Revit與PyroSim在火災煙氣模擬中的結合應用

蔣科明

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

近年來，隨著國內消防法律法規(guī)制度的逐步完善及全民消防意識的普遍提高，消防安全越來越成為建筑設計和建筑運維中不可或缺的一部分，人們對建筑消防安全性能的要求不斷提高，消防性能化分析也逐漸得到行業(yè)的認可和接受。

消防性能化分析一般包括火災模擬和人員疏散模擬兩項內容，其核心都是利用專業(yè)的計算機模擬軟件對建筑三維模型進行仿真模擬，得出較為科學的模擬結果，并將結果以可視化的形式進行直觀表達。本文以火災煙氣模擬為背景，探索相關技術軟件在該過程中結合應用的可行性。文中涉及的2款軟件分別為火災模擬軟件PyroSim 2018（2018.1.0417版）和建筑信息模型軟件Revit 2016。

1 軟件介紹

1.1 PyroSim軟件

隨著經濟水平和施工技術的不斷提高，越來越多超高、超大、設計新穎的現代化建筑開始不斷涌現，這給火災發(fā)生時建筑的安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。以現行國家規(guī)范和行業(yè)標準為依據的“處方式”設計、評估方法往往難以滿足這些現代化建筑對防火設計及火災風險評估的需求，越來越多的人開始采用計算機數值模擬的方式對建筑防火設計的安全性加以驗證，對建筑的防火設計加以輔助[1]。

目前消防工程界認可度較高的火災模擬軟件有美國NIST開發(fā)的場模擬軟件FDS；美國NIST開發(fā)的區(qū)域模擬軟件CFAST；美國NIST開發(fā)的網絡模擬軟件CONTAMW；英國火災研究站開發(fā)的場模擬軟件JASMINE等。

與科學研究不同，大部分針對建筑工程所進行的火災模擬是指在設定好火災場景后對火災產生的煙氣進行模擬分析，不考慮火勢的蔓延，也被稱為火災煙氣模擬。因此，以流體力學及燃燒學相關公式為核心算法的場模擬軟件FDS成為了最受業(yè)界認可的火災模擬軟件之一，其可以采用大渦模擬和直接數據模擬2種方式對火災場景進行模擬計算，在計算的準確性和模擬的細致性方面相較于其他模擬軟件更具優(yōu)勢。美國Thunderhead Engineering公司基于FDS開發(fā)的火災模擬軟件PyroSim則使FDS得到了更加廣泛的認可和運用。PyroSim在保留了FDS核心算法的同時，為FDS設計了可視化和更加友好的建模、結果處理界面，使火災模型的建模過程從抽象的“指令-代碼”式變成了更為大眾所接受的“可視化”建模。此外，在模擬結果處理方面，PyroSim也提供了直觀和友好的操作界面，除保留了FDS固有的模擬結果處理功能外，還加入了更加靈活和實用的結果處理方法。PyroSim在沿用FDS核心算法的基礎上，更擅長用動態(tài)、實時的圖形對火災場景進行模型的搭建和模擬結果的表達。

1.2 Revit軟件

建筑信息模型（BIM）技術是指將建筑工程項目中的基本構件作為設計元素，將描述構件元素的幾何尺寸、物理特性、材質信息等相關信息有機地組織起來，形成一個綜合建筑系統(tǒng)全方面信息的數據庫，構件的所有參數信息都儲存在這個數據庫內，并以此數據庫構成了建設項目的數據模型[2]。相較于傳統(tǒng)二維設計圖模式，BIM技術能將工程師們的設計方案以立體三維的形式進行展現，實現“所想即所見”，大大提高了設計方案的直觀性，進而帶來一系列諸如設計、交底、管理等方面效率的提升。

作為目前國內建筑設計行業(yè)使用最為廣泛的BIM技術軟件之一，Autodesk Revit具有可視性、動態(tài)性、模擬性的特點。Revit可視性體現在能夠將由二維線、面構成的設計圖以三維立體模型的形式展示出來，使設計方案得到直觀而充分的表達；Revit動態(tài)性體現在能夠以各種角度和方式查看建筑模型，如能夠對建筑模型進行剖切、透視、隱藏，靈活地設置平面、立面、剖面視圖，使建筑模型以實時動態(tài)的形式展現在使用者面前；Revit模擬性體現在其能夠將模型以IFC、DWG、DXF、DWF等行業(yè)主流格式進行保存，支持導入大部分性能化分析軟件供其進行模擬運算，同時軟件本身也具有動態(tài)漫游功能[3]。

2 PyroSim與火災煙氣模擬

火災煙氣模擬大體可分為資料收集、火災場景論證、模型搭建、模擬計算、結果分析、得出結論6個階段，其中搭建模型、模擬計算為必須使用計算機軟件完成的2個階段。模型搭建階段需由使用者操作計算機軟件完成（模擬計算階段則全程交由計算機進行），受軟件功能及使用者知識水平影響較大，其搭建模型的質量將直接影響模擬結果的真實性，甚至決定了火災煙氣模擬的成功與否，對總體工作而言至關重要。

2.1 模型的搭建

按照設計圖或實際建筑情況搭建相應的三維模型是開展模擬工作的首要步驟，要想得出科學、合理的模擬結果，使火災煙氣模擬具備真正意義上的參考價值，就必須搭建出一整套與設計方案或實際建筑情況幾乎完全一致的模型。不僅如此，對于可能會影響火災發(fā)展的建筑構件還應賦予其合理的材質信息，以模擬出真實的燃燒環(huán)境。

2.2 PyroSim在建模方面的不足

PyroSim本質是一款以各類學科方程為核心的數值計算軟件，強調數值計算的準確性，軟件自身提供的建模功能較為簡陋，使用PyroSim進行建模耗時大，且難以實現建筑較復雜部位的創(chuàng)建。

2.2.1 建模功能過于簡單

PyroSim在保留FDS核心算法的基礎上為用戶提供了較為簡易的建模功能，在表達建筑的體量化空間占位方面，該軟件的建模功能僅有墻、柱、板、洞口命令，這些命令功能單一，不能靈活變換形狀和坡度，難以滿足諸如曲面墻、異形屋頂、玻璃幕墻、不規(guī)則中庭等的建模，尤其是當建筑中存在貫通上、下樓板的敞開式樓梯、自動扶梯、坡道時，這些簡單的建模命令就會顯得力不從心（圖1）。

圖1 不規(guī)則形狀的墻體

2.2.2 FDS網格劃分原則的弊端

使用者在PyroSim建模模式下創(chuàng)建完模型（以下簡稱為“建模模型”）后，軟件會根據網格劃分原則，將建模模型轉換成能夠被FDS算法接受的模型（以下簡稱“模擬模型”）。在FDS網格劃分原則的影響下，構件各部位要么轉換成填充滿整個單元格的實體，要么轉換成貼合于單元格邊界的薄片（圖2）。

圖2 經網格劃分原則轉換后模型

受此機制影響，使用洞口命令繪制火災情況下敞開的門、窗時，某些特殊位置（網格）會出現在PyroSim建模模型中。繪制于墻體或樓板上的洞口轉化成FDS模擬模型時，其厚度小于或等于墻體或樓板的厚度，導致洞口無法打穿墻體或樓板的現象出現。這一現象在前期使用PyroSim建模時往往難以發(fā)現，需要轉換成FDS模擬模型后才會顯現，這一現象若發(fā)生在對煙氣蔓延至關重要的位置，則會在一定程度上造成模擬結果的失真。為避免上述問題的出現，使用者需逐一對各門窗洞口進行檢查，對存在問題的洞口進行調整，工作量較大。

可以看出，PyroSim以數值計算為核心，附帶簡易建模功能，僅靠該軟件的建模功能來搭建三維模型難以保證模型的準確性，對于一些造型奇特、內部結構復雜的建筑甚至顯得無能為力，無法滿足現代化建筑對于強大建模功能的需求。

3 Revit與PyroSim的結合應用

相較于PyroSim的簡易建模功能，Revit作為一款專為建筑信息模型（BIM）而開發(fā)的軟件，其在建筑建模方面顯得尤為出色。Revit靈活的建模功能能夠滿足絕大部分建筑對異形構件的建模需求，其可通過拾取CAD二維線的方式快速生成相應建筑構件，使得依圖建模的速率大大提升。此外，參數化族也是Revit建模的一大亮點，它使得構件模型更加靈活多變，尤其是針對一些不規(guī)則構件所創(chuàng)建的族，一旦被正確參數化，使用者便可通過輸入參數的形式得到不同尺寸的該種建筑構件，無需重新創(chuàng)建相應構件模型。

因此，Revit能夠很好地彌補PyroSim在建模準確性上的缺陷。利用Revit完成建筑模型的創(chuàng)建，生成DWG、DXF或FBX格式文件（Pyrsoim 2018支持該3種格式文件的導入），再使用PyroSim導入建筑模型，在完成模擬參數的設置后進行數值模擬計算。

3.1 Revit與PyroSim的兼容性

3.1.1 構件的自動分組

“圖元”是構成三維模型的最基本單元（可以理解為構成模型的各建筑構件），與另一款國內建筑設計行業(yè)常用的三維建模軟件SketchUp不同，Revit使用“族”的概念對不同類型的圖元進行了劃分，在Revit中任何圖元都從屬于相應的族，例如墻族、板族、柱族、門族、窗族等?！白濉边@一特性在對PyroSim進行模型導入時得到了很好的保留，即Revit創(chuàng)建的建筑模型導入PyroSim后，軟件將按照族類別在導航欄（Navigation View）中自動對構件進行分組，并使用族類別的英文簡寫對組進行命名，這極大地方便了使用者在PyroSim中對建筑構件進行定位和操作。

3.1.2 共享坐標系

不同三維軟件相互移植模型時往往會出現坐標不一致的現象，該現象通常由軟件無法正確識別模型文件中所包含的坐標定位信息所致。Revit與PyroSim能夠共享空間坐標系，PyroSim在導入Revit所建模型時可不用調節(jié)模型標高，使用默認設置即可將模型定位至相應標高。

3.1.3 材質丟失

對于PyroSim而言，構件材質是影響模擬計算的重要因素之一，材質的熱值、導熱性、燃點、輻射系數、發(fā)煙率等都會直接影響模擬結果。遺憾的是，PyroSim并不能識別Revit所建模型中包含的材質信息，導致導入Revit模型后所有構件的材質都將丟失，對于這些失去材質的各建筑構件，PyroSim會自動創(chuàng)建諸多不同顏色的“基礎材質”表面（一種以環(huán)境溫度、輻射系數0.9為條件計算熱輻射及熱對流的表面材質）進行賦予（圖3）。

圖3 模型在Revit中的顯示效果（左圖）與模型導入PyroSim后的顯示效果（右圖）

3.1.4 “空心”構件的形成

對于DWG、DXF及FBX格式文件，無論是三維立體模型還是二維設計圖，PyroSim僅能對導入的文件進行“線識別”和“面識別”，即只能識別文件中的線圖形與面圖形，無法識別體量化的空間占位。受此影響，在PyroSim中導入的三維模型，實際是由多個平面或曲面圍合而成的空心體，這嚴重地降低了模型在PyroSim中的可編輯性，譬如要刪除一堵筆直的墻體，則需刪除圍合成該堵墻體的6個 平面。

此現象在使用PyroSim洞口命令對導入模型的墻體（尤其是較長、較厚的墻體）進行門窗洞口開洞時會產生較大問題：進行火災煙氣模擬時，這些被洞口貫穿的空心墻體相當于一個個大小不一的儲煙倉，當煙氣經過洞口時有可能會蔓延至本應無法進入的墻體內，進而導致模擬結果 失真。

3.1.5 消防設備需二次建模

消防設備（火災自動報警、噴淋、防排煙系統(tǒng)等）對火災的抑制及撲滅過程是PyroSim的重要模擬內容之一。Revit擁有一套完整的機電設備建模體系，遺憾的是Revit所創(chuàng)建的設備模型導入PyroSim后僅僅只是具有設備外觀的“模型”而已，其并不能被PyroSim或FDS所識別為相應設備，無法起到探測、排煙、噴灑等影響火災發(fā)展的作用。

3.2 模型移植的優(yōu)化及解決辦法

利用Revit向PyroSim移植火災煙氣模型，除了具有縮短建模時間、構件自動分組、共享坐標系等優(yōu)點外，也暴露出材質丟失、空心構件、消防設備二次建模等不兼容的問題。究其本源在于PyroSim（2018.1.0417版）不支持rvt格式（Revit格式）及IFC（建筑工程數據交換標準，用于異質系統(tǒng)間數據的交換和共享）格式文件。Revit所建模型需要保存為DWG、DXF或FBX格式文件方能導入PyroSim，不同三維軟件對該類文件中信息的提取和識別標準不盡相同，因此，跨軟件移植模型所導致的信息丟失問題在所 難免。

使用者需采取合理手段對模型移植后出現的不兼容現象加以調整和優(yōu)化，以保證模擬能夠順利進行。

3.2.1 使用PyroSim重新為構件賦予材質

由于Revit模型導入PyroSim后會丟失所有材質信息，使用者必須在PyroSim中重新為構件賦予材質信息。不過大部分針對建筑工程進行的火災煙氣模擬只模擬火災發(fā)生后產生的煙氣流動情況，不考慮火源引燃其他可燃物而導致的火勢蔓延過程，因此，只需對火源進行燃燒材質的設置，其他建筑構件均設置為惰性材質（INERT）即可。

3.2.2 使用Revit進行構件開洞

針對PyroSim“線識別”和“面識別”機制而產生的空心構件現象，若在模型導入PyroSim后發(fā)現有需要修改的地方，不宜在PyroSim中直接對模型進行修改（尤其是開洞命令形成的“儲煙倉”式墻體），而應使用Revit對原模型進行調整，再重新導入PyroSim中。

3.2.3 放棄Revit對消防設備的建模

Revit創(chuàng)建的設備模型導入PyroSim后僅僅只是徒有其表，無法在模擬計算時履行相關功能。因此，使用Revit創(chuàng)建設備模型意義不大，建模時無需耗費時間創(chuàng)建設備模型，待模型導入PyroSim后再使用PyroSim的設備創(chuàng)建功能為模型添加相關消防設備。

4 結語

火災煙氣模擬是進行消防性能化分析的重要手段之一，它能將人們非常關注但又無法試驗的火災事件以科學的方式在計算機中進行虛擬推演、輔助方案設計及評估 論證[4]。

本文通過分析模型移植的兼容性，提出優(yōu)化解決方法，并輔以實例操作的形式探索了PyroSim 2018與Revit 2016在火災煙氣模擬中結合應用的可行性。2款軟件在建模和模擬方面各有著重，使用者在進行火災煙氣模擬時應合理搭配軟件進行使用，取長補短，在提高效率的基礎上既體現模型的真實性和美觀性，又保證模擬結果的科學性和準確性，以事半功倍的效果完成火災煙氣模擬工作。