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  • BIM和消防工程

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学习目标:

  1. 1.了解BIM如何能帮助把所有的消防和生命安全系统集成到建筑模型中,而不仅仅是消防、探测和报警系统。
  2. 2. 了解如果建筑潜能得到充分利用,BIM技术如何能改变建筑在整个生命周期内的运营方式。
  3. 3. 了解BIM的有效性仅受模型中可用的信息量限制。

建筑信息模型(BIM)以各种形式被应用于整个消防行业。然而, BIM的大部分工作聚焦于独立模型,这些模型一直以来属于开发模型的承包商专有。明确地说, 消防喷头和火灾报警器承包商一直使用各自系统的2D和3D模型,但这在历史上已达到极限。随着BIM技术从结构和建筑模型向外改进和扩展,消防行业整体获益,因为消防工程不仅包含主动与被动消防系统,还包含建筑及住户的总体生命安全。如果该模型是面向所有系统构建的,那么生命安全集成系统自始自终都能得到更好应用。消防喷头承包商多年来一直使用专业但功能有限的某种形式的BIM。定制程序允许喷头设计师使用3D模型开发系统,还可自动准备水力计算,打印系统组件清单,甚至能根据管道大小和尺寸在图纸上绘制悬吊管及支柱。所有这些工具对设计师都非常有用,但除了在名义上,它们并没有真正超出设计师的使用范畴。它们还局限于特定的系统应用而不是与建筑模型共享应用。同样地,火灾报警器绘图程序也被开发出来,借此设计师可建造能够自动给设备分配网络地址,计算压降,执行电池计算并绘制竖板图的系统。通过自动执需花费数小时、数天或数周手动完成的任务,这些工具能够大幅提高设计师的效率。但是,该程序技术在历史上也未超出设计师的使用范畴。随着过去几年来3D建模在建筑和工程设计上的动态发展,行业对未来的发展前景议论纷纷。想象一下,如果以往仅限于设计师使用的技术,现在可以推广到现场的喷头安装工或者火灾报警器技术人员当中,被他们掌握使用。此外,再想象一下现场或最终用户手中的模型的力量,在这些地方,其他人可使用设计师输入的信息更好地排除故障或管理系统。

图1: 生产商没有提供特定信息,设计师可创建系统组件相关特定信息并输入模型。 图片来源: JBA咨询工程公司

BIM允许设计师打造智能环境,使所有模型用户能够即时访问模型中的所有可用信息。因此,BIM的最终限制是模型中可用及设计师输入的信息量。如果用户选择系统的一个特定组件,该模型能够提供该系统组件的牌子、型号、序号、成本和所有相关规格。它甚至能够提供与系统组件相关的运行和维护信息。以消防系统为例,如果用户选择系统中的消防泵或稳压泵,那么功能强大、构建完善的BIM文件可为用户提供所有的相关信息。如果输入正确,该模型能够识别泵的牌子、型号、流量、压力以及性能曲线。如果选择了泵用电动机,该信息可能包含牌子、型号、电压、电流、功率、运行系数或设计师指定的任何相关信息,还可以包含预防性维护及备件相关信息。通过允许在设计和建造的整个过程中访问模型,安装者可在安装时修改信息。一经安装或调试,现场技术人员或调试机构可拍摄电动机和泵的铭牌,然后将铭牌照片与特定的泵或电动机结合起来。建筑工程师和维护人员无需前往设备所在的房间就可访问设备信息。这些信息对于大型建筑或校园环境特别有用。例如,假设一家火灾报警器生产公司与某设施签订了维护合同,该设施报告其系统出现问题,而该系统提供了模型。任何24小时全天候待命的技术人员都能访问模型,无需先前往现场调查便可查看系统配备的设备类型。该技术人员可选择面板以查看何种类型的线路板可以安装到特定的火灾报警盘或应答器中,并在离店前获取可能使用的备件。在这个例子中,响应的技术人员无需事先充分熟悉系统,因为他可以通过访问模型来了解系统已安装的组件及安装方式。技术人员在第一次前往现场时可携带可能使用的备件,避免多次往返现场,从而节约时间。对于大型和/或完全集成的建筑,作为第一步故障排除措施,建筑工程师通常会评估楼宇管理系统(BMS) 中的事件,以排除机械、电气及管道系统问题。小型建筑和未配备集成系统的建筑则无法为建筑工程师提供这种便利。就消防系统而言,BMS可能没有与消防系统集成。但是,协调得当的BIM可能成为建筑工程师进行故障排除和评估建筑内所有系统的单一信息源。BIM的效率不受维修和维护合同限制,因为维护人员往往必须响应常见问题。如果校园工程师接到投诉说宿舍内有一个烟雾报警器出现故障,他/她可以在前往校园之前评估BIM并携带合适的备件。

冲突检测和调试

对于有租户改进计划的大型建筑,BIM可成为理想的工具。拉斯维加斯赌场不断改善其环境,以便持续引领趋势,吸引新顾客,维护老顾客。每项改进都需要具有管辖权的本地当局(AHJ)批准的文档;但是,如果没有确定每项细小变更的总体规划,建筑可能被彻底改造,致使合规性值得怀疑。

图2: 生产商可提供每件设备的相关信息,包括在何处了解更多信息。 本截图展示成套特殊消防系统,其允许用户选择机柜及机柜性能,并确定信息

为资产建立模型,业主和设计师就能了解变更举措对总体资产的影响,即使是细小的变更。把零售店改为餐馆可能算不上大规模改造。但是,如果居住负载超出可用容量或者厨房地漏贯穿下方出口通路,就可能对整栋建筑造成代价更高昂的影响,模型有助于减轻该影响。建模或许能够运用某些设计元素在早期的设计或规划阶段确定冲突或问题。在建筑相关的多个专业中,工程师都可轻松使用模型,而非图纸。烟雾管理系统通常由消防工程专家设计、测试和/或调试。其通常包括多个系统,如喷头水流开关、烟雾探测器、风阀和风扇。一个构建完善、维护得当的BIM模型使各行业都能识别其设备以及与其交互的设备。在调试烟雾管理系统的过程中,往往难以随身携带喷头、火灾报警器以及显示所有相关组件的机械和建筑图纸。配备一台连接到云模型的平板电脑将大幅提高效率。随着调试过程的开始,部分系统被标记与模型中直接发生的调试过程相关的适当信息。压力测试和管道检测、风扇启动及测量值都被直接记录到模型中并与各自的设备结合起来。如果特定组件发生故障,就会加红色标记,便于跟进。与模型集成可使我们在建筑的生命周期内持续获得所有的详细调试信息。完成测试和检测后,模型将作为数据库,就所执行的测试及观察到的检测现象生成报告。在最终的测试和调试期间,如果部分系统无法正常运行,则可直接通过模型查看特定的设备测试相关信息。测试和调试期间的故障报告被移交后会得到审核,因此如果存在经常性问题,系统就可得到修正。模型也可作为数据库显示系统在启动时的表现,以便评估将来的修正举措。

BIM和被动防护装置

BIM技术大多与主动消防和生命安全系统相关,例如上面提到的火灾报警器、消防系统及烟雾控制器。但是,BIM技术在被动消防装置中日益流行起来,如门、墙体、风阀和贯穿密封剂。

图3: 类似于INVIEW Labs的公司正在进一步开发程序,用于管理和组织BIM模型。 “Unifi”截图帮助用户把BIM信息管理到定制的桌面环境。 图片来源: INVIEW Labs

防火墙是建筑在整个生命周期内的常见问题。如果图纸上没有正确标注防火墙的类型,则往往容易混淆门、贯穿和其他开口防护装置的等级。国际建筑规范(IBC)开始要求在现场标出防火墙,以解决该问题。IBC还根据防护等级把防火墙分为不同类别。

例如,防火时间为1小时的出口通路需要防火时间为1小时的门,而对于防火时间为1小时的过道墙体,则需要防火时间为20分钟的门。出口通路严格限制管线或管道的贯穿,但过道墙体的限制较少。在图纸和2D方案中,防火时间为1小时的墙体往往难以辨别,只有经过培训的专业人员才能识别出来。2D图纸上的出口通路容易被误认为过道,从而对现场产生重大影响。BIM模型允许区分模型中的防火墙,还可设置用以限制贯穿和开口。各防火墙可被定以适当的防火等级,并确定允许使用何种类型的门、开口防护装置和贯穿防火封堵系统。使用类似于冲突检测软件的软件程序,设计师能够确定管道或管线系统是否贯穿了墙体,例如逃生楼梯井,这一点IBC是禁止的。或者,如果允许管线或管道贯穿,则墙体定义确定管道系统贯穿所需的风阀类型(防火阀、排烟阀或防火排烟阀)以及F和T等级(如有)。大型计划中甚至会参考面向特定贯穿列出的开口防护装置。此外,在建筑调试期间,设计师或调试机构可以在走查建筑的过程中使用平板电脑或手持设备,访问基于云的模型。如果对现场观察到的贯穿有疑问,用户可选择特定墙体并其确定其类型、防火等级以及如何适当地保护贯穿及开口。随着建筑老化,工程师和维护人员可以不断地监控被动消防装置,以确定墙体、地板及天花板的开口和贯穿与初始设计一致。如果建筑经过改造或改进,以后的设计师和工程师可了解墙体的分类方式以及保护墙体的原因,进而能够确定如何设计未来墙体自带或周围的组件。

图4: 使用BIM帮助拉斯维加斯夜总会协调设计。 图片来源: JBA咨询工程公司

行业认可
目前所讨论的BIM技术已经可以采用,但是,正如部署任何新技术一样,BIM技术并非万无一失,且其潜能尚不能完全发挥。当前BIM技术的主要限制是生产商提供的、满足协调标准的可用信息量。每个使用BIM技术的项目,其设置会稍有不同,致使各模型都需要培训,且生产商提供的信息(如可用)可能未经无缝集成。根据使用BIM的原因,模型中的信息量也不同。虽然BIM技术领域有领导者和创新者,但尚未制定广为认可的协议,只有通过这种协议,所有相关用户才能充分利用这种工具的强大功能。在当今数字时代,致力于同一个项目的设计和建造团队分布于全球各地,因此难以在共同标准上达成一致意见。在中东,来自多个民族的工作人员可能致力于同一个项目,而对于应如何实施标准,他们各有各的观点。倘若不开发合适的标准化信息,BIM可能最终发展为功能欠佳或故障频出的模型。有时信息量过大并不能使模型变得高效,而过小又无法充分利用模型。被妥善建立且不断监控的BIM模型将拥有协调、完整、可搜索的信息数据库。BIM模型不仅仅是用于搜索建筑的消防设备或性能的3D模型,而且成为了可用于确定趋势、估算维修费用或监控功能的信息数据库。它还能帮助集成多个行业中的生命安全系统。为推动这项技术在行业的应用,所有生产商必须为BIM工具打造共同的标准。许多消防公司开发了BIM信息,但可能限制用户或指定者对信息的使用。因为开发信息总会产生相关成本,所以当生产商拥有庞大的产品库时,根据开发信息的投资回报,他们可能会犹豫不决。或者,如果设计师能够在设计模型时访问生产商的完整产品线,他们可能更愿意选择该产品线而不是没有充足的建筑信息的另一条产品线。目前可从大多数生产商处获取的信息一般也仅限于前面所提及的产品规格。泵可能拥有性能数据。喷头可能包含适当的名录、认证和覆盖数据。喇叭/闪光灯可能指示应用的声压级和光强度。但是,随着生产商真正采取行动开发信息,因为该信息与其产品相关,BIM就成为更强大的设计工具。为避免机械、电气和管道系统设备之间发生冲突,也为了墙体施工,模型中建立了冲突检测,因此,生产商能够开发特定于产品名录的内容。对于设计师、工程师和AHJ而言,随着生产商为其特定的消防产品列入所有的名录及限制条件,BIM的优势将无可估量。当设计师把喷头置于太接近天花板、横梁或其他障碍物的模型中时,模型中会建立通知,确认喷头与其他物体之间形成冲突。当火灾报警喇叭因为距离其他喇叭太远,或者受到墙体和门的阻碍而没有达到最低声压级时,就能开发该喇叭的BIM信息。如果一致地开发合适的模型和设计信息,就可大幅提高设计效率。可根据喷射模式的发展确定喷头位置,并在模型中查看喷头。在使用消防水炮的机库或其他地方,基于流量和压力数据的喷射模式可集成到设计当中,以优化带有预期障碍物的布局。可根据墙体、地板、天花板和表面材料的声学特性分布火灾报警应用。即使是墙体施工或贯穿防火封堵系统等被动消防装置也可使用信息开发。设计师经常使用相同的贯穿件,因为他们熟悉该组件,相信其符合装配和名录。如果贯穿防火封堵系统公司根据墙体类型和名录/认证为产品提供信息库,就能减少在合规性方面的困惑。选择墙体和贯穿之后,信息库自动选择最合适的贯穿防火封堵系统。信息开发过程可能缺少某些生产商参与,但他们不是等待安排的唯一请群体,设计师也必须配合模型开发者。消防工程不限于主动和被动消防系统;设计师可与开发者合作,以优化BIM。具体地说,建筑疏散装置及其相关功能特征起码是同等重要的。模型建立规范规定了最低照明度、至出口的疏散距离以及出口标志之间的距离。BIM可允许设计师随着模型变化全面协调疏散并实现自动化。可开发模型用以分配各空间的区域和用途,使我们能根据规定的人员密度安排空间人数。若剧院拥有1,000个固定席位和一个面积为1,500平方英尺的舞台,则该空间可分配1,100人。它至少需要四个出口,主出口必须至少容纳总居住负载的一半。可建立模型,通过特殊的门和通路分配人员疏散。如果在建筑设计期间居住负载增加,则会设置通知,提醒设计师居住负载超出可用的出口宽度。

挑战和问题

虽然模型信息开发问题可以改善,但BIM还存在其他问题。正如许多曾致力于BIM项目的组织所发现的,我们需大幅改变传统的建筑和工程设计工作流程。因为模型处于不断发展的过程中,所以对于草图设计者而言,2D图纸不一定是最有效的程序。工程师和设计师需要直接访问模型,并随着模型的发展输入信息。它不仅显示空间内的信息,而且在模型开发过程中提供设备规格。设计师实际上是把组件嵌入模型,这类似于安装者把组件嵌入建筑的方式。由于BIM模型不仅是建筑的3D表示形式,也是与该模型相关的信息数据库,因此其文件尺寸变得很大。正如前面提到的,云服务器模型也许是适合特定应用的理想解决方案,但一些业主和开发者可能希望限制访问有权执行变更的组织。在这种情况下可定期更新模型,以供其他组织下载和操作,在处理大文件传输时具有一定挑战性。另一个公认的障碍是涉及知识产权以及如何访问BIM模型,使其可用的合同和法律纠纷。标准的设计合同通常确定了知识产权所有者,无论在协商期间还是后期,这都是一个具有争议的问题。多方向业主最终可能购买的模型提供输入信息。在这种情况下,项目所有者可能认为其有权自由使用和访问模型,而设计师则希望限制能够访问模型的人员以及控制访问的方式。由于设计师、工程师和建筑师不会向模型输入专利设备,所以必须建立相应的程序及条款,规定承包商和安装者如何在不大幅更改系统参数的情况下把信息输入模型。换句话说,必须建立从设计到施工再到运营的明确的移交方式,以保护所有相关方及各自的知识产权。与大多数设计规程一样,BIM和消防工程将继续发展成为更加强大的工具,允许设计师、业主和建筑人员有效使用模型及BIM数据库管理建筑的整个生命周期。建筑各相关方都可以管理及维护从消防、报警、探测系统到防火墙、地板、天花板的所有主动和被动消防系统。与消防工程相关的BIM技术在当前及今后的发展状态对于建筑行业内每个人而言都是令人振奋的。请想象一下您能够使用实际的装配件和组件设计建筑,并在到达现场前检测冲突,然后通过高效、实用的BIM模型安装并维护这些组件的时候,那就是现在。未来的发展前景取决于我们能够利用集成BIM模型的程度。


Gregory K. Shino是JBA咨询工程公司的消防工程技术总监,在设计和调试消防、火灾报警与探测以及烟雾控制系统方面具备15余年丰富经验。他是消防工程师协会(SFPE)、美国国家消防协会(NFPA)和国际商会(ICC)成员。

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