一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法

摘要

本发明提供一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法，包括：建立建筑信息BIM模型，并转换为火灾模型，利用数值模拟方法对建筑室内火灾发展情况进行模拟；提取火灾模拟数据，进行温度数据整合和烟气数据整合；将整合后的数据写入建筑信息模型的属性表中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度，根据整合后的烟气数据进行污损面积统计；根据构件损伤程度和统计到的烟气污损面积，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额；进行建筑构件损伤可视化展示及建筑经济损失可视化展示。本发明能够准确模拟起火后建筑内火灾蔓延情况，并给出精确到构件级别的损伤评估和经济损失预估，为消防部门和保险行业等提供技术支撑。

权利要求

1.一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立建筑信息模型，并转换为火灾模型，利用数值模拟方法对建筑室内火灾发展情况进行模拟；

S2、提取火灾模拟数据，进行温度数据整合和烟气数据整合；

其中，提取的火灾模拟数据包括建筑构件表面温度值、建筑构件ID、建筑构件坐标范围信息；所述步骤S2具体包括：筛选各建筑构件的ID及坐标范围信息，对重复信息进行整合归一化处理；

提取火灾模型固体边界的温度数据，包括温度值及其对应的坐标范围；

将相应坐标范围的温度值与相应的建筑构件ID匹配，并将各建筑构件的温度值从大到小排序，选择排名5％的温度值作为该建筑构件的表面温度；

S3、将整合后的数据写入建筑信息模型的属性表中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度，根据整合后的烟气数据进行污损面积统计；

其中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度的步骤包括：以建筑构件ID为媒介，按建筑构件类别筛选出相应建筑构件，写入匹配好的温度值；

根据建筑构件表面温度，依照行业规范与标准判别建筑构件的损伤程度及损伤率，并写入相应构件的属性表；

根据整合后的烟气数据进行污损面积统计的步骤包括：

根据建筑信息模型中的房间编号获取房间边界，构建包围盒，选取包含在该房间内的所有建筑构件；

利用烟气层高度进行污损范围判定：若烟气层高度超过建筑层高度的一半，则认为房间四周全部污损，反之则认为只有天花板受到污损；

获取所有房间受污损范围的面积，统计得出建筑受烟气污损的总面积；

S4、根据构件损伤程度和统计到的烟气污损面积，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额；

S5、进行建筑构件损伤可视化展示及建筑经济损失可视化展示。

2.根据权利要求1所述的建筑火灾灾损预估方法，其特征在于，在所述步骤S4中，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额的步骤包括：将建筑构件单位损失数据与修复工程计量数据相乘得到各建筑构件的修复金额；

将所有建筑构件的修复金额相加得到建筑的整体修复金额。

3.根据权利要求1所述的建筑火灾灾损预估方法，其特征在于，在所述步骤S5中，建筑构件损伤可视化根据建筑构件损伤程度展示为五种不同颜色，根据损伤程度由弱到强依次为：蓝色、绿色、黄色、橙色、红色。

4.根据权利要求1所述的建筑火灾灾损预估方法，其特征在于，在所述步骤S5中，建筑经济损失可视化根据修复成本与建造成本的比例将经济损失划分为四个级别展示，依次为：0-25％为半透明白色，25％-50％为绿色，50％-75％为黄色；75％-100％为红色。

说明书

一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程防灾减灾技术领域，特别涉及一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法。

背景技术

[0002] 火灾是现代社会中不可避免的灾害，随着社会发展，火灾造成的损失也在与日俱增。2009年2月2日晚，央视新址北配楼发生特大火灾，导致1名消防战士牺牲，6名消防员和2名施工人员受伤。建筑过火过烟面积2.1万平方米，造成直接经济损失1.6亿元。现今，无论是消防行业的建筑投保评定还是消防部门对老旧建筑的消防改造，都急需一种对建筑火灾造成的结构损伤和经济损失进行定量评估的方法。

[0003] 在目前的研究工作中，国内外学者针对建筑火灾损失，从定性分析、半定量分析、概率估计等多种角度提出了相应的计算模型(LinYS,Lin CH,Huang PC.Construction of explanatory fire-loss model for buildings[J].Fire Safety Journal,2009,44(8):1046-1052；褚冠全,孙金华.基于火灾动力学和概率统计理论耦合的建筑火灾直接损失预估[J].中国工程科学,2004,6(8)；田玉敏.建筑火灾财产损失评估模型的研究[J].消防科学与技术,2015(1):123-126)。但是现有方法，主要将火灾损失是作为一种灾害损失来考虑，仅从火灾双重性规律中的随机性这一特征出发，宏观地预测火灾损失情况，并未考虑火灾本身的发展；对于具体的建筑物而言，火灾财产损失方面的研究多是基于定性描述或半定量打分形式的火灾损失评估，缺乏定量的财产损失评估方法，无法精准评估火灾后建筑构件的损伤情况且未考虑火灾中烟气污损造成的损失。

[0004] 要进行精细的建筑火灾灾损预估，需要高精度的建筑模型信息以及合理可信的火灾模拟数据。建筑信息模型(BIM)是一种将数字化的三维建筑模型作为核心应用于建筑工程中的工作方法，能存储并展示单体建筑构件级别的详细信息；计算流体动力学(CFD)通过数值求解控制流体流动的微分方程，可以得到流体流动的流畅在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况，已成为当下火灾模拟仿真的关键方法。

[0005] 因此，本文结合BIM和数值模拟方法，提出一种精确到构件级别的损伤评估和经济损失预估方法，为消防部门对老旧建筑进行消防改造和保险行业评估建筑火灾风险提供了技术支撑。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法，实现精确到构件级别的损伤评估和经济损失预估，为消防部门对建筑消防改造和保险行业评估建筑火灾风险提供技术支撑。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

[0008] 一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法，包括以下步骤：

[0009] S1、建立建筑信息模型，并转换为火灾模型，利用数值模拟方法对建筑室内火灾发展情况进行模拟；

[0010] S2、提取火灾模拟数据，进行温度数据整合和烟气数据整合；

[0011] S3、将整合后的数据写入建筑信息模型的属性表中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度，根据整合后的烟气数据进行污损面积统计；

[0012] S4、根据构件损伤程度和统计到的烟气污损面积，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额；

[0013] S5、进行建筑构件损伤可视化展示及建筑经济损失可视化展示。

[0014] 优选地，在所述步骤S2中，提取的火灾模拟数据包括建筑构件表面温度值、建筑构件ID、建筑构件坐标范围信息。

[0015] 优选地，所述步骤S2具体包括：

[0016] 筛选各建筑构件的ID及坐标范围信息，对重复信息进行整合归一化处理；

[0017] 提取火灾模型固体边界的温度数据，包括温度值及其对应的坐标范围；

[0018] 将相应坐标范围的温度值与相应的建筑构件ID匹配，并将各建筑构件的温度值从大到小排序，选择排名5％的温度值作为该建筑构件的表面温度。

[0019] 优选地，在所述步骤S3中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度的步骤包括：

[0020] 以建筑构件ID为媒介，按建筑构件类别筛选出相应建筑构件，写入匹配好的温度值；

[0021] 根据建筑构件表面温度，依照行业规范与标准判别建筑构件的损伤程度及损伤率，并写入相应构件的属性表。

[0022] 优选地，在所述步骤S3中，根据整合后的烟气数据进行污损面积统计的步骤包括：

[0023] 根据建筑信息模型中的房间编号获取房间边界，构建包围盒，选取包含在该房间内的所有建筑构件；

[0024] 利用烟气层高度进行污损范围判定：若烟气层高度超过建筑层高度的一半，则认为房间四周全部污损，反之则认为只有天花板受到污损；

[0025] 获取所有房间受污损范围的面积，统计得出建筑受烟气污损的总面积。

[0026] 优选地，在所述步骤S4中，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额的步骤包括：

[0027] 将建筑构件单位损失数据与修复工程计量数据相乘得到各建筑构件的修复金额；

[0028] 将所有建筑构件的修复金额相加得到建筑的整体修复金额。

[0029] 优选地，在所述步骤S5中，建筑构件损伤可视化根据建筑构件损伤程度展示为五种不同颜色，根据损伤程度由弱到强依次为：蓝色、绿色、黄色、橙色、红色。

[0030] 优选地，在所述步骤S5中，建筑经济损失可视化根据修复成本与建造成本的比例将经济损失划分为四个级别展示，依次为：0-25％为半透明白色，25％-50％为绿色，50％-75％为黄色；75％-100％为红色。

[0031] 本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

[0032] 本发明方法能够准确模拟起火后建筑内火灾蔓延情况，并给出精确到构件级别的损伤评估和经济损失预估，为消防部门对建筑消防改造和保险行业评估建筑火灾风险提供了技术支撑。

附图说明

[0033] 图1是本发明实施例提供的基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法的流程图；

[0034] 图2是本发明实施例中的建筑三维示意图；

[0035] 图3是本发明实施例中的建筑火灾模型示意图；

[0036] 图4是本发明实施例中的火灾模拟数据整合流程示意图；

[0037] 图5是本发明实施例中的温度数据与建筑构件挂靠流程示意图；

[0038] 图6是本发明实施例中的烟气污损面积统计流程示意图；

[0039] 图7是本发明实施例中的灾损结果示意图。

具体实施方式

[0040] 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。

[0041] 本发明的实施例提供了一种基于BIM和数值模拟的建筑火灾灾损预估方法，如图1所示，所述建筑火灾灾损预估方法包括以下步骤：

[0042] S1、建立建筑信息模型，并转换为火灾模型，利用数值模拟方法对建筑室内火灾发展情况进行模拟；

[0043] S2、提取火灾模拟数据，进行温度数据整合和烟气数据整合；

[0044] S3、将整合后的数据写入建筑信息模型的属性表中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度，根据整合后的烟气数据进行污损面积统计；

[0045] S4、根据构件损伤程度和统计到的烟气污损面积，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额；

[0046] S5、进行建筑构件损伤可视化展示及建筑经济损失可视化展示。

[0047] 本发明方法能够准确模拟起火后建筑内火灾蔓延情况，并给出精确到构件级别的损伤评估和经济损失预估，为消防部门对建筑消防改造和保险行业评估建筑火灾风险提供了技术支撑。

[0048] 进一步地，在步骤S2中，提取的火灾模拟数据包括建筑构件表面温度值、建筑构件ID、建筑构件坐标范围信息。

[0049] 进一步地，步骤S2具体包括：

[0050] 筛选各建筑构件的ID及坐标范围信息，对重复信息进行整合归一化处理；

[0051] 提取火灾模型固体边界的温度数据，包括温度值及其对应的坐标范围；

[0052] 将相应坐标范围的温度值与相应的建筑构件ID匹配，并将各建筑构件的温度值从大到小排序，选择排名5％的温度值作为该建筑构件的表面温度。

[0053] 进一步地，在步骤S3中，根据整合后的温度数据确定各类建筑构件损伤程度的步骤包括：

[0054] 以建筑构件ID为媒介，按建筑构件类别筛选出相应建筑构件，写入匹配好的温度值；

[0055] 根据建筑构件表面温度，依照行业规范与标准判别建筑构件的损伤程度及损伤率，并写入相应构件的属性表。

[0056] 根据整合后的烟气数据进行污损面积统计的步骤包括：

[0057] 根据建筑信息模型中的房间编号获取房间边界，构建包围盒，选取包含在该房间内的所有建筑构件；

[0058] 利用烟气层高度进行污损范围判定：若烟气层高度超过建筑层高度的一半，则认为房间四周全部污损，反之则认为只有天花板受到污损；

[0059] 获取所有房间受污损范围的面积，统计得出建筑受烟气污损的总面积。

[0060] 进一步地，在步骤S4中，确定火灾后建筑构件损伤修复金额和烟气污损修复金额的步骤包括：

[0061] 将建筑构件单位损失数据与修复工程计量数据相乘得到各建筑构件的修复金额；

[0062] 将所有建筑构件的修复金额相加得到建筑的整体修复金额。

[0063] 进一步地，在步骤S5中，建筑构件损伤可视化根据建筑构件损伤程度展示为五种不同颜色，根据损伤程度由弱到强依次为：蓝色、绿色、黄色、橙色、红色。

[0064] 建筑经济损失可视化根据修复成本与建造成本的比例将经济损失划分为四个级别展示，依次为：0-25％为半透明白色，25％-50％为绿色，50％-75％为黄色；75％-100％为红色。

[0065] 在具体实施中，如图2所示，建立中国某地区一医院一层平面建筑的BIM模型，并通过中间转换文件导入火灾模拟软件FDS，转换为火灾模型(图3)，进行火灾模拟。模拟完成后，根据同一建筑构件的三维位置坐标信息与其对应的火场温度坐标相同这一特性，按照如图4所示流程完成对数据的整合，可得到不同建筑构件的ID及对应的火灾温度数据。同样的，针对房间烟气层高度监控信息，处理得到各房间的编号及烟气层的相对高度数据。

[0066] 火灾模拟数据整理完成后，以ID为索引，将火灾温度数据与BIM模型中对应的建筑构件一一挂靠；以房间编号为索引，利用烟气层高度数据判断烟气是否浸满整个房间，以此来完成建筑受烟气污损面积的统计。其中，火场温度数据与建筑构件的挂靠流程如图5所示，选取建筑构件的坐标信息，然后逐个筛选符合范围的温度点数据，将挑选出的温度数据与此建筑构件的ID存储在一个数组里，当对全部温度点数据完成一遍筛选后输出该数组，继续匹配下一建筑构件。

[0067] 而烟气污损面积的统计，主要是以房间编号为依据，在建筑信息模型中过滤出每一房间的边界范围，筛选该范围内的所有建筑构件，然后根据房间内烟气层的相对高度来计算烟气污损的面积，其具体流程如图6所示。

[0068] 完成信息挂靠之后，以建筑构件表面温度值为判据，对各建筑构件的损伤程度进行评估，确定其烧损率。然后从BIM模型中提取各建筑构件的计量数据，根据现有的建筑施工预算，确定相应的建造成本；结合现有的建筑修复定额，计算不同烧损程度的建筑构件修复所需费用。

[0069] 灾损预估完成以后，即可在BIM模型的属性表中查看各建筑构件的具体损伤结果与修复金额，如图7所示。此外，为方便更直观地展示建筑的灾损状况，根据建筑构件损伤程度由弱到强依次将构件着色：完好为蓝色、轻微烧损为绿色、一般烧损为黄色、严重烧损为橙色、完全烧损为红色；经济损失可视化根据修复成本与建造成本的比例划分为四个级别，依次为：0-25％为半透明白色，25％-50％为绿色，50％-75％为黄色；75％-100％为红色。

[0070] 根据本发明所述方法预估得到的该医院建筑经济损失情况如下所示：

[0071]

[0072]

[0073] 除了建筑过火导致的构件损伤所产生的修复费用之外，还根据建筑过烟面积计算了建筑烟气污损修复金额，如下所示：

[0074]

[0075] 对比两次计算的损失结果，可以看出，一般的小型建筑火灾事故中，火灾燃烧对于建筑本身造成的损伤较小，灾后修复金额仅占建筑造价的4.82％。在这些损失中，可分为构件损坏带来的修复费用和由于火灾产生的烟气浸没构件表面造成的污损修复费用，污损修复费用在其中占到了11.7％的比例，不容忽视。

[0076] 通过以上步骤，本发明实现了建筑构件级别的火灾灾损精细化预估，能够将损伤及损失情况进一步精确到具体的建筑构件上，而且可以提供具体的构件损失分布，为建筑灾后恢复提供了重要的参考依据。

[0077] 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。