一种基于BIM的计算机辅助建筑物火灾风险态势评估方法
刘涛, 王卫星
摘要：为了确定建筑物的消防安全措施是否存在偏差以及配套消防设施是否到位，本研究利用Revit软件建立信息交互性高的BIM模型，通过工程火灾分析方法，结合潜在火灾风险因子、发生火灾概率及造成的损害程度，以“可接受风险”为目标，对建筑物进行快速、准确的火灾风险态势评估，并以冷库为例进行了实例验证。
关键词：建筑物火灾；建筑信息模型；火灾风险；可接受风险；火灾风险态势评估
火灾风险态势评估研究是建筑物火灾预警与应急响应的热点问题，目前研究多集中在火灾致因分析、指标体系构建和风险评估方法等方面，风险评估方法大体可分为三类：资料审查、现场检查等定性评估方法；专家评价法、火灾风险指数法、模糊综合评价以及消防安全工程评估方法等半定量评估方法；事件树、事故树、火灾动力学模拟和实体火灾试验等定量评估方法。三类方法各有特点、适用范围和局限，定性方法会被主观思想左右，难以保证评估结果的准确性及有效性，定量方法推演过程复杂，工作量大。目前在实践中大量使用的是半定量评估方法。FRAME方法属于半定量分析法，是由SMET D开发的一种用于确定建筑物火灾风险值的消防安全概念工具，主要通过量化风险源来计算风险值，用于新建或者已建建筑物的防火设计，也可以用来评估当前火灾风险状况以及替代设计方案的效能。在FRAME方法中，需要将建筑相关工程技术参数指标化，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）提供了一个良好的信息获取和交互平台。BIM自2004年开始逐渐进入大众视野，以三维数字技术为支持，集成建筑全生命周期中各项信息数据，将建筑工程数据、工程项目信息融入计算机中，依靠计算机建立数字模型。BIM具有可视化、集成性、模拟性、协调性及优化性等特点，可为火灾模拟提供足量而精确的数据信息。结合建筑物的结构、材料和环境等因素，基于BIM开展建筑物火灾风险态势的数值模拟，可以真实评价建筑物的消防安全状态，有效支撑建筑物火灾预防和消防响应策略的制定等工作。为了实现丰富的消防信息的表达，Autodesk、Bentley和广联达公司等都开发了多款软件。对于消防安全评价的建模，主要用到的是Autodesk公司的Revit软件，Revit软件整合了建筑、机电、结构专业的众多功能，市场占有率较高，使用也较为广泛。其具有较多虚拟构建工具，可将窗、墙体、材质、热传导等参数详细显示在模型中，可以实现消防信息的精细化表达，包括消防栓的位置、应急照明灯的照明范围和建筑的耐火等级等。本研究使用FRAME方法建立指标体系和数学模型，利用Revit 3D建模软件建造目标建筑模型，并收集相关火灾模拟所需数据，根据评价指标建立有用指标信息的BIM模型，从而在模型上清晰直观地显示出目标建筑的消防安全薄弱环节，优化消防安全工作。1 建筑物火灾风险态势评估的指标体系
FRAME方法的基本原理是基于火灾场景假定，考虑火灾发生概率、火灾危害程度、人员在火灾中的暴露时间等因素，最后确定整体风险等级。如图1所示，FRAME方法的核心内容是三级评价体系，包括3个一级指标，14个二级指标和5个三级指标，涵盖了建筑功能、人员活动、火灾荷载、火灾燃烧反应、防火分隔、结构抗火、疏散设施、通风排烟、火灾探测、灭火系统、消防供水、消防救援、员工培训等内容。 图1 基于FRAME法的建筑物火灾风险态势评估指标体系Fig. 1 Index system for building fire risk assessment based on the FRAME method
2 建筑物火灾风险态势评估的计算模型
FRAME方法的一级指标为建筑物火灾潜在风险P、可接受风险水平A和消防保护水平D。建筑物火灾潜在风险P是火灾风险态势评估的基础。火灾荷载因子q用建筑元件和建筑材料的火灾密度计算，表示每单位区域可燃物总量，可利用固定火灾荷载Qi和移动火灾荷载Qm进行合理估算。火灾蔓延因子i表示火灾蔓延的容易程度，面积因子g表示火灾的水平影响，水平因子e表示火灾的垂直影响，即烟雾和热量的向上运动，其具体值与目标建筑物火灾发生区域所在楼层相关。访问因子z表示外部救援进入火灾发生区域的难易程度，由进入火灾区域路线朝向数量Z（Z为1、2、3、4）、进入层到隔间的垂直距离H+和进入层到地下室的距离H-计算得出。可接受风险水平A考虑人员面对火灾风险的曝光程度，内容物因子c和业务中断影响因子d主要用于建筑物财产保护。消防保护水平D主要考虑对人员的保护程度。本研究中进行火灾风险态势评估计算的目的是确定威胁、暴露和保护之间是否存在平衡。这里R用于表示建筑物的平衡值和火灾风险。对于被完全保护的建筑物，风险值P、A和D等于或小于1.3。Table 1 The proportion of damage caused by building fires![]()
3 建筑物火灾风险态势评估与BIM模型的信息交互
基于BIM技术和FRAME法对火灾风险进行态势评估的关键问题在于火灾风险态势评估的因子参数化和信息交互。BIM模型参数的信息交互基本思路可总结为“数据提取、数据处理、数据导入”。首先采集建筑物外形结构信息数据，通过专业设备进行处理，或者直接从建筑图纸中利用软件工具转换的方式，得到各类数据信息后导入Revit软件，得到精确的建筑物BIM模型数据。然后在Revit软件中，按照FRAME方法火灾风险态势评估模型的指标体系，建立BIM与计算模型之间的信息交互，提取建筑模型中各类图元和构件所包含的信息，解析出建筑模型各个元素的形状、大小、位置和方向等几何信息，以及建筑材料材质、消防设施、疏散通道、防火分区等非几何信息。最后，通过FRAME法火灾风险态势评估计算火灾风险态势，结合各类几何信息与非几何信息，输出火灾风险态势评估结果。如图2所示，用Revit软件建立BIM与计算模型之间的信息交互，按照FRAME火灾风险态势评估模型的要求，解析模型数据，并将火灾风险评估因子参数化，存储在模型中，以此开展计算，最后输出结果。Fig. 2 Information exchange of fire risk assessment model
4 应用实例
近年来，大连、杭州、重庆和沧州等地先后发生冷库火灾，造成多人伤亡，影响极大。冷库火灾是非传统形式的火灾，集合了大跨度钢结构、多层仓储、危险化学品、人员密集场所、地下建筑等多种火灾特点，本文选择一个带冷库的生产厂房作为实例，基于BIM和FRAME法对其火灾风险进行态势评估。该厂房共3层，由于涉及的房间较多，本文仅展示火灾风险相对集中和人员保护难度较大的配电间、占地面积大于100 m2的操作间等部分房间。考虑到冷库和加工生产的具体情况，建筑物结构材料可燃，固定火灾荷载因子Qi取值1 500，移动火灾荷载Qm与建筑物内活动性质有关，此处选择对人员影响较大的居住性质，取值500。依据火灾荷载因子计算公式得出q=1.65。目标建筑物内容物多为堆积型物品，查表得到内容物平均尺寸因子m=0.001，内容物破坏温度T=20 ℃，计算得火灾蔓延因子 i=1.64。面积因子由目标建筑物面积大小决定，需考虑不同方向撤离，根据不同计算规则按照目标建筑物区域面积分别计算。水平因子e表示火灾的垂直影响，目标建筑物共3层，代入计算后得到1、2、3层的水平因子分别为e1=1.22、e2=1.37、e3=1.47。该目标建筑物具备2个逃生出口，访问因子取值z=2。目标建筑物的主要活动属于适度火负荷和中等数量的点火源，a1=0.2；次要活动属于作业的房间没有分区且没有附加通风，a2=0.2；供暖系统能源为燃气，a3=0.1；电力方面，电器安装不符合规定，a4=0.2。综上，得出火灾激活因子a=a1+a2+a3+a4=0.7。目标建筑物为冷库，因此人员负载率X=0.03，每个独立房间一般配置2个逃生房门，因此x=1，建筑物内人员为能自由移动的独立人员，移动因子p=1，H+是进入层到隔间层的垂直距离，H-是进入层到地下室的垂直距离，本项目中1层H+=0 m，2层H+=6.8 m，3层H+=13.6 m，H-=0 m，计算得到3层房间撤离时间t值，环境因子![]()
=0.677 6。一般性保护因子：目标建筑物无手动报警系统，灭火器不足，且公共消防干预到达时间在10~15 min，取值为N=0.956=0.735。逃生因子u可分为两种，分别是快速撤离方式和减缓火灾发展方式，本建筑物设定为不具有单独识别火情的探测器和报警器，得到逃生因子u=1。
通过Revit软件导出目标建筑物各个房间建筑火灾风险值R后，得到目标建筑物火灾潜在风险房间明细表、目标建筑物可接受风险水平房间明细表和目标建筑物消防保护水平房间明细表。火灾风险值R均大于1.3，说明一旦发生火灾，造成的损失风险都是不可接受的，计算中，有部分房间的潜在风险P值大于1.3，保护水平D均小于1.3，说明火灾保护水平是具备效力的，但在该保护水平下火灾对人员的生命安全仍然存在威胁，人员无法得到充分保护。本应用实例通过BIM模型计算目标建筑物不同房间的火灾风险值R，得出该目标建筑物火灾风险较大，根据当前情况，提出如下加强消防工作的建议，并对建筑物部分参数进行优化调整：1）建筑物采用完全不可燃材料。整改后，固定火灾荷载因子Qi取值0，移动火灾荷载Qm修正为用于低着火危险，取值200。依据火灾荷载因子计算公式得出q=0.984。2）人员活动区域禁止动火和大功率用电；次要活动在分隔开的通风良好的房间作业；供热系统发电机部署于单独房间；电器安装必须符合规定并制定和落实定期检查机制。整改后，火灾激活因子修正为a1=0，a2=0.05，a3=0，a4=0。
3）增设有人工操作的警戒系统，增加消防巡检人员并强化消防培训。整改后，一般性保护因子调整为N=1。修正后重新进行评估目标建筑物各个房间建筑火灾风险值R，目标建筑物中大部分房间火灾风险R值均小于1.3，R值大于1.3的房间仅剩1层的10 kV变电室、修整间、注射间和滚揉间，2层的工具间、外包间、内包间、修整间、半成品加工间和辅料间，3层的工具间、4间解冻室、2间原料降温库和加工车间，这些房间的共同点均为单间占地面积较大，表征火灾的面积因子g较大，发生火灾时疏散撤离时间相对较长，因此总体火灾风险值R偏高。针对该类占地面积大于100 m2的房间，需要进一步加强消防管理，其他房间面积在正常范围内的，在修正参数后火灾风险值均降到临界值以下，说明以上风险管控措施对降低火灾风险是有效且必要的。进一步的消防管控要求如下：一是对建筑耗材、通风情况、电器制定更高的安装和操作标准；二是设置微型消防站，按标准配备消防巡检人员和灭火器材；三是组织开展定期检查，且内容物尽量不存放堆积型物品，降低火灾风险值。否则，一旦发生火灾，该类房间造成的损失和伤亡相对其他房间会更为严重。
5 结 论
本研究通过BIM模型和FRAME火灾风险态势评估方法，利用Revit模型对目标建筑物进行建模，将BIM模型等FRAME方法进行信息交互，在软件中生成消防安全火灾风险态势评估参数因子，根据计算得出的火灾风险值评估目标建筑物是否符合消防安全要求，针对不符合要求的消防薄弱环节进行优化整改。本研究说明了BIM可应用于火灾风险态势评估中，对实际工作具有科学指导意义。FRAME法通过量化风险源来计算风险值，从建筑物火灾潜在风险、可接受风险水平和消防保护水平3个维度对火灾风险态势进行评估，利用BIM模型对所需的计算数据进行信息化处理，完成火灾风险评估体系与BIM模型的信息交互，提高火灾风险态势评估的工作效率和精确度。本研究中消防保护水平方面主要考虑了对人员的保护程度，未考虑目标建筑物内容物的财产保护和建筑物内活动的保护，后续研究中可继续考虑更多角度的消防保护水平，针对不同方面进行更全面细致的综合分析；进一步完善指标体系并进一步提高风险评估值的准确性，可扩大指标体系范围；同时，可考虑应用相关插件在Revit软件中添加参数，提高模型使用便捷度。
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