基于BIM 正向設(shè)計的建筑防火審查工具研究

陳煒

（重慶市設(shè)計院有限公司，重慶 400015）

引言

2017 年前后“BIM 正向設(shè)計”的提法及實踐逐步增多。正向設(shè)計最大的優(yōu)勢在于模型直接來源于設(shè)計師，避免了中間二次“翻模”轉(zhuǎn)義導(dǎo)致的信息遺漏和錯誤，再基于“設(shè)計師模型”生成施工圖，圖模一致性問題得到了很好的解決。進(jìn)入“十四五”時期，建筑業(yè)提出“數(shù)字建造”的轉(zhuǎn)型目標(biāo)，同時開始啟動城市信息模型（CIM，City Information Modeling）的研究和示范應(yīng)用工作，在此背景下，BIM 正向設(shè)計的必要性與迫切性就凸顯出來[1]。

經(jīng)過多年發(fā)展，正向設(shè)計在建模標(biāo)準(zhǔn)、管理流程、軟件性能等方面都取得了很大進(jìn)步。但整體上來說市場接受度不高，遠(yuǎn)沒有達(dá)到普及應(yīng)用的水平，究其原因還是相較于傳統(tǒng)設(shè)計方式其價值力彰顯不夠，對設(shè)計階段本身及下游產(chǎn)業(yè)鏈沒有形成足夠的支撐。在此前的設(shè)計實踐中，大多數(shù)開展BIM 正向設(shè)計的企業(yè)（建設(shè)方、設(shè)計院）往往更注重正向設(shè)計的流程管理、生產(chǎn)周期及人力投入情況，而對于BIM 在信息集成上的應(yīng)用關(guān)注度略顯不足。BIM 模型中的構(gòu)件是具有幾何和語義特征的完整對象，而不僅僅是像CAD 模型中由點和線所定義的幾何圖形[2]。

2020 年以來，湖南、廣州、南京等省市相繼推出基于BIM 模型的施工圖智能化審查平臺，正式宣告BIM 模型智能審查時代的到來。張荷花等[3]闡述了將BIM 模型智能檢查工具應(yīng)用于湖南省BIM 審查系統(tǒng)并實現(xiàn)基于機(jī)器的消防審查的應(yīng)用實踐。王佳等[4]提出了面向BIM 消防智能審查的規(guī)范語義模型構(gòu)建方法，實現(xiàn)消防規(guī)范條文的快速結(jié)構(gòu)化表達(dá)，從而達(dá)到面向BIM 模型的消防智能審查的目的。喬長江等[5]根據(jù)消防審查要點和BIM 模型信息特點進(jìn)行相關(guān)條文篩選和拆解，同時對BIM 消防合規(guī)性基礎(chǔ)信息進(jìn)行歸納整理。上述研究對進(jìn)一步完善智能審查技術(shù)，提升審查效率和準(zhǔn)確率起到了促進(jìn)作用。然而，以上研究主要面向施工圖審查環(huán)節(jié)及規(guī)范條文的數(shù)字化解析，對于設(shè)計階段的校審應(yīng)用與信息集成提及較少。

智能審查可以全面無死角審查，在很大程度上解放人力，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。但智能審查也不能是“無源之水”，要順利實現(xiàn)目標(biāo)，在模型中集成審查信息就變得必不可少。從已推行自動審查的湖南、廣州等地來看，2020 年之后頒布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求中BIM 模型內(nèi)的消防設(shè)計深度仍然不足，導(dǎo)致消防設(shè)計信息本身不完整[6]。本文提出了一種在BIM 正向設(shè)計階段快速高效賦予消防審查信息的方法，并成功開發(fā)了基于此的消防自動化校審工具AtCheck，為正向設(shè)計與自動審查的研究及應(yīng)用提供新思路，供建筑設(shè)計從業(yè)者參考借鑒。

1 工具概況

AtCheck 工具運行平臺是Autodesk Revit 2021。Revit 作為一款普適性三維建模軟件，其全面準(zhǔn)確的建筑數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的建模工具為建筑數(shù)字化打下良好基礎(chǔ)[7]。同時Revit 還提供了全面完善的二次開發(fā)功能，二次開發(fā)技術(shù)作為BIM 學(xué)習(xí)與應(yīng)用中的一個研究熱點，具有積極的實用和理論價值，能夠解決快速建模、信息管理以及數(shù)據(jù)交互等方面的一系列應(yīng)用難題，從而提高工作效率、縮短工作周期，得到了建筑業(yè)研究者廣泛關(guān)注[8]。

AtCheck 工具的開發(fā)采用Visual Studio 2019 及Revit_2021_SDK，.NET Framework 4.8 框架，編程語言則采用當(dāng)今流行的C#。目前，工具實現(xiàn)了針對疏散距離、疏散寬度、防火門等級、防火門開啟方向、前室面積、防火分區(qū)等主要建筑防火設(shè)計內(nèi)容的自動審查，已在2 個正向設(shè)計項目和近20 個逆向驗證及BIM報審項目（包括初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段）開展應(yīng)用測試，累積建筑面積超150 萬方。

2 功能介紹

當(dāng)前市場下，BIM 正向設(shè)計的合同工作周期與傳統(tǒng)CAD 設(shè)計相較略有延長或基本持平，因此，在正向設(shè)計階段應(yīng)用自動審查，從技術(shù)和管理上需要解決四個問題：審查信息快速錄入；模型數(shù)據(jù)解讀提??；審查規(guī)則準(zhǔn)確植入；便利的過程及結(jié)果反饋。

AtCheck 工具架構(gòu)組成上分為三個模塊：指引模塊、審查模塊、輸出模塊。指引模塊負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入及審查參數(shù)的高效錄入，是前處理重要的一環(huán)。審查模塊負(fù)責(zé)模型信息提取及審查規(guī)則植入，是整個程序的核心部分。輸出模塊負(fù)責(zé)前處理信息及審查結(jié)果的外顯（圖形或報告等）。工具面板如圖1 所示。

圖1 AtCheck 工具面板

2.1 指引模塊

常規(guī)BIM 模型深度不足以完全支持消防自動審查，且建模方式、命名規(guī)則等標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。為了快速、統(tǒng)一地補(bǔ)充建筑防火設(shè)計信息，指引模塊功能可以分為模型直接輸入及關(guān)聯(lián)信息生成兩大類。本節(jié)介紹模型直接輸入功能，關(guān)聯(lián)信息生成將在第3 節(jié)主要算法中介紹。

模型直接輸入功能主要包含初始參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)房間信息生成及檢查工具等，標(biāo)準(zhǔn)房間的屬性參數(shù)包括房間名稱（可修改）、消防名稱、功能編碼、危險系數(shù)、百人凈寬（可修改）、人員密度（自定義輸入值大于5，程序按固定座位數(shù)考慮）、距離限值等。其中，消防名稱和功能編碼參照《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51269-2017，以下簡稱編碼標(biāo)準(zhǔn)）附錄A.0.3。危險系數(shù)是依據(jù)消防名稱（與功能編碼一一對應(yīng)）定義的房間危險等級，程序內(nèi)部定義的危險系數(shù)共分10個等級，從0 依次到9，數(shù)字越大代表越危險，室外安全區(qū)域定義為0，一般功能房間的危險系數(shù)是9，正確的疏散方向應(yīng)是從危險系數(shù)高的房間指向危險系數(shù)低的房間。部分房間的消防名稱、功能編碼及其危險系數(shù)在程序中的定義如表1 所示。

表1 程序定義的房間參數(shù)（部分）

2.2 審查模塊

審查模塊分為審查判據(jù)生成、語義規(guī)則庫及指標(biāo)量化庫三個部分，如圖2 所示。

圖2 審查模塊組成結(jié)構(gòu)圖

審查判據(jù)是在語義規(guī)則庫的指導(dǎo)下提取模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算分析后生成的模型對象（或信息），如疏散距離審查中的分析路徑（PathOfTravel 對象）和防火門開啟方向?qū)彶橹械拈T兩側(cè)房間危險性定義（通過屬性信息獲?。?。與軟件工程領(lǐng)域提到的語義模型[9]不同的是，審查判據(jù)依賴于原始模型，存在于原始模型中，即信息與模型相集成。消防設(shè)計信息在以出圖為主的正向設(shè)計中基本沿用傳統(tǒng)2D 圖形化的表達(dá)方式，存在相關(guān)信息集成度底、不易讀取、復(fù)用困難等，而采用信息集成的方式則可以在一定程度上規(guī)避這些問題。

語義規(guī)則庫是對規(guī)范條文進(jìn)行分析拆解后的結(jié)構(gòu)化語言表達(dá)，進(jìn)而在程序中通過代碼實現(xiàn)。語義規(guī)則庫主要解決怎么審的問題，承擔(dān)指導(dǎo)審查判據(jù)生成的功能，例如公共用房、走道、車庫計算疏散距離的判據(jù)，其生成規(guī)則均有區(qū)別。并且語義規(guī)則庫需要與指標(biāo)量化庫配合使用，兩者之間是一對多的關(guān)系。

指標(biāo)量化庫包含對規(guī)范條文按策略分類后的量化記錄，是審查判斷的數(shù)值準(zhǔn)繩。消防規(guī)范中存在許多判斷方式相同但限值要求不同的情況，例如《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016-2014，以下簡稱防火規(guī)范）對不同建筑類型的疏散門至最近安全出口的直線距離的規(guī)定。將量化庫與規(guī)則庫分離的策略模式，很好地適應(yīng)了這一狀況。

2.3 輸出模塊

輸出模塊的作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是設(shè)計過程中將設(shè)計參數(shù)及時直觀的以圖形化方式顯示便于修改及確認(rèn)；二是審查階段對結(jié)果的顯示、加工、報告及導(dǎo)出等。圖3 展示了某地下車庫一層防火分區(qū)面積平面圖在設(shè)計過程中AtCheck 自動審查的結(jié)果。

圖3 地下車庫防火分區(qū)自動審查結(jié)果展示

3 主要算法

在2.1 節(jié)提及的房間標(biāo)準(zhǔn)化生成及檢查工具，為創(chuàng)建、查詢、修改富含消防功能信息的房間提供了便利。但是，消防審查涉及的概念及參數(shù)眾多，將這部分信息完整載入模型，無疑工作量巨大。如果僅依靠前期錄入的方式，會給設(shè)計師形成不小的負(fù)擔(dān)。因為，一般來說，為正向設(shè)計項目生成房間是必要的，但是輸入與出圖無關(guān)的過多信息則是不被接受的（除非合同有明確要求）。關(guān)聯(lián)信息或?qū)彶榕袚?jù)依靠對已有數(shù)據(jù)的分析和推斷得到，本節(jié)重點介紹AtCheck 工具在相關(guān)功能實現(xiàn)上的算法思路。

3.1 門的定性

防火規(guī)范5.5.8 條文說明：疏散門是房間直接通向疏散走道的房門、直接開向疏散樓梯間的門(如住宅的戶門)或室外的門，不包括套間內(nèi)的隔間門或住宅套內(nèi)的房間門；安全出口是直接通向室外的房門或直接通向室外疏散樓梯、室內(nèi)的疏散樓梯間及其他安全區(qū)的出口，是疏散門的一個特例。據(jù)此規(guī)范說明，工具將門的疏散定性分為三個等級：套內(nèi)門、疏散門及安全門（規(guī)范定義是安全出口，程序中為了格式統(tǒng)一改為安全門）。由上可知，門的疏散定性基本取決于其兩側(cè)房間是什么消防功能，如有一側(cè)為疏散走道或疏散樓梯間等關(guān)鍵節(jié)點房間，則可推斷出該門為疏散門或安全門。提取門兩側(cè)房間消防功能，在具體執(zhí)行時可以通過門構(gòu)件族實例（FamilyInstance）對象的ToRoom 及FromRoom 屬性（如圖4 所示）獲取門兩側(cè)房間ID，進(jìn)而得到房間的消防名稱（功能）。AtCheck工具提供了自動更新功能，門的疏散定性會隨著房間消防名稱參數(shù)值的改動而自動調(diào)整。

圖4 門的FamilyInstance 屬性

3.2 嵌套房間

安全疏散路徑的設(shè)計原則，應(yīng)以危險區(qū)域→次危險區(qū)域→相對安全區(qū)域→室外安全區(qū)域為基本原則，風(fēng)險逐級遞減，這是所有安全疏散路徑應(yīng)遵行的準(zhǔn)則，是安全疏散設(shè)計的基礎(chǔ)[10]。對于只有套內(nèi)門（門兩側(cè)房間的危險系數(shù)相同）的房間，這類房間不向疏散走道、疏散樓梯及室外安全區(qū)開口，通常作為大空間的嵌套房間出現(xiàn)。嵌套房間的疏散距離判斷與普通房間不同，其依賴于所從屬的大空間房間。嵌套房間的疏散門應(yīng)取其從屬房間的疏散門。觀眾廳、展覽廳、多功能廳、餐廳、營業(yè)廳等中的嵌套房間疏散距離判斷規(guī)則，如圖5 所示。

圖5 觀眾廳等嵌套房間安全疏散要求（圖片來源于國家標(biāo)準(zhǔn)圖集[11]）

3.3 疏散路徑

疏散距離按折線距離計算，審查時需要創(chuàng)建行進(jìn)路徑作為判據(jù)，行進(jìn)路徑考慮墻柱等固定構(gòu)件的阻擋，一般未考慮因布置設(shè)備、停車位等而產(chǎn)生的阻擋（具體是否考慮可以在程序中設(shè)置）。行進(jìn)路徑可以直接使用Revit API 提供的PathOfTravel.Create 靜態(tài)方法創(chuàng)建，如圖6所示。創(chuàng)建行進(jìn)路徑時，會分析當(dāng)前平面視圖，并計算最佳（最短）路徑。在計算過程中，行進(jìn)路徑會避開識別為障礙物的對象（在設(shè)置中定義），并會考慮人體的常規(guī)寬度以及行走時的身體擺動。行進(jìn)路徑分析基于Simulex 分析引擎。它分4 個步驟執(zhí)行：定義網(wǎng)格并生成初步布線；沿初步布線查找最近的障礙物；使用角捕捉點來生成修改的路徑；偏移障礙物來生成最佳的“行走”路徑。有關(guān)分析路徑更詳細(xì)的介紹，可以參考Revit 2021 幫助文件。

圖6 行走路徑展示（圖片來源于Revit 2021 HELP）

3.4 袋形走道

袋形走道，是只有一個疏散方向的走道，因而位于袋形走道兩側(cè)的房間，不利于人員的安全疏散。因此，位于袋形走道兩側(cè)或盡端的疏散門到安全出口的疏散距離限值控制更加嚴(yán)格。程序處理時，搜索疏散門通往所有安全出口的行進(jìn)路徑，并對行進(jìn)路徑從疏散門出來的第一段做夾角計算，若夾角大于90°視為位于兩個安全出口間，否則按位于袋形走道處理。必須指出的是，建筑平面布置情況多種多樣，對于復(fù)雜走道布置方式的袋形走道判斷還有待提高。

3.5 與全樓有關(guān)的定義

建筑防火設(shè)計中還有部分參數(shù)的定義域是在全樓范圍，例如建筑高度、耐火等級等。在BIM 正向設(shè)計流程下，將全樓信息定義在體量模型中。程序提取時，通過包含關(guān)系計算，可以批量準(zhǔn)確的將全樓信息賦予子區(qū)域（樓層、防火分區(qū)、房間等）。如圖7 所示某高層醫(yī)院項目，初始通過房間標(biāo)準(zhǔn)化生成工具直接創(chuàng)建的“病房”，其功能編碼為12-06.14.10，再運行全樓參數(shù)定義后其功能編碼參數(shù)變?yōu)?1-01.30.00>12-06.14.10（意為高層建筑病房），如圖8 所示。

圖7 醫(yī)院BIM 的兩種模型

圖8 病房功能編碼前后展示

4 結(jié)論與展望

本文結(jié)合BIM 正向設(shè)計實踐，利用Revit 二次開發(fā)技術(shù)成功實現(xiàn)了在不明顯影響設(shè)計周期情況下的建筑防火設(shè)計自動審查，一方面通過工具化手段在設(shè)計過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，有助于提高設(shè)計質(zhì)量；另一方面充分發(fā)揮了BIM 信息集成的優(yōu)勢，延伸了BIM 模型后續(xù)應(yīng)用價值。對BIM 正向設(shè)計及自動審查的研究提供了有益的參考。

上面所提及的許多思路和方法，不僅在建筑防火審查上得以應(yīng)用，在其他的建筑規(guī)范的自動審查上也可以參考，輔以房間及構(gòu)件映射功能，在應(yīng)對來源眾多的“翻模”項目時，工具也可以有良好的表現(xiàn)。同時，嘗試將國標(biāo)編碼標(biāo)準(zhǔn)與程序開發(fā)相結(jié)合，國標(biāo)編碼提供了規(guī)范的命名和無歧義的編碼體系可以在設(shè)計中直接使用，但需要配套相應(yīng)的支持軟件。

基于Revit 平臺實現(xiàn)的審查工具受到平臺運行性能及API 接口開放程度的影響，其本身存在一定局限性。并且在規(guī)則庫建立上存在大量耗時的人工解讀及轉(zhuǎn)碼，希望能有接口使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、知識圖譜等前沿技術(shù)構(gòu)建的通用規(guī)則庫及審查技術(shù)，進(jìn)一步降低建筑設(shè)計行業(yè)使用或開發(fā)自動審查技術(shù)的難度。

從行業(yè)來看，BIM 智能審查不是目的，而是提升行業(yè)監(jiān)管水平、促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、支撐智慧城市建設(shè)的重要手段。因此，建議BIM 智能審查技術(shù)可以更多的前置應(yīng)用到設(shè)計環(huán)節(jié)，如此才能最大程度的提高設(shè)計質(zhì)量與品質(zhì)，這也是本研究的另一個初衷。