数字模型化在建筑消防设施设计与防火监督中的运用

赵宗虎

摘 要：消防设施是现代楼宇建筑的重要组成部分，消防设施的设计是否科学、安装是否合理，将会对居民的生命财产安全产生直接的影响。在智慧建筑背景下，借助于三维数字模型，可以在虚拟环境下对建筑消防设施的规划、设计、安装等进行模拟，从而及时发现问题，持续改进施工方案，为消防设施的安装与建筑防火监督等工作的开展提供技术支持。本文首先概述了现阶段建筑消防设施常见的一些问题，随后分别介绍了数字模型在消防设施设计与安装，防火监督与救援决策等方面发挥的重要作用，最后对未来数字模型在建筑消防领域的发展前景进行了展望。

关键词：数字模型;消防设施;可视化;防火监督

中图分类号：TU998 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0194-02

0引言

通过分析近年来发生的若干起建筑火灾事故发现，很多建筑的消防系统存在各种隐患、故障，导致在火灾发生时没有发挥报警、灭火作用，错过了最佳扑救时机，造成了事故严重化、扩大化。为了规避此类问题的发生，一种措施是从建筑消防设施的设计、施工与维护等方面出发，保障消防设施始终正常运行、发挥作用;另一种措施则是利用信息技术做好防火监督，火灾隐患及时发现，火灾事故及时报警，方便采取相应的措施。数字模型化为这两种措施的应用提供了技术支持，探究数字模型的应用方法具有重要价值。

1建筑消防设施常见的问题

1.1消防设施的安装不科学

现代建筑在消防系统的设计上日益完善，但是在具体安装消防设施时，由于设备种类和数量多，加上线路较为复杂，经常会出现安装不达标，消防设施无法正常运行的情况。例如由于大型建筑在设计时消防设施线路、管路错综复杂，安装过程中，现场施工空间小，管路错综复杂，设备线路、管路接口处理不当，接触不良密封不严现象时有发生。消火栓栓口密封不严，水带与消火栓连接处连接不牢固，后期使用时很容易出现渗漏泄压，水带脱扣漏水等问题，从而影响火灾的扑救工作。还有的喷淋灭火装置，当发生火灾时，喷淋启动灭火，由于电气控制系统的线路错综复杂，接触不良现象时有发生，即便是喷淋系统动作了，由于起泵信号未能传送到消防控制系统，从而无法发送起泵指令，从而喷淋装置也无法发挥应有作用。由于上述问题的存在，导致消防设施无法发挥出应有的作用，带来了严重的建筑火灾隐患。

1.2 消防报警系统存在功能缺陷

建筑消防系统的前端元件，是各种类型的传感器，例如烟气浓度传感器、空气温度传感器等。如果烟气浓度、空气温度超过一定数值，传感器就会发送报警信號，此时报警系统响起，提醒有关人员及时采取灭火措施。但是调查发现，许多建筑物内的火灾报警系统，存在不报警、误报警、报警延时等常见问题。如果存在上述缺陷，不利于建筑火灾隐患的发现、火灾事故的处置。因此在建筑消防系统的设计与安装中，也需要通过检查确定各类功能是否正常发挥。

2数字模型化在建筑消防设施中的应用

2.1利用数字模型化优化消防设计

2.1.1 协同设计

消防系统的设计与安装中，需要与建筑内部的其他系统（如给排水系统、照明系统等）产生关联，为了避免各个系统之间相互影响，需要借助于数字模型技术，提前做好协同设计。设计人员应结合建筑设计图纸，利用计算机上的相关软件，制作3D的数字模型。在该模型上分别进行消防系统与其他系统的设计与布局。例如消防水泵的安装位置，给水管道的布局等。基于数字模型的协同设计，可以最大程度上避免冲突问题，为后期消防设施的安装提供了便利和参考。另外，即便是其他系统发生了设计变更，也可以及时在数字模型上做出修改，协调速度较快。

2.1.2 可视化设计

以往建筑消防设施的设计与布局，主要是通过二维平面图纸来展现。但是由于图纸上各类管线错综复杂，不仅给设计增加了难度，而且消防设施的安装也有较大概率出现质量问题。相比来看，数字模型真正实现了消防设计的“所见即所得”。对于安装人员来说，只需要将数字模型上的线路布局、设备定位，直接复制到实际建筑物上，就可以保质量的完成消防系统的施工。从设计人员角度来说，可视化设计还能够从不同的角度，例如俯视视角、剖面视角等，核对设计方案是否科学;从安装人员角度来说，借助于数字模型，可以更加全面的了解设计意图，也有助于确保消防设施的安装质量，提高其防火、灭火能力。

2.1.3 碰撞检测

在建筑规划设计中，消防系统只是其中的一个组成部分，另外还包括给排水系统、通风系统等。这些系统虽然功能不同，但是相互之间存在密切的联系。例如消防系统的功能发挥，离不开给排水系统的支持。碰撞检测的目的，就是从宏观层面上，检验各个系统之间是否存在冲突，或是能否正常联动。利用数字模型开展碰撞检测，一方面可以更加细致、全面的反馈细节问题，设计人员可以结合这些问题，重新对设计方案、系统布局进行优化;另一方面也能够增强信息反馈的时效性，尽快修改以避免对后期的安装施工造成负面影响。近年来高层、超高层建筑有增加趋势，建筑内部系统更加复杂，基于数字模型的碰撞检测其重要价值也得到了进一步的凸显。

2.2 利用数字模型化进行消防设计审核

建筑消防设计除了应当严格遵循相关的规范外，还应当结合每一座建筑的具体情况，对设计方案中的具体细节，尤其是消防部分进行审核、检验。比如，在审核消防分区面积时，由于在设计过程中已将消防分区的信息录入系统，且可以通过颜色来区分不同分区，审核人员可以直观地查看某一分区的边界、面积、疏散路线等信息，无需再像以往那样反复查看设计图才能完成审核。数字模型可以接入多种二次开发的软件辅助审查，比如审核人员利用相关审查软件，设置合理的审查规则，软件就可以自动进行多种类设计审查，并形成相关报告。基于数字模型的消防设计审核，其优点在于设计内容直观、明确，有无设计缺陷可以一眼看出来，这样就提高了审核效率。还有就是即便发现了设计问题，也方便在3D建筑模型上做出修改。

2.3 利用数字模型化指导消防设施安装

建筑消防系统中主要包含消防设施、管路和其他电器元件。以往在建筑消防设施的安装时，部分安装人员对CAD图纸理解有误，导致安装出现质量问题。相比之下，如果使用数字模型指导消防设施的安装，一方面是更具指导意义，包括每一种消防设施的所在位置，管线的布局等等，都可以清晰的标注出来，为现场安装提供了参考。另一方面，方便了现场安装人员随时进行对照，如果有安装问题，也可以第一时间发现，保证了消防设施的质量隐患可以尽快处理。从系统组成上来看，传感器也是消防系统的主要部分，参考数字模型安装好传感器，为下一步的防火监督也提供了便利。

3 数字模型化在建筑防火监督中的应用

3.1防火监督和制定救援预案

建筑火灾的突发性和危害性，决定了必须要通过密切监控，第一时间发现隐患，采取措施，将损失降至最低。数字模型可以通过防火监督和制定应急预案的方式，为火灾救援工作开展提供一定的支持。在建筑消防系统投入运行后，可以源源不断的收集消防系统的运行参数，并利用这些参数对现有的数字模型进行优化、更新，最大程度上保证了建筑消防系统的实际运行效果，与3D数字模型保持一致。这样就可以通过大数据分析，提前发现异常信息，例如电气设备漏电导致电压波动，发现这一问题后及时排查线路故障。根据数据分析结果，安排工作人员及时排查隐患，降低火灾发生率，支持防火監督工作开展。另外，依托数字模型进行火灾模拟，还可以根据模拟结果提前编制救援预案。这样即便是后期发现了火灾，也能够利用应急预案，将火灾损失降至最低。

3.2 为现场救援指挥决策提供参考

火灾事件中剩余可燃物数量决定燃烧速度，即：初始阶段时可燃物数量庞大，其燃烧速率为时间递增函数，随着可燃烧物显著减少，燃烧速度在极大程度上得到抑制，燃烧速率表现出大幅度下降趋势。借助数字运算将建筑消防设计及消防效果之间的直接关系计算出来。公式为：

dn/dt=-Kn（t）

式中：n（t）为可燃物剩余量;t为燃烧时间;K为常数。对上式进行相应变型可得到：

n（t）=c×e-kt

式中c=2.11，k=0.05，进一步简化与细化数字模型，经阶跃函数Au（t-t0）表征消防设施灭火功效可得式：

式中的t表示整个可燃物燃烧时间;t0表示从火灾发生到启动消防设施灭火的时间间隔。借助上述各式能够直观计算与评估建筑消防设施情况，并可为消防设施安装及防火监督预案的制定提供科学有力的依据。

4数字模型在建筑消防设施与防火监督中的发展前景

近年来5G技术、AI技术的成熟度日益提高，并且在建筑智能控制领域得到了试点应用。信息技术的应用为建筑消防设施与防火监督提供了技术支撑，也让数字模型的精确度、可信度和智能化程度得到了进一步的提升。从现阶段的数字模型应用效果来看，还存在数据反馈不及时、模型细部结构不够完善等问题。在利用数字模型开展建筑消防设施的设计与防火监督时，这些问题的存在极有可能带来重大隐患。因此，要想让数字模型在相关领域有更出色的表现，下一步还需要着重在数据收集与转化处理、模型细部结构优化处理等方面继续做好研究工作。例如利用大数据技术，可以将整个建筑的消防、照明、水电等复杂系统的运行数据，同步的反馈给中央控制系统。然后利用云计算技术，快速做出精准分析，增强防火监督的时效性。相信随着技术的不断进步，数字模型在建筑消防领域中的应用也会越来越成熟。

5结语

在信息时代，信息技术与建筑行业的联系更加密切，并直接催生了若干种专门用于建筑规划设计、施工监督、质量管理等方面应用软件，例如BIM（建筑信息模型等）。数字模型就是建筑信息化发展背景下的产物。在计算机上构建出3D建筑模型，该模型在内部结构与建成后的实体建筑完全保持一致，因此在虚拟模型上所作的消防系统规划，对后期建筑消防设施的安装有很强的指导意义。此外，还可以借助于数字模型进行防火监督、火情报警，为建筑火灾的防控提供参考。今后要继续做好数字模型的优化与应用，以支持建筑消防系统更好的使用。

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