BIM信息模型在院校建筑消防中的应用

唐 斌，赵慧广

(武警学院 部队管理系，河北 廊坊 065000)

1 概述

1.1 建筑信息模型

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真，模拟建筑物所具有的真实信息，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。BIM的功能是集成式数据库，存放结构型数据，工程几何、非几何类型数据，使得工程的前期规划、可视化设计、建设施工、运维管理各个阶段，相关人员都能从中获取他们的信息，这就叫做建筑物的全生命周期，如图1。全生命周期[1]主要包括：二维图纸设计(CAD)、BIM建筑模型设计(二三维转换)、BIM完整信息模型建设等三个重大阶段。全生命周期的各个阶段，信息都要保持完整性、连续性、一致性，全生命周期的最后阶段就是运维(占整个周期的70%左右)，其中最大的用处就是在消防监管中的应用。用BIM技术可以在全生命周期中的各个阶段对消防设备进行信息监管(一般从消防设备安装调试完开始)，消防设备的信息完整无损的传递于各个阶段。

图1 BIM全生命周期

1.2 国内外应用现状

在国外，英国政府明确要求2016年前企业实现3D-BIM的全面协同。美国政府自2003年起，实行国家级3D-4D-BIM计划，自2007年起，规定所有重要项目通过BIM进行空间规划。韩国政府计划于2016年前实现全部公共工程的BIM应用。新加坡政府成立BIM基金，计划于2015年前，超八成建筑业企业广泛应用BIM。北欧，挪威、丹麦、瑞典和芬兰等国家，已经孕育了Tekla、Solibri等主要的建筑业信息技术软件厂商。日本的建筑信息技术软件产业成立了国家级国产解决方案软件联盟。

在国内，香港在2015年计划将BIM应用作为所有房屋项目的设计标准。大部分省份对BIM的发展持肯定态度，对数字化目标和标准制定加紧进行中。住建部在《中国建筑业信息化发展纲要》中，将BIM协同技术列为“十二五”中国建筑业重点推广技术，明确指出“2016年，所有政府投资的2万平米以上的建筑的设计、施工必须使用BIM技术”；中国工程建设协会标准中，电气设计、建筑设计、给排水设计、暖通设计部分都制定了与BIM软件技术与信息交换的标准。相比2011年引入时，中国BIM普及率超过10%，BIM试点提高近6%。

1.3 研究目的

BIM中的建筑是参数化建模，模型中可以展示常规建筑中的梁、柱、板、墙体、门、窗等构件的几何信息，也可展示非几何信息，如材质、颜色、耐火等级等。消防设备可以更加详细，BIM模型不仅包括几何尺寸信息，其他信息(如厂家、型号、性能参数、安装时间、使用年限、维修日志等)也能放入设备的属性库中，使用BIM数字化的存储方式大大提升了查找的效率。

现代建筑多具备大空间的特点，一些隐蔽空间人眼无法看到[2]，利用BIM技术可以三维模拟系统中被遮挡的空间；消防设备运维检查时，不可能进入每一层的设备空间，消防建模时，可以加入参数化的智能构件加以解决。建筑消防的全生命周期可视化监管得以实现。

BIM模型中包含消防设备的静态信息(如设备名称、设备型号、设备编号、生产厂家、安装位置等)，也包含消防设备的动态信息(如运行状态、维护信息、维修信息、设备更换、安装位置变换等)，这些信息放在专用数据库中，与消防设备关联，便于查询与维护。

院校中各种建筑繁多，许多是大空间或高层建筑。而且是人员密集场所，基于BIM的消防自动化监控有着广阔的应用空间。BIM技术在院校应用还有着自己独特的优势，大专院校各种人才济济，BIM模型的构建，云端服务器程序的编程可以自己完成，其他软件部分大多也可以由教师带领学生制作，这也是很好的科研课题，学生也必定有浓厚的兴趣参与，只是相关硬件需要采购，这必将大大减少整个系统布置的费用，而且由高科技人才管理系统，不仅能充分发挥系统的功能，而且相关人员有能力研究系统功能的升级与改进，BIM系统在这种科研环境中必将与时俱进。

2 BIM建模的一般过程

2.1 建模常用软件

主流BIM软件为Autodesk系列，其中设计建模类有Revit、tekla软件，施工综合类软件是Navisworks，主要用于碰撞检查、漫游、施工模拟等。Autodesk Revit是比较适合在院校建模中应用的制作软件。

2.2 建模过程简介

建模的主要过程如图2所示。首先看一下施工要求。比如：管线、坡度以及材质，这些要求一般都会在二维图纸中(如CAD)写出。然后分离图纸。将图纸中的管线分离出来，这样方便建模时看得清楚。之后就是打开Revit制作轴网，导入制作的CAD对准轴网，然后就是按照图纸的管线建模了。

图2 数据建模的过程

在三维属性制作过程中，要把构件的属性描绘得尽量详细，消防设备的属性还包括静态属性与动态属性两个方面。三维纹理贴图是为了使模型外观更加逼近真实环境，这时候，可以用相机多拍摄一些现实场景中的照片，用作模型的纹理贴图。灯光烘焙过程是为了模拟自然光照的情景，一天中不同时段的光照效果是不一样的。全景漫游这个功能是必须的，人们可以在做好的模型中观览，尤如身临其境，且视线没有死角。渲染是指模型生成图像的过程，是对三维物体的描述，包括几何、视点、纹理以及照明信息等，由于漫游过程中会大量消耗GPU资源，有时计算机不堪重负，漫游会有卡顿现象，视觉效果不清晰，这时候在一些重点部位做出渲染的图片，能产生精美的三维场景。

此外，为了在今后的手机中浏览，要对模型做简化，如果有条件可以另做一套“.skp模型”，“.skp模型”用谷歌的SketchUp软件制作，可以做出非常精美的三维模型，但不能加载模型中各部件的属性，所以模型是轻量化的，适用于低功率的GPU使用。结合学院实际，制作了几个建筑实物的模型，如图3。

图3 校园建筑模型

3 建筑消防应用探讨

3.1 构建“智慧建筑”

现在消防部门正在主推“智慧消防”，怎么把建筑做得更智能是人们研究的热点。BIM软件可以做到这一点。在BIM模型中建立监测专用“族”库，通过自建 BIM消防“族”的方式将设备运维信息添加至模型的属性中。“族”是一个包含参数集和相关图形的图元组，“族”的种类多样，监测点“族”是可载入“族”，可以载入到项目文件中，具有高度可自定义的特征。

监测点“族”添加的参数信息靠现场布设的传感器采集，参数包括常规监测数据、报警阈值等，通过无线局域网传递数据信息，与 BIM 模型进行关联。环境参数超过传感器的阈值时会触发报警，在模型上显示为监测点颜色的改变，报警信息会记录于数据库中，该设备的正常运行状态、故障状态、维修信息、位置信息也将存储于数据库中，这就是消防设备的动态信息存储。

消防监督管理系统的后台是一个软件平台[3]。这个平台可以是单机版的，也可以放置在云端(视建设单位的财务状况而定)。云计算技术使人们告别大量资料、文档，可以在任何地方使用终端设备(如手机)浏览高度信息化与可视化的BIM模型。在现场的实时数据用局域网传递到后方，如果数据类型事先定义为关系型的，则可以用ODBC连接，传入数据库(如SQLServer)。

通过存储消防设备在运行过程中产生的动态数据(可以从各个传感器中“感知”)，管理人员可以查看到何时发生了异常情况，并通过对数据趋势的分析，制定、更改预定方案，进行科学有效的管理。

3.2 “智慧建筑”应用

3.2.1 消防监管

校园中按有关要求，本身就布设有摄像监控系统，这就可以融入到BIM智能系统中，根据物体编号，在BIM系统中呈现相应3D模型，点击模型，可以看到模拟的动态信息，调配周边的实时摄像系统监控，可以看到实景信息，监控有死角，两者要配合使用。一般智能系统的应用如图4。

图4 消防可视化监管系统架构

3.2.2 疏散模型研究与演练

院校这种人员密集场所正好作消防疏散演练，检验疏散算法。在BIM系统中设置消防设施的名称、概略位置(例如楼层、方向、分区)、唯一的识别编号，识别编号是建立BIM模型时系统自动为消防设备生成的，不同的楼层也可以有相同类型的设备，为了快速准确的定位，系统可以通过消防设备的快速定位使摄像头迅速转移到目标处，通过点击BIM模型中的设备，可以查阅所有该设备相关信息。

楼梯是重要的消防疏散通道，建筑内各个空间通过楼梯等垂直交通设施连接在一起。BIM模型通过参数化建模的方式构建与真实情况一致的楼梯模型，演练人员可以根据楼梯的构造特性、宽度、走向制定相应的疏散计划与应急预案。在规划逃生路线时，应用终端可以准确直观的显示出消防设备之间、设备与安全出口间的物理距离，同时传递周边设施烟感、温感等动态信息，把参数传递给疏散模型进行研究，检验算法的可行性。

因为BIM模型是建设在云端，逃生人员通过手机联网也能观看到实景信息，利用下载的模型信息，再戴上定位标签，实现自主规划逃生路线。

4 应用研究中遇到的问题及解决对策

4.1 室内三维定位

室内人员三维疏散与救援需要考虑几个因素：人员的定位，路径选取和路径显示。其中室内三维人员定位是重要基础，路径选取需要结合疏散算法决定，路径显示是由存贮在云端的BIM模型下载到PC端或移动端显示。

国内外流行的室内定位技术主要有超宽带技术(UWB)，蓝牙，WiFi，ZigBee。UWB技术是一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强的无线定位技术[4]，具有抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位等优点，精度可达厘米级。

室内厘米级实时定位系统(简称U-Loc)是一款基于极窄脉冲的超宽带(IR-UWB)技术，是为有效解决室内、矿井、隧道等卫星信号无法覆盖区域的定位而开发的高精度实时定位产品。U-Loc室内厘米级实时定位系统工作原理是：通过在定位人员或物品上加装定位标签，利用UWB脉冲信号发射出其位置数据，接收机接收、放大UWB信号，经同步分配器校准接收机时钟，计算出定位标签信号到达不同接收机的时间差(TDOA)，然后定位引擎采用TDOA定位算法对标签位置进行解算，最终通过有线或无线的方式传输到信息处理及控制平台。

人员、设备配备不同ID编号的标签，并与自身信息一同输入数据库中。人员在工作过程中，定位区域内的定位基站不断收到该工作人员佩戴定位标签发射的定位信号，经后台定位引擎解算出工作人员的精准位置，并在电子地图上显示。管理者在后台很容易查看到人员的位置信息。

定位基站分为主基站(Master)和从基站(Slave)，定位基站固定在已知位置，作为位置基准，用于接收标签发射的UWB信号，并通过网络传输层，将定位信息传至定位信息平台；主基站除具备从节点接收功能外，还向各从基站发射同步信号，使各个定位基站获得统一的时钟，以便获得标签发射的信号到达不同基站的时间差(TDOA)。

局域网用于定位传感网络和定位信息处理平台的联通，负责将定位传感网络获得的标签的位置信息传送给信息处理平台。定位信息处理平台通过优化的TDOA定位算法，解算出标签的实时位置及运动轨迹，可以精准快速地进行小区同步和全局同步；采用时隙划分、优化碰撞等算法，大幅度提高系统的容量、稳定性和实时性；同时配置定位基站和定位标签的工作参数。

在院校中已建设BIM模型的智能大楼里按照估算成本，在规划好的定位区域内架设一定数量的定位基站(可移动)，为人员、重要设备配置定位标签，定位标签发射超宽带定位信号，定位基站用于接收定位信号，将数据传回后台管理中心，后台管理中心通过优化的高精度定位算法，解算出关键点和人员、设备的位置、数量信息，并将位置信息及运动轨迹在智能管理系统上显示。人员在发生特殊事故时设备可以自动上报事故信息，后台管理中心会自动进行处理、分析、统计、制作成报表等，人员可用手持移动设备和后台管理软件同步。不同于传统扫描条形码的方式，手持终端只需处于无线射频的磁场范围内就可以自动识别读取设备的信息，修改后的信息可以保存在 BIM 模型中。

经测试，标准版单基站作用距离为35～150 m；增强版单基站作用距离为80～300 m。在5个基站单位区间内每秒刷新一次时，最多可同时追踪2 000多个标签信号(刷新速率越高，容量越小)。

4.2 模型轻量化方法

因为有了手机，使得院校中学生对BIM模型的应用与创新更加广泛。但也因为是手机，移动端设备普遍存在内存偏小，屏幕尺寸偏小，无线带宽不足和计算性能偏弱等问题，因此，在移动端显示轻量化的三维模型是一个急需解决的问题。这里实际上是大数据信息传递与共享的问题。在三维应用中会随机产生大量显示信息急需进行处理，处理的方法与手段是多种多样的，在研究中采用了以下的方法进行模型的轻量化。

三维模型的简化和传输可以减少GPU渲染的压力，这里需要用到模型快速绘制方法。多分辨率模型算法(Levels of Detail，简称LOD)是最常用的轻量化模型的方式之一，LOD方法的核心思想是：通过减少像素渲染对象，达到减少多边形的目的，三维模型中多边形是其绘制的基础，多边形中又以三角形为多。

三维建模显示效果的主观感受与视角大小、距离有关，Revit中以“族”为单位处理对象。Revit“族”是某一类别中图元的集合，是根据图元属性集的异同，在使用上有相同的和图形表示上有相似的来对图元进行分组。每个“族”图元能够在其类内定义多种类型，每种类型可以具有不同的尺寸、形状、材质等参数。可以结合“族”的特点，从视角和距离方面确定LOD优化方法，该算法以“族”实例为对象，通过比较其在主观视角上的尺寸、距离和阈值来判断该实例当前是否应被 GPU 渲染，还是留待处理。是否被处理的依据是计算视点到实例的距离，在系统中会事先设定一个阈值，如果视点距离超过了预先设定的阈值，则不渲染对象，阈值越小，效果越明显。

此外还有遮挡算法配合轻量化。遮挡算法的原理很简单，在视角镜头中，建筑物与建筑物之间肯定互相之间有重叠遮挡。但大多数情况下，建筑物间只有部分被遮挡，那该如何被渲染？对于性能强的机器，该渲染就渲染，不管被遮挡部分有多大，全部渲染；而其他情况可以按“族”渲染，“族”是组成建筑物的一部分，而且这时也不应缩减渲染，即使“族”的一部分被遮挡，也应渲染，这样才能保证整体的视觉效果。

如果只浏览建筑物的外观，而不涉及其内部，那可以用3D模型的简化模型。用SketchUp软件再做一套“.skp”三维模型，这对于院校学生来说比较容易实现，不会加重财力负担。将“.skp”图形构件保留颜色材质信息；导出成符合手机操作系统运行及显示要求的 3D 格式的模型。在手机终端做三维漫游更加实际。

还有一种方法是加入到云端渲染。渲染云是一种基于云端的远程渲染服务，让用户以Web界面、全自主完成各种渲染任务。在图形流水线中，渲染是最后一项重要步骤，通过它得到模型与动画最终显示效果。将渲染任务放置云端，可同时调用成百上千台机器进行渲染，整体运算时间会呈现几何数量级的下降。渲染云的关键是云端的处理技术，目前市面上大多数采用CPU串行架构进行渲染运算，例如阿里云、上海网渲等。还有一种新技术，将渲染任务分解为逻辑连续型渲染任务和并行渲染任务，将逻辑连续型渲染任务发送给CPU串行处理，将并行渲染任务发送给GPU进行并行运算处理，并通过CPU与GPU渲染结果的联动输出渲染生成。

5 展望

目前学院项目建设正在有序实施中，全部模型建好后，可以依托学院的实际建筑，对相关专业的学员开展室内抢险救援的模拟训练。此外，可以对相关的人员疏散算法进行相关检验性研究。

将BIM技术与三维定位技术应用于虚拟现实的消防建筑管理系统，是一场新技术的变革，其意义远不止本文提到的相关功能实现。由于现实原因，在消防日常监督管理、消防模拟训练、人员救援疏散工作中对于建筑信息模型的使用还处于初级阶段，需要国家和地方相关部门加大扶持力度，改善传统的消防管理模式，着实提高我国消防管理信息化水平。