4 BIM 技术在楼宇自动化管理中的研究示例
4.1 BIM 技术在火灾模拟中的应用示例
所谓火灾，就是物体的燃烧状态在时间和空间上，已经不受控制而通常会造成一定损害的现象。火灾事故的发生不仅会造成巨大的经济损失，甚至还会夺走人们宝贵的鲜活生命。虽然在日常生活中，我们都在积极采取各种预防性措施（严厉的消防规范、造价不菲的消防设施、详尽的技防和人防相结合的消防制度），但火灾事故仍时有发生，所造成的损失也依然巨大。如何在火灾发生后，通过采取何种恰当的应急措施，能将损失降至最低，便是人们所期盼解决的问题。本课题就是借助 BIM 新技术，将其与火灾动力学模拟软件 FDS 结合起来，在这一方面作一些探索，也希冀能对救灾指挥人员有所裨益。
4.1.1 FDS 建模介绍
最新改进版的 FDS （Fire Dynamics Simulator）软件，是目前用于综合模拟火灾与疏散，在可靠性、准确性和稳定性方面均表现优秀的应用软件之一。它也是由美国国家标准与技术研究院（NIST）开发出来的一款政府福利性免费软件[44-45].这款软件在火灾时烟气的散播的数值模拟上，更具有现实的指导意义，因而业已被广泛应用于火灾研究中[47].
FDS 模型主要由两大块有机构成。第一部分计算，用户用纯文本文件编程，确定火灾场景下的各种参数，求解微分方程；第二部分是动态场景演示，将第一部分计算出来的结果，通过 FDS 软件附带的一个可视化输出程序 Smokeview 演示出来，使人们一目了然。
此外，FDS 模拟结果中的温度、能见度、速度等物理量，也可以用“热电偶”检测方法通过 Excel 表格输出[48].如果在计算部分能添加更为详尽的维护结构的热边界条件、火源的位置及大小、通风口的位置与大小、消防设置等物理参数的话，则动态演示会更加逼真。
不难想象，在 FDS 模型建模过程中，计算部分各种参数的设置必定充满了艰难的抉择与超高能力的要求，不仅要求用户具有高超的纯文本编程能力，而且要有丰富的空间想象能力及丰富的专业经验。有鉴于此，本文将采用 PyroSim 软件来进行建模，将这一难题给予巧妙规避。
基于 FDS 发展起来的 PyroSim 软件，它不仅保持了前者的优点，而且大大改进了前者的不足，使得操作界面更为友好，使用更方便。最为人们所称道的是其有着建立三维图形用来火灾模拟的特点，而且这种可视化的编辑可以边编辑边观察正在建立的模型，是用户不像以前一样枯燥的编程。其界面图如图 4.1 所示。
4.1.2 模型导入与参数的选取
如今 BIM 技术尽管应用已较为广泛，但在火灾模拟方面与之相配套的软件还几乎没有，PyroSim 软件也与 Revit 软件不兼容，要想在本次研究课题中就能二次开发一款兼容软件，显然是不切实际的，我在这里只能指出一个方向，并初步理出一个开发研究的思路出来。将建立好的 BIM 模型图简化，重点保留通风管道与电力照明系统，如图 4.2 与 4.3 所示。将 Revit 模型其导成 DXF 文件，打开 PyroSim,将简化好的模型导入，由于 CAD 图形与 BIM 图形的差异，原本表示物体信息的图形变成了线条，利用现有的图形进行重新定义。对于容易发成火灾的地方，如配电箱等，根据所绘制的机电模型图，分别选取有代表性的地方，放置火源，进行模拟，根据通风管道、窗户等因素也可以近乎真实的模拟出烟雾的浓度，根据先前 BIM 模型中根据实际施工图纸所定义的墙、窗、门等的材料性质可以得出疏散人员的最慢疏散时间等等，为下面重点介绍的疏散模拟起到一个参考作用。
4.2 BIM 技术在安全疏散中的应用示例
对于大型公共建筑而言，受制于疏散环境结构复杂、模拟结果难以准确，在地震及火灾灾害发生时，安全疏散问题便被摆到了需要首先考虑的问题。BIM 技术具有建筑信息量完整、三维立体模型逼真等特点，这使得其在安全疏散的应用中具有得天独厚的优势。
4.2.1 BIM 技术的优势
（1）基于 BIM 技术建立起来的模型，与建筑物的真实信息可等量齐观。这一方面能为模拟灾害发生提供真实准确的建筑物信息，另一方面也能为模拟安全疏散提供真实准确的环境模型信息。仿真环境的逼真效果将对指导疏散方案的制订更具实际意义。
（2）基于 BIM 技术建立起来的模型，其可视化仿真动态模拟功能能使人有身临其境之感，而不知不觉中被疏散引导。
（3）基于 BIM 技术建立起来的模型是一种实时模型，除了固有的建筑物信息外，还可在红外线探测技术等设备的支持下，可方便的添加人群流动等信息，并能不断地实时更新。如此这般，当其与 Pathfinder 软件结合后，不仅可以为合理设置疏散出口数量及位置提供前置预案，而且还可以为后期在实际疏散时，制定最佳疏散路径方案提供强有力的支持。
4.2.2 Pathfinder 软件介绍
由美国 Thunderhead 公司开发出来的 Pathfinder 软件，是一款主要用于人员出入运动模拟的疏散软件。它可以在疏散开始后将每个时刻各个区域的人员分布情况进行仿真设计，并将分析结果通过三维动画展示出来，从而可以为每个区域的人群拟定最佳疏散路径与时机。另外，FDS, DXF 等格式的图形文件导入其中的操作也相当便捷。
在 Pathfinder 软件中，开发者将人员出入定义成 SFPE 及 Steering 两种运动模式。前者为秩序模式，所有区域的人群在疏散过程中互不影响，非常有秩序地自动选择离自己最近的出口逃生。而后者则是按真实情景下会经常看到的那样，紧急情况下，人们慌不择路且盲从别人，由指导人员指出人口密度小的出口，便改变原来出口，选择另一个出口的模式。对于后者而言，如果最佳路径与人员数量之间超过了一定比例，就必须进行外界干预，即在新形势下，重新规划与之相适应的疏散路径。而前者则会一直不变的坚持走最近的出口，并不会受到外界事物的干扰。
4.2.3 BIM 模型导入
正如前面在阐述 BIM 技术优势时说的那样：基于 BIM 技术建立起来的模型，与建筑物的真实信息可等量齐观。加之模型中的信息开放共享性，我们就能容易地将构建好的建筑信息模型与 Pathfinder 软件结合起来，模拟疏散的真实情景，最后选定最有利（最短时间、最近出口、最快速度、最易到达）的疏散方案进行实施。
但考虑到 Revit 软件与 Pathfinder 软件之间互不兼容，我们先选择对两个软件都可兼容的 CAD 软件进行过渡，先将将已建立好的 BIM 模型导入到 AutoCAD 中生成 DXF 文件，然后以 DXF 文件格式再行导入 Pathfinder 软件中。虽然我们为方便观察而将外墙删除，但对于模拟的真实性不会产生丝毫的影响。在实际过渡转换过程中，有一点还是应该引起注意，由于 CAD 与 BIM 软件图形涵义的差异性，本来在 BIM 模型中已被定义为建筑单元实体的门、窗等，在 CAD 软件中又变成了线条，因此，这就需要在 Pathfinder 软件中重新给予定义。
4.2.4 参数的定义与选择
首先在每一层楼都重新定义新的楼板，内墙障碍物，并对照原有的 BIM 模型图定义出一楼的 8 个门与 3 个楼梯，二楼 3 个楼梯，此外三至十五楼 2 个楼梯。
此外根据《建筑设计防火规范》第 5.3.17 条第 5 项“商店的疏散人数应按每层营业厅建筑面积乘以面积折算值和疏散人数换算系数计算”,地上商场面积的折算值宜为 50%-70%,其中一、二层疏散人数换算系数为 0.85,三层为 0.77,于是商场一、二层的标准参考容量为844.2×0.6×0.85≈430人，三层的标准容量为844.2×0.5×0.77≈325 人，其上住宅为一层四户，按一层约 16 人计算，最后按照这些数据导入模型图中。模型中各层人数如表 4-1 所示。
人物模型定义采取随机抓取形式，定义人物速度为 1.1m/s-1.33m/s,肩宽为45.58cm-55.58cm.这里采取平均值，个别特例不做考虑。建立好的模型如图 4.5所示。
4.2.5 人员疏散所需时间计算
人员所需安全疏散时间是一个相对概念，只有当所需安全疏散时间（ RequiredSafety Egress Time,RSET）小于可用安全疏散时间（Available Safety Egress Time ,ASET）时，人员的安全才能得以保障。如果可用安全疏散时间比所需安全疏散时间来得小，则表明消防设施的配置设计存在一定缺陷、达不到安全标准的要求。而人员所需安全疏散时间要受到诸多因素的影响，即使是同一个人处于建筑物内部相同的位置，面临同样等级的灾害，其两次疏散所需的时间也不尽相同。
对于人员所需安全疏散时间的影响与灾源性质、火灾强度等级、建筑物构筑材料及装饰材料的特性、室内高度和通风条件等等因素有关，我们不难理解。然而落实到以时间为变量的因素上，则主要与火灾探测与报警，及火灾时人员行为三因素相关，则还需稍作思考，才能明白。其计算公式如下：
其中：tdet表示火灾报警时间，tresp表示人员响应时间，tmore表示人员疏散运动时间。当然，如果建筑物从消防设计到日常运行时的消防管理，都符合相关规范及科学严谨的话，公式中的火灾的探测时间、报警时间和疏散准备时间还会大大缩短。
4.2.6 数据分析
在 4.2.2 Pathfinder 软件介绍章节中，我们提到了软件的开发者将人员出入定义成 SFPE 及 Steering 两种运动模式。而在 4.2.5 人员疏散所需时间计算章节的公式（1），疏散运动时间因素，自然与运动模式息息相关。因而，下面我们便分别使用这两种模式进行模拟仿真。
SFPE 模式：
SEPF 模型是一个流动模型，它的前进速度由每个房间的人员密度和门宽控制的。在这种模式下人们会自动选择最近的出口进行疏散，而根据人员的密度进行速度的调整。实验结果如下图 4.6 所示。
实验模拟结果为：在 SFPE 模式下人员疏散所用时间为 603.3s.分析还在Pathfinder 模拟得到的疏散穿行时间基础上附加一个安全系数，该安全系数的选用部分是为了考虑实际疏散中人员可能采用与分析中的假设路径不同的疏散路径。
基于 SFPE 的《防火土程手册》的推荐，安全系数取为 1.1,因此，所得总体人员疏散所需时间为：
Steering 模式的运算机制为采取路径规划、操作机制、碰撞处理相结合的方式控制人员的运动，即当最近路径与人员之间的距离和达到一定的时候会自动重新选 择 路 径 . 这 样 会 避 免 拥 挤 发 生 碰 撞 . 实 验 结 果 如 下 图 4.7 所 示 .
实验模拟结果为：在 Steering 模式下人员疏散所用时间为 443.3s.分析还在Pathfinder 模拟得到的疏散穿行时间基础上附加一个安全系数，该安全系数的选用部分是为了考虑实际疏散中人员可能采用与分析中的假设路径不同的疏散路径。
基于 SFPE 的《防火土程手册》的推荐，安全系数仍取为 1.1.于是可以算出总体人员疏散所需时间为：
SFPE 模式与 Steering 模式实验结果对比：
疏散路径对比：采用 SFPE 模式疏散时，疏散人员会自动转移到离他最近的出口，不会考虑拥挤碰撞等因素，而采用 Steering 模式时，疏散人员会根据最近路径与人员之间距离和的关系自动重新选择路径，从而一定程度上避免发生碰撞。图4.8 与图 4.9 则为 SFPE 模式与 Steering 模式下模拟出的人员疏散路径图。从图中可以看到 1 楼由于出口较多，两种模式下人员疏散路径基本相同，而上面几层 Steering模式的路径和显然大于 SFPE 模式，这便说明在 Steering 模式下，疏散人员会自动选择合适的路径，不会像 SFPE 模式模拟的那样在一个楼梯口排队等待，显得更为合理。
疏散时间与疏散人员数量对比：由实验模拟结果可以得知任何时间下已疏散人员与未疏散人员人数情况。在 SFPE 模式下前 80s 共疏散人员 625 名，疏散速率达到了 7.8per/s,而由于 1 楼基本已经疏散完毕，其他楼的楼梯之间发生人员拥挤的状况，而且 4 层以上住宅的人员只会使用两个直通一楼的楼梯，不会转用商场的楼梯，导致速率大大降低，此后疏散速率变成了 1.51per/s,如图 4.10 所示。而在在 Steering 模式下人员会自动选择合适的疏散路径，使得各个疏散通道都能以相同的速率疏散，从而速率基本维持在 3.03per/s 不变，如图 4.11 所示。
