基于BIM技術(shù)的FDS軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研究

趙　楊

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

在火災數(shù)值模擬的過程中，繁重的建模工作量和模型的精度問題一直困擾著廣大消防工作者。近些年來，隨著建筑信息模型Building Information Modeling(BIM)的出現(xiàn)以及持續(xù)的深入研究，BIM所具有的種種特點為傳統(tǒng)的建筑防火設(shè)計，特別是火災數(shù)值模擬帶來了新的技術(shù)和方法。

1　BIM及其數(shù)據(jù)格式

BIM的概念最早被提出是在20世紀80年代，是信息化技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合的必然產(chǎn)物。BIM技術(shù)旨在實現(xiàn)建筑(組成與功能)全部信息的數(shù)字化表達，組建一個豐富的數(shù)據(jù)庫，在整個建筑生命周期內(nèi)為所有參與者提供決策支持[1]。BIM技術(shù)自被提出以后，已在歐美等發(fā)達國家的建筑行業(yè)引發(fā)了巨大變革，如今也掀起了我國建筑行業(yè)的改革浪潮。Autodesk(歐特克)公司開發(fā)的Revit軟件是使用BIM技術(shù)的主要代表之一。圖1為某辦公樓的BIM模型。

圖1　某博物館3F三維Revit模型

1.1　IFC數(shù)據(jù)格式

BIM模型數(shù)據(jù)的定義采用Industry Foundation Classes(IFC)標準，IFC為BIM提供了數(shù)據(jù)定義模式和信息交換格式，其中模型數(shù)據(jù)采用EXPRESS語言和EXPRESS-G圖進行定義。IFC是一種開放型的數(shù)據(jù)表達標準，使BIM應用過程中各參與學科能共享和交換不同階段不同時期所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息[2-3]。目前，其最新版本為IFC4，由Building SMART組織于2013年3月發(fā)布實施[4]。

IFC標準數(shù)據(jù)文件的空間結(jié)構(gòu)從數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系上可以劃分為四個階層，從高往低分別為領(lǐng)域?qū)印⒐蚕韺?、核心層和資源層[5]，如圖2所示。領(lǐng)域?qū)邮荌FC文件格式空間結(jié)構(gòu)中的最高層，領(lǐng)域?qū)又腥魏我环N引用或是使用的定義在獨立和核心資源層上的任何信息模型都是獨立的，領(lǐng)域?qū)拥闹饕饔檬菫榱四軌蛏钊氲礁鱾€應用領(lǐng)域的內(nèi)部數(shù)據(jù)中去，形成不同的專業(yè)信息[6]。共享層是IFC文件格式空間結(jié)構(gòu)中的次高層，該層的主要功能是為領(lǐng)域?qū)臃?，共享層重點解決了領(lǐng)域?qū)拥哪Ｐ托畔⒔换サ膯栴}[7]。核心層的主要功能是提供基本的IFC數(shù)據(jù)文件模型結(jié)構(gòu)與概念，將資源層的數(shù)據(jù)信息有效地管理組織起來，成為一個有機的整體，來客觀反映真實的模型文件結(jié)構(gòu)。資源層是IFC文件格式空間結(jié)構(gòu)中的最底層，為其他三層服務，資源層的功能是描述IFC標準中所涉及的基礎(chǔ)信息，不針對具體的專業(yè)。

圖2　IFC標準數(shù)據(jù)文件的空間結(jié)構(gòu)示意圖

IFC數(shù)據(jù)格式的模型由實體、定義類型、選擇類型、規(guī)則、函數(shù)以及屬性集組成[8]。IFC標準包括了很多實體，其中IFCROOT是IFC實體定義中最重要的根類，其余實體都是IFCROOT派生的，分為兩大類：一類是可獨立用于數(shù)據(jù)交換的實體，分布在框架層、共享層和領(lǐng)域?qū)?，具有GLOBALID屬性；另一類不可以獨立進行數(shù)據(jù)交換，常以IFCROOT派生實體的屬性形式存在，不具備全局標識特性，該類實體全部分布在資源層。

1.2　BIM數(shù)據(jù)的交換方式

基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)交換主要有三種方式：一是按照IFC標準，實現(xiàn)各軟件之間的數(shù)據(jù)交換；二是進行二次開發(fā)，基于Revit API以插件的形式顯示在Revit中[9]；三是其他形式的交換，如基于中間文件Excel的數(shù)據(jù)交換。本文選擇了第一種方式進行研究。基于IFC的BIM可以存儲多種類型的幾何模型數(shù)據(jù)，表1列出了支持的幾何模型類型。其中Curve 2D、Geometric Set、Geometric Curve Set用于描述由點、線、面基本圖元組成的模型。Surface Model用于描述表面模型。Solid Model用于描述實體模型，又可細分為Swept Solid、Brep、CSG、Clipping、Advanced Swept Solid等多種類型[10]。

表1　IFC預定義的幾何表達類型

2　FDS數(shù)據(jù)格式

在FDS(Fire Dynamics Simulator)模型中，空間內(nèi)實體的幾何信息有其特定的存儲方式。建筑構(gòu)件和室內(nèi)裝飾物是用若干個長方體來表示，每一個長方體在模型中都有特定的定義方式[11]。建筑構(gòu)件和室內(nèi)裝飾物的幾何信息通常用OBST命令進行表達(個別構(gòu)件除外，如門窗)，一個OBST就表示一個長方體，包含其坐標位置信息。每一個長方體用2個對角點坐標來表達，例如一個長方體，其兩對角點A(X1，Y1，Z1)和B(X2，Y2，Z2),在OBST中的表達形式為AB=X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2。即用該長方體的最大最小兩個坐標點來表示，如圖3所示。

圖3　FDS模型中實體的幾何表達方式

3　數(shù)據(jù)交換方案

以往FDS軟件對于模型的建立只能通過文本編寫程序來完成，材料、裝備等各種參數(shù)同樣需要編寫文本，為模型的創(chuàng)建帶來極大的不便，因此可采用Pyrosim軟件來簡化建模過程。Pyrosim是由美國Thunderhead Engineering公司在FDS基礎(chǔ)上開發(fā)的一款用于對火災煙氣的運動規(guī)律、煙氣溫度和毒氣濃度進行準確預測分析的軟件，其最大的特點在于為FDS的建模過程提供了三維可視化圖形操作界面，提高了建模的工作效率[12]。本研究中首先采用Revit作為建筑設(shè)計的CAD平臺，創(chuàng)建BIM數(shù)據(jù)庫，利用該平臺的IFC轉(zhuǎn)化功能自動生成BIM模型的IFC數(shù)據(jù)交換文件DXF文件，供FDS軟件Pyrosim模擬使用，圖4為數(shù)據(jù)交換方案示意圖，圖5為導入Pyrosim后的某博物館3F示意圖。

圖4　數(shù)據(jù)交換方案示意圖

圖5　導入Pyrosim后的某博物館3F示意圖

DXF是Autodesk(歐特克)公司開發(fā)的用于AutoCAD與其他軟件之間進行CAD數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)文件格式[13]。DXF是一種開放的矢量數(shù)據(jù)格式，可以分為兩類：ASCII格式和二進制格式[14]。ASCII具有可讀性好的特點，但占用的空間較大；二進制格式則占用的空間小、讀取速度快。不同類型的計算機其DWG文件是不可交換的。為了克服這一缺點，AutoCAD提供了DXF類型文件，其內(nèi)部為ASCII碼,這樣不同類型的計算機可通過交換DXF文件來達到交換圖形的目的，由于DXF文件可讀性好，用戶可方便地對它進行修改、編程，達到從外部圖形進行編輯和修改的目的[15]。ASCII格式的DXF可以用文本編輯器進行查看。

4　數(shù)據(jù)交換關(guān)鍵問題

通過大量試驗發(fā)現(xiàn)：不同的火災模擬軟件導入的格式是不一樣的，導入模型存在接口和格式的要求。經(jīng)過反復的試驗研究，筆者發(fā)現(xiàn)在模型轉(zhuǎn)換過程中采取DXF格式最為直接也不容易導致錯誤，模型在Pyrosim中能夠顯示正常，三維瀏覽較流暢，但也應注意以下問題：(1)模型的導出導入應注意單位一致的問題，Pyrosim和Revit默認的單位分別是cm和mm，所以必須修改一致。(2)在進行BIM模型轉(zhuǎn)換為DXF格式時，需要將FDS模型中并不需要的實體去除，例如“綠化”“散水”等，或者需要根據(jù)模擬情況進行相關(guān)模型的拆分和簡化，僅選取有關(guān)火災模擬的模型部分導入Pyrosim，以免后期進行火災模擬時出錯。(3)模型導入Pyrosim后，Pyrosim會自動為模型在三維空間中進行坐標定位。建立火災模型時Pyrosim會根據(jù)導入的建筑模型自動給出參考網(wǎng)格大小以及數(shù)量，但是給出的網(wǎng)格數(shù)量往往都包含了整個模型，需要對網(wǎng)格進行修改以便貼近模型，這樣模擬的結(jié)果才更貼近真實。(4)BIM模型是分區(qū)域建立的，當導入到Pyrosim以后，不同區(qū)域中間會產(chǎn)生模型上的隔離現(xiàn)象，需要在區(qū)域連接處設(shè)置多個可通過的門，使其煙氣和人員可以通過。

5　結(jié)束語

本研究對IFC數(shù)據(jù)標準與FDS模型的實體幾何信息進行了分析，通過DXF格式文件并在Pyrosim軟件中實現(xiàn)了正確識別BIM模型。本文已進行的工作仍然存在不足，后續(xù)開發(fā)仍有較多工作要做，其主要工作包括：(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換仍需完善，如相關(guān)建筑材料的熱力學性質(zhì)以及熱解屬性等信息的提取識別等。(2)不規(guī)則建筑構(gòu)件的轉(zhuǎn)換識別。