CN107577855B - 一种基于bim的建筑喷淋灭火系统震害评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法，属于土木工程防灾减灾技术领域。该方法包括建筑与喷淋系统建模、喷淋构件震害评估、喷淋系统性能评估和次生火灾模拟四部分，首先设计建筑及自动喷淋灭火系统从BIM模型到火灾数值模型的转换方法，然后提出基于下一代性能化设计标准FEMA P‑58和结构时程分析的喷淋灭火系统构件震害评价方法，进一步提出基于树结构的喷淋系统灭火性能的评估方法，最后在火灾数值模拟平台FDS中，进行受损喷淋系统下以及正常喷淋系统下火灾模拟。本发明可以给出喷淋系统在地震后的整体灭火性能，并且量化喷淋震害对建筑火灾的影响，为加强建筑地震次生火灾的防护提供了重要的评价工具。

Description

一种基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法

技术领域

本发明涉及土木工程防灾减灾技术领域，特别是指一种基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法。

背景技术

建筑遭遇地震袭击后往往伴随严重的次生火灾，造成巨大的人员伤亡和财产损失。自动喷淋系统是建筑防火的重要手段，然而，地震会对建筑中自动喷淋系统造成破坏，建筑一旦发生地震次生火灾，破坏的自动喷淋系统可能难以阻止火势发展，进而造成严重的后果，加剧灾情。为了防止发生上述地震次生火灾的严重灾害，需要考虑自动喷淋系统震害情况下，模拟次生火灾蔓延情况，从而提出针对性的解决方案。

目前，考虑喷淋震害的火灾蔓延模拟的方法极为有限，现有方法主要针对喷淋系统的抗震及加固。西南交通大学的廖茜学者通过对国外地震后建筑喷水系统的震损经验进行科学分析，找出了大型建筑消防自动喷水系统的震损特性，并对现阶段国内建筑消防喷水系统在抗震建设中存在的问题进行分析，找出了较为合适的抗震措施。(廖茜.大型建筑消防自动喷水系统抗震措施分析[D].西南交通大学,2011)。国内学者张明介绍了自动喷水灭火系统抗震设计时推荐使用的抗震方式，主要包括：抗震支撑、柔性连接及设置间隙三种方式。通过抗震设计可以明显提高其抗震性能，有效降低地震次生火灾的风险，大大降低了喷淋系统的震后修复成本。(张明.自动喷水灭火系统的抗震设计[J].消防科学与技术,2011,30(9):820-821)。以上研究都是针对喷淋系统的抗震及加固问题，没有深入研究喷淋系统的震害评估方法。

要实现考虑喷淋震害的火灾蔓延模拟，需要解决三个关键问题：(1)如何建立精细化的包含自动喷淋系统的建筑火灾数值模型？(2)如何准确、高效地评价自动喷淋系统构件的震害？(3)如何根据构件震害评价自动喷淋系统整体的灭火性能？

针对建模问题，建筑信息模型(Building Information Model-BIM)技术提供了很好的解决手段。当前，主流BIM软件，如Revit、MicroStation，都包含了很多精细化的喷淋系统构件库，可以直接建立精细化的喷淋构件，并集成了详细的属性信息。因此，利用BIM软件可以建立包含自动喷淋系统的三维建筑信息模型。但是，要建立精细化的喷淋火灾模拟模型，就必须获取相关参数信息。因此，需要建立基于BIM的喷淋系统火灾模型的创建方法。

针对喷淋构件震害评估，基于下一代的性能化设计标准FEMA P58，为自动喷淋系统构件(如管道、喷头等)提供了大量的易损性关系和基于地震需求参数的震害评估方法。可以利用FEMA P58的数据和方法，对喷淋系统构件的震害给出定量的概率结果。

针对喷淋系统灭火性能的评估问题，现有研究尚没有很好的解决方案。喷淋系统是典型树状网络，根据节点破坏，计算整个树结构的破坏情况。

因此，本发明依托BIM解决喷淋系统火灾数值建模问题；借助FEMA P58的易损性数据库，提出喷淋构件的评估方法；并建立喷淋系统的树结构，从而实现喷淋整体灭火性能的评估。最后，通过火灾模拟，量化喷淋震害对建筑火灾的影响，为防范建筑地震次生火灾提供分析手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法，在此基础之上模拟地震次生火灾蔓延情况，从而提出针对性的解决方案。

该方法包括建筑与喷淋系统建模、喷淋构件震害评估、喷淋系统性能评估和次生火灾模拟四部分，具体过程如下：

(1)建筑与喷淋系统建模：

首先，使用Autodesk的Revit软件创建建筑、喷淋模型；然后，进行建筑模型的转换，将模型以fbx格式导入PyroSim软件，补充模型材质信息，并设置模型网格；最后，进行喷淋模型的转换，使用基于Dynamo开发的插件提取模型信息，并通过明细表导出喷淋系统数据，使用FDS_SPRK程序读取数据并写入数据库；

(2)喷淋构件震害评估：

首先，进行结构地震反应分析，在步骤(1)中模型转换完成之后，采用多自由度集中质量剪切层模型对建筑物进行结构时程分析和弹塑性时程分析，得到峰值楼层加速度值；然后，基于FEMAP-58根据峰值楼层加速度值判定各楼层不同种类构件的损坏状态和概率；

(3)喷淋系统性能评估：

首先，进行喷淋系统的树状存储，将喷淋系统的所有喷头和三通、四通管件等效为树的节点，并进行编号，管道等效为结点之间的连接线，按照此思路，将三维喷淋模型转化为数据存储中的树状结构，采用双亲表示法存储树状结构；然后，根据每个构件的破坏状态将其影响进行树状叠加；最后，采用蒙特卡罗算法分析得到最不利损坏状态下的喷淋震损结果；

(4)次生火灾模拟：

首先，进行起火场景的设置；然后，进行喷淋震害影响的地震次生火灾模拟，使用FDS_SPRK程序的“写入分析结果”功能将震后的喷淋系统数据写入FDS文件，再使用FDS程序读取包含建筑和喷淋系统数据的FDS文件，开始进行火灾模拟分析；最后，进行模拟结果对比分析。

其中，步骤(1)中使用基于Dynamo开发的插件提取模型信息具体实现步骤为：首先选取喷淋模型；然后遍历选取到的所有喷淋图元，依次读取其ID值；最后获取喷头坐标值，并将所有数据映射到用户自定义的项目参数中。

步骤(1)中使用FDS_SPRK程序读取数据的具体过程为：通过点击面板的“写入初始数据”按钮，将完整的喷淋系统数据写入FDS文件，经过后续的震损计算之后，点击“写入分析结果”按钮，将震后的喷淋系统数据写入FDS文件。

步骤(3)中采用双亲表示法存储树状结构，具体过程为：每个结点设置两个参数，第一个参数存储当前结点ID，第二个参数存储双亲节点ID。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过BIM建立喷淋系统火灾数值模型，解决了喷淋系统的精细化建模问题；通过基于FEMAP-58和层模型的喷淋构件震害评价方法，可以快速给出合理的喷淋构件破坏概率；在此基础上，提出了喷淋系统灭火性能的震害评价模型，解决了由构件震害到网络震害、有震害到灭火性能的映射难题。最终，通过火灾模拟，量化了喷淋系统震害对建筑地震次生火灾的影响，为地震后火灾防范提供了重要依据。

附图说明

图1为本发明的基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法总体流程图；

图2为BIM转换火灾数值模型示意图；

图3为使用Dynamo开发的模型信息提取程序；

图4为喷淋模型到树结构的转换示意图；

图5为建筑BIM模型示意图；

图6为建筑首层平面图；

图7为使用C#开发的FDS_SPRK程序；

图8为喷淋系统最不利破坏状态；

图9为喷淋在预测震害下房间的烟气蔓延平面图；

图10为喷淋在无震害下喷淋完好房间的烟气蔓延平面图；

图11为起火房间温度对比曲线；

图12为起火房间烟气浓度对比曲线；

图13为其他房间烟气浓度对比曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法。

图1为基于BIM的喷淋震害评价方法的实现流程图。如图1所示，该方法的实现主要包括建筑与喷淋系统建模、喷淋构件震害评估、喷淋系统性能评估、次生火灾模拟四部分。具体实现步骤如下所示：

(1)建筑与喷淋系统建模：

为了得到火灾数值模拟所需的建筑和喷淋模型，首先基于BIM技术使用Revit软件对建筑和喷淋模型分别进行建模，然后通过PyroSim软件导出建筑模型，通过基于Dynamo的二次开发导出喷淋模型，最后使用基于C#语言开发的桌面端程序读取喷淋系统数据并转化为FDS模型。具体为：

首先，使用Autodesk的Revit软件创建建筑、喷淋模型，本发明的模型主要分为建筑模型和喷淋模型，建模软件使用的是Autodesk公司的Revit软件，该软件能够实现不同专业的BIM设计与建模功能。建筑模型主要包括墙、楼板、门、窗等构件，喷淋模型主要包括喷淋管网和喷头构件，使用Revit建筑、结构、MEP三个模块即可实现快速、准确地精细化建模。创建完成的建筑模型如图5所示。该建筑为框架混凝土结构，分为6层，层高3.3m，总建筑面积2268平方米，设防烈度为八度。每层有4个9m x 9m的办公室，一层房间编号分别为“1-1”、“1-2”、“1-3”、“1-4”，其它楼层编号依次类推(如图6)；

然后，进行建筑模型的转换，PyroSim是一款基于FDS的火灾模拟软件，具有图形化的操作界面，支持导入FBX、DXF等图形格式文件，并且可以直接调用FDS程序进行火灾模拟，或者生成FDS文件。将建筑BIM模型导出为fbx文件，将该文件导入PyroSim软件。模型导入之后仅保留了构件ID和几何属性信息，材质信息等重要属性丢失，所有几何体均默认设置为惰性材料，所以需要对不同的构件设置材质属性，如：墙、梁、板、柱等结构构件设置为混凝土材质，门、窗嵌板等设置为玻璃材质。并设置模型网格，由于还未确定起火位置，所以统一设置为0.5m×0.5m的大尺寸网格，在后续步骤中确定了起火位置之后，再在特定楼层设置较小尺寸的网格，以提高计算精度，如图2所示。

最后，进行喷淋模型的转换，Dynamo是一款基于Revit的可视化编程插件，可以实现创建参数化的复杂几何形体、自动化数据录入、模型信息提取等多种功能。本发明基于Dynamo开发了用于提取喷淋模型信息的插件，程序架构如图3所示。该插件具体实现步骤包括：首先选取喷淋模型；然后遍历选取到的所有喷淋图元，依次读取其ID值；最后获取喷头坐标值，并将所有数据映射到用户自定义的项目参数中。使用该二次开发插件提取喷淋模型信息之后，在Revit中将喷淋系统构件的“族”、“类型”、“ID”、“坐标值”、“标高”、“管道长度”等字段添加到喷淋系统明细表，然后将其导出为txt文本格式。使用本方法开发的程序(FDS_SPRK)(如图7所示)读取文本数据，经过后续处理之后，通过点击面板的“写入初始数据”按钮，将其写入包含建筑模型的FDS文件，在FDS执行分析计算时，将会在建筑指定位置创建相应类型的喷淋模型。在经过后续的震损计算之后，点击“写入分析结果”按钮，可以将震后的喷淋系统数据写入FDS文件。

(2)喷淋构件震害评估：

为了准确评估自动喷淋消防系统在地震之后的损坏状态，首先需要对建筑结构进行弹塑性时程分析，获取峰值楼层加速度值(PFA)，然后基于FEMAP-58根据PFA判定各楼层不同种类构件的损坏状态和概率。

FEMAP-58针对喷淋系统分别提供了喷淋管道和喷头的易损性曲线。这种构件都是有两种破坏状态(如表1所示)，分别命名为DS1和DS2。在DS1状态中，管道和喷头都会有流量损失，但是仍然可以工作；在DS2状态时，管道和喷头漏水严重，已彻底损坏。

表1喷淋构件破坏状态

这两种构件的破坏状态都可以通过FEMA P58提供的易损性曲线确定。只需要根据每个楼层的PFA值就可以通过相应的易损性曲线判定各层组件的损坏状态及其概率。

根据易损性曲线，P(DS≥DS2)和P(DS≥DS1)可以根据PFA由曲线确定，则构件发生DS1的概率为：

P(DS1)＝P(DS≥DS1)-P(DS≥DS2)

构件发生DS2的概率为：

P(DS2)＝P(DS≥DS2)

根据上述算法可依次求出各楼层喷淋管道和喷头的损坏状态及对应的概率。

在该部分中，首先，进行结构地震反应分析，在步骤(1)中模型转换完成之后，采用多自由度集中质量剪切层模型对建筑物进行结构时程分析和弹塑性时程分析，得到峰值楼层加速度值，本算例选取了峰值加速度为6.00m/s²的Elcentro地震波作为地震动输入。对建筑进行弹塑性时程分析之后，可以得到每个楼层的峰值楼层加速度，该算例中得到的最大峰值楼层加速度为6.297m/s²。

然后，基于FEMAP-58根据峰值楼层加速度值判定各楼层不同种类构件的损坏状态和概率，使用FDS_SPRK程序读取楼层加速度，结合之前导入的喷淋数据基于FEMAP-58提供的易损性曲线对喷淋系统进行震损分析，计算得到不同楼层构件的破坏概率及数量。

(3)喷淋系统性能评估：

在得到了喷淋构件的损坏状态及概率之后，需要将其映射到喷淋灭火性能，才能分析震害对喷淋系统灭火性能的影响。该模块的关键技术包括：喷淋模型的树状存储、节点影响的树状叠加、最不利破坏状态的获取。

首先，进行喷淋系统的树状存储，三维的喷淋模型能够直观地展示真实的喷淋系统，但是由于没有采用结构化存储喷淋数据，无法对喷淋系统的震害进行快速地分析计算，所以需要将三维喷淋模型转换为树状结构数据。本发明将喷头和三通、四通等管件等效为树的节点，并进行编号，管道等效为结点之间的连接线，按照此思路，三维喷淋模型可以转化为数据存储中的树状结构(如图4)。采用双亲表示法存储树状结构，具体实现方法是：每个结点设置两个参数，第一个参数存储当前结点ID，第二个参数存储双亲节点ID，这样就完成了三维喷淋模型的树状存储。

然后，根据每个构件的破坏状态将其影响进行树状叠加，由于喷淋系统是一个树形结构，其中某一节点的损坏可能会对后续的子孙节点造成影响，所以为了更真实地反映地震对喷淋系统灭火性能的影响。需要将节点直接损坏的影响叠加到所有的子孙节点上，该步骤主要运用了双亲ID的子节点树状检索算法。对于处于DS2状态的构件，其所有子节点也将处于DS2状态，也就是退出工作，流量设为0；对于处于DS1状态的构件，自身发生流量损失，则所有子节点的流量也将受到影响，按照表1进行折减。遍历整个喷淋树，执行上述过程，则可得到叠加的破坏状态，也就是整体的灭火性能。

最后，采用蒙特卡罗算法分析得到最不利损坏状态下的喷淋震损结果，分析得到的最不利损坏状态下的喷淋震损结果如图8所示。由于破坏节点的位置是使用概率均布函数随机分布的，即破坏节点的位置是随机的，导致每次计算分析的震害结果都不相同，所以单次计算结果没有实际意义。因此，本发明应用蒙特卡罗算法，进行多次重复计算，然后获取最不利的破坏状态。以喷淋系统总流量损失作为最不利破坏状态的衡量标准，多次执行节点破坏状态的随机分配，并计算整体灭火性能，求出总流量损失。多次计算后，总流量损失最大的破坏状态为最不利破坏状态。该状态将用于火灾模拟，以评估喷淋系统最不利破坏状态下对建筑地震次生火灾的影响。DS1表示构件发生部分损坏，但仍然可以继续工作；DS2表示构件发生了彻底破坏，无法继续工作。

(4)次生火灾模拟：

本发明使用FDS进行建筑地震次生火灾模拟。FDS(Fire Dynamic Simulation)是美国国家标准研究所(NIST)开发的模拟火灾中流体运动的计算流体力学软件，在世界范围内被广泛应用。该模块首先使用本方法编写的FDS_SPRK程序将震后的喷淋系统数据写入包含建筑数值模型的FDS文件，然后使用FDS软件读取该文件，通过设置网格、火源、监测点、模拟时间等参数之后即可开始火灾模拟分析。地震次生火灾模拟完成之后，在三维界面里可以直观地查看火势和烟气蔓延情况，通过输出的模拟数据可以定量地分析温度、烟气浓度、可见度等数据的变化规律，从而分析出喷淋系统的损坏对地震次生火灾的影响。

首先，进行起火场景的设置，综合考虑喷淋系统的震损结果和烟气蔓延规律，本算例将起火位置设置在5层的5-3办公室内，可燃物是两个尺寸分别为4.5m x 1.25m和6.5m x1.25m的普通沙发，沙发的材质为：海绵+编织物，点火源是设置在沙发表面的3个间距1米的点火粒子，模拟时间为500s。

然后，进行喷淋震害影响的地震次生火灾模拟，使用FDS_SPRK程序的“写入分析结果”功能将震后的喷淋系统数据写入FDS文件。该房间共有4个喷淋头，其中2个完全破坏，另外2个处于流量损失状态。由于起火位置设置在5层，所以需要使用多重网格，将5层网格尺寸设置为0.25m x 0.25m x 0.25m，其它楼层的网格尺寸依然为0.5m x 0.5m x 0.5m。再使用FDS程序读取包含建筑和喷淋系统数据的FDS文件，开始进行火灾模拟分析。

最后，进行模拟结果对比分析，为了研究地震对自动喷水灭火系统灭火性能的影响，做了2个对比算例，分别是喷淋系统完好和喷淋处于预测震害中。

在FDS中模拟计算完成之后，可以在Smoke View中查看火灾模拟结果。通过对比2个算例的模拟结果发现，在180s时其中两个算例的F5层烟气浓度同时达到峰值，图9是180s喷淋受损算例的烟气蔓延平面图，图10是180s喷淋完好算例的烟气蔓延平面图。从烟气蔓延程度来看，处于预测震害中的喷淋系统的烟气蔓延程度显然要比喷淋无损坏情况下要严重。

两种情况下，起火房间5-3的温度、烟气浓度的分别如图11、12所示。通过本发明，喷淋震害对火灾蔓延的影响可以随火灾发展过程被精确量化，可以看出喷淋震害情况下温度和烟气浓度都比无震害情况下要严重。相似地，其他房间也呈现出同样的规律，如5-1房间烟气浓度对比情况如图13所示。

通过以上4个步骤，实现了基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价，完成了考虑喷淋震害影响的地震次生火灾模拟。以上算例现实，本发明提出了基于BIM的喷淋系统火灾FDS数值模型的建模方法，解决了喷淋系统精细化火灾数值建模问题；设计了基于FEMA P58的火灾喷淋构件的震害评价方法，实现了合理的喷淋构件震害评价；建立了构件震害到系统灭火性能的评价方法，可以获得喷淋系统最不利的灭火结果，并据此进行地震次生火灾模拟，给出喷淋震害对建筑地震次生火灾的量化影响。本发明为考虑喷淋震害影响的地震次生火灾防范提供了参考依据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法，其特征在于：包括建筑与喷淋系统建模、喷淋构件震害评估、喷淋系统性能评估和次生火灾模拟四部分，具体过程如下：

(1)建筑与喷淋系统建模：

首先，使用Autodesk的Revit软件创建建筑、喷淋模型；然后，进行建筑模型的转换，将模型以fbx格式导入PyroSim软件，补充模型材质信息，并设置模型网格；最后，进行喷淋模型的转换，使用基于Dynamo开发的插件提取模型信息，并通过明细表导出喷淋系统数据，使用FDS_SPRK程序读取数据并写入数据库；

(2)喷淋构件震害评估：

首先，进行结构地震反应分析，在步骤(1)中模型转换完成之后，采用多自由度集中质量剪切层模型对建筑物进行结构时程分析和弹塑性时程分析，得到峰值楼层加速度值；然后，基于FEMAP-58根据峰值楼层加速度值判定各楼层不同种类构件的损坏状态和概率；

(3)喷淋系统性能评估：

首先，进行喷淋系统的树状存储，将喷淋系统的所有喷头和三通、四通管件等效为树的节点，并进行编号，管道等效为结点之间的连接线，按照此思路，将三维喷淋模型转化为数据存储中的树状结构，采用双亲表示法存储树状结构；然后，根据每个构件的破坏状态将其影响进行树状叠加；最后，采用蒙特卡罗算法分析得到最不利损坏状态下的喷淋震损结果；

(4)次生火灾模拟：

首先，进行起火场景的设置；然后，进行喷淋震害影响的地震次生火灾模拟，使用FDS_SPRK程序的“写入分析结果”功能将震后的喷淋系统数据写入FDS文件，再使用FDS程序读取包含建筑和喷淋系统数据的FDS文件，开始进行火灾模拟分析；最后，进行模拟结果对比分析。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法，其特征在于：所述步骤(1)中使用基于Dynamo开发的插件提取模型信息具体实现步骤为：首先选取喷淋模型；然后遍历选取到的所有喷淋图元，依次读取其ID值；最后获取喷头坐标值，并将所有数据映射到用户自定义的项目参数中。

3.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法，其特征在于：所述步骤(1)中使用FDS_SPRK程序读取数据的具体过程为：通过点击面板的“写入初始数据”按钮，将完整的喷淋系统数据写入FDS文件，经过后续的震损计算之后，点击“写入分析结果”按钮，将震后的喷淋系统数据写入FDS文件。

4.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑喷淋灭火系统震害评价方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用双亲表示法存储树状结构，具体过程为：每个结点设置两个参数，第一个参数存储当前结点ID，第二个参数存储双亲节点ID。