CN116308443A - 一种基于bim的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM的建筑消防措施安全‑经济耦合评估方法，包括如下步骤：从建筑BIM设计平台中获取安全性数据和经济性数据；分别对安全性数据和经济性数据进行预处理；根据预处理后的安全性数据进行安全性分析获取到疏散时间数据；根据预处理后的经济性数据进行经济性分析获取到措施造价数据；通过构建好的价值工程模型将疏散时间数据与措施造价数据进行耦合，获得建筑消防措施价值数据。本发明保证了在满足建筑安全的基础上，提高建筑消防措施的经济性，降低了消防措施设计的资源浪费，且使用该评估方法的建筑BIM设计平台，能够使得设计人员对不同消防措施进行经济性的评估和判断，能够自动筛选出最佳的消防措施方案并采取适当的设计优化。
Description
技术领域
本发明属于建筑消防措施领域，涉及建筑消防措施评估技术，具体涉及一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法。
背景技术
BIM技术是当今建筑领域中非常先进和应用广泛的一项技术。立足建筑工程造价管理视角，BIM技术具有提高效率、优化设计、统筹管理等多方面优势。基于BIM的设计管理平台利用BIM模型优越的三维可视化空间展现能力，以BIM模型为载体，将建筑信息、消防措施方案、工程造价进一步引入到设计管理功能中。同时，将火灾仿真模拟的结果与工程造价结合在一起，帮助设计人员和工程人员提高设计的把控能力，优化消防措施方案的经济性和安全性，降低运营成本。
BIM“安全-经济”耦合评估平台主要有三部分组成，一是火灾仿真模拟系统，二是建筑信息系统，三是价值工程系统。其中火灾仿真模拟模型是建筑消防措施安全性的评估平台，与消防措施方案交互实现量化各种消防措施的安全性。建筑信息系统可对建筑消防措施的材料属性、工程造价、设计信息等进行3D可视化呈现，并获得大量数据，如工程量清单、消防措施数据、消防措施费用等等。这些数据会存储在BIM模型中，设计人员可一边参照消防措施信息，一边计算设施、数据，使工程造价更精准、数据分析工作更全面，对消防措施进行初步预算。价值工程系统是“安全-经济”耦合评估的量化工具，引入价值来表示在满足建筑本身安全的情况下，消防措施安全和经济的耦合关系。
现代消防措施受到经济发展的制约，越来越多的采用BIM技术(BuildingInformation Modeling)建立建筑BIM设计平台以实现建筑设计优化。其中早期的研究人员基于建筑信息模型(BIM)研究了建筑火灾的消防措施安全性和安全疏散。然而由于消防措施造价的复杂性、多样性，设计阶段中主要考虑满足设计规范的要求，没有很好地考虑消防措施经济性问题。经济性问题不仅导致部分建筑未能配置完善而系统的消防措施，致使在建筑火灾形势下，人们无法通过各类消防措施进行救援，致使相对轻微的火情发展演变成为更加严重的火灾形势，增大了灭火救援的难度，这样造成了巨大的人力物力浪费和财产损失。
相关学者在建筑消防措施的安全性方面已经进行了深入的研究，并取得了一定的成果，但较少的对安全性进行火灾仿真模拟，更没有考虑消防措施的经济性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，保证了在满足建筑安全的基础上，提高建筑消防措施的经济性，降低了消防措施设计的资源浪费。使用该评估方法的建筑BIM设计平台，能够使得设计人员对不同消防措施进行经济性的评估和判断，能够自动筛选出最佳的消防措施方案并采取适当的设计优化，帮助建筑设计人员能够有效地评估消防措施的安全性和经济性从而采取合理有效地消防措施，实现高安全、高效益的建筑BIM消防措施设计。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，包括如下步骤：
S1：从建筑BIM设计平台中获取安全性数据和经济性数据；
S2：分别对安全性数据和经济性数据进行预处理；
S3：根据预处理后的安全性数据进行安全性分析获取到疏散时间数据；根据预处理后的经济性数据进行经济性分析获取到措施造价数据；
S4：通过构建好的价值工程模型将疏散时间数据与措施造价数据进行耦合，获得建筑消防措施价值数据。
进一步地，所述步骤S1中通过火灾仿真模拟获取安全性数据，安全性数据包括消防措施所属火灾场景的温度、CO浓度、可见度三个环境参量数据。
进一步地，所述步骤S1中通过建筑信息模型获取到经济性数据，经济性数据为结合BIM获得消防措施方案和工程量清单，由消防措施方案和工程量清单可获得特定消防措施的消防造价数据。
进一步地，所述步骤S2中安全性数据的预处理方法为：确定不同火灾工况和消防措施，获取不同火灾工况下，在特征高度上人体接触温度、CO浓度、可见度达到人体可承受范围外的时间，取三者之间的最小值，作为相应消防措施的可用安全疏散时间。
进一步地，所述步骤S2中经济性数据的预处理方法为：消防措施设计方案不同产生的消防措施费用不同，和材料种类构成数据集，根据BIM模型中的工程量清单，通过采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用，采用BIM对不同工况下的消防措施费用进行预算。
进一步地，所述步骤S3中安全性分析的过程为：考虑动态数据的特点及建筑消防措施的使用背景，采用火灾仿真模拟的Pyrosim软件进行动态数据分析；将温度、CO浓度、可见度作为仿真模拟不同工况下消防措施的输出变量，选取火灾场景下人体可承受极限为条件，将三者间最小的承受时间值为可用安全疏散时间，将可用安全疏散时间作为评估消防措施的安全性指标。
进一步地，所述步骤S3中经济性分析的过程为：根据工程量清单，利用BIM的工程量清单采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用的费用计算方式，对不同消防措施进行预算，得到不同消防措施方案的造价，作为不同工况消防措施的经济性指标。
进一步地，所述步骤S3的安全性分析中，Pyrosim火灾仿真模拟通过DWG格式将BIM模型转化为FDS火灾模型，火灾仿真模拟首先定义FDS模型的网格边界，网格尺寸选取火焰特征直径的1/10，特征火焰直径D*的确定参考公式
其中Q为火源的热释放速率(kW)；ρ∝为空气密度(1.2kg/m3)；cp为空气比热(1kJ/(kg·K))；T∝为环境空气温度(293K)；g为重力加速度(9.81m/s2)；在FDS模型中定义不同的建筑材料参数，确定材料的密度、导热系数、比热，密度/>
Yα为每种成分的质量百分比；ρα为设定的每种成分的密度；导热系数/>
Nm为材料总数；Xα为材料每种成分的体积比；比热
热释放速率是火灾场景的重要参数，创建火灾反应首先要计算热释放速率Q＝Φ×m×ΔH；Φ为燃烧效率因子(0.3)；m为可燃物的质量燃烧速率(kg/s)；ΔH为可燃物的热值(MJ/kg)；消防措施建模包括水喷淋系统、火灾自动报警系统、逻辑控制系统的建模，最后设置模拟的参数进行运算，输出3D动画和2D历史时间图，得到温度、CO浓度、可见度环境参量；Pyrosim火灾仿真模拟的输出变量为温度、CO浓度、可见度，根据人体可承受的极限为条件，判定可用安全疏散时间，即不同工况消防措施的安全性指标。
进一步地，所述步骤S3的安全性分析中，可用安全疏散时间的判定具体为：从火灾发生至其发展到使建筑中特定空间的内部环境或结构到达危及人身安全的极限时间，2m高度处温度超过60℃、2m以下空间内烟气层中的CO的质量分数大于1400×10-6、2m高度处能见度低于10m为火灾发生时人体所能承受的极限，计算三个环境参量分别到达危险状态的时间，取三者间最小值作为评估消防措施安全性的指标，即可用安全疏散时间。
进一步地，所述步骤S4具体为：
将不同工况下的消防措施的温度、CO浓度、能见度通过仿真模拟，获得多个方案不同安全性的可用安全疏散时间T1、T2、T3...，基于BIM的工程量清单对不同消防措施方案进行预算，获得相应多个方案的不同造价C1、C2、C3...；
价值工程模型为v＝f/c,其中v为价值；f为功能；c为成本；将价值工程模型用于评估消防措施的安全性和经济性，不同消防措施方案的可用安全疏散时间(T)作为功能(f)，不同消防措施方案的造价(C)作为成本(c)，基于价值工程模型获得不同消防措施方案的价值，用作安全-经济耦合评估建筑消防措施的依据，并提出安全-经济策略建议。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、本发明使用火灾仿真模拟软件来对不同工况下的消防措施安全性进行判断。通过分析建筑消防措施的种类，确定不同消防措施方案并在BIM中进行实现。从火灾仿真模拟软件(Pyrosim)中对不同工况下的温度、CO浓度、可见度进行模拟，输出不同消防措施下的动态数据集。选取火灾场景下人体可承受极限为条件，将三者间最小的承受时间值为可用安全疏散时间，将可用安全疏散时间作为评估消防措施的安全性指标。
2、本发明采用建筑信息模型(BIM)存储建筑消防措施信息，对消防措施的工程造价进行预算。根据工程量清单，利用BIM的工程量清单采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用的费用计算方式，对不同消防措施进行预算，得到不同消防措施方案的造价，作为评估不同工况消防措施的经济性指标。
3、本发明使用价值工程模型构建“安全-经济”耦合分析的量化模型，将消防措施的可用安全疏散时间与不同消防措施方案的造价进行比值，使建筑消防措施设计更高效，成本更低。另外，其突破了传统消防措施设计仅考虑规范设计安全性的缺陷，未对建筑消防措施方案的安全性进行火灾仿真模拟，而是先通过火灾仿真模拟判断消防措施的安全性的强弱，从而结合造价对消防措施方案的价值进行评估。
4、本发明将建筑消防措施的火灾仿真模拟结果用于经济性评估。通过火灾仿真模拟软件中对不同工况下的温度、CO浓度、可见度确定安全性指标可用安全疏散时间。将BIM输出的消防措施预算确定为经济性指标。通过价值工程模型分析耦合评估消防措施的安全性和经济性。
5、本发明通过使用工程实例的具体方案进行测试，把耦合评估建筑消防措施的“安全-经济”分析的有效性为标准，最终确定最佳加固方案。
6、本发明在建筑消防设施的安全性和经济性评估的有效性，提高了建筑消防措施设计的效益，减少资源的浪费。使用该评估方法的建筑BIM设计平台，能够使得设计人员和工程人员进一步交流，提高消防措施设计的安全性、经济性、有效性。
附图说明
图1为本发明的BIM设计平台基本架构图；
图2为本发明的消防措施“安全-经济”耦合评估方法设计思路图；
图3为本发明的消防措施“安全-经济”耦合评估方法的总体框架图；
图4为本发明的基于火灾仿真模拟软件(Pyrosim)的疏散时间分析框架图；
图5为本发明的消防措施费用计算方法框架图；
图6为本发明的建筑消防措施“安全-经济”评估模型结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种BIM设计平台，主要有三部分组成，一是火灾仿真模拟模型，二是建筑信息模型，三是价值工程模型。其中火灾仿真模拟模型是消防措施设计的安全性模块，与BIM设计平台集成交互实现对消防措施安全性的防火性能模拟。建筑信息模型可对消防措施方案的工程量清单统计，存储材料属性信息，如建筑信息、消防数据、消防措施方案等等。这些数据一方面会以各种报表的形式存储在BIM设计平台的数据中心，另一方面会链接相关技术人员，促进设计师和工程师之间的交互。价值工程模型是集成“安全-经济”耦合分析的媒介和方法，将消防措施火灾仿真模拟的结果和建筑信息模型中的造价信息结合，实现对建筑消防措施“安全-经济”的综合评估，以提出经济性策略和建议。
如图2所示，本发明提供了一种消防措施“安全-经济”耦合评估方法的设计思路，当确定不同消防措施方案集时，先有BIM设计平台建立模型，然后建立火灾模型，包括创建网格、定义材料热解、建立消防措施模型、定义火灾反应、设置材料和参数，设置模拟参数并运行，得到CO质量分数、能见度、温度的动态数据，通过危险来临标准的判断，输出三者间的最小值为可用安全疏散时间。结合建筑信息模型提供的各消防措施方案的工程造价，并通过价值工程模型对各消防措施方案进行“安全-经济”的耦合评估，输出价值。
基于上述BIM设计平台和消防措施“安全-经济”耦合评估方法的设计思路，本发明提供一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，如图3所示，其包括如下步骤：
S1：从建筑BIM设计平台中获取安全性数据和经济性数据：
本实施例中通过火灾仿真模拟获取安全性数据，安全性数据包括消防措施所属火灾场景的温度、CO浓度、可见度三个环境参量数据；
本实施例中通过建筑信息模型获取到经济性数据，经济性数据为结合BIM获得消防措施方案和工程量清单，由消防措施方案和工程量清单可获得特定消防措施的消防造价数据。
S2：分别对安全性数据和经济性数据进行预处理：
安全性数据的预处理方法为：确定不同火灾工况和消防措施，获取不同火灾工况下，在特征高度上人体接触温度、CO浓度、可见度达到人体可承受范围外的时间，取三者之间的最小值，作为相应消防措施的可用安全疏散时间。
经济性数据的预处理方法为：消防措施设计方案不同产生的消防措施费用不同，和材料种类构成数据集，根据BIM模型中的工程量清单，通过采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用，采用BIM对不同工况下的消防措施费用进行预算。
S3：根据预处理后的安全性数据进行安全性分析获取到疏散时间数据；根据预处理后的经济性数据进行经济性分析获取到措施造价数据：
安全性分析的过程为：考虑动态数据的特点及建筑消防措施的使用背景，采用火灾仿真模拟的Pyrosim软件进行动态数据分析；将温度、CO浓度、可见度作为仿真模拟不同工况下消防措施的输出变量，选取火灾场景下人体可承受极限为条件，将三者间最小的承受时间值为可用安全疏散时间，将可用安全疏散时间作为评估消防措施的安全性指标。
经济性分析的过程为：根据工程量清单，利用BIM的工程量清单采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用的费用计算方式，对不同消防措施进行预算，得到不同消防措施方案的造价，作为不同工况消防措施的经济性指标。
S4：通过构建好的价值工程模型将疏散时间数据与措施造价数据进行耦合，获得建筑消防措施价值数据：
如图4所示，本实施例的步骤S3的安全性分析中，Pyrosim火灾仿真模拟通过DWG格式将BIM模型转化为FDS火灾模型，火灾仿真模拟首先定义FDS模型的网格边界，网格尺寸选取火焰特征直径的1/10，特征火焰直径D*的确定参考公式
其中Q为火源的热释放速率(kW)；ρ∝为空气密度(1.2kg/m3)；cp为空气比热(1kJ/(kg·K))；T∝为环境空气温度(293K)；g为重力加速度(9.81m/s2)；在FDS模型中定义不同的建筑材料参数，确定材料的密度、导热系数、比热，密度/>
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热释放速率是火灾场景的重要参数，创建火灾反应首先要计算热释放速率Q＝Φ×m×ΔH；Φ为燃烧效率因子(0.3)；m为可燃物的质量燃烧速率(kg/s)；ΔH为可燃物的热值(MJ/kg)；消防措施建模包括水喷淋系统、火灾自动报警系统、逻辑控制系统的建模，最后设置模拟的参数进行运算，输出3D动画和2D历史时间图，得到温度、CO浓度、可见度环境参量；Pyrosim火灾仿真模拟的输出变量为温度、CO浓度、可见度，根据人体可承受的极限为条件，判定可用安全疏散时间，即不同工况消防措施的安全性指标。
可用安全疏散时间的判定具体为：从火灾发生至其发展到使建筑中特定空间的内部环境或结构到达危及人身安全的极限时间，2m高度处温度超过60℃、2m以下空间内烟气层中的CO的质量分数大于1400×10-6、2m高度处能见度低于10m为火灾发生时人体所能承受的极限，计算三个环境参量分别到达危险状态的时间，取三者间最小值作为评估消防措施安全性的指标，即可用安全疏散时间。
如图5所示，本实施例中消防措施费用主要包括直接费用、间接费用、计划利润。其中直接费用包括定额直接费用，如人工费、材料费、施工机械使用费，以及其他直接费用，间接费用包括施工管理费用和其他间接费用。
如图6所示，本实施例中步骤S4的具体过程如下：
将不同工况下的消防措施的温度、CO浓度、能见度通过仿真模拟，获得多个方案不同安全性的可用安全疏散时间T1、T2、T3...，基于BIM的工程量清单对不同消防措施方案进行预算，获得相应多个方案的不同造价C1、C2、C3...；
价值工程模型为v＝f/c,其中v为价值；f为功能；c为成本；将价值工程模型用于评估消防措施的安全性和经济性，不同消防措施方案的可用安全疏散时间(T)作为功能(f)，不同消防措施方案的造价(C)作为成本(c)，基于价值工程模型获得不同消防措施方案的价值，用作安全-经济耦合评估建筑消防措施的依据，并提出安全-经济策略建议。
Claims (10)
1.一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：从建筑BIM设计平台中获取安全性数据和经济性数据；
S2：分别对安全性数据和经济性数据进行预处理；
S3：根据预处理后的安全性数据进行安全性分析获取到疏散时间数据；根据预处理后的经济性数据进行经济性分析获取到措施造价数据；
S4：通过构建好的价值工程模型将疏散时间数据与措施造价数据进行耦合，获得建筑消防措施价值数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S1中通过火灾仿真模拟获取安全性数据，安全性数据包括消防措施所属火灾场景的温度、CO浓度、可见度三个环境参量数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S1中通过建筑信息模型获取到经济性数据，经济性数据为结合BIM获得消防措施方案和工程量清单，由消防措施方案和工程量清单可获得特定消防措施的消防造价数据。
4.根据权利要求2所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S2中安全性数据的预处理方法为：确定不同火灾工况和消防措施，获取不同火灾工况下，在特征高度上人体接触温度、CO浓度、可见度达到人体可承受范围外的时间，取三者之间的最小值，作为相应消防措施的可用安全疏散时间。
5.根据权利要求3所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S2中经济性数据的预处理方法为：消防措施设计方案不同产生的消防措施费用不同，和材料种类构成数据集，根据BIM模型中的工程量清单，通过采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用，采用BIM对不同工况下的消防措施费用进行预算。
6.根据权利要求4所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S3中安全性分析的过程为：考虑动态数据的特点及建筑消防措施的使用背景，采用火灾仿真模拟的Pyrosim软件进行动态数据分析；将温度、CO浓度、可见度作为仿真模拟不同工况下消防措施的输出变量，选取火灾场景下人体可承受极限为条件，将三者间最小的承受时间值为可用安全疏散时间，将可用安全疏散时间作为评估消防措施的安全性指标。
7.根据权利要求5所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S3中经济性分析的过程为：根据工程量清单，利用BIM的工程量清单采用人工费、材料费、施工机械使用费用、施工管理费用、其他间接费用的费用计算方式，对不同消防措施进行预算，得到不同消防措施方案的造价，作为不同工况消防措施的经济性指标。
8.根据权利要求6所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S3的安全性分析中，Pyrosim火灾仿真模拟通过DWG格式将BIM模型转化为FDS火灾模型，火灾仿真模拟首先定义FDS模型的网格边界，网格尺寸选取火焰特征直径的1/10，特征火焰直径D*的确定参考公式
其中Q为火源的热释放速率；ρ∝为空气密度；cp为空气比热；T∝为环境空气温度；g为重力加速度；在FDS模型中定义不同的建筑材料参数，确定材料的密度、导热系数、比热，密度/>
Yα为每种成分的质量百分比；ρα为设定的每种成分的密度；导热系数/>
Nm为材料总数；Xα为材料每种成分的体积比；比热/>
热释放速率是火灾场景的重要参数，创建火灾反应首先要计算热释放速率Q＝Φ×m×ΔH；Φ为燃烧效率因子；m为可燃物的质量燃烧速率；ΔH为可燃物的热值；消防措施建模包括水喷淋系统、火灾自动报警系统、逻辑控制系统的建模，最后设置模拟的参数进行运算，输出3D动画和2D历史时间图，得到温度、CO浓度、可见度环境参量；Pyrosim火灾仿真模拟的输出变量为温度、CO浓度、可见度，根据人体可承受的极限为条件，判定可用安全疏散时间，即不同工况消防措施的安全性指标。
9.根据权利要求8所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S3的安全性分析中，可用安全疏散时间的判定具体为：从火灾发生至其发展到使建筑中特定空间的内部环境或结构到达危及人身安全的极限时间，2m高度处温度超过60℃、2m以下空间内烟气层中的CO的质量分数大于1400×10-6、2m高度处能见度低于10m为火灾发生时人体所能承受的极限，计算三个环境参量分别到达危险状态的时间，取三者间最小值作为评估消防措施安全性的指标，即可用安全疏散时间。
10.根据权利要求1所述的一种基于BIM的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
将不同工况下的消防措施的温度、CO浓度、能见度通过仿真模拟，获得多个方案不同安全性的可用安全疏散时间T1、T2、T3...，基于BIM的工程量清单对不同消防措施方案进行预算，获得相应多个方案的不同造价C1、C2、C3...；
价值工程模型为v＝f/c，其中v为价值；f为功能；c为成本；将价值工程模型用于评估消防措施的安全性和经济性，不同消防措施方案的可用安全疏散时间(T)作为功能(f)，不同消防措施方案的造价(C)作为成本(c)，基于价值工程模型获得不同消防措施方案的价值，用作安全-经济耦合评估建筑消防措施的依据，并提出安全-经济策略建议。
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| CN202310354005.3A CN116308443A (zh) | 2023-04-04 | 2023-04-04 | 一种基于bim的建筑消防措施安全-经济耦合评估方法 |
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| CN (1) | CN116308443A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117634206A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-03-01 | 广州华立科技职业学院 | 一种基于bim的建筑物火灾数值模拟方法 |
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2023
- 2023-04-04 CN CN202310354005.3A patent/CN116308443A/zh active Pending
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