高层建筑施工场地布置优化研究＊

■ 黄莺 熊文文 赖锦翌 刘梦茹

1.西安建筑科技大学土木工程学院 西安 710055

2.江西碧桂园地产有限公司 南昌 330000

0 引言

高层建筑在我国城市建设进程中展现出强大的生命力，与此同时，高层建筑施工中的火灾安全事故也在频繁发生。在高层建筑施工过程中，施工现场作业空间有限、生产要素密集，常伴有明火作业，致使高层建筑施工现场极易发生火灾事故[1]，并且在施工阶段，固定消防设施还未投入使用，一旦发生火灾，常会因为现场消防设施不能提供可靠保障，致使高层建筑火灾在竖向通道以及外界风的作用下迅速蔓延，形成大空间立体火场，从而造成大量人员伤亡和财产损失[2]。传统的施工消防安全管理模式主要是依靠人的经验检查识别火灾危险源，缺乏科学的方法和技术手段，效率低、效果差，现已难以满足高层建筑施工消防安全管理的要求，而建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）技术的发展为施工安全管理水平的提升提供了强有力的技术支持。

BIM 技术作为建筑业数字化和信息化管理的重要工具，具有强大的整合协调功能[3]，并且，通过二次开发技术可实现更高层次的BIM 应用。目前，国内外很多学者就BIM 技术应用于消防安全进行了研究。Guofeng Ma[4]等基于BIM 构建了一个包括火灾智能监测、预警、响应和处理的火灾应急管理系统（Fire Emergency Man‐agement System,FEMS），帮助用户决策选择最佳逃生路线。Qi Sun[5]等开发一个基于BIM 的仿真框架，用于模拟不同的建筑布局场景火灾的扩散和疏散性能。王印[6]等研究了Revit 与火灾动力学模拟软件（Fire Dynamics Simulator, FDS）的数据交互，通过应用程序编程接口（Application Programming Interface,API）二次开发技术将Revit 模型转化成包含材料等属性信息的FDS 火灾模型。张蒙[7]等通过将BIM 技术与Pathfinder软件结合，建立相应的应急疏散仿真模型，以此来研究楼梯间堆积物对高层住宅建筑人群火灾应急疏散的影响。邓铁军[8]等研究了BIM 技术在大型交通枢纽工程消防全寿命周期中的具体应用，并建立了相应的消防管理信息系统。道吉草[9]等应用Revit API 二次开发技术将FDS 和人员疏散模拟软件（Pathfinder）模拟的火灾与人员疏散结果信息集成到BIM 模型中，从而构建出完整的基于BIM 的建筑火灾安全应急分析机制。2020年，叶继红[10]等创新性地提出了将BIM 模型与元胞自动机相结合的消防员救援路径动态规划系统。基于对以上研究的分析可知，目前的研究大多数集中在如何将BIM 技术应用于火灾安全管理应急机制中，对于运用BIM 技术从源头上预防火灾安全事故的研究涉及较少。

大多数的高层建筑普遍存在施工场地狭小问题[11]，而该问题是引发施工现场火灾事故的重要因素。所以高层建筑施工安全防火的源头管控不仅要靠规范施工作业，而且依赖科学合理的施工组织设计，以确保施工现场平面中的临时设施、设备布置满足消防安全技术规范要求。因此在施工现场平面规划阶段，如何充分利用有限空间的施工场地，布置出同时满足施工作业与消防安全管控要求的方案至关重要。本文以高层建筑施工建设过程中的施工场地布置为研究对象，将施工消防安全技术规范和BIM技术相结合，利用Revit API二次开发技术构建基于BIM 技术的施工消防安全规则检查系统，以判断施工现场临时用房和设施是否满足安全距离要求，然后对高层建筑施工平面布置进行优化设计，从而有效的避免火灾事故发生。近年国家多个部委积极推动建筑信息化与智能建造，建筑信息化模型是其重要依托，因此课题获得西安市住房和城乡建设局资助，开展基于BIM 的施工安全管理研究，本文是该课题项目的部分成果。

1 基于BIM 技术的高层建筑施工消防安全规则检查理论

1.1 消防安全规则检查系统方案设计

传统建筑施工过程中的消防安全管理主要是通过人工巡查消防设施与管理等缺陷，因此无法在施工活动开展前识别出施工现场中的潜在火灾风险因素，并且在实际工程中，施工现场的布置也主要是依据管理人员的经验进行判断，缺乏科学有效的方法辅助施工管理人员对施工现场平面进行布置与优化。BIM 技术使用建筑工程项目的各项相关信息数据建立建筑模型，然后借助数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息[12]，具有可视化、模拟性、协调性、优化性和可出图性等特点。针对高层建筑施工消防安全管理的特点，引入BIM 技术，可通过其三维模型对施工现场的平面布置与空间使用规划等进行可视化分析，在动态展示施工现场空间使用功能同时，还可以更加直观的方式分析施工现场临时用房与设施的布置是否能满足相应施工消防安全技术规范的要求。

如图1介绍了本文基于BIM技术所构建的消防安全规则检查系统框架。首先结合施工火灾案例与施工消防安全管理人员的经验，从施工消防技术规范与案例经验中筛选可数据化的条文，将其编译成计算机便于识别的规则，利用Easy GHM 软件构建施工消防安全规则库；其次是以Revit 软件作为集成平台，将建筑、施工、安全与进度信息等集成到建筑信息模型中，形成BIM 安全管理模型，从而可以直观、动态的对施工过程进行精确的消防安全规则检查模拟，然后再根据检查结果对模型中布置不合理部分进行优化调整，以确保编制的施工平面布置满足施工消防安全技术规范要求。

图1 施工消防安全规则检查系统架构设计

1.2 安全距离检查多目标模型

基于消防安全角度对施工现场规划布置进行优化，主要是考虑现场临用房、设施、明火作业点、可燃物的放置点等的空间位置是否合理、布置是否达到消防安全距离要求，因此本文所设计的消防安全规则检查系统的核心就是实现建设施工消防安全技术规范的查阅和现场安全距离的检查。对施工现场临时设施、设备进行安全距离检查与组成该物体的材质无关，只涉及构件的形状、尺寸，因此与构件的几何形心有密切关系。BIM 模型可得到同一平面内两临时用房和设备（构件族）的形心坐标(xi,yi)、(xj,yj)，假定临时用房或设施的长度分别为li、lj，宽度分别为wi、wj，通过查阅施工消防安全技术规范确定它们之间的安全距离阈值为Sij，基于此构建如下公式（1）～（3）安全距离检查多目标模型[13]，经计算即可验算临时用房或设施分别在x、y方向上是否满足安全距离要求。

式中：i≠j,i,j∈[0,n],i,j∈Z+；Cε和Cδ分别表示所验算的两临时设施在x和y方向上的距离与安全距离阈值的差值；Fij表示x、y方向上安全距离最大富余值。由于施工场地都极为有限，往往难以同时在x和y方向上达到要求，因此，只需其中一个方向的距离达到要求，即Fij≥0，可认为所检查的两设施满足消防安全技术规范的距离要求，若Fij< 0，则表示不满足消防安全距离要求，且|Cε|、|Cδ|表示在施工现场布置优化过程中其一个设施应相向布置的最小距离。此外，施工现场临时设施的布置还应考虑与在建工程的距离是否能满足安全防火距离要求，此处以临时设施与在建工程的最小垂直距离Cλ作为其验算距离，当Cλ> 0即满足消防安全距离要求。

2 建筑施工消防安全规则库的构建

2.1 安全规则标准参数化

基于BIM 的建筑施工消防安全规则检查系统的实质是对现场设施、在建工程等进行消防安全检查，BIM技术难以实现直接根据建设施工消防安全技术规范中的条文对施工现场进行检查，必须要将相关规范条文转译成BIM 模型可识别的数据信息，才能实现对模型中临时设施、在建工程等的消防安全检查。能被BIM 模型识别的规范条文首先应有明确的约束对象，此外，还应有具体的约束条件，如距离或相关参数的限制等。计算机语言是由“0”、“1”按照不同规则排列构成的代码，因此需要将能被BIM 模型识别的规范条文的名称、类型、属性等信息，编译成由对象、参数、逻辑组成的计算机规则模板。以临时疏散通道相关的消防安全技术规范条文为例，对其进行安全规则标准参数化设定，如表1所示，在施工过程中，可根据施工现场的实际情况，利用条件判断选择逻辑来选择对应的消防安全优化措施。

表1 施工防火规则

2.2 搭建建筑施工消防安全规则库

本文主要以国家标准中的消防安全规范条文为依据，结合对施工现场火灾风险因素的实地调研，利用Easy GHM 软件，所构建出建筑施工消防安全规则库如图2所示。该库包括建筑施工消防安全规范与火灾危险源信息两大内容板块。建筑施工消防安全规范板块，主要是利用2.1 所述安全规则标准参数化原则对《建设工程施工现场消防安全技术规范》[14]进行研究，筛选、编译出可被数据化的规范条文，本文以施工现场临时用房与设施布置、防火间距、以及在建工程与临时用房防火管理相关规范条文为例做了标准化处理。鉴于建筑施工场地存在较多的建筑材料及制品，其燃烧性能与消防安全息息相关，因此基于火灾危险源信息板块则主要依据《建筑材料及制品燃烧性能分级》[15]及查阅相关资料构建，此处以危险性较大、用量较多的油漆为例，通过对其理化特性、危险性、预防措施等进行简要说明，使管理人员可通过本文构建的建筑施工消防安全规则库快速查阅高危建筑材料特性，进而对其进行一定的分区，确保明火作业点与易燃易爆材料仓库、堆场等保持一定的安全距离。

图2 施工消防安全规则库

3 基于Revit二次开发的场地布置优化

3.1 Revit二次开发

Revit 作为我国建筑业BIM 体系中使用最广泛的软件之一，其内部有完整的API为Revit的二次开发提供了强大的技术支持。Revit API 是一套已经被开发人员编辑好的，可以与外部程序实现完美关联的函数，它是一个类库，为用户对Revit 进行功能扩展提供了一个研发平台[16]，并且API 采用.NET Framework 架构，允许开发人员编译任何.NET 所支持的程序语言，包含Visual Ba‐sic .NET、C#及C++，用户可根据自己的应用需求利用API 对Revit 创建新的插件，实现不同的设计和施工需求，通过集成第三方应用，实现链接外部数据库、转换数据与分析等应用，进而将更多的功能集成于Revit中。

利用Revit API进行功能扩展的开发，主要有外部命令(IExternal Command)与外部应用(IExternal Applicat‐ion)两种方式。采用外部命令扩展Revit，是在代码编写完成后，从IExternal Command 接口派生，只有一个抽象函数Execute()，通过重载该函数实现外部命令；而采用外部应用进行功能扩展，继承的IExternal Application 接口，需要加载On-Startup( )和OnShutdown( )两个抽象函数才能实现程序的开发[17]。这两种模式在开发前首先要引用Revit API.dll 和Revit APIUI.dll两个接口装配文件，Revit API.dll 文件包含的方法可以完成在数据库层对Revit 的应用、文档、对象和参数的控制，而Revit API‐UI. dll 包含了操作和Revit 用户界面层的所有自定义API接口。

3.2 安全距离检查功能的Revit二次开发

借助BIM 技术执行施工现场消防安全技术规范，完成对建筑施工现场消防安全检查，不仅能以直观的方式表述规范条文，而且通过与BIM 安全管理模型的信息交互，可实现消防安全规则自动检查，降低施工火灾发生的可能性。本文以消防安全距离检查为目标，借助Re‐vit API 二次开发实现高层建筑施工消防安全检查，并且在Revit 中对临时用房或设施的布置进行可视化调整，从而实现在一个平台上对高层建筑施工场地进行布置优化，大大提供了工作效率。

本文充分发挥Visual Studio 2019平台优势，使用C#语言对Revit 2016 版本进行功能扩展。Revit 2016 软件开发工具包，即Revit SDK（Software Development Kit）里含有Revit API 帮助文档及RevitLookup，在进行安全距离检查插件开发时，可直接利用Visual Studio 2019 中的工具箱功能，引入Revit API.dll 和Revit APIUI.dll 两个程序集，然后采用外部命令方式对Revit 安全距离检查功能进行开发。具体开发流程如图3所示。

图3 系统开发流程图

3.3 消防安全距离检查插件界面设计

本文利用Revit API 二次开发技术所构建的建筑施工消防安全规则检查系统，其核心功能是对施工现场临时用房和设施进行安全距离检查，主要是通过查阅消防安全规则，验算现场设施距离是否满足安全距离要求，进而对不满足消防安全规范距离要求的临时用房和设施采取措施加以调整。施工现场临时用房和设施安全距离的计算，涉及临时用房或设施的宽度、长度等几何信息，利用上文基于Revit API开发的安全距离检查功能可得到检测对象的具体信息，计算出施工现场临时设施间的距离，通过与标准安全距离进行验算，即可实现现场临时用房和设施间消防安全距离的自动检查。为了便于对消防安全规则进行查阅，通过外链接方式将构建的建筑施工消防安全规则库链接至安全防火距离检查平台中，最终设计出的界面如图4所示。

图4 消防安全距离检查插件界面

4 应用实例分析

4.1 工程概况

某科研楼项目，总建筑面积约9 万m2，总用地面积约4.77万m2，地下2层，地上11层，建筑高度48.9m，为框架剪力墙结构。该项目临近主要交通干线和小区住宅，施工场地面积较为狭小，目前，该项目地面平整已基本完成。本文依据施工组织设计中平面布置方案，利用Revit 2016 建立了如图5所示的基于BIM 的安全管理模型，该施工场景模型中包含现阶段在建工程现状和及施工现场设施的布置，具体有钢筋加工区、材料堆场、现场道路、生活区等的布置，以及施工机具、脚手架、塔吊等的设置。

图5 基于BIM的安全规则检查模型

4.2 基于BIM的消防安全距离检查

在完成施工BIM 安全管理模型的建立后，就可对施工场地中的临时用房、设施、以及与在建工程等的距离进行检查。施工区材料库房、明火作业点、钢筋加工棚、配电房与堆放可燃材料废物料的临时用房作为失火的高危点，其与周边临时用房、设施之间的距离不满足安全规范要求是导致施工现场火灾的主要原因之一。因篇幅有限，本文仅对高危险区的临时用房和设施距离进行消防安全距离检查，具体如图5中施工区一、施工区二的临时用房和设备，结果见表2和表3。

表2 施工区一距离检查结果(单位m)

表3 施工区二距离检查结果(单位m)

4.3 检查结果分析及方案优化

基于上文安全距离检查理论对表2-3 中的数据进行分析可知，检测的施工区一、二的平面布置方案中有多组距离不满足消防安全技术规范要求。在施工区一中，具体有明火作业场所P、木工房Q 与在建工程安全防火距离不满足要求，此外，周转材料库房M 与可燃材料库房N、明火作业场所P 与木工房Q 之间未保持安全距离要求。施工区二，首先是钢筋加工棚R 拟定的位置未与在建工程保持安全距离；其次是垃圾池T 与废物料回收房S、配电房U 的距离也不满足规范要求；并且S、T 中都可能存在可燃物，因此S、T 与宿舍D 之间的安全距离阈值为5m，经计算可知，S、T 与D 之间的最小距离分别为FSD= -4.32m，FTD= -0.29m，均不满足最小安全距离要求。因此，施工管理人员在对施工区临时用房、设施的布置进行优化时，可在BIM 模型中根据以上检查数据结果对不满足规范要求距离的临时用房和设施做相应调整，直至施工现场各临时用房、设施之间的安全距离都满足规范要求。

5 结论与建议

5.1 研究结论

本文结合建设施工消防安全技术规范条文与Revit API 二次开发技术，从消防安全角度对高层建筑施工场地布置优化进行研究，构建了基于BIM 技术的施工消防安全规则检查系统，从而实现了快速对施工现场临时设施进行消防安全距离检查，得到的检查结果，为管理人员对不满足安全距离要求临时设施的调整优化提供了技术支持，从而做到对火灾危险源的事前管理，有效避免火灾事故的发生。本文基于BIM 技术开发的消防安全距离检查系统仅考虑了施工现场临时用房、设施、在建工程等的防火间距，对于如何实现以完整的消防安全技术规范对在建工程进行全面检查，还有待进一步研究。

5.2 相关建议

5.2.1 完善施工消防安全规则库

施工消防安全规则库是通过对建筑施工火灾事故分析后所建立的施工活动、火灾危险和消防安全规则之间的明确关系库，是BIM 技术用于识别和控制火灾危险源触发因素的重要基石，包含施工消防安全规范对施工现场进行实时动态检查的管理方法。现有规则库仅针对施工现场空间规划进行了临时用房布置的合规性检查，对于其他消防安全规则的论证和应用不够。建立考虑多因素协调、适用不同应用场景的的施工消防安全规则库，对于提升BIM 技术在施工消防安全领域的应用意义重大。

5.2.2 强化建筑施工消防安全规则检查系统集成设计

应从系统框架、功能模块、组织流程及运行步骤等方面入手，打造多元化集成设计的施工消防安全规则检查系统，不仅仅能满足对临时用房或设施的安全距离检查以及施工平面优化布置设计，同时，利用Revit 二次开发的基于BIM 的安全距离检查程序还能在复杂的高层施工场景以及在三维空间完成立体施工消防安全的检查和施工组织优化设计，使得施工消防安全规则检查系统向多功能集成和更好的适用性方面进行优化。

5.2.3 构建基于大数据的云集成与共享服务平台

本文的研究仅仅将消防安全规则检查作为切入点，所构建的施工消防安全规则检查系统只适用于单体项目的施工安全管理信息的集成和共享，不具备跨平台协作能力，而大多工程项目都存在相同的风险因素。因此，建立基于大数据的云集成与共享服务平台，将实时采集的安全管理信息进行标准化处理，借助机器学算法等人工智能方法对数据与相关风险进行研究学习，并将其存储于云服务器中，通过共享服务功能可提高实时采集的安全管理信息的利用效率。