BIM技术在火灾防治方向的应用分析

徐伟，李小猛 （内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014200）

0 引言

近年来，随着我国经济和科学技术的快速发展，城市化进程的加快，城市基础设施陆续升级改造，城市建筑日渐增多。而与此同时，经济社会发展给火灾防控带来很大的压力，高层建筑物、地下空间、大型商业综合体、地下轨道交通等大型建筑物日渐增多，这些区域由于人员比较集中，一旦发生火灾，就会造成大量的人员伤亡。根据官方统计数据显示，仅在2023 年一季度，全国共接报火灾21.9 万起，共有625 人因火灾死亡、397 人受伤，火灾造成的直接财产损失15.2亿元。与去年同期相比，火灾起数、人员伤亡数和损失分别下降11.6%、8.5%和20.5%，但伤亡人数却上升了4.9%（图1）。因此火灾防治在日常生活中非常重要，在科技高速发展的当下，我国的消防安全形势十分严峻。

图1 我国近两年的火灾损失情况对比

本文对国内外基于建筑信息模型技术的建筑火灾研究分别进行了总结和文献可视化分析，总结了建筑信息模型与火灾方向的研究热点，为后续相关研究提供参考。

1 文献调研方法

本文利用中国知网作为文献数据检索源，知网作为科学、高效、信息全面的学术平台，可以为火灾研究领域提供最新最全的资料，保证了数据的科学有效性。以知网为搜索平台，将当前研究发展变化情况和关键词进行检索并导出，再利用CiteSpace 软件对导出的数据进行可视化分析。最后以知网上关于火灾方向的北大核心、CSSCI、CSCD 核心期刊论文作为数据源，再选取其中出现频次较多的关键词相关的代表性文献进行评述和讨论。

2 国内基于BIM技术的火灾模拟应用研究

2.1 研究趋势分析

通过检索知网上与建筑信息模型技术和火灾方向的核心文章，发现国内关于建筑信息模型技术与火灾方向的论文发表的篇数不多，将检索结果导入CiteSpace 软件进行分析，得出图谱见图2。

图2 国内BIM与火灾研究趋势论文图谱

由图2 可知，由于国内的文章对于建筑信息模型有多种表述方式，有BIM、BIM 技术、建筑信息模型技术等，用知网上的数据经过CiteSpace 分析得出的节点中心词整理合并，得到图3和图4。

图3 以BIM为节点的信息

图4 以建筑信息模型为节点的信息

由图3和图4可知，国内关于建筑信息模型技术与火灾的应用起步较早，在2012 年就有了相关的研究，但是近几年相关的文章发表总量比较少，还需要加大研究力度，下文BIM 代指建筑信息模型。

利用CiteSpace 对上述内容进行突现词分析，见图5。

图5 共现词追踪

由图5 分析可知，我国近十年间，将BIM 技术与火灾方向相结合的研究热点分析。可以看出，BIM 技术一直是近十年研究的热点，平均强度可以达到0.62。近五年间，研究热点从BIM 技术到虚拟现实，再到建筑消防设计和火灾方向上，研究场景在航站楼和地铁车站居多，强度都在0.5 以上。另外用中国知网上的关键词共现技术，得出BIM 与火灾相关方向的关键词共现图（图6），发现模拟和疏散两大方向的应用出现频次最多。

图6 国内BIM与火灾方向关键词共现图

2.2 研究现状

2.2.1 研究方向

大多数研究者关注用BIM 技术将火灾模拟和应急疏散相结合，探讨火灾出现后不同场景下最佳的疏散方案。

在火灾模拟方向，王辉明等[1]利用BIM 技术建立商业综合体3D 模型并使用分层转化的方式转化为火灾动态模拟计算模型，来分析大空间综合体超快速火中高压细水雾与火焰的相互作用过程，得出雾化角增大到一定程度，细水雾控火效能提高，而当超越临界值，火焰将横向扩展并会使得高温烟气中一氧化碳流动加快的结论。

在应急疏散方向，王宇佳等[2]在研究室内消防路径的查询方法时，对多种约束条件进行研究，从而为消防疏散提供更多人性化、个性化的路径选择，并通过实验以及三维展示，验证了该方法的可行性与实用性。邹荣伟等[3]利用BP神经网络分析动态数据集，BIM 模型提取报警点空间位置与建筑材料参数构成静态数据集，运用模糊贝叶斯网络评估该空间火灾风险概率和误报警的概率，为建筑运维人员提供决策依据。喻敏等[4]基于BIM 环境利用Pathfinder 仿真软件通过数据模拟并分析得到车站建筑形式对站台客流疏散效率影响不大，且疏散效果随车站站台至站厅疏散设施提升高度的增加呈现先减小后增大的趋势，并将分界点位置量化为疏散设施提升高度值19 m 处。宋洋等[5]利用Pyrosim 仿真软件，设计并实现了航站楼自然排烟与机械排烟的差异化方案，评估了不同条件下的防排烟措施对人员疏散安全性的影响，得出差异化防排烟方案比传统的技术手段更能提高烟气防排安全效能的结论。

2.2.2 研究方法

国内的专家学者一般将BIM 技术和REVIT，Pathfinder、Pyrosim、FDS、GIS、VR等软件结合进行研究。

许镇等[7]基于BIM 技术和美国下一代性能评估方法，FEMA P-58的地震次生火灾模拟方法，模拟石家庄国际展览中心在典型地震情景下的地震次生火灾，结果表明，该展览中心地震后虽然排烟性能下降，但可以满足人员疏散要求。

李倩文等[8]提出将BIM 技术、互联网、计算机等先进信息技术与建设工程消防设计审核相结合，介绍了BIM 技术在建设工程消防设计审核中的应用，该技术能够为设计审核提供可视化、信息化、性能化的解决方案，并在此基础上，提出了基于BIM 的消防设计审核流程。这对于推动建设工程的消防安全水平具有一定理论意义和实践价值。

陈勇鑫等[9]研究了如何将IFC 标准描述的建筑构件几何形体和材料信息转换为火灾分析模型，并将火灾模拟结果存入IFC 文件中的问题，这是一种新颖的研究方法。

3 国际上基于BIM技术的火灾模拟应用研究

3.1 研究趋势分析

通过检索Web of Science 上相关方向的论文，发现国际上关于BIM 与火灾方向的论文数量不多，检索的数据分析图见图7。

图7 国际上关于BIM技术与火灾方向的论文

从图7 可以看出该研究方向前5 位关键词分别为Engineering Civil、Construction Building、Engineering Multidisciplinary、Materials Science Multidisciplinary 和Computer Science Artificial Intelligence。在总论文数中占比大于10%，而Engineering Civil 和Construction Building 更是达到了49.05%和39.62%。说明国际上BIM 技术的应用主要在土木工程和建筑施工技术方向。 将检索关键词的结果导入CiteSpace 进行中心性分析，如图8 所示。

图8 BIM与火灾方向关键词中心性分析

由图8 中数据可知，国际上的相关研究基本围绕疏散、结构框架和设计展开，火灾模拟也是热点问题。接下来用CiteSpace 对突现词进行分析，如图9 所示。

图9 突现词分析

由图9 可知，与国内不同，国际专家学者在2012 年从游戏设计入手解决人员疏散问题，如Ruppel U 等[10]提出了一种基于BIM 的新游戏方法用于探索疏散过程中建筑条件对人类行为的影响，通过BIM 模拟火灾和烟雾条件，构建逼真的游戏场景来实现现实的虚拟化。这是火灾防治问题上一个比较新颖的切入点。而Shiau Y C 等[11]是基于BIM 技术发明出一种火灾控制和报警系统，该系统通过收集传感器信息来规划合适的逃生路径和方向，可以有效地进行人员疏散。

在2017 年，Vandecasteele F 等[12]把视觉和热像仪的视频对象识别结果与BIM 结合，利用BIM 语义元数据描述符合基于深度学习的视觉对象识别和分类，把静态信息源转变为动态数据提供者，构建了一种自动创建态势感知的方法，可以促进人们对火灾的整体了解。

2017 年后的研究场景是室内火情，高层住宅、医院、木质结构房屋等[13-16]，以应急救援和疏散为主要目的。

3.2 研究方法

在研究方法上，国际上通常把BIM技术与VR、Pathfinder、IFC、FDS 等技术相结合来模拟火灾和人员应急疏散场景。这与国内的研究方向基本一致，表明现阶段将BIM 和火灾模拟加上不同的疏散软件或者计算方法结合的应用是国内外研究的热点方法。

此外，论文最早发布的时间可以追溯到2008 年[17]。说明国际上该领域研究较早。但从相关方向的论文总量上来看依然偏少，需进一步开展研究。

4 结论

本文通过分析BIM 与火灾防治的国内外文献，得到如下结论。

①总体来讲，目前国内外关于BIM技术与火灾相关的应用研究仍不是很多，国内外核心期刊发表的论文数量比较少，表明这个方向的研究还处于较低水平，需要进一步发展。

②国内的研究集中在火灾模拟和疏散上，而国外的研究主要在土木工程和建筑施工技术和火灾疏散上。

③国际、国内的研究方法基本相似，都是把BIM 技术和不同的软件或者算法相结合进行研究。