基于BIM技术的交通枢纽工程消防管理信息系统

邓铁军，吉韵芝，邓红波



基于BIM技术的交通枢纽工程消防管理信息系统

邓铁军1, 2，吉韵芝1，邓红波2

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 2. 湖南大学 设计研究院，湖南 长沙 410082)

由于高铁站、机场航站楼等大型交通枢纽使用人员多、单层面积大、疏散距离长，在消防管理方面存在诸多客观难点。以性能化设计思想为核心、BIM技术为平台，建立BIM大型交通枢纽工程消防管理信息系统。从BIM建模、消防应急预案及实施救援到消防设施维护管理，研究BIM技术在类似建筑的消防全寿命周期中的具体运用，为BIM技术在大型交通枢纽工程消防管理信息化提供新的方法和思路。

BIM技术；消防管理；信息系统；火灾模拟；场景设计

高铁站、机场等作为大型交通枢纽，人员周转密集，内部出入手续办理大厅、行李托运区、商贸餐饮区、办公区等场所众多、环境复杂，消防救援难度大。一旦发生火灾，后果将非常严重，极有可能影响到高铁站或机场的营运，使列车、航班延误或中断，造成极大的经济损失和不良的社会影响。同时，由于目前针对高铁站或机场航站楼建筑的消防规范较少，因此，此类大型交通枢纽只能依照普通建筑防火设计规范进行消防设计。但大型交通枢纽设计较为独特、占地面积大，容易出现防火分区超出规范、疏散距离过长、主体建筑采用的大体积钢结构材料耐火性较差等问题[1]，管理方面也存在组织结构缺乏整体性、驻场单位责任不明确、应急预案专业性不强等问题，极大地影响了交通枢纽工程的消防管理效果。大型交通枢纽工程存在的消防设计问题需运用性能化设计解决。性能化设计指利用消防工程学原理，依据建筑物火灾发展特性制定防火目标，并对火灾危险性定量分析和预测，从而完善防火设计并为制定救援方案提供方向的一种设计方法。而管理问题则需要通过加强管理机构整体性、系统性，提高管理能力的专业性、协调性来解决。BIM(Building Information Modeling)技术为同时解决上述2类问题提供了支持。BIM技术是用于实现工业、建筑业精细化和信息化管理的重要工具，它可以利用项目信息建立3D模型进行仿真模拟，具备可视化、可优化和信息关联等功能。由于其强大的整合协调功能，研究人员相继提出了将BIM技术应用到消防设计与管理中的设想。王佳等[2−3]研究BIM在消防全周期当中的理论应用，马建龙等[4−5]研究BIM在消防设施管理中的运用，陈远等[6−7]则通过案例介绍了BIM在消防救援中的应用。但整体而言，目前消防管理领域对于实际应用问题如BIM技术如何在消防管理各阶段起作用、如何在大型交通枢纽这一特定场所进行消防管理等的研究较少。本文在此背景下，构建基于BIM的交通枢纽工程消防管理系统，探讨BIM技术在此类建筑的消防全寿命周期中的具体运用。

1 基于BIM技术的交通枢纽工程消防管理信息系统

本系统是利用BIM技术搭建而成的适用于大型交通枢纽工程消防管理的信息系统，以性能化设计思想为核心、BIM为平台，利用IFC标准化整合BIM建模、火灾模拟和人员疏散等软件形成完整的信息通路。通过BIM平台的信息共享和联动，可加强各部门间的联系，消防部门参与其中进行专业管控。从BIM建模、火灾模拟、实施救援及日常维护等方面进行全过程消防管理，从而达到提高沟通效率和专业性、减少火灾隐患、降低救援难度和保障人员安全的目的。系统框架如图1所示。

1) 基础平台：BIM平台；

2) 应用平台：消防设计审查系统、火灾模拟预案系统、实际救援疏散系统和日常维护管理系统；

3) 数据库：BIM数据库、火灾模型数据库、消防设施数据库和其他数据信息。

图1 系统总体框架

2 系统在消防管理全过程中的应用

系统运作流程可划分为BIM建模、火灾模拟、实际救援和日常维护4个阶段，如图2所示。

本系统涵盖了一个完整的建筑消防全寿命周期， BIM建模阶段为基础工作，构建的BIM模型作为建筑信息集成载体，为后续的火灾模拟、实际救援和日常维护3个阶段的管理提供了基础平台和数据支撑。下面就系统各阶段的具体工作及BIM技术的应用进行说明。

图2 系统工作流程

2.1 BIM建模阶段

BIM交通枢纽工程性能化消防救援管理系统在BIM建模阶段的具体应用如图3所示。

1) 建立模型：包括建立工程建筑模型和建筑机电设备模型(即Mechanical Electrical Plumbing， MEP)。与一般建筑建模相比，因使用的目的性，本系统建模过程中需加入更多消防设施信息。

2) 消防图纸审查：利用3D图形并渲染着色，可以更加直观地对防火分区、消防管线等进行审查，此外还可接入二次开发的各类审图软件来辅助审查，验证建筑消防设计是否满足防火规范要求[8]。

3) 后续修改：交通枢纽内各部门如商业开发部门对建筑使用功能、空间分隔进行后期调整时，可以通过BIM技术的联动性实时体现在模型中，在所有相关信息中实现“一动全动”，使其对整体消防功能的影响一目了然。

4) 建立建筑消防信息库，录入交通枢纽工程消防相关的所有信息，包括建筑信息、消防设施信息、消防管理职责分工等，便于后期进行信息查询。

图3 系统在BIM建模阶段的具体应用

2.2 火灾模拟阶段

因为大型交通枢纽体量大、建筑结构较特殊，需要依照性能化设计步骤开展消防模拟。包括以下几方面。

1) 设计火灾场景：针对大型交通枢纽的建筑特点设计火灾场景，确定火灾的发生背景和火灾发展模型，从而反映出建筑发生火灾时可能发生的最不利情况[9]。具体包括起火源位置、火灾荷载、热释放速率模型和火灾发展时间等，为软件模拟初始参数的确定提供依据。

2) 火灾软件模拟：将上一阶段建立的BIM模型导入模拟软件，输入初始参数，对设计火灾场景进行火灾模拟和人员疏散模拟。

目前较常用的消防模拟软件有利用Pyrosim进行前处理的FDS+EVAC(火灾烟气+人员疏散模拟)软件、人员疏散模拟软件Pathfinder和SIMLUX等，此类软件都需要构建建筑模型，但直接在这些软件中建立的模型往往精度较低，模拟结果与实际情况存在一定误差。而利用BIM技术能构建出信息更完整、精度更高的模型，不仅包含位置和结构信息，还具备材料、家具、管线以及消防设施等信息，令火灾模拟更精准。

2.3 模拟结果运用

对烟气蔓延情况、火场温度分布、人员疏散情况等模拟结果进行分析。

1) 优化消防设计：基于BIM模型的火灾模拟给消防管理信息系统的使用者提供了一种3D可视的交互界面，火灾发生后建筑内烟气的走势、火势的大小和蔓延、人员逃生的流向等都可以生成3D动画进行演示。同时通过模拟反馈的数据，可以更为直观清楚地检查建筑防火分区、建筑功能区的划分、消防设备的配置是否满足消防和人员疏散要求等，并针对问题进行调整，达到消防设计的再优化目的。

2) 制定应急预案：根据模拟结果有针对性地制定数字化消防应急预案，对易发多发、救援难度大的位置重点预防。并且充分利用BIM模型存储信息多样且全面的特点，可以将相关的救援预案信息存入工程消防管理信息库，进而指导实际救援，提高救援效率和可靠度。

此外，还可以将火灾模拟的结果导出为3D动画，作为消防教育素材，让旅客更直观地接受消防教育、熟悉逃生通道。

2.4 实际救援阶段

发生火灾时，消防人员可以利用BIM三维模型漫游功能快速直观地掌握建筑内部信息、火源位置和着火点周边情况等信息；也可从系统信息库中调取应急预案，根据火灾实际情况作相应调整，从而更科学快速地制定出消防救援方案。

2.5 日常维护阶段

大型建筑发生火灾时，利用建筑内部的消防设施进行初期自救十分关键，因此需要确保这些消防设施在日常运行中完好有效[10−11]。在设施维护方面，利用BIM的实时性、动态性和联动性，可以在系统可视化交互界面中借助设施名称、编号等信息快速准确地查看任意位置设施信息，并且实现后期设施维护管理如新设备采购更新、老旧坏损设备处置更换等，提高运维管理的工作效率。

管理方式上，在建筑消防全寿命周期各阶段创新消防管理模式，变多头管理为多方协同管理，设计方、建造方、交通枢纽管理公司各部门及当地政府消防部门共同参与，在统一的BIM平台上进行消防管理，各方关系从串联式变成了扁平式，实现信息的平行对接、快速传递，提高沟通和工作效率。

3 工程应用

3.1 工程概况

案例工程为某机场扩建航站楼，主体建筑地上2层，局部设备用房地下1层，建筑高度23.60~28.8 m。总建筑面积2 0165 m2，建筑类别为中型建筑，结构类型为钢筋砼框架结构和钢结构屋面，耐火等级二级。根据工程图纸及相关资料建立该航站楼BIM模型如图4所示。

3.2 消防设计分析

本案例工程消防设计依据包括该机场工程可行性研究报告、设计任务书、《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)、《民用建筑设计通则》(GB50352 —2014)和《民用航空运输机场安全保卫设施》(MH/ T 7003—2017)等。

3.2.1 防火分区

航站楼内防火分区示意图如图5。

各防火分区主要功能如表1所示。

由于混凝土原材料的使用量大，而且运输不便，所以大部分的混凝土组料采取就地取材的方式，以降低成本，提高效率。因我国幅员辽阔，各地区的地质情况差异较大，在配制混凝土时所用水泥、砂石的物理化学性质不尽相同，这些材料在自然条件下的含水率也可能有较大差异。这些因素最终决定了混凝土的强度、耐久性、密实度等性能是否能达到设计要求。所以，在不同的自然条件下，混凝土的配比和配制方式就成为保证混凝土质量的关键。

图4 项目3D模型效果图

(a) 1层防火分区示意图；(b) 2层防火分区示意图

表1 案例工程防火分区参数

本工程共6个防火分区，各防火分区的面积较大，呈不规则分布，且有防火分区1和5跨楼层分布，平面图展示无法达到完整立体效果。而在BIM航站楼消防管理系统中，利用航站楼BIM模型，用不同颜色标记不同防火分区，能显著提升直观性，提高设计审查工作效率。

3.2.2 消防设施

BIM建模软件中自带各类管道及通风设备，在建模式可以直接创建。此外还可以手动创建其他设备自建族，将消防设备各项属性如功能、成本和供应商等录入并存入消防设施信息库，为后续工作做准备。

3.2.3 消防管线

建筑消防设计中存在大量管线，包括消防给水系统、防排烟系统和火灾报警系统等，都属于建筑MEP设计内容。BIM技术支持MEP各专业设计信息共享，并进行管线碰撞检测模拟。

此外，还可以应用BIM技术对建筑消防设计进行审图，以三维模型代替二维图纸，接入二次开发的图纸审核软件辅助审查，就能够有效解决传统的二维审图时由于直观性不强而带来的设计图纸中错、漏、碰、缺等常见问题[12]。

3.3 火灾软件模拟

3.3.1 火灾场景设计

结合工程设计说明和实地调研，对各防火分区内的可燃物构成情况及燃烧热值进行统计，各防火分区的火灾荷载密度及相关参数如表2所示。

表2 案例工程航站楼各防火分区火灾荷载统计表

注：防火分区1主要为庭院花园，火灾荷载较小，不考虑

可知防火分区5空间面积和平均火灾荷载密度均为最大，且最大疏散距离为99 m，大于《建规》规定的37.5 m，发生火灾的可能性和危害性相对较大，因此选取防火分区5进行火灾和人员疏散模拟。防火分区5 的2层局部平面图如图6所示。

图6 防火分区5的2层局部平面图

根据防火分区5的建筑布局和火灾荷载密度，将其内的商贸餐饮区中心确定为起火源。火灾荷载密度=387.8 kW/s2。热释放速率模型采用2模型，根据火灾荷载密度和房间装饰装修等级确定火灾增长系数为0.057 1，从而得到航站楼防火分区5的热释放速率曲线模型为=0.057 1t。根据采用的2模型，计算出该单元火灾场景内的最大热释放速率为4.265 MW。

3.3.2 火灾软件模拟

将航站楼BIM模型输出为DXF格式，导入到Pyrosim软件中，结合火灾场景设计分析，输入火灾模拟和人员疏散的各基本参数，生成FDS文件运行，生成的模拟结果可经Smokeview软件生成动画显示。

3.3.3 模拟结果分析

评价建筑消防设计的2个重要指标是ASET (available safe egress time)和RSET(required safe egress time)值，即火灾发生后人员疏散可利用的安全时间和人员安全撤离所需要的时间。ASET值可通过分析火灾模拟结果中烟气上下层温度、火场能见度和烟气层高度3个指标随时间的变化得到；RSET值可通过人员疏散模拟结果得到。只有当ASET>RSET时，才能保证人员安全疏散，建筑消防设计满足要求[13]。

根据软件输出结果，得到火灾发生150 s和860 s后建筑内烟气蔓延和人员疏散情况分别如图7所示，2号楼梯处烟气层的高度随时间的变化如图8所示。

整理出与ASET相关的指标参数值如表3 所示。

结合表3相关数据可得：安全出口1号楼梯处的ASET值为920 s，安全出口2号楼梯处的RSET值为860 s。根据最不利原则，取较小值，即防火分区5的ASET值为860 s。

图8 2 号楼梯处烟气层的高度随时间的变化

表3 ASET指标参数

同时，根据EAVC人员疏散模拟的结果，可得防火分区5的RSET值为823 s，略小于ASET值。因此，防火分区5的消防设计基本满足安全要求。

3.4 模拟结果运用

基于BIM模型的FDS+EVAC模拟结果，本案例防火分区5的消防设计基本符合要求，但局部地区烟气层下降速度过快，人员在逃往安全出口的过程中受到烟气威胁。同时疏散过程中，消防安全出口使用不均，大部分人员逃往2号出口，造成拥堵，人员疏散流向不合理。针对模拟中出现的问题，提出以下建议：

1) 对消防设计进行优化：①加大2层候机区高大空间侧面的机械排烟排量；②提高商业餐饮区防火墙防火等级；③适当调整候机室、商业区布局，可以在1号和2号楼梯之间增设一级防火卷帘以改善疏散路线。

2) 完善应急救援预案：①将火灾模拟过程中防火分区5内1号出口、2号出口使用不均衡的现象反馈到BIM模型的数字化消防应急预案中，增强预案的针对性和专业性；②将模拟结果生成的3D动画演示在候机厅人员较密集处进行播放，让旅客对火灾发生时的逃生通道、安全出口有更直观的 了解。

4 结论

1) 提出BIM技术在交通枢纽工程消防管理中的具体应用思路，构建BIM交通枢纽工程消防管理信息系统。以BIM技术作为核心平台，综合使用消防火灾模拟和人员疏散等软件，全方位、全过程地进行消防安全管理，有利于推动大型交通枢纽消防信息化管理模式的实现。

2) 从建筑物消防全生命周期的角度，包括BIM建模、救援预案制定、火灾救援以及消防设施日常维护等方面，对系统各阶段的具体工作及BIM技术在各阶段的应用进行详细说明。

3) 结合某航站楼改扩建工程实例，对BIM交通枢纽工程消防管理信息系统在该航站楼消防安全管理中的具体运用进行分析，通过建立BIM模型、进行火灾模拟等对该航站楼的消防设计进行完善，对救援预案的制定提出相关建议。

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Fire management information system of traffic hubs based on BIM technology

DENG Tiejun1, 2, JI Yunzhi1, DENG Hongbo2

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Design Institute of Hunan University, Changsha 410082, China)

There’re many difficulties in fire management of large traffic hubs such as high-speed rail station and airport terminal, because of its large number of users, large single floor area and long evacuation distance. This paper built a fire management information system of large traffic hub with the core of performance-based design and the platform of BIM technology. Discussed the application of BIM technology in the whole fire protection life cycle of this kind of building, from fire control design, emergency response and rescue to actual maintenance stage, the new methods and ideas were provided for the application of BIM technology in the fire control field of large traffic hub.

BIM technology; fire management; information system; fire simulation; fire scenario design

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.034

TU714

A

1672 − 7029(2019)02 − 0542 − 08

2018−03−01

湖南省住房与城乡建设厅科技项目(2017BIMS0016)

邓铁军(1960−)，男，四川夹江人，教授，从事建筑工程施工与经济管理及工程项目管理研究；E−mail：dengtiej@ 163.com

(编辑 阳丽霞)