Revit与Pathfinder在人员疏散模拟中结合应用的探索

2020-03-18蒋科明

建筑施工 2020年11期

蒋科明

上海建工集团工程研究总院上海 201114

长期以来，火灾发生时如何确保人员安全疏散一直是建筑消防设计关注的焦点之一，也是衡量建筑消防安全性能的一项重要指标，随着我国消防法律法规制度的不断完善以及全民公共安全意识的增强，人们对建筑消防安全性能的要求不断提高。

虽然在《建筑设计防火规范》《办公建筑设计规范》等规范中有诸多强制性条款对建筑疏散条件提出了最低要求，规定了人员疏散的最基本环境，但这种依据国家规范、标准而进行的“处方式”设计、评估方法，依然难以满足人员众多、结构复杂的现代化建筑对安全疏散的要求。越来越多的人开始采用性能化分析的方式对建筑消防安全性能加以验证，对消防安全设计加以辅助[1]。

性能化分析强调依据设计图或实际建筑情况搭建3D模型，将相关设计信息或实际环境参数录入模型，利用专业的计算机模拟软件对模型进行仿真模拟，从而得出较为科学的模拟结果，并将结果以可视化的形式进行直观表达。消防性能化分析一般包括火灾模拟和人员疏散模拟两项内容，本文以人员疏散模拟为背景，探索相关技术软件在该过程中的结合应用，文中涉及的两款软件分别为人员疏散模拟软件Pathfinder 2019（2019.1.0508）和建筑信息模型软件Revit 2016。

1 软件介绍

1.1 Pathfinder

目前，在消防、安全工程领域存在较多具备人员疏散模拟功能的软件，较为常用的有Pathfinder、STEPS、AnyLogic等。其中美国Thunderhead Engineering公司开发的Pathfinder智能人员疏散模拟软件在行业中的受认可度较高。该软件提供了可视化模型绘制界面，通过设置楼梯、门、坡道、电梯等关键构件的尺寸及人员肩宽、胸围、步行速度、响应时间等人体特征因素来模拟紧急情况发生时人员的流动情况。

该软件不仅能够模拟人员的自然疏散过程，还可通过人为设置路径点、延迟动作时间的方式来模拟特殊部位、特殊群体在火灾中可能会表现出的多样性行为（譬如老年人及距离火灾较远位置的人群对火灾的识别及响应时间较长），使模拟结果更具真实性。

Pathfinder提供了两种行为仿真模式——基于人流密度的SFPE模式和基于人员碰撞及交互的steering模式，其中steering模式对于拥挤情况下人员的运动情况还原度较高，仿真结果更贴合实际。

在结果处理方面Pathfinder不仅能将各种数据绘制成相应的统计图、表，还能将模拟结果直观展现出来，使用者可直接观察建筑各部位在不同时间段的人员拥堵情况。

1.2 Revit

建筑信息模型技术（BIM技术）是指将建筑工程项目中的基本构件作为设计元素，将描述构件元素的几何尺寸、物理特性、材质信息等相关信息有机地组织起来，形成一个综合建筑系统全方面信息的数据库，构件的所有参数信息都储存在该数据库内，并以此数据库构成了建设项目的数据模型[2]。

相较于传统二维设计图，BIM技术能将工程师们的设计方案以立体三维的形式进行展现，实现“所想即所见”，大大提高了设计方案的直观性，进而带来一系列诸如设计、交底、管理等方面效率的提升。

作为目前国内建筑设计行业使用最为广泛的BIM技术软件之一，Autodesk Revit具有可视性、动态性、模拟性的特点。Revit可视性体现在能够将由二维线、面构成的设计图以三维立体模型的形式展示出来，使设计方案得到直观而充分地表达；Revit动态性体现在能够以各种角度和方式查看建筑模型，如能够对建筑模型进行剖切、透视、隐藏，灵活地设置平面、立面、剖面视图，将建筑模型以实时动态的形式展现在使用者面前；Revit模拟性体现在其能够将模型以IFC、DWG、DXF、FBX等行业主流格式进行保存，支持导入大部分性能化分析软件供其进行模拟计算，同时软件本身也具有动态漫游功能[3]。

2 Pathfinder与人员疏散模拟

人员疏散模拟的意义在于通过利用计算机搭建全尺寸模型并进行仿真模拟的方式来实现现实中难以进行的试验（诸如频繁动员整栋楼内人员进行应急疏散演练），辅助建筑疏散设施的设计及应急预案的制定。因此，如何搭建一套与设计方案或实际建筑高度吻合的模型，为数值计算提供更真实的模拟环境就成了人员疏散模拟的关键。

2.1 模型的搭建

根据设计图或实际建筑情况搭建相应的三维模型是利用计算机开展仿真模拟的首要步骤，模型搭建的准确度将直接影响模拟结果的准确性，甚至决定了人员疏散模拟的成功与否。Pathfinder本质为基于人员疏散行为的模拟器，其本身具备的建模功能较为简陋，建模工作耗时大，难以实现建筑较复杂部位的建模。

2.2 Pathfinder在建模方面的不足

2.2.1 立体表达效果不强

Pathfinder用来执行模拟计算的环境是一种被称为“导航网格（Navigation Mesh）”的二维平面，导航网格被创建完成后软件会自动将其划分为众多连续的“三角网格（Triangulated Mesh）”平面（图1），人员必须被放置在Pathfinder所创建的导航网格上行走。

图1 “三角形网格”单元示意

基于此特性，Pathfinder所搭建模型实际为2D平面在空间中相互连接而成的“伪”三维模型，建模时只需要搭建供人员行走的二维楼板、楼梯、坡道和电梯即可，墙、柱、家具等人员不能穿过的竖向构件则不需要建模，直接用房间边界或缺口表示（图2），这使得模型的立体表达效果较差。

图2 二维平面组成的Pathfinder模型

2.2.2 建模功能过于简易，难以绘制复杂边界

Pathfinder提供了可视化绘图界面，但其建模功能极其简易，仅能以矩形和不规则多边形的方式绘制导航网格，难以绘制室内不规则区域（譬如不规则中庭、螺旋楼梯、环形坡道等）。对于构造复杂的大体量建筑，使用Pathfinder建模耗时巨大，模型质量较差，不能很好地还原建筑实际情况。

虽然Pathfinder提供了底图拾取功能，能够拾取导入的CAD图纸并自动生成相应区域的导航网格，但该功能对底图的预处理要求较高，必须由单一不重合的线条围合而成的封闭区域才能被Pathfinder正确识别，区域内任何多余、重合的线条、标注等都有可能导致Pathfinder识别错误。该功能只能自动绘制所识别区域中的楼板，门、楼梯、坡道等其他影响人员疏散的建筑构件仍需手动添加。

3 Revit与Pathfinder的结合应用

Pathfinder独特的建模机制决定了它无法快速、准确地创建出富有立体感的三维模型，要想增强模型的三维表达效果、提高建模的效率，唯有通过借助将外界已经生成的模型的导入。

相较于Pathfinder，Revit作为一款专为建筑信息模型（BIM）而开发的软件，其在建筑建模功能方面就显得尤为出色。Revit灵活的建模功能能够满足绝大部分建筑对异形构件的建模需求，其可通过拾取CAD二维线条的方式快速生成相应建筑构件，使得依图建模的速率大大提升。此外，参数化族也是Revit建模的一大亮点，它使得构件模型更加灵活多变，尤其是针对一些不规则构件所创建的族，一旦被正确参数化，则使用者便可通过输入参数的方式得到不同尺寸的该种建筑构件，无需再重新创建相应构件模型。

因此，Revit能够很好地弥补Pathfinder模型立体表达效果差、建模速度慢的缺陷。利用Revit创建建筑模型，导出DWG、DXF、FBX或IFC格式文件（Pathfinder 2019之前的版本仅支持前3种格式文件的导入，不支持IFC格式文件），再使用Pathfinder导入建筑模型，完成模拟参数的设置后进行模拟计算。

3.1 Revit与Pathfinder的兼容性

3.1.1 构件的自动分组

“图元”是构成三维模型的最基本单元，与另一款国内建筑设计行业常用的三维建模软件SketchUp不同，Revit使用“族”的概念对不同类型的图元进行了划分，在Revit中任何图元都从属于相应的族，例如墙族、板族、柱族、门族、窗族等。

“族”这一特性在Revit与Pathfinder进行模型移植时得到了很好的保留。Revit创建的建筑模型，导入Pathfinder后会按照族类别在导航栏（Navigation View）中进行分组，从属于族的建筑构件会自动划分至相应组内，这使得用户在Pathfinder中能够更快、更轻松地定位和修改某一建筑构件或对构件进行批量操作。

以DWG、DXF格式导入时，软件将按照族类别在导航栏中对建筑构件进行分组，并以族类别的英文简写对相应组进行命名，对组内建筑构件不按语言逻辑命名；以FBX格式导入时，所有建筑构件均被分至同一组内，软件将按照构件在Revit中的族名称、类型名称对构件进行命名，并且保留构件的中文名称。

作为国际协同工作联盟（IAI）为建筑行业发布的建筑产品数据表达的标准格式，IFC格式对文件中数据的划分更为科学和细致，对各BIM技术软件的开放性较强[4]。Pathfinder导入IFC格式文件时，使用者可自主选择“按种类”或“按空间”两种方式对建筑构件进行分组，“按种类”划分的分组、命名规则与导入DWG、DXF格式文件的规则类似，依据族类别划分构件组，以英文简写对组进行命名，所不同的是该方法会保留组内构件的中文名称；“按空间”则会将模型构件按照Revit所建项目编号、标高、族类别的顺序进行分组，建筑构件保留中文名称，上级组采用英文简写命名。

3.1.2 共享坐标系

不同三维软件相互移植模型时往往会出现坐标不一致的现象，该现象通常由软件无法正确识别模型文件中所包含的坐标定位信息所导致。Revit与Pathfinder能够共享空间坐标系，Pathfinder在导入Revit所建模型时可不用调节模型标高，使用默认设置即可将模型定位至相应标高。

需要注意的是，在设置导入模型的长度单位时，DWG、DXF、IFC格式文件需设置成“毫米”，FBX格式文件需设置成“米”。

3.1.3 材质信息的移植情况

材质属性决定着构件的颜色、纹理、贴图等外观表达效果，由于Revit对DWG、DXF、FBX文件中包含的材质信息进行了限制和加密处理，Pathfinder无法提取和识别这些信息，致使Pathfinder在导入该3种格式文件时模型将丢失全部材质属性。

对于DWG、DXF格式，Pathfinder会依据导入模型包含的族创建若干材质，并为这些材质随机设置不同颜色，赋予族下辖的所有构件；对于FBX格式，Pathfinder不会为其创建材质，仅以白颜色填充所有构件表面。

对于以IFC格式导入Pathfinder的模型，Pathfinder并不能直接继承各构件在Revit中的材质属性，但其能够识别IFC文件中关于材质信息的部分描述。Pathfinder能够识别IFC格式文件中的材质名称以及材质的RGB配色代码信息，模型导入Pathfinder后软件会创建出相同数量、相同名称、相同RGB配色代码的材质，并赋予相应构件。由于Pathfinder的材质管理器不具备纹理绘制功能，因此IFC文件中材质表面的纹理信息在Pathfinder中无法得到还原。同样，材质在Revit中原有的贴图也无法移植至Pathfinder，若想复原构件在Revit中的贴图效果，需在Pathfinder中重新导入相应贴图。

3.1.4 空心构件的形成

无论是三维立体模型还是二维设计图，Pathfinder仅能对导入图形进行“线识别”和“面识别”，即只能识别图形文件中的线与面，无法识别体量化的空间占位，导入Pathfinder中的三维模型实际是由多个平面或曲面围合而成的空心体（图3）。

图3 构件剖切后的空心墙、柱

该图形识别机制使得Pathfinder对导入模型的可编辑性较差，尤其是以DWG、DXF格式导入的模型，围合成同一构件的各平面互不关联，相互独立，使得Pathfinder对单个建筑构件的操作（隐藏、删除）变得非常烦琐，譬如要删除、隐藏一堵笔直的墙体，则需分别删除、隐藏围合成该堵墙体的6扇平面。

3.1.5 需对疏散环境进行二次建模

人员在不同建筑部位（例如楼板、楼梯、坡道、门等）的行走情况是Pathfinder进行模拟计算的基础，直接导入Pathfinder中的模型由于不具备人员行走所需环境而不能直接用于模拟计算（人员不能在无导航网格的模型表面行走）。因此需要在导入模型的表面再铺设一层导航网格以完成人员疏散环境的创建（图4）。

图4 人员疏散环境的创建模型

3.2 模型移植的优化及解决办法

利用Revit搭建三维模型具有建模速度快、模型精度高、立体效果强等优势，兼容性方面能够与Pathfinder实现共享坐标系、构件自动分组、还原外观配色方案等，同时也存在着模型可编辑性较差、疏散环境需要二次建模等不兼容现象。使用者需要采取合理手段对模型移植过程中出现的问题加以调整和优化，以保证人员疏散模拟能够顺利进行。

3.2.1 选择最佳模型移植格式

Revit可向Pathfinder移植模型的格式共4种：DWG、DXF、FBX、IFC。Pathfinder对该4种格式文件中信息的提取、识别能力不尽相同，这也导致了以不同格式导入的模型会呈现出不同的特质。

模型移植时宜优先选用IFC格式文件。Pathfinder对IFC模型中构件的分组最为细致，构件命名的语言逻辑性最强，不仅方便了使用者对模型构件进行批量操作，也使得针对构件的操作更加灵活。与Revit采用相同RGB配色方案，外观还原度最高，使用者无需再在Pathfinder中对导入模型各构件进行外观调色，增强了模型的美观性。模型虽由空心构件组成，但围合成同一构件的各二维面均相互关联，为一整体，在对单个构件进行删除、隐藏操作时不受“空心”特性的影响。

3.2.2 巧用快速拾取功能进行人员疏散环境的二次建模

除2.2.2所述2种Pathfinder建模方式外（手动绘制、底图拾取），Pathfinder还提供了一种针对BIM模型的快速建模方式——BIM元素提取（Generate Model from BIM Selection）。该功能能够快速识别BIM模型中不同类型的建筑构件（图5、图6），并在这些构件表面自动铺设相应的导航网格，充分发挥了BIM模型在形体表达方面的优势。导航网格被软件自动创建完成后使用者只需要校核其与原模型的一致性，并进行微调，极大地缩短了人员疏散环境的二次建模时间，同时也是保证二次建模模型质量的最佳方式。

图5 BIM模型绘制的人员疏散环境

图6 “BIM元素提取”功能创建的螺旋楼梯导航网格

使用“BIM元素提取”功能的前提是模型中相关建筑构件必须被正确赋予“导入类型（Import Type）”，共有门、自动扶梯、楼板、自动走道、障碍物、坡道、楼梯7种类型可选，Pathfinder将根据构件所属的“导入类型”来创建相应的导航网格。

需要注意的是，以D W G、D X F、F B X 格式导入的模型，其默认“导入类型”均为“障碍物（Obstruction）”，使用者需手动为各建筑构件设定“导入类型”，由于Pathfinder对DWG、DXF模型具有族类别自动分组功能，同一类型的建筑构件同属一组，因此在设定“导入类型”时可利用这一特点在导航栏中对组内构件进行批量操作，相较于FBX模型更便捷；以IFC格式导入的模型，Pathfinder能够识别模型中与人员疏散相关的建筑构件（如楼板、楼梯、坡道等），并赋予其相应的“导入类型”，其他影响人员疏散的建筑构件（如墙、柱、家具、盆栽等）的“导入类型”均被设置为“障碍物”，一般无需使用者再手动为各建筑构件设置“导入类型”，使得“BIM元素提取”的效率更高。

4 结语

人员疏散模拟是评估建筑消防安全性能的重要手段之一，它能将人们非常关注但又无法试验的事件以科学的方式在计算机中进行虚拟推演，既能帮助设计方校验设计方案的安全性，又能辅助运维方进行疏散通道管理制度及应急疏散预案的制定。如何快速、准确地搭建出一套与设计方案、实际建筑相一致的高质量模型是进行人员疏散模拟的关键与难点。

本文以实例操作的形式探索了Pathfinder 2019与Revit 2016在建筑火灾人员疏散模拟中结合应用的可行性，分析了跨软件模型移植的兼容性，并提出了相应的优化解决办法。出于不同的开发目的和产品定位，该两款软件在建模和模拟方面各有着重，使用者在进行建筑火灾人员疏散模拟时应合理搭配软件的使用，各取所需、取长补短，在提高效率的基础上既体现模型的真实性和美观性，又保证模拟结果的科学性和准确性，以事半功倍的效果完成人员疏散模拟工作。