建筑設(shè)計(jì)中BIM模型的自動(dòng)規(guī)范檢查方法研究
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孫澄宇，柯勛
（同濟(jì)大學(xué)，上海200092）
[摘要]研究展示了一種面向Revit平臺上BIM模型的準(zhǔn)確性檢查應(yīng)用——設(shè)計(jì)中建筑專業(yè)規(guī)范條款的自動(dòng)化檢查。它通過對國內(nèi)規(guī)范的分類，針對建筑專業(yè)的可數(shù)字化條款的不同驗(yàn)證類型，分別采取不同的驗(yàn)證算法予以軟件實(shí)現(xiàn)。這里以軌道交通設(shè)計(jì)中的多個(gè)檢查類型為例，展示了在日常設(shè)計(jì)過程中這一新應(yīng)用的潛在價(jià)值。同時(shí)，針對它在國內(nèi)的后續(xù)發(fā)展提出了若干思考。
[關(guān)鍵詞]設(shè)計(jì)過程；建筑信息模型；Revit；合規(guī)性；自動(dòng)檢查
0 引言
隨著BIM技術(shù)的日趨成熟，其在國內(nèi)大型建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中的應(yīng)用也越來越頻繁。其中尤以在設(shè)計(jì)中后期，多專業(yè)間的碰撞檢查為熱點(diǎn)，它向業(yè)界展示出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。然而，基于BIM模型的各種準(zhǔn)確性檢查應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此，它們都能夠?qū)@個(gè)行業(yè)帶來巨大的效率與質(zhì)量的提升，它們至少包括以下4種：
圖紙與模型一致性檢查，它是國內(nèi)采用第三方BIM咨詢單位進(jìn)行建模的工作模式，所特有的一種準(zhǔn)確性檢查應(yīng)用。它發(fā)生在二維設(shè)計(jì)基本完成后，旨在檢查BIM咨詢單位建立的模型是否與設(shè)計(jì)單位提供的二維圖紙相一致。目前，只能夠通過雙方具體人員的往復(fù)溝通實(shí)現(xiàn)，而在設(shè)計(jì)人員直接建立BIM模型的工作模式中，就不存在這一類檢查（故在國外的此類研究與應(yīng)用較少）。
單專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查，它發(fā)生在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，旨在幫助每個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員，自動(dòng)完成對其設(shè)計(jì)模型是否符合相應(yīng)規(guī)范的檢查，同時(shí)也可為專業(yè)負(fù)責(zé)人的校審提供輔助手段。由于這一檢查可以隨時(shí)或定期進(jìn)行，能夠及時(shí)地給設(shè)計(jì)人員以反饋，并大大減少專業(yè)內(nèi)部的問題，所以對于初階設(shè)計(jì)人員的成長，以及復(fù)雜項(xiàng)目的進(jìn)一步多專業(yè)協(xié)同，都能起到明顯的作用。
多專業(yè)協(xié)同一致性檢查，即目前最為常見的“碰撞檢查”，它發(fā)生在設(shè)計(jì)的中后期，在各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)基本成形的情況下，對相互之間的空間位置碰撞與施工安裝干擾進(jìn)行檢查。它可以有效地減少以往二維設(shè)計(jì)需要到施工階段才發(fā)現(xiàn)的許多問題，給目前復(fù)雜項(xiàng)目的運(yùn)行帶來了十分明顯的質(zhì)量與效率的提升。
交付模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢查，它發(fā)生在設(shè)計(jì)完成后，在設(shè)計(jì)單位、委托單位、施工單位、運(yùn)維單位的相互模型數(shù)據(jù)的交接過程中，旨在檢查模型是否符合各單位相互之間所約定的數(shù)據(jù)要求，包括模型的幾何標(biāo)準(zhǔn)、屬性標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件命名與層級關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)等。它確保了BIM模型在不同單位間有效傳遞的可能性，是支撐建筑全生命周期理念的基石。
目前，國內(nèi)建筑業(yè)界已經(jīng)著手開始制定各種BIM標(biāo)準(zhǔn)，以支撐未來的交付模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢查；對多專業(yè)協(xié)同一致性檢查也已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的應(yīng)用，以至于BIM技術(shù)幾乎被等同于“碰撞檢查”為國人所知。而在上述四種準(zhǔn)確性檢查應(yīng)用中，既有國外經(jīng)驗(yàn)可參考，又有巨大應(yīng)用需求的單專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查，必將成為下一個(gè)BIM應(yīng)用熱點(diǎn)。
本研究團(tuán)隊(duì)在為上海申通集團(tuán)提供有關(guān)全生命周期BIM咨詢的過程中，受其軌道交通項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程啟發(fā)，開始著手探索在設(shè)計(jì)過程中，基于Revit平臺BIM模型的建筑專業(yè)自動(dòng)規(guī)范檢查方法。
1 相關(guān)研究綜述
目前，國外對BIM模型準(zhǔn)確性檢查方法的研究，一般都避免僅針對特定的模型格式，而選擇在各個(gè)軟件廠商都共同支持的Industry FoundationClasses( IFC)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行。而且因?yàn)樵擃愌芯靠梢灾苯愚D(zhuǎn)化為軟件產(chǎn)品，涉及商業(yè)機(jī)密較多，所以對研究本身的詳細(xì)論著較少，反而是對相應(yīng)產(chǎn)品的介紹較為明晰，這里就以其中最為主要的4個(gè)檢查軟件為例。
Solibri是BIM模型質(zhì)量保證與質(zhì)量控制的行業(yè)領(lǐng)跑者。其核心產(chǎn)品Solibri Model Checker( SMC)除了能實(shí)現(xiàn)國內(nèi)常見的多專業(yè)協(xié)同一致性檢查（碰撞檢查）外，還率先實(shí)現(xiàn)了對交付模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的檢查，以找到模型的各種缺陷。同時(shí)，它已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)嵌在程序中的單專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查代碼，對多條消防疏散類規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性檢查。
SMARTcodes由AEC3和Digital Alchemy研發(fā)，既可以獨(dú)立使用，又可以彌補(bǔ)SMC對設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查的代碼內(nèi)嵌后可擴(kuò)展性差的問題。它可以通過IEEC定制的專業(yè)術(shù)語，將規(guī)范半自動(dòng)的映射為計(jì)算機(jī)檢查程序。
EDModelChecker也是一個(gè)較為完整的準(zhǔn)確性檢查平臺，但它相較于SMC更加開放。它能夠操作基于Express（IFC標(biāo)準(zhǔn)所使用的語言）和Express-X語言編寫的模型數(shù)據(jù)，且支持服務(wù)器異地批處理，對于像空間可達(dá)性與防火疏散等規(guī)范條款的單專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查，可以靈活地由內(nèi)嵌代碼或外部導(dǎo)入代碼實(shí)現(xiàn)。
FORNAX則是這些準(zhǔn)確性檢查平臺中最早面世，但開放性最差的一個(gè)（其具體的檢查過程并未對外公開）。它自帶的檢查規(guī)則，多針對防火系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、停車系統(tǒng)等的相關(guān)條款。用戶需要通過C++編程，才能夠充分發(fā)揮這一平臺的效用。
上述各種BIM模型自動(dòng)準(zhǔn)確性檢查工具的工作流程一般都包含四步：1）規(guī)范轉(zhuǎn)譯：將書面語的規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯成計(jì)算機(jī)可以計(jì)算的邏輯表達(dá)（代碼程序）；2）對象提�。簭腂IM模型中提取規(guī)范條款所關(guān)切的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等對象數(shù)據(jù)；3）檢查計(jì)算：提取的對象數(shù)據(jù)交由對應(yīng)的邏輯表達(dá)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，得到正確或錯(cuò)誤的結(jié)論；4）報(bào)告發(fā)布：對照BIM模型中的構(gòu)件或?qū)傩�，提示出檢查錯(cuò)誤的對象，便于設(shè)計(jì)人員修改。
顯然，第一步受制于現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中各條款的可計(jì)算程度，第二步則受制于BIM模型所包含信息的完整程度，最后兩步受制于實(shí)際BIM應(yīng)用的工作模式。首先，國內(nèi)建筑規(guī)范與西方規(guī)范間存在著明顯的質(zhì)量差異一完整性不足，且存在著相同術(shù)語對應(yīng)不同內(nèi)涵的現(xiàn)象。這致使國外常用的“謂語邏輯”半自動(dòng)轉(zhuǎn)譯方法，無法在國內(nèi)應(yīng)用。其次，國內(nèi)BIM模型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)剛剛起步，尚未考慮到模型內(nèi)對象與規(guī)范對象一一對應(yīng)的問題，所以要進(jìn)行有效的對象自動(dòng)提取也難度重重。最后，國內(nèi)特有的第三方BIM咨詢單位在二維設(shè)計(jì)后“翻模”的工作模式，直接造成一線設(shè)計(jì)人員遠(yuǎn)離BIM模型，缺乏應(yīng)用“單專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查”的基本土壤。
2研究方法
雖然國內(nèi)BIM應(yīng)用從面上講受上述條件所限，但所幸上海申通集團(tuán)順應(yīng)了國際BIM發(fā)展的規(guī)律，依托自身貫穿城市軌交項(xiàng)目投資、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的有利角色，已建成較為完善的企業(yè)級BIM標(biāo)準(zhǔn)，使BIM模型自動(dòng)識別成為可能，且通過BIM協(xié)同平臺的推廣，積極鼓勵(lì)一線設(shè)計(jì)人員直接依托BIM模型展開設(shè)計(jì)工作一這些都為單專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查鋪平了道路。在此基礎(chǔ)上，本研究團(tuán)隊(duì)提出以類型學(xué)的方法，區(qū)別對待現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的轉(zhuǎn)譯問題，通過對不同類型問題的算法編制，探索了在Revit平臺上實(shí)現(xiàn)建筑專業(yè)設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查的方法。
2.1標(biāo)準(zhǔn)化BIM模型的自動(dòng)識別
自動(dòng)規(guī)范檢查的前提是對BIM模型中各構(gòu)件對象的自動(dòng)識別，即解析出模型中的各種設(shè)計(jì)對象，諸如墻、樓梯、各種功能房間等，與規(guī)范條款描述的對象一一對應(yīng)，而這必須以嚴(yán)格執(zhí)行的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。
所幸，上海申通集團(tuán)已經(jīng)發(fā)布了企業(yè)級的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)，還在此基礎(chǔ)上積極推進(jìn)地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，同時(shí)建立了行業(yè)設(shè)施設(shè)備的Revit標(biāo)準(zhǔn)族庫，明確要求其BIM模型必須基于該族庫建立。這為本研究奠定了自動(dòng)對象識別的主要技術(shù)基礎(chǔ)，即在大部分情況下，規(guī)范條款描述的對象都能夠與BIM模型中的設(shè)計(jì)對象建立對應(yīng)關(guān)系，程序可以方便地利用Revit API解析出模型對象的屬性與幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。如規(guī)范中對于樓梯梯寬、踏步尺寸等提出要求的條款，都可以在模型中找到對應(yīng)的樓梯對象，直接提取對應(yīng)的參數(shù)或幾何信息，展開計(jì)算。又如規(guī)范中常見的，對各種功能房間的有無、或相互位置關(guān)系的判斷，都可以通過自動(dòng)遍歷BIM模型中符合一定幾何范圍要求的所有Room對象，提取其在之前按照建模標(biāo)準(zhǔn)手工建模時(shí)賦予的命名值，展開計(jì)算。
同時(shí)，規(guī)范條款描述中還存在一些現(xiàn)有BIM建模標(biāo)準(zhǔn)與族庫對象沒有包含的概念，如“站臺計(jì)算長度”。本研究特別針對這類概念，遵循已有的設(shè)施設(shè)備分類標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充了現(xiàn)有族庫，并建議已有標(biāo)準(zhǔn)增加對于此類對象的建模要求。這樣，就可以從BIM模型中自動(dòng)獲取規(guī)范條款中的所有設(shè)計(jì)對象，及其必要參數(shù)。
2.2 規(guī)范條款的分類
面對內(nèi)容龐雜的設(shè)計(jì)規(guī)范，本研究借鑒了類型學(xué)的方法，區(qū)別對待現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的轉(zhuǎn)譯問題。這里先將某專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的所有條款，根據(jù)其表述是否可以用數(shù)學(xué)方式表達(dá)，分為該專業(yè)下的可數(shù)字化條款與不可數(shù)字化條款兩大基本分類。這里以GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的建筑專業(yè)條款為例進(jìn)行了基本分類。其中，不可數(shù)字化條款共計(jì)42條，包括提綱性條款5條、涉及其他專業(yè)條款24條、無BIM模型對應(yīng)對象條款3條、定性化表述條款10條。而余下的49條可數(shù)字化條款，根據(jù)它們指向BIM模型對象的數(shù)據(jù)特性，可被進(jìn)一步細(xì)分為以下10種類型（圖1）：
元素參數(shù)類，如“乘客使用的樓梯宜采用26度34分傾角……”；
元素存在類，如“車站應(yīng)設(shè)置無障礙電梯……”；
元素?cái)?shù)量類，如“站臺至站廳應(yīng)至少設(shè)1處上下行自動(dòng)扶梯……”；
點(diǎn)點(diǎn)距離類，如“地下車站降壓變電所位置應(yīng)接近車站負(fù)荷中心設(shè)置……”；
點(diǎn)線距離類，如“在站臺計(jì)算長度以外的車站結(jié)構(gòu)立柱與站臺邊緣的距離……”；
線線距離類，如“自動(dòng)扶梯外緣與平行墻裝飾面的水平距離，不得小于80 mm……；
房間水平相鄰類，如“消防泵房宜設(shè)于設(shè)備與管理用房有人區(qū)內(nèi)的主通道旁……”；
路徑類，如“地下出入口通道長度不宜超過100 m……”：
線線夾角類，如“站臺上的樓梯和自動(dòng)扶梯宜縱向布置……”；
點(diǎn)點(diǎn)連通類，如“公用廁所的門不宜直接開向辦公用房……”。
2.3不同條款類型的檢查實(shí)現(xiàn)舉要
上述細(xì)分工作從繁雜的建筑專業(yè)可數(shù)字化條款的各種檢查問題中，梳理出了多種檢查范式（上例規(guī)范中就有10種），而每一種檢查范式中，用到的算法基本思路、關(guān)鍵函數(shù)等都是高度相似的。因此，通過這種“分而殲之”的策略，只要能夠完成對一類檢查問題中一個(gè)的自動(dòng)檢查，那么這類條款就都能夠得以解決，從而通過分別解決這10種類型，完成對于該規(guī)范的自動(dòng)檢查。這里，再次以上海軌道交通的設(shè)計(jì)應(yīng)用為例，分別介紹“元素存在”、“元素參數(shù)”、“點(diǎn)點(diǎn)距離”，三類問題的3個(gè)代表?xiàng)l款的自動(dòng)檢查實(shí)現(xiàn)方法。
在以下案例演示中，程序根據(jù)使用者勾選的規(guī)范條款，對模型展開自動(dòng)檢查計(jì)算。當(dāng)模型存在合規(guī)性問題時(shí)，如果警告信息超過一條，則顯示警告信息列表，使用者可以通過點(diǎn)擊其中的標(biāo)題進(jìn)行詳細(xì)查看；而如果僅有一條時(shí)，則直接顯示警告信息內(nèi)容，并進(jìn)行詳細(xì)查看。
在詳細(xì)查看時(shí)，如果問題與特定的模型對象關(guān)聯(lián)，程序會將警告框與視圖直接定位到該模型對象上，以便于觀察；而如果問題涉及缺少元素，即缺少與特定模型對象的關(guān)聯(lián)時(shí)，程序只能在當(dāng)前視圖顯示警告框。
2.3.1 “元素存在”類
針對“9.2.6車站應(yīng)設(shè)置公共廁所，管理人員廁所不宜與公共廁所合用。”條款進(jìn)行合規(guī)性檢查。算法引用常用String處理庫的“正則表達(dá)式”，通過Revit API的FilteredElementCollector方法篩選出Room元素，并進(jìn)行Regex匹配，最終報(bào)告匹配結(jié)果，操作過程如圖2。
2.3.2 “元素參數(shù)”類
針對“9.7.1乘客使用的樓梯宜采用26度34分傾角，休息平臺長度宜為1.2—1.8 m”條款進(jìn)行合規(guī)性檢查。算法通過LookupParameter在Revit模型中搜索名為‘樓梯’的對象，通過依次提取樓梯的參數(shù)stair. ActuaIRiserHeight、stair. ActuaITreadDepth、run. ActualRisersNumber、stairTp. MinRunWidth，并進(jìn)行數(shù)值判斷，最終報(bào)告檢查結(jié)果，操作過程如圖3。
2.3.3 “點(diǎn)點(diǎn)距離”類
針對“9.3.3設(shè)置在站臺層兩端的設(shè)備與管理用房，可伸入站臺計(jì)算長度內(nèi)，但伸入長度不應(yīng)超過一節(jié)車輛的長度，且與梯口或通道口的距離不應(yīng)小于8m”條款進(jìn)行合規(guī)性檢查。算法通過FilteredElementCollector和正則表達(dá)式，在Revit模型中過濾出名為‘站臺一管理’‘站臺一樓梯’的對象，遍歷房間的各個(gè)角點(diǎn)以及樓梯的角點(diǎn)，通過Line. Project方法，將點(diǎn)投影至軌道線上，比較點(diǎn)點(diǎn)之間的距離，最終報(bào)告檢查結(jié)果，操作過程如圖4。需要留意，由于現(xiàn)行的軌道交通BIM模型標(biāo)準(zhǔn)中并不存在“站臺計(jì)算長度”對象和“一節(jié)車廂的長度” 參數(shù)，所以本案例中要求建模者使用研究團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充的族庫對象，按照建議新增的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)，事先建立該對象并設(shè)定參數(shù)。可見，自動(dòng)規(guī)范檢查會對各種現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)提出新的需要。
3 結(jié)論
本研究展示了一種面向Revit平臺上BIM模型的準(zhǔn)確性應(yīng)用，即設(shè)計(jì)中建筑專業(yè)規(guī)范條款的自動(dòng)化檢查。通過案例演示可以發(fā)現(xiàn)，該應(yīng)用可以通過后臺的自動(dòng)運(yùn)行，幫助初階設(shè)計(jì)人員或面對復(fù)雜項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員，在日常設(shè)計(jì)過程中即時(shí)發(fā)現(xiàn)各種違規(guī)情況；亦可通過BIM協(xié)同管理平臺在服務(wù)器端自動(dòng)批量運(yùn)行，周期性地對整個(gè)設(shè)計(jì)企業(yè)的每日工作成果進(jìn)行日報(bào)檢查，這將有效地輔助企業(yè)的質(zhì)量管理層開展設(shè)計(jì)審核與質(zhì)量管控工作。
當(dāng)然，在上述研究過程中，亦獲得了對國內(nèi)BIM發(fā)展的三點(diǎn)思考：
1)國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)類規(guī)范表述嚴(yán)密程度不足，制約BIM發(fā)展。相比歐美規(guī)范，尚存在較多的定性表述，且規(guī)范間概念表述不一致，這些問題既會影響規(guī)范自身的執(zhí)行，亦會成為今后基于BIM模型的規(guī)范自動(dòng)化檢查應(yīng)用的先天缺陷。
2)國內(nèi)現(xiàn)行BIM標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)缺乏對設(shè)計(jì)規(guī)范中概念對象的匹配，將被迫升級。自動(dòng)檢查的基礎(chǔ)就是拿BIM模型中的對象與規(guī)范條款中描述的概念對象進(jìn)行比較，所以現(xiàn)行BIM標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)如果不對這些對象（比如最后一個(gè)演示中的“站臺計(jì)算長度”）進(jìn)行規(guī)范，那么與之對應(yīng)的規(guī)范條款就很難落實(shí)自動(dòng)檢查。所以這又為BIM標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)提出了新的要求。
3)國內(nèi)大量存在的第三方BIM咨詢模式阻礙BIM應(yīng)用的價(jià)值最大化，將逐步萎縮。參考國外模式，設(shè)計(jì)人員在BIM咨詢企業(yè)的培訓(xùn)后，成為開展基于BIM設(shè)計(jì)的主力，而咨詢企業(yè)僅負(fù)責(zé)高難度的BIM應(yīng)用。該模式從根本上避免了國內(nèi)模式中所特有的手動(dòng)“圖紙與模型一致性檢查”工作。這種位于最底層的手動(dòng)準(zhǔn)確性檢查，將會使所有后續(xù)的BIM模型的準(zhǔn)確性受到威脅，會排斥以設(shè)計(jì)者頻繁與模型互動(dòng)為基礎(chǔ)的各種應(yīng)用，最終使得BIM應(yīng)用的紅利得不到完全的釋放。所以可以預(yù)見，隨著國內(nèi)設(shè)計(jì)人員對BIM技術(shù)的日趨熟悉，以及各種BIM應(yīng)用的價(jià)值召喚，大部分設(shè)計(jì)人員也必將親身跨入BIM時(shí)代。
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