分析和推断得到，本节重点介绍AtCheck 工具在相关功能实现上的算法思路。

3.1 门的定性

防火规范5.5.8 条文说明：疏散门是房间直接通向疏散走道的房门、直接开向疏散楼梯间的门(如住宅的户门)或室外的门，不包括套间内的隔间门或住宅套内的房间门；安全出口是直接通向室外的房门或直接通向室外疏散楼梯、室内的疏散楼梯间及其他安全区的出口，是疏散门的一个特例。据此规范说明，工具将门的疏散定性分为三个等级：套内门、疏散门及安全门（规范定义是安全出口，程序中为了格式统一改为安全门）。由上可知，门的疏散定性基本取决于其两侧房间是什么消防功能，如有一侧为疏散走道或疏散楼梯间等关键节点房间，则可推断出该门为疏散门或安全门。提取门两侧房间消防功能，在具体执行时可以通过门构件族实例（FamilyInstance）对象的ToRoom 及FromRoom 属性（如图4 所示）获取门两侧房间ID，进而得到房间的消防名称（功能）。AtCheck工具提供了自动更新功能，门的疏散定性会随着房间消防名称参数值的改动而自动调整。

图4 门的FamilyInstance 属性

3.2 嵌套房间

安全疏散路径的设计原则，应以危险区域→次危险区域→相对安全区域→室外安全区域为基本原则，风险逐级递减，这是所有安全疏散路径应遵行的准则，是安全疏散设计的基础[10]。对于只有套内门（门两侧房间的危险系数相同）的房间，这类房间不向疏散走道、疏散楼梯及室外安全区开口，通常作为大空间的嵌套房间出现。嵌套房间的疏散距离判断与普通房间不同，其依赖于所从属的大空间房间。嵌套房间的疏散门应取其从属房间的疏散门。观众厅、展览厅、多功能厅、餐厅、营业厅等中的嵌套房间疏散距离判断规则，如图5 所示。

图5 观众厅等嵌套房间安全疏散要求（图片来源于国家标准图集[11]）

3.3 疏散路径

疏散距离按折线距离计算，审查时需要创建行进路径作为判据，行进路径考虑墙柱等固定构件的阻挡，一般未考虑因布置设备、停车位等而产生的阻挡（具体是否考虑可以在程序中设置）。行进路径可以直接使用Revit API 提供的PathOfTravel.Create 静态方法创建，如图6所示。创建行进路径时，会分析当前平面视图，并计算最佳（最短）路径。在计算过程中，行进路径会避开识别为障碍物的对象（在设置中定义），并会考虑人体的常规宽度以及行走时的身体摆动。行进路径分析基于Simulex 分析引擎。它分4 个步骤执行：定义网格并生成初步布线；沿初步布线查找最近的障碍物；使用角捕捉点来生成修改的路径；偏移障碍物来生成最佳的“行走”路径。有关分析路径更详细的介绍，可以参考Revit 2021 帮助文件。

图6 行走路径展示（图片来源于Revit 2021 HELP）

3.4 袋形走道

袋形走道，是只有一个疏散方向的走道，因而位于袋形走道两侧的房间，不利于人员的安全疏散。因此，位于袋形走道两侧或尽端的疏散门到安全出口的疏散距离限值控制更加严格。程序处理时，搜索疏散门通往所有安全出口的行进路径，并对行进路径从疏散门出来的第一段做夹角计算，若夹角大于90°视为位于两个安全出口间，否则按位于袋形走道处理。必须指出的是，建筑平面布置情况多种多样，对于复杂走道布置方式的袋形走道判断还有待提高。

3.5 与全楼有关的定义

建筑防火设计中还有部分参数的定义域是在全楼范围，例如建筑高度、耐火等级等。在BIM 正向设计流程下，将全楼信息定义在体量模型中。程序提取时，通过包含关系计算，可以批量准确的将全楼信息赋予子区域（楼层、防火分区、房间等）。如图7 所示某高层医院项目，初始通过房间标准化生成工具直接创建的“病房”，其功能编码为12-06.14.10，再运行全楼参数定义后其功能编码参数变为11-01.30.00>12-06.14.10（意为高层建筑病房），如图8 所示。

图7 医院BIM 的两种模型

图8 病房功能编码前后展示

4 结论与展望

本文结合BIM 正向设计实践，利用Revit 二次开发技术成功实现了在不明显影响设计周期情况下的建筑防火设计自动审查，一方面通过工具化手段在设计过程中及时发现问题，有助于提高设计质量；另一方面充分发挥了BIM 信息集成的优势，延伸了BIM 模型后续应用价值。对BIM 正向设计及自动审查的研究提供了有益的参考。

上面所提及的许多思路和方法，不仅在建筑防火审查上得以应用，在其他的建筑规范的自动审查上也可以参考，辅以房间及构件映射功能，在应对来源众多的“翻模”项目时，工具也可以有良好的表现。同时，尝试将国标编码标准与程序开发相结合，国标编码提供了规范的命名和无歧义的编码体系可以在设计中直接使用，但需要配套相应的支持软件。

基于Revit 平台实现的审查工具受到平台运行性能及API 接口开放程度的影响，其本身存在一定局限性。并且在规则库建立上存在大量耗时的人工解读及转码，希望能有接口使用基于机器学习、自然语言处理、知识图谱等前沿技术构建的通用规则库及审查技术，进一步降低建筑设计行业使用或开发自动审查技术的难度。

从行业来看，BIM 智能审查不是目的，而是提升行业监管水平、促进行业高质量发展、支撑智慧城市建设的重要手段。因此，建议BIM 智能审查技术可以更多的前置应用到设计环节，如此才能最大程度的提高设计质量与品质，这也是本研究的另一个初衷。