基于BIM技术的消防疏散合规检查应用研究 [课程编码3082]

摘要：BIM技术在建筑行业的应用越来越广，从单一的图纸设计，逐步向人工智能方向发展。在传统的建筑图纸审查中，完全依靠人工进行审图。在信息化时代，BIM所携带的信息可以被计算机读取，基于相关算法，实现自动审查。本研究主要基于revit平台进行二次开发，把消防规范的转译信息与BIM信息相结合，让程序自动执行检测，提高设计及检查的效率。主要研究的内容包括BIM设计模型的创建、规范条款的分类、疏散路径的自动绘制与检测等问题，并借助具体项目，测试审查程序的可实施性。希望通过数字技术在消防疏散合规性检查领域的研究，能够使数字技术更好的服务于建筑设计。

关键词：消防疏散；BIM；三维设计；合规检测

0 引言
目前建筑设计施工图审图主要基于CAD文件进行审查，审图工作基本依靠人工来完成，重复工作多，效率较低。近年随着BIM技术在行业的普及，改变了传统设计模式，BIM与CAD不同，可承载设计信息，因此可借助BIM优势，通过计算机直接调取BIM信息与规范转译信息进行对比，实现建筑设计合规检测自动化。人工则主要审核争议性或者定性的条文，进而优化整个审图流程。无论是对设计人员还是审图人员，都可大量避免重复劳动，提高工作效率。1相关研究综述
结合BIM技术的消防疏散相关研究是近几年的热门研究方向。吉韵芝[1]、赵盈盈[2]等对建筑消防安全管理思路、方法进行了研究。IsmailAS等总结和整理了当下的BIM合规检测的理论和软件应用[3]；HamiehA等对BIM模型进行了拓扑分析和路径规划[4]；Abdul Aziz等提出一个基于BIM的住宅消防逃生疏散框架[5]；ChengMY 等提出利用BIM建立一个智能消防疏散系统[6]；Cheng JCP等研究开了发消防疏散系统平台[7]；Park S 等开发和定义了韩国规范的特有的语言，用来转译韩国规范[8]；Solihin W等使用基于性能的设计方法（作为基于规则的规定方法的替代方法）审核建筑设计[9]。Xu M等提出障碍物存在的多层的室内逃生路径的算法[10]。通过文献研究，发现基于消防疏散合规性检查存在本地化实现的问题，因此提出以服务设计为导向，开发符合中国本地化的合规检测工具，包括：基于国家规范标准的规范转译；基于相关算法逻辑进行变种优化；自动检测设计是否符合规范要求，并实现部分自动绘图的功能。2研究方法
基于BIM的合规检测的方法可以分为几何构件检测和空间信息检测。几何构件检测可以理解为冲突检测，空间信息检测可理解为以几何构件为基础，将BIM中的设计信息与规范中的条文信息匹配性地检测。空间信息检测依靠规则转译和BIM设计模型数据抽取。由设计师和开发工程师协同配合，开发专业的规则引擎，然后从BIM中自动抽取对应的目标信息，将两者数据自动匹配，最后借助图形引擎，供用户查看审核结果并输出相关的检测数据,基本流程详见图1。

图1 合规审查主要技术路线图

2.1标准化模型建立

基于BIM技术的合规检测应用，模型设计标准化是基础。自动检测需要对模型中的构件和信息进行识别，首先自动解析出BIM中待检测对象和相应的信息，再与规范中对应的条文映射比对。本研究结合具体项目，制定了相关的BIM建模标准和BIM族库创建标准，如防火分区的绘制方法、专业构件、族命名的规范标准化改进等，为BIM合规性检测研究提供合理的技术环境。

2.2规范条款分类

通过对国内规范的条文分析，总结得出只有可参数化、数字化的条文方可进行转译，比如：构件的几何尺寸、空间净高、疏散门的属性、疏散距离、楼层面积、无障碍回转半径等，而定性的、不可参数化的条文目前还没有较好方法进行转译，比如无具体量化的信息、制图类的信息、提纲性条款、无BIM对象对应的条款等。由于国内规范种类繁杂、定性的主观条文较多，成为目前全面进行合规检测应用的主要障碍。短期内基于BIM的合规审查可以采用人机结合的方式展开探索。

2.3消防疏散合规检测流程

本研究以《建筑设计防火规范》第五章的相关内容为合规审查依据，在消防疏散合规检测方面进行研究，并基于revit平台开发出了消防疏散模块合规检测工具集，主要用于自动检测设计BIM是否满足规范的相关要求。该检测工具集主要分7个模块，主要有工程设置、平面布置、竖向交通、房间疏散、楼层疏散、疏散净宽、疏散总净宽。整个合规检测流程包括需求提取、规则转译、修改调整以及正式出图等环节，具体流程详见图2。

图2 消防合规检测流程图

3消防疏散合规检测的实施
3.1工程设置
工程设置模块是合规检测的条件准备，主要录入建筑性质、建筑类型、建筑类别、建筑层数、耐火等级等前置参数（图3）。

                  图3 合规检测工具集－工程设置模块示意

3.2平面布置

该模块根据其建筑物类别、耐火等级等自动判断主要功能房间所处于楼层是否满足消防规范的要求。如老年人活动场所，耐火等级为四级的时候，应布置在首层。主要方法是根据“工程设置”中设定相关限制条件，自动识别房间名称和房间所在的标高，从而判断房间所处的楼层位置是否满足消防规范的相关规定，如图4所示。

                  图4 某项目平面布置检测界面

3.3 竖向交通

项目设计中，楼梯碰头的情况时有发生，特别是一些空间复杂项目，通常进行楼梯碰头问题的校核既费时间又易遗漏，而且此类问题遗留到施工阶段，往往造成比较大的返工，因此如果能够借助计算机自动检测该类问题，可大大提升设计质量和效率。研究把梯段作为单元，通过编写代码可自动绘制碰头线，并以碰头线为基本参照线，自动生成三维空间碰撞体，自动将三维空间碰撞体与楼梯空间的相关构件进行碰撞，当楼梯设计有变化时，碰头线会自动更新，并自动重新进行复核，进而实现迅速核查楼梯碰头的问题，有效提高竖向交通设计质量与效率，如图5所示。

                图5 消防疏散楼梯净高空间模型线和空间模型体

3.4房间疏散

房间疏散检测的主要用于自动计算疏散距离，目前此类算法有多种，典型的有Dijkstra算法、SPFA算法、Floyd-Warshall算法等。本研究采用的是A*算法寻找最短路径，从而实现了最短寻路功能。消防疏散模块主要实现了两大功能：1）自动绘制消防疏散路线；2）对消防疏散路线长度不合规的部分自动报错。以房间为单元的消防疏散合规检测主要研究了以下3个关键问题：1）三维空间模型的简化；2）消防疏散缓冲边界线生成；3）最短路径算法。（1）三维空间模型的简化
基于疏散算法，须对空间模型进行几何简化，将复杂的空间模型简化成计算可调用的点、线拓扑结构即将建筑模型转化成结构化的数学模型。比如房间门所在的位置简化成一个点，即“门点”，房间的边界则简化成相应的线段（图6）。消防疏散线可以简化为点到点的行进路线，若点到点处于可见的无障碍状态，那么只要通过点点连接即可生成疏散路线。若点到点彼此不可见，比如遇到“L”形房间，那么必须在两点之间寻找一个耦合点（耦合点也有国外学者称为凹点），最终的疏散路线的自动寻路必须经过耦合点来完成。

                        图6 单个房间结构拓扑图

（2）消防疏散缓冲边界虚拟线
为了真实模拟人员疏散的状态，同时考虑到消防疏散路线长度的精确性，需要将功能房间边界线向内至少偏移35cm左右（图7）。

图7 房间缓冲边界虚拟线

（3）最短路径算法
当疏散路线必须经过凹点时，则需要从经过凹点的一系列疏散路径中寻找出最短路径作为最有效路径。单个房间单扇门工况采用房间角点到门点遍历的方式进行自动寻路计算，当遇到异形的房间，则采用经过耦合点寻找最短路径的方法确定最终的疏散路线；单个房间两扇门工况，则以门点为圆心，以消防路线长度规范值为半径画圆，最后取两者的并集，若全覆盖整个房间，则疏散通过，否则不通过。不同的工况详见图8～11。

3.5楼层疏散

以楼层为单元的消防疏散合规检测需要研究三个关键问题房间疏散模块。楼层的疏散原理与单个房间存在凹点的情况类似，首先在楼层疏散分析过程中，主要以防火分区为主要检测单元，需要根据设计意图，自动识别防火分区，确定检测范围，并且考虑到真实模拟人员疏散的状态，在功能空间生成相应的缓冲边界。其次需要自动识别建筑房间疏散门、安全出口，找出对应的门点，当门与门不可见时，再确定凹点，疏散路线经过凹点生成一系列的疏散路径，最终通过最短路径A*优化算法，根据房间所处的不同位置找出最短的疏散路线，如图12所示。

图12 某项目楼层消防疏散路线自动绘制图

3.6消防最小疏散净宽验证
该模块针对单个房间疏散门宽度自动进行检测，确保单个房间疏散门最小宽度满足规范要求，另外同时开发了对疏散门的间距、疏散门开启方向、防火门等级的自动检测功能。也可以自动复核房间疏散门个数，并根据建筑性质和房间位置，自动复核房间的疏散宽度，由此判定设置疏散门个数的合理性，给出审查意见。

3.7消防疏散总净宽验证

消防疏散总净宽的检测思路是以防火分区为单位，将消防规范中的总净宽的计算公式以程序封装的形式嵌入到revit平台中。比如通过程序自动提取防火分区面积、人员密度确定疏散人数，根据疏散人数计算对应的疏散总净宽，然后基于revit二次开发，抽取出BIM模型中的单个防火分区消防安全门的总宽度设计值，再自动将两个数据进行对比分析，最终得出单个防火分区内消防疏散总净宽是否满足消防规范的要求。在研究总净宽复核时，也考虑到不同防火分区间的借用问题，其中一防火分区不满足总净宽要求时，如何借用其他防火分区，如图13所示。

图13 某项目楼层疏散总净宽复核

4   结语
本研究有助于对设计师及审图人员快速的排查设计问题，提高设计质量及效率。（1）该研究是对消防合规检测的初步尝试，也仅针对规范中的部分内容进行了转译探索；至于更多规范的编译和实现，还有待进一步的研究。（2）合规检测的应用研究是BIM三维正向设计的不可或缺的模块，影响到BIM设计质量把控、指标控制等多个环节，但同时在规范转译的全面性方面还是存在巨大的挑战，特别是规范中的定性条文。（3）如何利用计算机的算力与算法优势，解放设计师双手，是未来设计、审图的发展方向。纵所周知，BIM所携带的信息是至关重要的，如何提取各种规则数据、设计数据，封装成图谱数据库，可提供关联式检索、辅助设计、智能审查等服务，是作者下一步的主要研究课题。

参 考  文  献

[1] 吉韵芝. 基于BIM技术的建筑工程消防管理信息系统研究[D]. 长沙：湖南大学，2018.

[2] 赵盈盈.BIM技术在高层建筑消防安全管理中的集成应用[J].住宅与房地产,2018(34):112-113.

[3] ISMAIL A S, ALI K N, IAHAD N A, Review on BIM-based automated code compliance checking system[C].2017 5th International Conference on Research and Innovation in Information Systems (ICRIIS). IEEE, 2017.

[4] HAMIEH A, MAKHLOUF A B, LOUHICHI B, et al.A BIM-based method to plan indoor paths[J].Automation in Construction,2020,113:103120

[5] ABDUL AZIZ N A, NORDIN R M, ISMAIL Z, et al. Dwelling Fire Safety Evacuation (DFSE): A conceptual approach[C].Matec Web of Conferences, 2019:266.

[6] CHENG M Y, CHIU K C, HSIEH Y M, et al. BIM integrated smart monitoring technique for building fire prevention and disaster relief[J].Automation in Construction,2017,84:14-30

[7] CHENG J C P, TAN Y, SONG Y, et al.Developing an evacuation evaluation model for offshore oil and gas platforms using BIM and agent-basedmodel[J].Automation in Construction,2018,89:214-224

[8] PARK S, LEE Y C, LEE J K. Definition of a domain-specific language for Korean building act sentences as an explicit computable form[J].Journal of Information Technology in Construction,2016,21:422-433

[9] SOLIHIN W,  DIMYADI J，LEE Y C, et al.The Critical Role of Accessible Data for BIM-Based Automated Rule Checking Systems[C]. Lean and Computing in Construction Congress,2017: 53-60.

[10] XU M, WEI S, ZLATANOVA S, et al.BIM-based indoor path planning considering obstacles[J].ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2017:417-423

      本文将发表于《建筑结构》杂志 2022.06（52卷）增刊1。文章中相关设计算法已申请专利保护©️.

      本公众号首发文章：BIM技术在上海博物馆东馆结构设计阶段的研究与应用总结。