基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合研究

摘" 要： 針對建筑消防措施消防性能-消防投入經(jīng)濟性錯配問題，提出了一個基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合分析框架.利用BIM智能審圖功能優(yōu)化消防措施模型形成消防措施方案集，模擬設定火災場景下消防措施方案集的煙氣、溫度、能見度等煙氣參數(shù)確定消防性能，并關聯(lián)各方案的消防投入開展消防安全-經(jīng)濟耦合分析，最后以某高校宿舍樓為案例進行驗證分析.結果表明：基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合分析框架可以用于優(yōu)化消防措施設計，并實現(xiàn)消防安全-經(jīng)濟性的良好匹配.該框架有助于設計人員和業(yè)主在消防性能模擬的基礎上進行透明合理的消防投入決策.

關鍵詞： 建筑信息模型；防火設計；消防性能模擬；經(jīng)濟分析；安全-經(jīng)濟耦合分析

中圖分類號：X921;TU998.1""" 文獻標志碼：A""""" 文章編號：1673-4807（2024）05-085-07

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.013

收稿日期： 2023-07-19""" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 教育部人文社科基金項目（17YJAZH123）；江蘇省社科基金項目（19XZB016）

作者簡介： 吳迪（1999—），男，碩士研究生

*通信作者： 張友志（1973—），男，副教授，研究方向為建筑安全、建筑能耗和建筑碳排放等.E-mail：just-zhang@163.com

引文格式： 吳迪，張友志，王亮灑.基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合研究［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），202 38（5）：85-91.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.013.

An integrated analysis of safety and economy forfire protection measures based on BIM

WU Di， ZHANG Youzhi*， WANG Liangsa

（School of Civil Engineering and Architecture， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：A fire safety economy coupling analysis framework based on BIM is proposed to address the mismatch between fire performance and fire investment economy of building fire protection measures. We utilize the BIM intelligent drawing review function to optimize the fire protection model and form a set of fire protection measures， simulate and analyze the smoke， temperature， visibility and other situations of the set of fire protection measures in the fire scenario， calculate the evacuation time and the engineering cost of each plan， and carry out the fire protection performance and cost for fire safety economic coupling analysis. Finally， a university dormitory building is used as a case to verify and analyze our model. The results indicate that the BIM based fire safety economy coupling analysis framework can be used in the design stage to optimize the design of fire protection measures in the early stages and achieve a match between the fire protection performance of fire protection measures and the economy of fire protection investment. This framework helps homeowners to make transparent and reasonable fire investment decisions based on their understanding of fire performance.

Key words：building information modeling， fire protection design， fire performance simulation， economic analysis， integrated analysis of safety and economy

建筑火災會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而消防措施對于減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有重要作用，現(xiàn)行國家和行業(yè)防火設計標準都要求配置合理的消防措施.實踐中，消防措施存在較為普遍的防火性能-消防投入錯配問題［1］.一方面，不考慮消防措施投入的經(jīng)濟性，盲目增加投資使得消防措施工程造價過高，同時導致過剩的消防安全性能冗余；另一方面，認為消防措施是一種沒有必要的投資，從而過度壓縮投資導致消防安全性能得不到充分保證［2］.2022年11月12日，河南安陽某工廠發(fā)生火災，火災造成38人死亡，2人受傷，事后調查發(fā)現(xiàn)該工廠安全生產(chǎn)投入嚴重不足導致消防設施老化，消防措施達不到消防技術標準要求，消防安全性能嚴重缺失［3］.當前，消防設計階段多數(shù)未進行消防措施的防火性能模擬，業(yè)主甚至設計人員并不清楚消防措施所能夠實現(xiàn)的消防性能以及為此需要支付的消防安全投入，這勢必影響業(yè)主的消防設施投入決策［4］.因此，若能在設計階段對依據(jù)消防標準配置的消防措施進行防火性能模擬，并對滿足防火性能的消防措施方案進行經(jīng)濟性比選，對于更經(jīng)濟地實現(xiàn)消防措施的消防安全性能具有重要意義.

借助FDS［5］、Pyrosim［6］、Pathfinder［7］等火災模擬工具，設計和研究人員能夠開展基于防火性能模擬的消防設計.文獻［8］應用Pyrosim軟件建立建筑物的火災擴散模型分析溫度、CO含量和能見度對人員疏散的影響，并結合Pathfinder軟件建立人員疏散模型模擬人員所需的安全疏散時間，為消防措施優(yōu)化提供參考.文獻［9］提出了一種改進的疏散時間評估方法，引入可用安全實用時間和所需安全實用空間用于評估消防措施的防火性能.文獻［10］使用Pyrosim火災仿真軟件建立某航站樓的FDS火災動力學模型，對有無噴淋系統(tǒng)情況下的煙氣層高度、能見度、熱輻射溫度進行仿真，結果表明火災模擬能夠更真實準確地推演航站樓火災演化規(guī)律，可為噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化和火災應急預案制定提供決策支持.

作為一種建筑信息集成平臺，近年來建筑信息模型（building information modeling，BIM）被廣泛用于消防設計.如文獻［11］提出了一種基于BIM的建筑消防設計框架，驗證了BIM技術在建筑消防安全管理中的應用價值.文獻［12］根據(jù)IFC標準將火災軟件模擬結果導入BIM模型，提高了火災模擬在BIM模型中的信息化程度和數(shù)據(jù)管理能力.文獻［13］基于BIM開發(fā)了滿足IFC標準要求的三維建筑消防設計圖紙審查系統(tǒng)，實現(xiàn)了對消防設計圖紙關鍵審查點的自動審查.文獻［14］提出了面向BIM的消防智能審查的規(guī)范語義構建方法，實現(xiàn)了消防規(guī)范條文的快速結構化表達，從而實現(xiàn)面向BIM模型的消防智能審查.

近年來，BIM和CFD被集成應用于優(yōu)化消防措施方案.如文獻［15］建立BIM模型，并將其導入Pyrosim與Pathfinder軟件，建立火災仿真模型和人員疏散仿真模型，通過對比防火設計優(yōu)化前后的安全疏散時間制定某高校實驗樓防火設計優(yōu)化方案.文獻［16］解決了BIM和Pyrosim軟件間的數(shù)據(jù)傳輸問題，整合BIM和Pyrosim軟件實現(xiàn)了基于BIM的火災模擬，仿真結果表明集成BIM和CFD軟件能更好地發(fā)揮BIM的價值.文獻［17］開發(fā)了一個基于BIM的火災模擬框架，用于模擬不同建筑布局場景下的火災增長和人員疏散效果，研究表明BIM和CFD軟件的結合可以用來優(yōu)化建筑防火設計.

除此之外，一些文獻還開展了消防措施的經(jīng)濟性研究.如文獻［18］基于BIM模型編制了部分消防專業(yè)構件的清單代碼，并將清單代碼植入Revit軟件，為估算消防措施造價提供了方便.文獻［19］研究了BIM在綜合管廊工程消防措施造價管理中的應用，研究表明利用BIM技術能夠更準確高效地實現(xiàn)消防措施的造價控制.

綜上，現(xiàn)有文獻對于消防措施的防火性能模擬和經(jīng)濟性分析進行了廣泛研究，但也存在一些可改進之處：

（1） 當前消防設計中主要根據(jù)消防設計規(guī)范標準配置相應的消防設施，但是較少進行消防措施的防火性能模擬，這使得業(yè)主甚至設計人員并不能完全了解消防措施能夠實現(xiàn)的防火性能.

（2） 目前消防設計和相關文獻中的消防設施經(jīng)濟性分析側重于消防措施的造價估算，很少開展基于防火性能模擬的消防設施經(jīng)濟性比選分析.

（3） 涉及BIM的類似研究主要集中于BIM建模、管線碰撞檢測等消防措施的技術性能研究，鮮有文獻兼顧消防設施的防火性能模擬和經(jīng)濟性比選分析，更缺乏一個基于BIM的消防措施的消防安全性能和經(jīng)濟性比選的整合分析框架.

基于此，文中主要目的在于提出一個基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合分析框架.

1" 基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合分析框架

基于BIM的消防安全-經(jīng)濟分析框架（圖1），主要包括消防措施BIM模型構建、消防性能模擬、消防措施經(jīng)濟性分析和消防安全-經(jīng)濟耦合分析.

1.1" 消防措施BIM模型構建

可以采用正向建?；蚰嫦蚪７绞?，建立消防措施方案的初始BIM模型，通過BIM的技術碰撞檢測和智能審圖功能對消防措施方案進行初步優(yōu)化，形成消防措施的修正BIM方案集（Xi）.

1.2" 消防性能模擬

1.2.1" 導入CFD仿真工具

將修正BIM方案集導入火災仿真工具中，實現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)傳輸.BIM軟件支持的輸出文件格式與Pyrosim軟件支持的導入文件格式如表1.

1.2.2" 建立火災仿真模型

（1） 創(chuàng)建網(wǎng)格

定義FDS模型的網(wǎng)格邊界，網(wǎng)格尺寸選取火焰特征直徑的1/1 特征火焰直徑D*的確定參考公式：

D*=QρɑcpTa" g2/5（1）

式中：D*為特征火焰直徑，m；Q為熱釋放速率，J/S；ρɑ為空氣密度，1.2 kg/m3；cp為空氣比熱（1 kJ）/（kg·K）；Ta為環(huán)境空氣溫度（293 K）；g為重力加速度（9.81 m/s2）.

（2） 定義火災反應

熱釋放速率是影響火災發(fā)展的基本參數(shù)，火災從有效燃燒時算起，熱釋放速率公式為：

Q=at2（2）

式中：Q為熱釋放速率，J/s；a為火災增長系數(shù)，kW/m2；t為火災發(fā)生后的時間，s.

（3） 創(chuàng)建消防措施模型

基于修正后的消防措施BIM方案集，在火災仿真工具中建立相應的消防措施模型.

（4） 設置材料和熱解

在文件傳輸和存儲的過程中，BIM中所攜帶的重要信息（材質等）會丟失，在火災仿真工具中需要對材料參數(shù)進行二次設置.當一層由多種材料組成時，該材料總的密度、導熱系數(shù)和比熱由各組成材料加權平均計算得出，假設其密度、導熱系數(shù)和比熱分別為ρs、ks和Cs，相應的公式分別為：

ρs=∑αYαρα（3）

式中：ρs為該層密度，Yα為每種材料的質量百分比，ρα為密度.

ks=∑Nmα=1Xαks，α（4）

式中：ks為該層的導熱系數(shù)，Nm為材料總數(shù)，Xα為設定的各組成材料的體積比，ks，α為設定的各組成材料的導熱系數(shù).

cs=∑Nmα=1ρs，αcs，α/ρs（5）

式中：cs為該層的比熱，Nm為材料總數(shù)，ρs，α為設定的各組成材料的密度，cs，α為設定的各組成材料的比熱.

（5） 創(chuàng)建探測設備

在火災仿真工具中創(chuàng)建熱電偶、等值面圖、2D云圖及2D矢量圖，在模擬過程中對特定位置的煙氣參數(shù)進行計算和輸出，導出模擬結果.

（6） 設定模擬參數(shù)

建立火災仿真模型后，設置溫度、壓力、氧氣含量和模擬時間等參數(shù)，進行火災仿真模擬.

1.2.3" 分析疏散時間

（1） 可用安全疏散時間

現(xiàn)行消防規(guī)范常用可用安全疏散時間來衡量消防措施的消防性能.可用安全疏散時間（tASET）是指建筑物發(fā)生火災時人員離開著火建筑物到達安全區(qū)域的時間.《建筑設計防火規(guī)范》（GB50016-2014）中規(guī)定一般民用建筑，一二級耐火等級不少于6 min，三、四耐火等級不少于2～4 min.通過火災仿真模擬工具模擬火災發(fā)展過程，計算各樓層人員安全疏散的煙氣參數(shù)達到臨界值的時間，得到可用安全疏散時間.假設煙氣參數(shù)-煙氣溫度、CO濃度和能見度到達臨界值的時間分別為t1、t2和t 則tASET可以表示為：

tASET={t t t3}min（6）

（2） 煙氣參數(shù)的臨界時間

火災發(fā)生過程中影響人員安全疏散的因素主要為煙氣溫度、一氧化碳（CO）濃度和能見度等煙氣參數(shù)，《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（GB51251-2017）中規(guī)定火災工況下人員生命安全判定見表2.

（3） 導出各方案消防性能（Fi）

通過模擬設定火災場景下不同消防措施方案的可用安全疏散時間（tASET）作為消防措施方案集的消防性能（Fi），對消防措施方案集的消防安全進行評價.

1.3" 消防措施經(jīng)濟性分析

基于BIM導出施工圖設計模型，依據(jù)清單規(guī)范和定額規(guī)范，分別確定工程量清單項目并計算工程量，關聯(lián)消防措施投入的人、材、機、利潤、稅金等價格信息，計算方案集中各方案總價，得到各方案消防投入（Ci）.

1.4" 消防安全-經(jīng)濟耦合分析

消防經(jīng)濟學研究消防設計方案的消防性能與消防投入的權衡關系，希望在滿足消防性能的基礎上通過較小的消防投入達成較高的消防安全目標［2］，進而實現(xiàn)消防安全-經(jīng)濟的最佳匹配.

為此，引入消防價值指數(shù)（Vi）對修正BIM方案集中的各方案進行消防安全-經(jīng)濟的耦合分析：

Vi=Fi/Ci（7）

式中：Vi為消防價值指數(shù)，F(xiàn)i為消防性能，Ci為消防投入.

可以看出，若消防措施預期的消防性能低、消防造價高，則消防價值指數(shù)低，消防措施的安全-經(jīng)濟性錯配；反之，若消防性能高、而消防造價低，則消防價值指數(shù)高，說明單位消防投入實現(xiàn)了較高的消防性能，消防措施的安全-經(jīng)濟性匹配度較好.因此，在滿足消防性能要求的條件下，可以通過比選選擇消防價值指數(shù)（Vi）最大的消防措施方案作為最優(yōu)方案.

2" 案例分析

以Z市某高校的一棟宿舍樓為例進行案例分析.該宿舍樓為6層框架結構，每層有50個房間，共計300個房間，其中：洗衣房2間、學生宿舍298間.每個房間長7.8 m、寬3 m，面積是23.4 m 首層層高3 m，其余各層層高2.85 m，每個房間可住2人，每層樓有2個安全出口，樓梯寬度為1.8 m.

2.1" 消防措施方案設計

根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》對該宿舍樓噴淋設施和防排煙措施進行設計，形成了由4種消防措施方案構成的消防措施方案集（表3）.

2.2" 消防措施BIM模型構建

根據(jù)該宿舍樓CAD格式的建筑圖紙，通過逆向建模方式采用Revit軟件建立宿舍樓的BIM模型.研究表明，依據(jù)CAD圖紙逆向建模形成的BIM模型存在信息缺失［20］.為此，采用Revit軟件的立面優(yōu)化、構造優(yōu)化和管道優(yōu)化等方法對該初始BIM模型進行修正，得到最終的BIM模型.

2.3" 消防性能模擬

2.3.1" 火災場景設定

根據(jù)消防設計要求，需要選取具有代表性的火災場景用來分析、模擬和驗證擬議的消防措施方案的消防性能滿足消防規(guī)范規(guī)定.為此，通過分析該學生宿舍樓建筑設計圖紙，共設定6種火災場景（A1～A6）分別位于1F的中西部、3F中西部以及6F的中東部位（圖3），采用Pyrosim軟件對6種火災場景的火災煙氣情況進行模擬.參考文獻［6］的實驗測定結果，設置火災的類型為快速火，熱釋放速率為1 500 kW/m 火災增長類型設定為快速增長型，網(wǎng)格總個數(shù)為118 995個.

分別在6種火災場景下的火源處以上1.8 m設置監(jiān)測界面監(jiān)測能見度，在著火樓層兩個安全出口距離地面3 m處設置監(jiān)測點，監(jiān)測CO濃度和頂棚溫度.根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（GB51251—2017），設置火災時宿舍樓著火層出口處允許的最小煙氣能見度為5 m，著火層安全出口處的頂棚溫度最高為60 ℃，2 m以下空間內的煙氣層中的CO的質量分數(shù)最大為1 600×10-6.

火災模擬結果顯示（表4），A1～A6火災場景下該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度分別在火災發(fā)生243、267、256、280、249和276 s時均下降至5 m，此時人員的安全疏散受阻.A1和A2火災場景下兩個安全出口處頂棚溫度在火災發(fā)生190 s和179 s時均達到60 ℃，人員的安全疏散受到影響；而A3、A4、A5和A6的兩個安全出口處頂棚溫度在火災發(fā)生190 s內均未達到60 ℃.

根據(jù)6種火災場景下的火災模擬結果，通過比較不同火災場景下各著火層兩個安全出口處煙氣參數(shù)達到臨界點的時間，可以發(fā)現(xiàn)：“當火源點在低樓層時，煙氣沿消防通道的蔓延速度更快，導致受災人員可用的安全疏散時間更短”.因此，本案例選擇最苛刻的1F西部A2火災場景進行消防措施的消防性能模擬.

2.3.2" 消防措施方案集模擬

利用Pyrosim對A2火災場景下消防措施方案X1～X4中著火層兩個安全出口處的煙氣蔓延情況進行了模擬計算分析，得出了各方案下整個建筑物的消防性能（表5）.X1～X4方案在A2火災場景下該宿舍樓安全出口處頂棚溫度分別在發(fā)生火災360、366、530和437 s時超過60 ℃，此時人員的安全疏散受阻.CO質量分數(shù)分別在387、390、465和428 s達到1 600×10- 人員無法疏散.

由煙氣能見度分布云圖（圖3）可見，煙氣能見度分別在火災發(fā)生402、406、570和290 s時下降至5 m，此時人員的安全疏散受阻.通過比較消防性能模擬結果發(fā)現(xiàn)，X3方案的疏散時間最長，消防性能最優(yōu).

2.4" 消防措施的經(jīng)濟性分析

基于BIM導出消防措施方案X1～X4的消防措施工程量清單，依據(jù)《工程量清單計價規(guī)范》和《消防工程工程量清單計價規(guī)范》，采用工程清單項目及相應的綜合單價、措施項目費和其他項目的計價方法，對各消防措施方案中相關的措施費用進行測算，消防措施主要包括：自動噴水滅火系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、安全疏散指示標志、滅火器、應急燈設備等.經(jīng)測算，消防措施方案X1～X4的消防投入C1～C4分別為881 800、896 250、968 357和998 739元.

2.5" 消防安全-經(jīng)濟耦合分析

在滿足消防性能規(guī)范要求的條件下，根據(jù)消防價值指數(shù)Vi=Fi/Ci，計算各方案的消防價值指數(shù)（表6），通過比選選擇價值指數(shù)（Vi）最大的消防措施方案作為最優(yōu)方案.可以看出，消防性能低、消防投入大，則消防價值指數(shù)低，表明單位消防投入獲得的消防安全回報低；消防性能高、消防投入小，則消防價值指數(shù)高，說明單位消防投入獲得消防安全回報高，亦即消防投入更經(jīng)濟劃算.

在本案例中，《建筑設計防火規(guī)范》（GB50016-2014）規(guī)定學生宿舍的疏散時間為不少于6 min，根據(jù)疏散時間模擬結果，方案X4的消防性能不滿足規(guī)范的要求，其余3種消防措施方案均滿足建筑消防性能要求.將消防投入（Ci）及消防價值指數(shù)帶入橫縱坐標的坐標軸當中，連接4種方案形成曲線（圖4）.總體上預期的消防性能越高所需的消防投入越大，其中：方案X3的消防價值指數(shù)最高，表明消防措施消防投入與實現(xiàn)的預期消防性能之間的匹配度最好，為最優(yōu)消防措施方案.

3" 結論

為解決建筑消防設計過程中消防性能-消防投入經(jīng)濟性錯配問題，文中構建了一個基于BIM的消防安全-經(jīng)濟耦合分析框架，并以某高校宿舍樓為例進行了案例驗證分析，主要結論如下：

（1） 在建筑消防設計階段開展基于BIM的消防性能模擬，有助于設計人員早期掌握按照消防設計標準配置的消防設施投用后預期的消防性能，并有助于設計人員基于業(yè)主的消防性能要求對消防措施進行優(yōu)化配置.

（2） 通過消防安全-經(jīng)濟性的耦合分析，有助于在保證預期消防性能要求的基礎上實現(xiàn)消防措施投入最優(yōu)經(jīng)濟效益，從而實現(xiàn)消防性能與消防投入經(jīng)濟性之間的有效匹配.

文中研究結果對于消防措施的優(yōu)化設計和合理配置具有較好的參考價值，該分析框架也可以推廣到碳排放-經(jīng)濟性、建筑能耗-經(jīng)濟性分析等其他研究領域.

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（責任編輯：顧琳）