基于BIM技术的FDS软件数据转换研究

赵　杨

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

在火灾数值模拟的过程中，繁重的建模工作量和模型的精度问题一直困扰着广大消防工作者。近些年来，随着建筑信息模型Building Information Modeling(BIM)的出现以及持续的深入研究，BIM所具有的种种特点为传统的建筑防火设计，特别是火灾数值模拟带来了新的技术和方法。

1　BIM及其数据格式

BIM的概念最早被提出是在20世纪80年代，是信息化技术与数字化技术结合的必然产物。BIM技术旨在实现建筑(组成与功能)全部信息的数字化表达，组建一个丰富的数据库，在整个建筑生命周期内为所有参与者提供决策支持[1]。BIM技术自被提出以后，已在欧美等发达国家的建筑行业引发了巨大变革，如今也掀起了我国建筑行业的改革浪潮。Autodesk(欧特克)公司开发的Revit软件是使用BIM技术的主要代表之一。图1为某办公楼的BIM模型。

图1　某博物馆3F三维Revit模型

1.1　IFC数据格式

BIM模型数据的定义采用Industry Foundation Classes(IFC)标准，IFC为BIM提供了数据定义模式和信息交换格式，其中模型数据采用EXPRESS语言和EXPRESS-G图进行定义。IFC是一种开放型的数据表达标准，使BIM应用过程中各参与学科能共享和交换不同阶段不同时期所产生的数据信息[2-3]。目前，其最新版本为IFC4，由Building SMART组织于2013年3月发布实施[4]。

IFC标准数据文件的空间结构从数据的逻辑关系上可以划分为四个阶层，从高往低分别为领域层、共享层、核心层和资源层[5]，如图2所示。领域层是IFC文件格式空间结构中的最高层，领域层中任何一种引用或是使用的定义在独立和核心资源层上的任何信息模型都是独立的，领域层的主要作用是为了能够深入到各个应用领域的内部数据中去，形成不同的专业信息[6]。共享层是IFC文件格式空间结构中的次高层，该层的主要功能是为领域层服务，共享层重点解决了领域层的模型信息交互的问题[7]。核心层的主要功能是提供基本的IFC数据文件模型结构与概念，将资源层的数据信息有效地管理组织起来，成为一个有机的整体，来客观反映真实的模型文件结构。资源层是IFC文件格式空间结构中的最底层，为其他三层服务，资源层的功能是描述IFC标准中所涉及的基础信息，不针对具体的专业。

图2　IFC标准数据文件的空间结构示意图

IFC数据格式的模型由实体、定义类型、选择类型、规则、函数以及属性集组成[8]。IFC标准包括了很多实体，其中IFCROOT是IFC实体定义中最重要的根类，其余实体都是IFCROOT派生的，分为两大类：一类是可独立用于数据交换的实体，分布在框架层、共享层和领域层，具有GLOBALID属性；另一类不可以独立进行数据交换，常以IFCROOT派生实体的属性形式存在，不具备全局标识特性，该类实体全部分布在资源层。

1.2　BIM数据的交换方式

基于BIM技术的数据交换主要有三种方式：一是按照IFC标准，实现各软件之间的数据交换；二是进行二次开发，基于Revit API以插件的形式显示在Revit中[9]；三是其他形式的交换，如基于中间文件Excel的数据交换。本文选择了第一种方式进行研究。基于IFC的BIM可以存储多种类型的几何模型数据，表1列出了支持的几何模型类型。其中Curve 2D、Geometric Set、Geometric Curve Set用于描述由点、线、面基本图元组成的模型。Surface Model用于描述表面模型。Solid Model用于描述实体模型，又可细分为Swept Solid、Brep、CSG、Clipping、Advanced Swept Solid等多种类型[10]。

表1　IFC预定义的几何表达类型

2　FDS数据格式

在FDS(Fire Dynamics Simulator)模型中，空间内实体的几何信息有其特定的存储方式。建筑构件和室内装饰物是用若干个长方体来表示，每一个长方体在模型中都有特定的定义方式[11]。建筑构件和室内装饰物的几何信息通常用OBST命令进行表达(个别构件除外，如门窗)，一个OBST就表示一个长方体，包含其坐标位置信息。每一个长方体用2个对角点坐标来表达，例如一个长方体，其两对角点A(X1，Y1，Z1)和B(X2，Y2，Z2),在OBST中的表达形式为AB=X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2。即用该长方体的最大最小两个坐标点来表示，如图3所示。

图3　FDS模型中实体的几何表达方式

3　数据交换方案

以往FDS软件对于模型的建立只能通过文本编写程序来完成，材料、装备等各种参数同样需要编写文本，为模型的创建带来极大的不便，因此可采用Pyrosim软件来简化建模过程。Pyrosim是由美国Thunderhead Engineering公司在FDS基础上开发的一款用于对火灾烟气的运动规律、烟气温度和毒气浓度进行准确预测分析的软件，其最大的特点在于为FDS的建模过程提供了三维可视化图形操作界面，提高了建模的工作效率[12]。本研究中首先采用Revit作为建筑设计的CAD平台，创建BIM数据库，利用该平台的IFC转化功能自动生成BIM模型的IFC数据交换文件DXF文件，供FDS软件Pyrosim模拟使用，图4为数据交换方案示意图，图5为导入Pyrosim后的某博物馆3F示意图。

图4　数据交换方案示意图

图5　导入Pyrosim后的某博物馆3F示意图

DXF是Autodesk(欧特克)公司开发的用于AutoCAD与其他软件之间进行CAD数据交换的CAD数据文件格式[13]。DXF是一种开放的矢量数据格式，可以分为两类：ASCII格式和二进制格式[14]。ASCII具有可读性好的特点，但占用的空间较大；二进制格式则占用的空间小、读取速度快。不同类型的计算机其DWG文件是不可交换的。为了克服这一缺点，AutoCAD提供了DXF类型文件，其内部为ASCII码,这样不同类型的计算机可通过交换DXF文件来达到交换图形的目的，由于DXF文件可读性好，用户可方便地对它进行修改、编程，达到从外部图形进行编辑和修改的目的[15]。ASCII格式的DXF可以用文本编辑器进行查看。

4　数据交换关键问题

通过大量试验发现：不同的火灾模拟软件导入的格式是不一样的，导入模型存在接口和格式的要求。经过反复的试验研究，笔者发现在模型转换过程中采取DXF格式最为直接也不容易导致错误，模型在Pyrosim中能够显示正常，三维浏览较流畅，但也应注意以下问题：(1)模型的导出导入应注意单位一致的问题，Pyrosim和Revit默认的单位分别是cm和mm，所以必须修改一致。(2)在进行BIM模型转换为DXF格式时，需要将FDS模型中并不需要的实体去除，例如“绿化”“散水”等，或者需要根据模拟情况进行相关模型的拆分和简化，仅选取有关火灾模拟的模型部分导入Pyrosim，以免后期进行火灾模拟时出错。(3)模型导入Pyrosim后，Pyrosim会自动为模型在三维空间中进行坐标定位。建立火灾模型时Pyrosim会根据导入的建筑模型自动给出参考网格大小以及数量，但是给出的网格数量往往都包含了整个模型，需要对网格进行修改以便贴近模型，这样模拟的结果才更贴近真实。(4)BIM模型是分区域建立的，当导入到Pyrosim以后，不同区域中间会产生模型上的隔离现象，需要在区域连接处设置多个可通过的门，使其烟气和人员可以通过。

5　结束语

本研究对IFC数据标准与FDS模型的实体几何信息进行了分析，通过DXF格式文件并在Pyrosim软件中实现了正确识别BIM模型。本文已进行的工作仍然存在不足，后续开发仍有较多工作要做，其主要工作包括：(1)数据转换仍需完善，如相关建筑材料的热力学性质以及热解属性等信息的提取识别等。(2)不规则建筑构件的转换识别。