BIM制定建筑内救援任务决策

摘要：

作者结合网络分析与建筑信息模型(BIM)为了优化救援行动的决策使建筑的几何特征的高效检索可以从BIM中的网络生成和路由发现，并且材料的防火特性分析可以通过使用RevitAPI(应用程序接口)来进行。

引言

随着公共场合危险情形的出现，救援的决策总是最重要并且具有挑战性的任务。而如今这个课题已经体现计算机辅助方法的需要性，研究指出，在公共场合的火灾情况，救援计划被各种因素所影响，例如建筑性质的几何特征和材料特性，明火和烟的传播，人在危险情况下的行为和他们的逃跑路线。作者结合网络分析与建筑信息模型(BIM)为了优化救援行动的决策使建筑的几何特征的高效检索可以从BIM中的网络生成和路由发现，并且材料的防火特性分析可以通过使用RevitAPI(应用程序接口)来进行。对于救援者来说，基于网络图表的救援路线可以根据实际建筑的情况来计算。为了最低的路线发现风险，建筑材料的风险预计将改变网络边缘成本。预计将大大提高建筑救援行动的的准确性和效率决策。

随着运输模型被集成于服务系统，运输的便利性得到了明显的改善。在如此繁忙的运输系统中，如果运输系统中的一个组件出了故障，可能会导致严重的后果，比如说财务的损失背景和生命的伤亡。因为运输系统中心连接着不同的运输模块，物理基础设施通常有复杂的特征，例如几何形状的制定和大数量的行人。在如此环境中，救援方案对应急管理机构来说是个巨大的挑战。

建筑信息模型（BIM）在城市工程中是一个流行的概念。BIM可以用在在建筑物和基础建设的全生命周期中管理。这是一个依据CAD技术参数的综合设计和可视化平台。研究展示里利用BIM去进行传统的网络分析和在建筑内部救援方案的决策，因为利用BIM的数据基础，可以提取有用的属性，例如协调促进网络通过各种方法产生图表为满足不同环境场合和信息的属性。疏散的人流也应该考虑到预防疏散人员和救援者的冲突。通过架起BIM和传统风险分析之间的桥梁，去期待一个更加精确和高效的决策。

文献综述

这一章节被分为三个部分，第一部分是研究设施和室内疏散的介绍，第二部分是关于在紧急情况下的BIM应用，最后一部分则是建筑物图表的图例理论。设施和室内的疏散：目前有很多关于建筑内部紧急情况下决策的研究，其中一部分讨论了缺乏想象力的仿真模型，例如细胞自动机模型（Chu2009

elechanoandMalkawi2007）和依靠疏散模型的代理(Shi2009)。其他的则是发展实时反应系统，该系统试图使用实时3DGIS去发展实行旨在面对恐怖分子对高层建筑(包括高档写字楼)袭击的快速反应且具有GIS基础的智能应急反应系统（GIERS）（KwanandLee2005）

BIM在紧急情况下的应用：

目前有很多BIM和传统建筑疏散行为集成的研究成果，Wang(2012)研发了一个API(项目应用接口)（Autodesk2012）可以估算建筑的疏散能力和计算疏散时间。并且可以检查公共空间是否可以满足标准和提供服务于设计修正的参考。

Nepal(2012)提出使用地理Markup语言（GML）和XQuery从BIM中研究空间的相关性属性。Rueppel和Stuebbe(2008)提出一个可以反应和恢复的方法去支持救援者在公共建筑中找到最短路线并且提供他们所处的特殊的空间环境。BIM的信息正在被探索准备在移动设备上使用。在2010年，Ruppel(2010)提出一个理念：设置一个新的以BIM为基础的浸入式安全工程环境（ISEE），去模拟建筑内部的紧急情况。

图表理论：

根据Yao和Rokne的研究（1991），Lee(2004)发展出一个连续的MAT算法可以产生一个室内3D空间的骨架。Taneja利用连续的MAT理念去转换IFC基础的信息为可以帮助室内救援的几何网络（2011）。Chu和Yeh实行可见的图表方法作为他们在紧急疏散向导标志中最佳摆放方法的一部分。一个可见的图表是一个最高点是障碍的最高点的并且依靠弧来互相链接各个顶点的网络。当图表被空间的网络构建，而该网络可以导出使用最短路径算法发现在起点和终点的最短路径，例如说Dijkstra的算法（1959）。

目标：在例如地震和火灾之类的整个紧急情况中，很需要能够快速并且高效的做出决策。研究利用BIM集成信息这一资源，可以帮助从BIM中使用网络构造算法自动计算出路径图。该方法采用来自BIM的室内架构和属性去构造根据之前决策的路径图。通过比较不同算法生成的网络特征，一个被妥协的算法被提议和调查。被提出的混合算法期待去促进更有效率更精确的决策。

方法：

为了达到目标，图1展示了相关过程。首先是从BIM模型中选择获取感兴趣区域的几何布局的步骤来减少复杂性。模型的结果是一个被分析为减少了信息，提高了兴趣的纯净版BIM并且被交叉切片所提取。在BIM模型中的目标是通过使用RevitAPI中XY坐标节点来获取的，而坐标节点是依据网络构造来提取的。网络/图表是由其边缘权重路径最佳分析所构成的，下述部分将更加详细的描述这些步骤。

图1：工程过程的提出

图2：直接从BIM构建真实网络的过程

BIM的信息：

来源于BIM的目标信息首先通过使用RevitAPI和微软的VisualC++来选择。在研究中，RevitAPI被用来门和窗的选择。BIM中的XY坐标轴则是使用RevitAPI来表达。几何结构被移植到Matlab，过程展现在图2。室内几何结构布局则是服务于路径网络构造的输入。

网络构造：

在下述内容中，对两个网络图结构算法的伪代码进行讨论。首先我们介绍一些术语，我们定义obs作为障碍坐标的设置，例如obs={V,E}，其中V是墙的设置，顶点V={V1,V2,...,Vn}，并且E代表边缘（墙）的设置E={e1,e2,...,em}ei=(Vi,Vi+1).门的顶点定为d的最大值，其中d={Vd1,Vd2,...,Vdn}.

1.可视化图表构造

(1).从obs和d中的每个顶点开始，检查它们是否能互相看见。

可视化检查：如果obs中两个顶点的连接线不能穿越任何一个边缘E，则两个顶点是可见的。两节点的路径网络成立（图3）

图3：可视化图表概念

(2).如果两个顶点互相可见，则记录在OD矩阵中M的关系。

(3).M代表最后的网络。

2.近似MAT结构

使用中轴变换概念，使该算法更适合于研究案例。在近似MAT中的定义变量和可视化图表中一样，然而在算法中新设置的LL被定义为LL={L,V'}.，其中L是定义为一组链接形成的凹顶点和凸顶点（图4和图5）。L={L1,L2,...,Lm},并且Li=(Vi,Vj),Vi,Vjobs.V'链接的中点也属于LL集合中V'={V'1,V'2,...,V'n}.

图4：凸和凹多边形的定义

图5：链接形成的凹凸顶点

(1)定义的类型（凹和凸）顶点突发交换，产生了内角平分线的光突发交换的射线，将其放入到凸顶点L1。

(2)让光线在L1互相交叉(光线无法穿透任何边缘ei),取最接近的交点的起源点射线。

(3)使由父射线（在L2里）形成的凹角平分线的射线和交集点（L2里）作为起始点，将新的点和射线并入L1。

(4)回到步骤2，从第二步定义在L1起点形成的部分和新的交集点，并将这些并入L4。


(5)如果在步骤4中任何一条L1中的射线不能发现终点（交集点），则检查射线的起点是否可以链接凹凸顶点（L1中）的中心点，并且将这些部分并入L4。

(6)一旦执行步骤5，保存在L1中连接中点之间的部分于L4中。

(7)增加在L5中的门（在最大化d中的顶点）和片段之间的连接线，保存至Ld.

(8)结合L5和Ld作为最后的网络图。

路径分析：

在网络的建设后，疏散人员的位置可以通过存在的门数量的布局和分配来定义。由此计划在将来的研究中增加从疏散人流和火灾风险仿真模型计算出的重量价值到网络边缘中，以至于如果边缘有高流量或风险价值，则边缘成本会更高。边缘的成本可以转换成长度，我们可以得到每一个撤离的最优出口和他们最佳逃跑路线通过使用在Matlab中建立的Dijkstra算法。

图6：每一个撤离者到达最近出口的撤离线路（两个出口分配）

案例分析：

在这一部分中，提出的网络建设过程被两种情况所测试，一个是小规模（表2和图7）另一个是大规模（表3和图8）。在两个案例中，可见性图表网络和近似MAT网络都是被构建用来施工性能的比较。两个案例的参数展现在表1.正如表2和表3所示，对于相同问题使用不同的算法，网络构造的时间有非常大的不同；可见性图表在大规模案例中明显花费更长的时间。此外，同样情况下的问题设置为对网络进行设置，比较以运行时间和最终路线长度（成本）方面进行路线分析的效率。对于小规模案例来说，路径分析的运行时间都非常快，但是可见性图表方法带来了更小的总成本。对于大规模案例老说，在运行时间方面有5个不同因素，并且在总路线长度上也表现与小规模问题上的一致结果。

表1：两种规模的布局参数

表2：小规模分析

图7：小规模路径分析（a）可见性图表；（b）近似MAT

表3.大规模分析

图7：小规模路径分析（a）可见性图表；（b）近似MAT














因为有更多的可见性图表中的链接网络，网络的建设时间和路径分析时间都远长于近似的MAT。然而，对于路径长度寻求的结果，可见性图表分析优于近似MAT网络；使用可见性图表产生的更低的路径成本在几何学方面，它的顶点和边缘是最优的。根据仍然在进行的研究，下一步将提议一种混合算法，该算法在第一个通过整体分析的趋势中为了分析疏散者的路径分析而适应近似MAT网络。一旦被给定粗糙的路径，小规模中的问题就要在接近粗糙的路径中形成。第二个通过的分析可以进行更详细的使用可见性图表的路径分析。特别是当需要一个更精确的决策时，可见性图表方法可以给决策一个更好的解决办法。可见性图表可以用来分析小规模的地区,这可以防止大规模的计算，也可以有效地得到最好的结果。

结论和未来工作

在这篇文章中，作者提出了直接利用BIM模型来构建道路网络的方法。两个网络建设的概念和程序算法被提出。案例研究显示不同的网络施工方法的特点和性能，可以验证可见性图表网络更适合小规模的路径分析和近似MAT网络更适合大规模的问题。然而，精确的路径可见性图表是优于近似MAT网络的。作者提出了一个混合算法将结合两种网络结构，为了提升在未来工作中的路径分析效率。

感言

作者感谢台湾国家科学委员会对于奖助金的支持，包括NSC101-2218-E002-003,NSC101-2221-E-002-187,NSC102-2219-E-002-023,NSC102-2221-E-002-119,和新台北城市消防部门。另外感谢中石化工程咨询部门提供的BIM模型案例研究。