基于BIM的消防安全-经济耦合研究

摘" 要： 针对建筑消防措施消防性能-消防投入经济性错配问题，提出了一个基于BIM的消防安全-经济耦合分析框架.利用BIM智能审图功能优化消防措施模型形成消防措施方案集，模拟设定火灾场景下消防措施方案集的烟气、温度、能见度等烟气参数确定消防性能，并关联各方案的消防投入开展消防安全-经济耦合分析，最后以某高校宿舍楼为案例进行验证分析.结果表明：基于BIM的消防安全-经济耦合分析框架可以用于优化消防措施设计，并实现消防安全-经济性的良好匹配.该框架有助于设计人员和业主在消防性能模拟的基础上进行透明合理的消防投入决策.

关键词： 建筑信息模型；防火设计；消防性能模拟；经济分析；安全-经济耦合分析

中图分类号：X921;TU998.1""" 文献标志码：A""""" 文章编号：1673-4807（2024）05-085-07

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.013

收稿日期： 2023-07-19""" 修回日期： 2021-04-29

基金项目： 教育部人文社科基金项目（17YJAZH123）；江苏省社科基金项目（19XZB016）

作者简介： 吴迪（1999—），男，硕士研究生

*通信作者： 张友志（1973—），男，副教授，研究方向为建筑安全、建筑能耗和建筑碳排放等.E-mail：just-zhang@163.com

引文格式： 吴迪，张友志，王亮洒.基于BIM的消防安全-经济耦合研究［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），202 38（5）：85-91.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.013.

An integrated analysis of safety and economy forfire protection measures based on BIM

WU Di， ZHANG Youzhi*， WANG Liangsa

（School of Civil Engineering and Architecture， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：A fire safety economy coupling analysis framework based on BIM is proposed to address the mismatch between fire performance and fire investment economy of building fire protection measures. We utilize the BIM intelligent drawing review function to optimize the fire protection model and form a set of fire protection measures， simulate and analyze the smoke， temperature， visibility and other situations of the set of fire protection measures in the fire scenario， calculate the evacuation time and the engineering cost of each plan， and carry out the fire protection performance and cost for fire safety economic coupling analysis. Finally， a university dormitory building is used as a case to verify and analyze our model. The results indicate that the BIM based fire safety economy coupling analysis framework can be used in the design stage to optimize the design of fire protection measures in the early stages and achieve a match between the fire protection performance of fire protection measures and the economy of fire protection investment. This framework helps homeowners to make transparent and reasonable fire investment decisions based on their understanding of fire performance.

Key words：building information modeling， fire protection design， fire performance simulation， economic analysis， integrated analysis of safety and economy

建筑火灾会造成严重的人员伤亡和财产损失，而消防措施对于减少人员伤亡和财产损失具有重要作用，现行国家和行业防火设计标准都要求配置合理的消防措施.实践中，消防措施存在较为普遍的防火性能-消防投入错配问题［1］.一方面，不考虑消防措施投入的经济性，盲目增加投资使得消防措施工程造价过高，同时导致过剩的消防安全性能冗余；另一方面，认为消防措施是一种没有必要的投资，从而过度压缩投资导致消防安全性能得不到充分保证［2］.2022年11月12日，河南安阳某工厂发生火灾，火灾造成38人死亡，2人受伤，事后调查发现该工厂安全生产投入严重不足导致消防设施老化，消防措施达不到消防技术标准要求，消防安全性能严重缺失［3］.当前，消防设计阶段多数未进行消防措施的防火性能模拟，业主甚至设计人员并不清楚消防措施所能够实现的消防性能以及为此需要支付的消防安全投入，这势必影响业主的消防设施投入决策［4］.因此，若能在设计阶段对依据消防标准配置的消防措施进行防火性能模拟，并对满足防火性能的消防措施方案进行经济性比选，对于更经济地实现消防措施的消防安全性能具有重要意义.

借助FDS［5］、Pyrosim［6］、Pathfinder［7］等火灾模拟工具，设计和研究人员能够开展基于防火性能模拟的消防设计.文献［8］应用Pyrosim软件建立建筑物的火灾扩散模型分析温度、CO含量和能见度对人员疏散的影响，并结合Pathfinder软件建立人员疏散模型模拟人员所需的安全疏散时间，为消防措施优化提供参考.文献［9］提出了一种改进的疏散时间评估方法，引入可用安全实用时间和所需安全实用空间用于评估消防措施的防火性能.文献［10］使用Pyrosim火灾仿真软件建立某航站楼的FDS火灾动力学模型，对有无喷淋系统情况下的烟气层高度、能见度、热辐射温度进行仿真，结果表明火灾模拟能够更真实准确地推演航站楼火灾演化规律，可为喷淋系统的优化和火灾应急预案制定提供决策支持.

作为一种建筑信息集成平台，近年来建筑信息模型（building information modeling，BIM）被广泛用于消防设计.如文献［11］提出了一种基于BIM的建筑消防设计框架，验证了BIM技术在建筑消防安全管理中的应用价值.文献［12］根据IFC标准将火灾软件模拟结果导入BIM模型，提高了火灾模拟在BIM模型中的信息化程度和数据管理能力.文献［13］基于BIM开发了满足IFC标准要求的三维建筑消防设计图纸审查系统，实现了对消防设计图纸关键审查点的自动审查.文献［14］提出了面向BIM的消防智能审查的规范语义构建方法，实现了消防规范条文的快速结构化表达，从而实现面向BIM模型的消防智能审查.

近年来，BIM和CFD被集成应用于优化消防措施方案.如文献［15］建立BIM模型，并将其导入Pyrosim与Pathfinder软件，建立火灾仿真模型和人员疏散仿真模型，通过对比防火设计优化前后的安全疏散时间制定某高校实验楼防火设计优化方案.文献［16］解决了BIM和Pyrosim软件间的数据传输问题，整合BIM和Pyrosim软件实现了基于BIM的火灾模拟，仿真结果表明集成BIM和CFD软件能更好地发挥BIM的价值.文献［17］开发了一个基于BIM的火灾模拟框架，用于模拟不同建筑布局场景下的火灾增长和人员疏散效果，研究表明BIM和CFD软件的结合可以用来优化建筑防火设计.

除此之外，一些文献还开展了消防措施的经济性研究.如文献［18］基于BIM模型编制了部分消防专业构件的清单代码，并将清单代码植入Revit软件，为估算消防措施造价提供了方便.文献［19］研究了BIM在综合管廊工程消防措施造价管理中的应用，研究表明利用BIM技术能够更准确高效地实现消防措施的造价控制.

综上，现有文献对于消防措施的防火性能模拟和经济性分析进行了广泛研究，但也存在一些可改进之处：

（1） 当前消防设计中主要根据消防设计规范标准配置相应的消防设施，但是较少进行消防措施的防火性能模拟，这使得业主甚至设计人员并不能完全了解消防措施能够实现的防火性能.

（2） 目前消防设计和相关文献中的消防设施经济性分析侧重于消防措施的造价估算，很少开展基于防火性能模拟的消防设施经济性比选分析.

（3） 涉及BIM的类似研究主要集中于BIM建模、管线碰撞检测等消防措施的技术性能研究，鲜有文献兼顾消防设施的防火性能模拟和经济性比选分析，更缺乏一个基于BIM的消防措施的消防安全性能和经济性比选的整合分析框架.

基于此，文中主要目的在于提出一个基于BIM的消防安全-经济耦合分析框架.

1" 基于BIM的消防安全-经济耦合分析框架

基于BIM的消防安全-经济分析框架（图1），主要包括消防措施BIM模型构建、消防性能模拟、消防措施经济性分析和消防安全-经济耦合分析.

1.1" 消防措施BIM模型构建

可以采用正向建模或逆向建模方式，建立消防措施方案的初始BIM模型，通过BIM的技术碰撞检测和智能审图功能对消防措施方案进行初步优化，形成消防措施的修正BIM方案集（Xi）.

1.2" 消防性能模拟

1.2.1" 导入CFD仿真工具

将修正BIM方案集导入火灾仿真工具中，实现软件之间的数据接口和数据传输.BIM软件支持的输出文件格式与Pyrosim软件支持的导入文件格式如表1.

1.2.2" 建立火灾仿真模型

（1） 创建网格

定义FDS模型的网格边界，网格尺寸选取火焰特征直径的1/1 特征火焰直径D*的确定参考公式：

D*=QρɑcpTa" g2/5（1）

式中：D*为特征火焰直径，m；Q为热释放速率，J/S；ρɑ为空气密度，1.2 kg/m3；cp为空气比热（1 kJ）/（kg·K）；Ta为环境空气温度（293 K）；g为重力加速度（9.81 m/s2）.

（2） 定义火灾反应

热释放速率是影响火灾发展的基本参数，火灾从有效燃烧时算起，热释放速率公式为：

Q=at2（2）

式中：Q为热释放速率，J/s；a为火灾增长系数，kW/m2；t为火灾发生后的时间，s.

（3） 创建消防措施模型

基于修正后的消防措施BIM方案集，在火灾仿真工具中建立相应的消防措施模型.

（4） 设置材料和热解

在文件传输和存储的过程中，BIM中所携带的重要信息（材质等）会丢失，在火灾仿真工具中需要对材料参数进行二次设置.当一层由多种材料组成时，该材料总的密度、导热系数和比热由各组成材料加权平均计算得出，假设其密度、导热系数和比热分别为ρs、ks和Cs，相应的公式分别为：

ρs=∑αYαρα（3）

式中：ρs为该层密度，Yα为每种材料的质量百分比，ρα为密度.

ks=∑Nmα=1Xαks，α（4）

式中：ks为该层的导热系数，Nm为材料总数，Xα为设定的各组成材料的体积比，ks，α为设定的各组成材料的导热系数.

cs=∑Nmα=1ρs，αcs，α/ρs（5）

式中：cs为该层的比热，Nm为材料总数，ρs，α为设定的各组成材料的密度，cs，α为设定的各组成材料的比热.

（5） 创建探测设备

在火灾仿真工具中创建热电偶、等值面图、2D云图及2D矢量图，在模拟过程中对特定位置的烟气参数进行计算和输出，导出模拟结果.

（6） 设定模拟参数

建立火灾仿真模型后，设置温度、压力、氧气含量和模拟时间等参数，进行火灾仿真模拟.

1.2.3" 分析疏散时间

（1） 可用安全疏散时间

现行消防规范常用可用安全疏散时间来衡量消防措施的消防性能.可用安全疏散时间（tASET）是指建筑物发生火灾时人员离开着火建筑物到达安全区域的时间.《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）中规定一般民用建筑，一二级耐火等级不少于6 min，三、四耐火等级不少于2～4 min.通过火灾仿真模拟工具模拟火灾发展过程，计算各楼层人员安全疏散的烟气参数达到临界值的时间，得到可用安全疏散时间.假设烟气参数-烟气温度、CO浓度和能见度到达临界值的时间分别为t1、t2和t 则tASET可以表示为：

tASET={t t t3}min（6）

（2） 烟气参数的临界时间

火灾发生过程中影响人员安全疏散的因素主要为烟气温度、一氧化碳（CO）浓度和能见度等烟气参数，《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251-2017）中规定火灾工况下人员生命安全判定见表2.

（3） 导出各方案消防性能（Fi）

通过模拟设定火灾场景下不同消防措施方案的可用安全疏散时间（tASET）作为消防措施方案集的消防性能（Fi），对消防措施方案集的消防安全进行评价.

1.3" 消防措施经济性分析

基于BIM导出施工图设计模型，依据清单规范和定额规范，分别确定工程量清单项目并计算工程量，关联消防措施投入的人、材、机、利润、税金等价格信息，计算方案集中各方案总价，得到各方案消防投入（Ci）.

1.4" 消防安全-经济耦合分析

消防经济学研究消防设计方案的消防性能与消防投入的权衡关系，希望在满足消防性能的基础上通过较小的消防投入达成较高的消防安全目标［2］，进而实现消防安全-经济的最佳匹配.

为此，引入消防价值指数（Vi）对修正BIM方案集中的各方案进行消防安全-经济的耦合分析：

Vi=Fi/Ci（7）

式中：Vi为消防价值指数，Fi为消防性能，Ci为消防投入.

可以看出，若消防措施预期的消防性能低、消防造价高，则消防价值指数低，消防措施的安全-经济性错配；反之，若消防性能高、而消防造价低，则消防价值指数高，说明单位消防投入实现了较高的消防性能，消防措施的安全-经济性匹配度较好.因此，在满足消防性能要求的条件下，可以通过比选选择消防价值指数（Vi）最大的消防措施方案作为最优方案.

2" 案例分析

以Z市某高校的一栋宿舍楼为例进行案例分析.该宿舍楼为6层框架结构，每层有50个房间，共计300个房间，其中：洗衣房2间、学生宿舍298间.每个房间长7.8 m、宽3 m，面积是23.4 m 首层层高3 m，其余各层层高2.85 m，每个房间可住2人，每层楼有2个安全出口，楼梯宽度为1.8 m.

2.1" 消防措施方案设计

根据《建筑设计防火规范》《自动喷水灭火系统设计规范》对该宿舍楼喷淋设施和防排烟措施进行设计，形成了由4种消防措施方案构成的消防措施方案集（表3）.

2.2" 消防措施BIM模型构建

根据该宿舍楼CAD格式的建筑图纸，通过逆向建模方式采用Revit软件建立宿舍楼的BIM模型.研究表明，依据CAD图纸逆向建模形成的BIM模型存在信息缺失［20］.为此，采用Revit软件的立面优化、构造优化和管道优化等方法对该初始BIM模型进行修正，得到最终的BIM模型.

2.3" 消防性能模拟

2.3.1" 火灾场景设定

根据消防设计要求，需要选取具有代表性的火灾场景用来分析、模拟和验证拟议的消防措施方案的消防性能满足消防规范规定.为此，通过分析该学生宿舍楼建筑设计图纸，共设定6种火灾场景（A1～A6）分别位于1F的中西部、3F中西部以及6F的中东部位（图3），采用Pyrosim软件对6种火灾场景的火灾烟气情况进行模拟.参考文献［6］的实验测定结果，设置火灾的类型为快速火，热释放速率为1 500 kW/m 火灾增长类型设定为快速增长型，网格总个数为118 995个.

分别在6种火灾场景下的火源处以上1.8 m设置监测界面监测能见度，在着火楼层两个安全出口距离地面3 m处设置监测点，监测CO浓度和顶棚温度.根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251—2017），设置火灾时宿舍楼着火层出口处允许的最小烟气能见度为5 m，着火层安全出口处的顶棚温度最高为60 ℃，2 m以下空间内的烟气层中的CO的质量分数最大为1 600×10-6.

火灾模拟结果显示（表4），A1～A6火灾场景下该宿舍楼着火层两个安全出口处烟气能见度分别在火灾发生243、267、256、280、249和276 s时均下降至5 m，此时人员的安全疏散受阻.A1和A2火灾场景下两个安全出口处顶棚温度在火灾发生190 s和179 s时均达到60 ℃，人员的安全疏散受到影响；而A3、A4、A5和A6的两个安全出口处顶棚温度在火灾发生190 s内均未达到60 ℃.

根据6种火灾场景下的火灾模拟结果，通过比较不同火灾场景下各着火层两个安全出口处烟气参数达到临界点的时间，可以发现：“当火源点在低楼层时，烟气沿消防通道的蔓延速度更快，导致受灾人员可用的安全疏散时间更短”.因此，本案例选择最苛刻的1F西部A2火灾场景进行消防措施的消防性能模拟.

2.3.2" 消防措施方案集模拟

利用Pyrosim对A2火灾场景下消防措施方案X1～X4中着火层两个安全出口处的烟气蔓延情况进行了模拟计算分析，得出了各方案下整个建筑物的消防性能（表5）.X1～X4方案在A2火灾场景下该宿舍楼安全出口处顶棚温度分别在发生火灾360、366、530和437 s时超过60 ℃，此时人员的安全疏散受阻.CO质量分数分别在387、390、465和428 s达到1 600×10- 人员无法疏散.

由烟气能见度分布云图（图3）可见，烟气能见度分别在火灾发生402、406、570和290 s时下降至5 m，此时人员的安全疏散受阻.通过比较消防性能模拟结果发现，X3方案的疏散时间最长，消防性能最优.

2.4" 消防措施的经济性分析

基于BIM导出消防措施方案X1～X4的消防措施工程量清单，依据《工程量清单计价规范》和《消防工程工程量清单计价规范》，采用工程清单项目及相应的综合单价、措施项目费和其他项目的计价方法，对各消防措施方案中相关的措施费用进行测算，消防措施主要包括：自动喷水灭火系统、排烟系统、安全疏散指示标志、灭火器、应急灯设备等.经测算，消防措施方案X1～X4的消防投入C1～C4分别为881 800、896 250、968 357和998 739元.

2.5" 消防安全-经济耦合分析

在满足消防性能规范要求的条件下，根据消防价值指数Vi=Fi/Ci，计算各方案的消防价值指数（表6），通过比选选择价值指数（Vi）最大的消防措施方案作为最优方案.可以看出，消防性能低、消防投入大，则消防价值指数低，表明单位消防投入获得的消防安全回报低；消防性能高、消防投入小，则消防价值指数高，说明单位消防投入获得消防安全回报高，亦即消防投入更经济划算.

在本案例中，《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）规定学生宿舍的疏散时间为不少于6 min，根据疏散时间模拟结果，方案X4的消防性能不满足规范的要求，其余3种消防措施方案均满足建筑消防性能要求.将消防投入（Ci）及消防价值指数带入横纵坐标的坐标轴当中，连接4种方案形成曲线（图4）.总体上预期的消防性能越高所需的消防投入越大，其中：方案X3的消防价值指数最高，表明消防措施消防投入与实现的预期消防性能之间的匹配度最好，为最优消防措施方案.

3" 结论

为解决建筑消防设计过程中消防性能-消防投入经济性错配问题，文中构建了一个基于BIM的消防安全-经济耦合分析框架，并以某高校宿舍楼为例进行了案例验证分析，主要结论如下：

（1） 在建筑消防设计阶段开展基于BIM的消防性能模拟，有助于设计人员早期掌握按照消防设计标准配置的消防设施投用后预期的消防性能，并有助于设计人员基于业主的消防性能要求对消防措施进行优化配置.

（2） 通过消防安全-经济性的耦合分析，有助于在保证预期消防性能要求的基础上实现消防措施投入最优经济效益，从而实现消防性能与消防投入经济性之间的有效匹配.

文中研究结果对于消防措施的优化设计和合理配置具有较好的参考价值，该分析框架也可以推广到碳排放-经济性、建筑能耗-经济性分析等其他研究领域.

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（责任编辑：顾琳）