GIS+BIM 技術(shù)在城中村Gustav 法火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理中的應(yīng)用研究

丁振瀚 劉迅 李曉波 沈樂

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘇州 215000；2. 蘇州科技大學(xué) 商學(xué)院，蘇州 215000）

引言

城中村存在消防安全隱患、市政支持不足、城市景觀不佳、責(zé)任主體缺失等問題，是進(jìn)行城市更新的重點(diǎn)更新區(qū)域。城中村消防安全管理水平的提升是我國城市更新的重點(diǎn)之一，應(yīng)納入城市規(guī)劃，嚴(yán)格按照規(guī)劃發(fā)展。城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是我國城市更新規(guī)劃中亟需解決的問題。

關(guān)于城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警問題，學(xué)者們主要集中在采用不同的方法進(jìn)行評(píng)估。趙偉[1]針對(duì)城中村中不同使用功能的房間，應(yīng)用Gustav 法進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析并提出防火方案建議。吳大放等[2]結(jié)合AHP 和GIS 技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)和分類城中村的防火能力。曹邦卿等[3]利用模糊層次分析法，對(duì)影響因素進(jìn)行了研究，得到了各指標(biāo)及其權(quán)重值，建立了評(píng)價(jià)模型。谷建軍[4]針對(duì)消防隱患的特征和成因進(jìn)行研判，提出評(píng)估方法和評(píng)估體系，然后在實(shí)地評(píng)估中發(fā)現(xiàn)主要問題的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)出租屋火災(zāi)隱患的對(duì)策，繼而提高出租屋的消防安全水平。火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警常會(huì)采用到GIS 和大數(shù)據(jù)挖掘等方法。在根據(jù)Gustav 法分析所得結(jié)果未能直觀地給出建筑物本身的破壞GR，以及對(duì)建筑物內(nèi)部人員和財(cái)產(chǎn)損失IR 的危險(xiǎn)范圍[1]。采用GIS及大數(shù)據(jù)挖掘等方法來做火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的研究，雖然能夠做到直觀表現(xiàn)，但應(yīng)用對(duì)象適用于如同通道等有規(guī)范設(shè)計(jì)的大型設(shè)施火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理。相較之下，BIM 技術(shù)可以更好地解決城中村一類小而復(fù)雜的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警問題。通過BIM 與火災(zāi)相關(guān)的研究綜述中得知，國內(nèi)集中火災(zāi)模擬、安全疏散及建筑消防方面的研究[5]，而國際集中在應(yīng)急救援方面[6]。BIM 技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可使消防疏散路徑更加直觀，救援指揮更加便捷[7]。因此，有必要利用BIM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理研究中。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文研究基于BIM 技術(shù)，獲取并集成城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需的相關(guān)信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建建筑信息模型，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)征兆可測(cè)評(píng)原理，采用Gustav 火災(zāi)危險(xiǎn)度法分析后，將分析所得結(jié)果的GR 和IR 危險(xiǎn)范圍直觀地呈現(xiàn)。最后，為了證明所提出的方法的有效性，對(duì)深圳的一個(gè)城中村進(jìn)行了案例研究。

1 城中村火災(zāi)危險(xiǎn)度現(xiàn)狀

城中村建筑材料耐火等級(jí)不高及其防火設(shè)計(jì)存在問題，容易出現(xiàn)火勢(shì)沿著建筑外表面向上蔓延且產(chǎn)生大量有毒氣體。城中村樓棟間過道狹小，建筑間無必要的防火間距，樓棟間距中存在如同電瓶車以及雜物等可燃易燃物品，且消防設(shè)施落后或缺失，火勢(shì)蔓延勢(shì)不可擋[8]。村中村樓間距通向主干道的出口作為主要的逃生口，許多出口已經(jīng)被商店私自擴(kuò)大空間所占據(jù)。疫情時(shí)代，不合理的分區(qū)規(guī)劃加劇了存在的火災(zāi)逃生風(fēng)險(xiǎn)。城中村房屋用途性質(zhì)混亂。原本倉庫一般位于樓棟一層，現(xiàn)隨著電商行業(yè)的興起，用于居住的房屋往往也用做商家的倉庫使用，火災(zāi)危險(xiǎn)度情況更為復(fù)雜[9]。城中村普遍存在的消防安全影響因子可對(duì)應(yīng)以下兩個(gè)古斯塔夫影響因子。

1.1 建筑火災(zāi)危險(xiǎn)因子

建筑成本決定城中村建筑耐火等級(jí)，決定能否抵御火災(zāi)侵襲。城中村建筑基本上都是磚混以及磚木結(jié)構(gòu)，建設(shè)成本低廉、施工周期短，根本不考慮防火、防震及防沉降要求。此外，城中村普遍存在著建筑戶戶相連、成片布置以及“握手樓”等現(xiàn)象。因此，城中村的防火等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建筑防火風(fēng)險(xiǎn)的要求。

1.2 建筑物內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)因子

租房用途混亂、租住人員復(fù)雜、居民變動(dòng)頻繁等因素導(dǎo)致的消防管理混亂，火險(xiǎn)隱患嚴(yán)重。受村里人的文化素質(zhì)和暫住人口的影響，”三合一 “現(xiàn)象在村里隨處可見。居民防火意識(shí)淡漠，擅自使用明火、私拉亂接電線、私自使用小鍋爐和化學(xué)品儲(chǔ)存罐等違法行為大量存在。

2 研究方法及原因

2.1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）

本文借助GIS 研究工具，分析城中村建筑物實(shí)際占地等問題并將其可視化處理，為進(jìn)一步的研究、設(shè)計(jì)提供依據(jù)。GIS 是一個(gè)管理方便、空間分析能力強(qiáng)、支持城市空間精確設(shè)計(jì)的信息系統(tǒng)，專門研究地理空間數(shù)據(jù)和地表空間信息中的地理現(xiàn)象和事物的運(yùn)行[10]。GIS 對(duì)城中村火災(zāi)危險(xiǎn)度分析所需的建筑物占地面積、各點(diǎn)距離消防隊(duì)直線距離等信息進(jìn)行收集，并進(jìn)行集成管理。

2.2 古斯塔夫危險(xiǎn)度法（Gustav 法）

Gustav 法是一種采用模糊數(shù)學(xué)處理分析火災(zāi)危險(xiǎn)源的半定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法。Gustav 法定義火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)為與火災(zāi)危險(xiǎn)源的不同特征相對(duì)應(yīng)的多個(gè)因素。一方面，建筑物本身的破壞GR，另一方面，建筑物內(nèi)部人員和財(cái)產(chǎn)損失IR，GR 和IR 共同決定建筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)程度。建筑物本身火災(zāi)危險(xiǎn)度GR 和建筑物內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)度IR 的計(jì)算具體見式(1)和式(2)。

式(1)中，C為易燃性因子；QM為可移動(dòng)的火災(zāi)負(fù)荷因子，表示建筑物室內(nèi)可移動(dòng)燃燒物對(duì)GR 的影響，可根據(jù)火災(zāi)平均密度決定; Qi為固定火災(zāi)負(fù)荷因子；L為滅火速度因子，表示滅火設(shè)施及人為滅火能力的因素，可根據(jù)滅火能力等級(jí)決定；B為火災(zāi)區(qū)域及位置因子，表示建筑火災(zāi)面積對(duì)消防難易程度的影響，可根據(jù)消防活動(dòng)的難易程度來確定；Ri為危險(xiǎn)度減少因子，表示火災(zāi)危險(xiǎn)度下降因素；W為建筑物耐火因子，表示建筑物的耐火能力，可根據(jù)耐火能力等級(jí)決定[1]。

式(2)中，H 為人員危險(xiǎn)因子，表示建建筑物內(nèi)人員的自救能力，受對(duì)疏散通道的熟悉程度、人員數(shù)量和出口數(shù)量的影響; D 是為財(cái)產(chǎn)危險(xiǎn)因子，表示建筑物內(nèi)財(cái)產(chǎn)的價(jià)值、數(shù)量和損失情況，可根據(jù)財(cái)產(chǎn)受危險(xiǎn)程度決定; F 是煙氣因子，表示煙氣的毒性、濃度及危害性程度，可根據(jù)煙氣的危險(xiǎn)程度決定。建筑火災(zāi)危險(xiǎn)因子和建筑物內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)因子取值參考趙偉研究結(jié)果[1]，部分如表1 所示。

表1 因子取值表（部分）

GR 和IR 值的不同決定防火的具體措施不同。GR越大，越需要加強(qiáng)自動(dòng)滅火設(shè)施需求，IR 越大，越需要加強(qiáng)火災(zāi)早期報(bào)警系統(tǒng)的需求，將二維分析圖分為A 區(qū)（不需要保護(hù)）、B 區(qū)（加強(qiáng)滅火設(shè)施）、C 區(qū)（加強(qiáng)報(bào)警系統(tǒng)）以及D 區(qū)（雙重保護(hù)），如圖1 所示。采用Gustav 法分析火災(zāi)危險(xiǎn)度的難點(diǎn)在于獲取GR 和IR 中的影響因子。單個(gè)建筑物信息獲取較為簡單易行，但對(duì)某一區(qū)域內(nèi)眾多建筑物進(jìn)行分析則需要大量時(shí)間成本，且其中有大量相同的工作。采用何種信息化的手段來解決成為尤為關(guān)鍵的問題，GIS+BIM 技術(shù)成為了一種解決辦法。

圖1 古斯塔夫火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度分析圖

2.3 建筑信息模型（BIM）

BIM 是一種創(chuàng)建建筑數(shù)字模型的方法和工具，數(shù)字模型用于信息化管理以便優(yōu)化設(shè)計(jì)等。BIM 可以根據(jù)所建模型，計(jì)算出結(jié)構(gòu)、建筑和裝飾的體量及其材料屬性以及城中村區(qū)塊內(nèi)各建筑物的樓層數(shù)和火災(zāi)區(qū)域。結(jié)合燃燒熱值表，大量、快速、精確地確定因子取值。

BIM 技術(shù)在城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用，將通過建筑信息標(biāo)識(shí)碼快速讀取以Excel 表格形式呈現(xiàn)，再通過BIM 軟件對(duì)所建立的建筑模型錄入建筑信息，添加除標(biāo)識(shí)碼可獲得之外的信息，如建立職業(yè)消防隊(duì)模型，取直線距離等對(duì)應(yīng)取值。然后，導(dǎo)出添加識(shí)別碼外信息后的建筑模型明細(xì)表，通過程序編程批量處理待用Gustav 法公式計(jì)算的數(shù)據(jù)。最后，基于BIM 的可視化功能，將評(píng)價(jià)結(jié)果以色彩方案直觀呈現(xiàn)，以真實(shí)性和體驗(yàn)感為重點(diǎn)改善交流環(huán)境，方便閱讀和理解項(xiàng)目，達(dá)到提高項(xiàng)目的整體質(zhì)量的目的。

2.4 BIM 技術(shù)結(jié)合Gustav 法在城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理方法的構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)城市更新中的城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理，本文提出了一個(gè)方法框架。該框架按照“信息收集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析”的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)征兆可測(cè)評(píng)原理，采用GIS、BIM、程序編程等工具以及案例分析研究方法，對(duì)基于BIM 技術(shù)的城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用展開。首先通過LSV 4 定位所要研究的目標(biāo)，通過構(gòu)建天地圖帶建筑出底圖，再對(duì)底圖進(jìn)行規(guī)范化處理；然后實(shí)地調(diào)查將含有建筑物信息及其內(nèi)部信息的標(biāo)識(shí)碼收集整理，通過Revi2016 構(gòu)建模型，將收集到的信息通過Python 程序進(jìn)行批量處理之后錄入其中，繼續(xù)在Revit 中做進(jìn)一步的處理；再將可進(jìn)行Gustav 法分析的完整建筑信息導(dǎo)出并進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理分析；最后將分析結(jié)果導(dǎo)入Revit，用空間顏色方案呈現(xiàn)分析結(jié)果。BIM 技術(shù)結(jié)合Gustav 法在城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理方法的構(gòu)建如圖2 所示。

圖2 BIM 技術(shù)結(jié)合Gustav 法在城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理方法的構(gòu)建

3 案例應(yīng)用

3.1 案例項(xiàng)目概況

本案例城中村位于深圳市內(nèi)邊緣地區(qū)，依附于街道主干道位置，該占地呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，實(shí)際面積難以精確測(cè)量。案例取該城中村的東北一角區(qū)域，占地面積為9 338m2，由80 棟建筑物組成，包括酒店、公寓、居民樓及微型消防站。

3.2 GIS 技術(shù)獲得城中村建筑規(guī)劃圖

建筑信息的收集與整理首先需要對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建，建筑模型的構(gòu)建則需要對(duì)建筑信息的收集，而建筑信息需要提前明確目標(biāo)及目標(biāo)的總體的規(guī)劃設(shè)計(jì)底圖，GIS 技術(shù)能夠做到建筑底圖的提取。LSV 4 在地圖上定位待研究的城中村區(qū)塊影像，如圖3 所示，通過影像底圖（天地圖帶建筑）下載后分離建筑和地圖，再對(duì)地圖進(jìn)行處理后，提取建筑底圖，最后調(diào)整轉(zhuǎn)角與直線，如圖4 所示。將獲得的底圖按比例導(dǎo)入CAD 軟件進(jìn)行繪制，出城中村建筑規(guī)劃圖。

圖3 城中村天地圖

圖4 帶建筑底圖

3.3 基礎(chǔ)信息收集與處理

Revit 鏈接功能鏈接上述CAD 圖紙，建立建筑模型，如圖5 所示。通過實(shí)地調(diào)研，將建筑物基本信息（占地尺寸和面積、樓層數(shù)、結(jié)構(gòu)和材料類型等）以及建筑物內(nèi)火災(zāi)荷載組成因素（移動(dòng)可燃物主要組成材料及重量等）借助標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行快速收集，將收集到的建筑信息錄入模型中，如圖6 所示，再根據(jù)預(yù)設(shè)的消防隊(duì)地點(diǎn)，測(cè)得直線距離，所得數(shù)據(jù)導(dǎo)出報(bào)告明細(xì)表文檔轉(zhuǎn)入Excel 文件。

圖5 模型構(gòu)建

圖6 建筑信息錄入

3.4 分析結(jié)果

獲取BIM 信息數(shù)據(jù)，借助編程軟件Python 批量處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過古斯塔夫公式計(jì)算得出建筑火災(zāi)危險(xiǎn)度GR 和建筑物內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)度IR 值，該區(qū)塊80個(gè)樣本數(shù)據(jù)如圖7。根據(jù)GR、IR 取值劃分預(yù)警等級(jí)是一個(gè)相對(duì)值，結(jié)合業(yè)內(nèi)專家的意見，認(rèn)為GR、IR 值均以數(shù)值2 為分界值，分以A 區(qū)（不需要保護(hù)）、B區(qū)（滅火設(shè)施）、C 區(qū)（報(bào)警系統(tǒng)）以及D 區(qū)（雙重保護(hù)），并對(duì)應(yīng)附上綠色、橙色、黃色、紅色的顏色方案，導(dǎo)入計(jì)算所得結(jié)果，在Revit 房間功能中加以直觀顯示，如圖8 所示。

圖7 區(qū)塊各樣本GR 和IR 值

圖8 古斯塔夫火災(zāi)危險(xiǎn)度分析圖

從上圖中可以發(fā)現(xiàn)，該城中村東北角區(qū)域符合A區(qū)的建筑物有38 個(gè)，主要用途為居住用公寓以及水果店。符合C 區(qū)的建筑物有23 個(gè)，主要用途為倉庫、餐飲店、浴足店、便利店、大型超市及診所及藥店。符合D 區(qū)的建筑物有15 個(gè)，主要用途為酒店、網(wǎng)吧、手機(jī)維修店以及便利店。剩余的為1 個(gè)微型消防站和3個(gè)停車場(chǎng)空地，不參與分析。由此可以得知，第一，需要加強(qiáng)報(bào)警系統(tǒng)和需要加強(qiáng)滅火設(shè)施以及報(bào)警系統(tǒng)的雙重保護(hù)的建筑物主要集中在區(qū)塊靠近主干道的邊緣，這些建筑物的用途一般都為用于商業(yè)用途，需要特別注意消防預(yù)警管理；第二，不需要加強(qiáng)保護(hù)的建筑物主要集中在區(qū)塊的中間部位，位于該部位的建筑物多為居住用途，消防預(yù)警危險(xiǎn)壓力較??；第三，本案例該區(qū)域無單獨(dú)需要加強(qiáng)滅火設(shè)施即屬于B 區(qū)的建筑；第四，建筑物群在微型消防站以及停車場(chǎng)空地處形成該區(qū)塊整體火災(zāi)危險(xiǎn)度的唯獨(dú)的兩個(gè)泄壓口。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)方法相比，利用GIS+BIM 技術(shù)運(yùn)用于城中村Gustav 法火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理中有以下兩點(diǎn)較為突出的優(yōu)勢(shì)。第一，科學(xué)可靠性。對(duì)于建筑物本身，如體量等信息，BIM 技術(shù)可以通過模型構(gòu)建，一鍵導(dǎo)出具體數(shù)值；第二，節(jié)約資源，減低成本。GIS 技術(shù)對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取和BIM 技術(shù)對(duì)建筑物本身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，可運(yùn)用于需大量、復(fù)雜的城市地塊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度定性定量評(píng)估中。

本文從另一個(gè)嶄新的角度對(duì)城中村消防安全管理進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)將BIM 技術(shù)結(jié)合Gustav 火災(zāi)危險(xiǎn)度法應(yīng)用到城中村火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過分析案例的結(jié)果得知，經(jīng)過政府大力地城市更新，城中村消防安全管理有了一定成效。