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BIM信息模型在院校建筑消防中的應用

2018-09-20 09:08趙慧廣
中國人民警察大學學報 2018年8期
關鍵詞:消防設備基站標簽

唐 斌,趙慧廣

(武警學院 部隊管理系,河北 廊坊 065000)

1 概述

1.1 建筑信息模型

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為基礎,通過數(shù)字信息仿真,模擬建筑物所具有的真實信息,實現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能。BIM的功能是集成式數(shù)據(jù)庫,存放結構型數(shù)據(jù),工程幾何、非幾何類型數(shù)據(jù),使得工程的前期規(guī)劃、可視化設計、建設施工、運維管理各個階段,相關人員都能從中獲取他們的信息,這就叫做建筑物的全生命周期,如圖1。全生命周期[1]主要包括:二維圖紙設計(CAD)、BIM建筑模型設計(二三維轉換)、BIM完整信息模型建設等三個重大階段。全生命周期的各個階段,信息都要保持完整性、連續(xù)性、一致性,全生命周期的最后階段就是運維(占整個周期的70%左右),其中最大的用處就是在消防監(jiān)管中的應用。用BIM技術可以在全生命周期中的各個階段對消防設備進行信息監(jiān)管(一般從消防設備安裝調試完開始),消防設備的信息完整無損的傳遞于各個階段。

圖1 BIM全生命周期

1.2 國內外應用現(xiàn)狀

在國外,英國政府明確要求2016年前企業(yè)實現(xiàn)3D-BIM的全面協(xié)同。美國政府自2003年起,實行國家級3D-4D-BIM計劃,自2007年起,規(guī)定所有重要項目通過BIM進行空間規(guī)劃。韓國政府計劃于2016年前實現(xiàn)全部公共工程的BIM應用。新加坡政府成立BIM基金,計劃于2015年前,超八成建筑業(yè)企業(yè)廣泛應用BIM。北歐,挪威、丹麥、瑞典和芬蘭等國家,已經(jīng)孕育了Tekla、Solibri等主要的建筑業(yè)信息技術軟件廠商。日本的建筑信息技術軟件產業(yè)成立了國家級國產解決方案軟件聯(lián)盟。

在國內,香港在2015年計劃將BIM應用作為所有房屋項目的設計標準。大部分省份對BIM的發(fā)展持肯定態(tài)度,對數(shù)字化目標和標準制定加緊進行中。住建部在《中國建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中,將BIM協(xié)同技術列為“十二五”中國建筑業(yè)重點推廣技術,明確指出“2016年,所有政府投資的2萬平米以上的建筑的設計、施工必須使用BIM技術”;中國工程建設協(xié)會標準中,電氣設計、建筑設計、給排水設計、暖通設計部分都制定了與BIM軟件技術與信息交換的標準。相比2011年引入時,中國BIM普及率超過10%,BIM試點提高近6%。

1.3 研究目的

BIM中的建筑是參數(shù)化建模,模型中可以展示常規(guī)建筑中的梁、柱、板、墻體、門、窗等構件的幾何信息,也可展示非幾何信息,如材質、顏色、耐火等級等。消防設備可以更加詳細,BIM模型不僅包括幾何尺寸信息,其他信息(如廠家、型號、性能參數(shù)、安裝時間、使用年限、維修日志等)也能放入設備的屬性庫中,使用BIM數(shù)字化的存儲方式大大提升了查找的效率。

現(xiàn)代建筑多具備大空間的特點,一些隱蔽空間人眼無法看到[2],利用BIM技術可以三維模擬系統(tǒng)中被遮擋的空間;消防設備運維檢查時,不可能進入每一層的設備空間,消防建模時,可以加入?yún)?shù)化的智能構件加以解決。建筑消防的全生命周期可視化監(jiān)管得以實現(xiàn)。

BIM模型中包含消防設備的靜態(tài)信息(如設備名稱、設備型號、設備編號、生產廠家、安裝位置等),也包含消防設備的動態(tài)信息(如運行狀態(tài)、維護信息、維修信息、設備更換、安裝位置變換等),這些信息放在專用數(shù)據(jù)庫中,與消防設備關聯(lián),便于查詢與維護。

院校中各種建筑繁多,許多是大空間或高層建筑。而且是人員密集場所,基于BIM的消防自動化監(jiān)控有著廣闊的應用空間。BIM技術在院校應用還有著自己獨特的優(yōu)勢,大專院校各種人才濟濟,BIM模型的構建,云端服務器程序的編程可以自己完成,其他軟件部分大多也可以由教師帶領學生制作,這也是很好的科研課題,學生也必定有濃厚的興趣參與,只是相關硬件需要采購,這必將大大減少整個系統(tǒng)布置的費用,而且由高科技人才管理系統(tǒng),不僅能充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能,而且相關人員有能力研究系統(tǒng)功能的升級與改進,BIM系統(tǒng)在這種科研環(huán)境中必將與時俱進。

2 BIM建模的一般過程

2.1 建模常用軟件

主流BIM軟件為Autodesk系列,其中設計建模類有Revit、tekla軟件,施工綜合類軟件是Navisworks,主要用于碰撞檢查、漫游、施工模擬等。Autodesk Revit是比較適合在院校建模中應用的制作軟件。

2.2 建模過程簡介

建模的主要過程如圖2所示。首先看一下施工要求。比如:管線、坡度以及材質,這些要求一般都會在二維圖紙中(如CAD)寫出。然后分離圖紙。將圖紙中的管線分離出來,這樣方便建模時看得清楚。之后就是打開Revit制作軸網(wǎng),導入制作的CAD對準軸網(wǎng),然后就是按照圖紙的管線建模了。

圖2 數(shù)據(jù)建模的過程

在三維屬性制作過程中,要把構件的屬性描繪得盡量詳細,消防設備的屬性還包括靜態(tài)屬性與動態(tài)屬性兩個方面。三維紋理貼圖是為了使模型外觀更加逼近真實環(huán)境,這時候,可以用相機多拍攝一些現(xiàn)實場景中的照片,用作模型的紋理貼圖。燈光烘焙過程是為了模擬自然光照的情景,一天中不同時段的光照效果是不一樣的。全景漫游這個功能是必須的,人們可以在做好的模型中觀覽,尤如身臨其境,且視線沒有死角。渲染是指模型生成圖像的過程,是對三維物體的描述,包括幾何、視點、紋理以及照明信息等,由于漫游過程中會大量消耗GPU資源,有時計算機不堪重負,漫游會有卡頓現(xiàn)象,視覺效果不清晰,這時候在一些重點部位做出渲染的圖片,能產生精美的三維場景。

此外,為了在今后的手機中瀏覽,要對模型做簡化,如果有條件可以另做一套“.skp模型”,“.skp模型”用谷歌的SketchUp軟件制作,可以做出非常精美的三維模型,但不能加載模型中各部件的屬性,所以模型是輕量化的,適用于低功率的GPU使用。結合學院實際,制作了幾個建筑實物的模型,如圖3。

圖3 校園建筑模型

3 建筑消防應用探討

3.1 構建“智慧建筑”

現(xiàn)在消防部門正在主推“智慧消防”,怎么把建筑做得更智能是人們研究的熱點。BIM軟件可以做到這一點。在BIM模型中建立監(jiān)測專用“族”庫,通過自建 BIM消防“族”的方式將設備運維信息添加至模型的屬性中?!白濉笔且粋€包含參數(shù)集和相關圖形的圖元組,“族”的種類多樣,監(jiān)測點“族”是可載入“族”,可以載入到項目文件中,具有高度可自定義的特征。

監(jiān)測點“族”添加的參數(shù)信息靠現(xiàn)場布設的傳感器采集,參數(shù)包括常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警閾值等,通過無線局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)信息,與 BIM 模型進行關聯(lián)。環(huán)境參數(shù)超過傳感器的閾值時會觸發(fā)報警,在模型上顯示為監(jiān)測點顏色的改變,報警信息會記錄于數(shù)據(jù)庫中,該設備的正常運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、維修信息、位置信息也將存儲于數(shù)據(jù)庫中,這就是消防設備的動態(tài)信息存儲。

消防監(jiān)督管理系統(tǒng)的后臺是一個軟件平臺[3]。這個平臺可以是單機版的,也可以放置在云端(視建設單位的財務狀況而定)。云計算技術使人們告別大量資料、文檔,可以在任何地方使用終端設備(如手機)瀏覽高度信息化與可視化的BIM模型。在現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)用局域網(wǎng)傳遞到后方,如果數(shù)據(jù)類型事先定義為關系型的,則可以用ODBC連接,傳入數(shù)據(jù)庫(如SQLServer)。

通過存儲消防設備在運行過程中產生的動態(tài)數(shù)據(jù)(可以從各個傳感器中“感知”),管理人員可以查看到何時發(fā)生了異常情況,并通過對數(shù)據(jù)趨勢的分析,制定、更改預定方案,進行科學有效的管理。

3.2 “智慧建筑”應用

3.2.1 消防監(jiān)管

校園中按有關要求,本身就布設有攝像監(jiān)控系統(tǒng),這就可以融入到BIM智能系統(tǒng)中,根據(jù)物體編號,在BIM系統(tǒng)中呈現(xiàn)相應3D模型,點擊模型,可以看到模擬的動態(tài)信息,調配周邊的實時攝像系統(tǒng)監(jiān)控,可以看到實景信息,監(jiān)控有死角,兩者要配合使用。一般智能系統(tǒng)的應用如圖4。

圖4 消防可視化監(jiān)管系統(tǒng)架構

3.2.2 疏散模型研究與演練

院校這種人員密集場所正好作消防疏散演練,檢驗疏散算法。在BIM系統(tǒng)中設置消防設施的名稱、概略位置(例如樓層、方向、分區(qū))、唯一的識別編號,識別編號是建立BIM模型時系統(tǒng)自動為消防設備生成的,不同的樓層也可以有相同類型的設備,為了快速準確的定位,系統(tǒng)可以通過消防設備的快速定位使攝像頭迅速轉移到目標處,通過點擊BIM模型中的設備,可以查閱所有該設備相關信息。

樓梯是重要的消防疏散通道,建筑內各個空間通過樓梯等垂直交通設施連接在一起。BIM模型通過參數(shù)化建模的方式構建與真實情況一致的樓梯模型,演練人員可以根據(jù)樓梯的構造特性、寬度、走向制定相應的疏散計劃與應急預案。在規(guī)劃逃生路線時,應用終端可以準確直觀的顯示出消防設備之間、設備與安全出口間的物理距離,同時傳遞周邊設施煙感、溫感等動態(tài)信息,把參數(shù)傳遞給疏散模型進行研究,檢驗算法的可行性。

因為BIM模型是建設在云端,逃生人員通過手機聯(lián)網(wǎng)也能觀看到實景信息,利用下載的模型信息,再戴上定位標簽,實現(xiàn)自主規(guī)劃逃生路線。

4 應用研究中遇到的問題及解決對策

4.1 室內三維定位

室內人員三維疏散與救援需要考慮幾個因素:人員的定位,路徑選取和路徑顯示。其中室內三維人員定位是重要基礎,路徑選取需要結合疏散算法決定,路徑顯示是由存貯在云端的BIM模型下載到PC端或移動端顯示。

國內外流行的室內定位技術主要有超寬帶技術(UWB),藍牙,WiFi,ZigBee。UWB技術是一種傳輸速率高,發(fā)射功率較低,穿透能力較強的無線定位技術[4],具有抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位等優(yōu)點,精度可達厘米級。

室內厘米級實時定位系統(tǒng)(簡稱U-Loc)是一款基于極窄脈沖的超寬帶(IR-UWB)技術,是為有效解決室內、礦井、隧道等衛(wèi)星信號無法覆蓋區(qū)域的定位而開發(fā)的高精度實時定位產品。U-Loc室內厘米級實時定位系統(tǒng)工作原理是:通過在定位人員或物品上加裝定位標簽,利用UWB脈沖信號發(fā)射出其位置數(shù)據(jù),接收機接收、放大UWB信號,經(jīng)同步分配器校準接收機時鐘,計算出定位標簽信號到達不同接收機的時間差(TDOA),然后定位引擎采用TDOA定位算法對標簽位置進行解算,最終通過有線或無線的方式傳輸?shù)叫畔⑻幚砑翱刂破脚_。

人員、設備配備不同ID編號的標簽,并與自身信息一同輸入數(shù)據(jù)庫中。人員在工作過程中,定位區(qū)域內的定位基站不斷收到該工作人員佩戴定位標簽發(fā)射的定位信號,經(jīng)后臺定位引擎解算出工作人員的精準位置,并在電子地圖上顯示。管理者在后臺很容易查看到人員的位置信息。

定位基站分為主基站(Master)和從基站(Slave),定位基站固定在已知位置,作為位置基準,用于接收標簽發(fā)射的UWB信號,并通過網(wǎng)絡傳輸層,將定位信息傳至定位信息平臺;主基站除具備從節(jié)點接收功能外,還向各從基站發(fā)射同步信號,使各個定位基站獲得統(tǒng)一的時鐘,以便獲得標簽發(fā)射的信號到達不同基站的時間差(TDOA)。

局域網(wǎng)用于定位傳感網(wǎng)絡和定位信息處理平臺的聯(lián)通,負責將定位傳感網(wǎng)絡獲得的標簽的位置信息傳送給信息處理平臺。定位信息處理平臺通過優(yōu)化的TDOA定位算法,解算出標簽的實時位置及運動軌跡,可以精準快速地進行小區(qū)同步和全局同步;采用時隙劃分、優(yōu)化碰撞等算法,大幅度提高系統(tǒng)的容量、穩(wěn)定性和實時性;同時配置定位基站和定位標簽的工作參數(shù)。

在院校中已建設BIM模型的智能大樓里按照估算成本,在規(guī)劃好的定位區(qū)域內架設一定數(shù)量的定位基站(可移動),為人員、重要設備配置定位標簽,定位標簽發(fā)射超寬帶定位信號,定位基站用于接收定位信號,將數(shù)據(jù)傳回后臺管理中心,后臺管理中心通過優(yōu)化的高精度定位算法,解算出關鍵點和人員、設備的位置、數(shù)量信息,并將位置信息及運動軌跡在智能管理系統(tǒng)上顯示。人員在發(fā)生特殊事故時設備可以自動上報事故信息,后臺管理中心會自動進行處理、分析、統(tǒng)計、制作成報表等,人員可用手持移動設備和后臺管理軟件同步。不同于傳統(tǒng)掃描條形碼的方式,手持終端只需處于無線射頻的磁場范圍內就可以自動識別讀取設備的信息,修改后的信息可以保存在 BIM 模型中。

經(jīng)測試,標準版單基站作用距離為35~150 m;增強版單基站作用距離為80~300 m。在5個基站單位區(qū)間內每秒刷新一次時,最多可同時追蹤2 000多個標簽信號(刷新速率越高,容量越小)。

4.2 模型輕量化方法

因為有了手機,使得院校中學生對BIM模型的應用與創(chuàng)新更加廣泛。但也因為是手機,移動端設備普遍存在內存偏小,屏幕尺寸偏小,無線帶寬不足和計算性能偏弱等問題,因此,在移動端顯示輕量化的三維模型是一個急需解決的問題。這里實際上是大數(shù)據(jù)信息傳遞與共享的問題。在三維應用中會隨機產生大量顯示信息急需進行處理,處理的方法與手段是多種多樣的,在研究中采用了以下的方法進行模型的輕量化。

三維模型的簡化和傳輸可以減少GPU渲染的壓力,這里需要用到模型快速繪制方法。多分辨率模型算法(Levels of Detail,簡稱LOD)是最常用的輕量化模型的方式之一,LOD方法的核心思想是:通過減少像素渲染對象,達到減少多邊形的目的,三維模型中多邊形是其繪制的基礎,多邊形中又以三角形為多。

三維建模顯示效果的主觀感受與視角大小、距離有關,Revit中以“族”為單位處理對象。Revit“族”是某一類別中圖元的集合,是根據(jù)圖元屬性集的異同,在使用上有相同的和圖形表示上有相似的來對圖元進行分組。每個“族”圖元能夠在其類內定義多種類型,每種類型可以具有不同的尺寸、形狀、材質等參數(shù)??梢越Y合“族”的特點,從視角和距離方面確定LOD優(yōu)化方法,該算法以“族”實例為對象,通過比較其在主觀視角上的尺寸、距離和閾值來判斷該實例當前是否應被 GPU 渲染,還是留待處理。是否被處理的依據(jù)是計算視點到實例的距離,在系統(tǒng)中會事先設定一個閾值,如果視點距離超過了預先設定的閾值,則不渲染對象,閾值越小,效果越明顯。

此外還有遮擋算法配合輕量化。遮擋算法的原理很簡單,在視角鏡頭中,建筑物與建筑物之間肯定互相之間有重疊遮擋。但大多數(shù)情況下,建筑物間只有部分被遮擋,那該如何被渲染?對于性能強的機器,該渲染就渲染,不管被遮擋部分有多大,全部渲染;而其他情況可以按“族”渲染,“族”是組成建筑物的一部分,而且這時也不應縮減渲染,即使“族”的一部分被遮擋,也應渲染,這樣才能保證整體的視覺效果。

如果只瀏覽建筑物的外觀,而不涉及其內部,那可以用3D模型的簡化模型。用SketchUp軟件再做一套“.skp”三維模型,這對于院校學生來說比較容易實現(xiàn),不會加重財力負擔。將“.skp”圖形構件保留顏色材質信息;導出成符合手機操作系統(tǒng)運行及顯示要求的 3D 格式的模型。在手機終端做三維漫游更加實際。

還有一種方法是加入到云端渲染。渲染云是一種基于云端的遠程渲染服務,讓用戶以Web界面、全自主完成各種渲染任務。在圖形流水線中,渲染是最后一項重要步驟,通過它得到模型與動畫最終顯示效果。將渲染任務放置云端,可同時調用成百上千臺機器進行渲染,整體運算時間會呈現(xiàn)幾何數(shù)量級的下降。渲染云的關鍵是云端的處理技術,目前市面上大多數(shù)采用CPU串行架構進行渲染運算,例如阿里云、上海網(wǎng)渲等。還有一種新技術,將渲染任務分解為邏輯連續(xù)型渲染任務和并行渲染任務,將邏輯連續(xù)型渲染任務發(fā)送給CPU串行處理,將并行渲染任務發(fā)送給GPU進行并行運算處理,并通過CPU與GPU渲染結果的聯(lián)動輸出渲染生成。

5 展望

目前學院項目建設正在有序實施中,全部模型建好后,可以依托學院的實際建筑,對相關專業(yè)的學員開展室內搶險救援的模擬訓練。此外,可以對相關的人員疏散算法進行相關檢驗性研究。

將BIM技術與三維定位技術應用于虛擬現(xiàn)實的消防建筑管理系統(tǒng),是一場新技術的變革,其意義遠不止本文提到的相關功能實現(xiàn)。由于現(xiàn)實原因,在消防日常監(jiān)督管理、消防模擬訓練、人員救援疏散工作中對于建筑信息模型的使用還處于初級階段,需要國家和地方相關部門加大扶持力度,改善傳統(tǒng)的消防管理模式,著實提高我國消防管理信息化水平。

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