淺析基于規(guī)則檢查的BIM模型評(píng)估

張 勤, 張 帥, 韓喜誠

(四川大學(xué)商學(xué)院, 四川成都 610000)

淺析基于規(guī)則檢查的BIM模型評(píng)估

張 勤, 張 帥, 韓喜誠

(四川大學(xué)商學(xué)院, 四川成都 610000)

目前，基于規(guī)則檢查的BIM模型評(píng)估，或者說工程數(shù)字化審核在國內(nèi)外越來越受到重視。然而，相比于國外，我國基于信息技術(shù)的BIM模型自動(dòng)審核方法還尚處于初始階段，本土化進(jìn)程還在繼續(xù)。文章綜合目前最新的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提練出幾種典型的基于規(guī)則檢查的BIM模型評(píng)估體系，同時(shí)在國外文章不作講述或者講得非常粗略的方面上加入了一些個(gè)人的理解及闡述，希望能對(duì)中國的工程自動(dòng)化審核事業(yè)提供些許的幫助。

規(guī)則檢查； BIM； 模型評(píng)估； IFC； Revit API

隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)的逐步推廣與應(yīng)用，BIM建筑模型在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段的應(yīng)用也日漸流行。然而縱觀我國目前的狀況，BIM的發(fā)展略顯不平衡，究其原因是從西方國家發(fā)展起來的BIM系統(tǒng)缺乏在我國本土化的過程，妨礙了我國BIM的推廣，導(dǎo)致中外建筑市場(chǎng)差異下的BIM工具存在一定的技術(shù)瓶頸。

在BIM模型質(zhì)量檢查方面，相比于國外，我國基于信息技術(shù)的BIM模型自動(dòng)審核方法還尚處于初始階段，針對(duì)BIM模型質(zhì)量檢查的理論、方法和軟件工具也還比較少見。同時(shí)，因?yàn)樵擃愒u(píng)估方法的研究可以直接轉(zhuǎn)化為軟件產(chǎn)品，涉及商業(yè)機(jī)密較多，所以國外較為先進(jìn)的對(duì)研究本身進(jìn)行詳細(xì)論述的著作較少，反而是對(duì)相應(yīng)產(chǎn)品的介紹較為明晰，這無疑為我國BIM模型評(píng)估軟件的開發(fā)設(shè)置了巨大的障礙。

本文綜合目前最新的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提練出幾種典型的基于規(guī)則檢查的BIM模型評(píng)估體系，同時(shí)在國外文章不作講述或者講得非常粗略的方面上加入了一些個(gè)人的理解及闡述，希望能對(duì)中國的工程自動(dòng)化審核事業(yè)提供些許的幫助。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

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)軟件主要用于BIM模型的精確性、合規(guī)性、綜合建模質(zhì)量評(píng)估以及建筑物的物理安全性能的檢查。

精明準(zhǔn)則(SMARTcodes)是國際代碼委員會(huì)(ICC)、AEC3 和Digital Alchemy 的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目，它代表著當(dāng)前最具有過程導(dǎo)向性的一種規(guī)則建立方法，其本質(zhì)是體現(xiàn)建立代碼并把它轉(zhuǎn)化成規(guī)則的過程。

目前，韓國的慶熙大學(xué)、韓國智能建筑以及韓吉爾信息技術(shù)有限責(zé)任公司聯(lián)合21所合作的研究機(jī)構(gòu)正在致力于研究一套基于BIM的設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)，并已完成其概念框架的設(shè)計(jì)以及未來目標(biāo)的定位。該系統(tǒng)集質(zhì)量檢查、標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化、信息提取、成果提交以及設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)于一體，還融入了節(jié)能設(shè)計(jì)的理念，主要分為KBim簡(jiǎn)要評(píng)估、KBim能源、KBim成本、KBim協(xié)作、KBim檢驗(yàn)、KBim邏輯、KBim評(píng)估以及KBim提交等板塊。一旦開發(fā)成功，必將引領(lǐng)現(xiàn)代工程自動(dòng)化審核的潮流。

此外，通過土耳其學(xué)者不斷地挖掘BIM在綠色建筑的評(píng)估與設(shè)計(jì)中的潛在優(yōu)勢(shì)，一些結(jié)合建筑可持續(xù)性指標(biāo)的模型框架和有關(guān)建立基于BIM的可持續(xù)性分析與LEED認(rèn)證之間關(guān)系的概念框架，以及基于IFC與數(shù)據(jù)庫的綠色建筑評(píng)估工具模型等一系列研究成果近年來相繼被提出。其中，GBAT(綠色建筑評(píng)估工具)最為突出，它通過從IFC文件中提取相關(guān)的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要的標(biāo)準(zhǔn)做出計(jì)算來生成項(xiàng)目的綠色評(píng)級(jí)得分表。

在我國，上海申通集團(tuán)目前已建立了行業(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，實(shí)現(xiàn)了較為基礎(chǔ)的數(shù)字化的審圖。

廣聯(lián)達(dá)BIM 審圖是廣聯(lián)達(dá)公司旗下的一款專業(yè)的 BIM 應(yīng)用軟件。該軟件通過API對(duì)接Revit、Tekla Structure、Xsteel、Magicad 等主流 BIM 建模軟件以及廣聯(lián)達(dá)算量軟件，以國內(nèi)建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，針對(duì)設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)備的常規(guī)審圖，準(zhǔn)確檢查 BIM 模型中各種設(shè)計(jì)問題，提供了諸如空間軟性碰撞、門窗開啟、空間凈高、樓梯碰頭等多種規(guī)則檢查模式。與上海申通集團(tuán)的軟件類似，廣聯(lián)達(dá)BIM 審圖這一類國產(chǎn)軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于本土技術(shù)優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性，但是其檢查類型多為系統(tǒng)內(nèi)置規(guī)則，基于參數(shù)配置的規(guī)則檢查也相對(duì)初級(jí)，很難滿足設(shè)計(jì)過程中的多樣需求。盡管如此，廣聯(lián)達(dá) BIM 審圖依然代表著規(guī)則檢查技術(shù)在我國的發(fā)展成果。

2 基于規(guī)則檢查的BIM模型評(píng)估的機(jī)制與流程

經(jīng)過對(duì)多個(gè)評(píng)估模型的研究，不難發(fā)現(xiàn)它們規(guī)則檢查的基本思路大同小異，而在細(xì)節(jié)的處理上則各有千秋。本文將總結(jié)幾種典型的模型評(píng)估體系，并做出一定程度的解釋與思考，以期為國內(nèi)BIM模型評(píng)估技術(shù)的提升帶來幫助。

目前，按照導(dǎo)入模型文件的格式，BIM模型評(píng)估機(jī)制可以分為基于IFC和基于Revit倆種評(píng)估方式。

2.1 基于IFC的評(píng)估方式

國外的大部分研究，一般都為了避免模型格式不統(tǒng)一造成的數(shù)據(jù)交互困難，而選擇在各個(gè)軟件廠商都共同支持的國際標(biāo)準(zhǔn)——Industry Foundation Classes( IFC) 標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行。

IFC是建筑行業(yè)中被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，它使BIM數(shù)據(jù)模型能夠在不同的軟件應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交換。

總體來說，這種評(píng)估方式一般分為以下4步。

(1)建立BIM模型，導(dǎo)出為IFC格式。

(2)根據(jù)規(guī)則編寫算法，并建立檢索引擎，與各構(gòu)件建立匹配關(guān)系。

(3)在開發(fā)出來的評(píng)估工具中，導(dǎo)入IFC文件，運(yùn)行算法，針對(duì)每條規(guī)則提取相應(yīng)構(gòu)件的數(shù)據(jù)。

(4)生成報(bào)表，顯示評(píng)估結(jié)果。

2.1.1 規(guī)則算法

目前，我國之所以無法將國外的先進(jìn)軟件直接拿來使用，很大程度上是因?yàn)閲鴥?nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異，因此，在我國BIM模型評(píng)估技術(shù)本土化進(jìn)程中的首要任務(wù)就是建立一個(gè)符合我們自身要求的規(guī)則庫。

目前, 規(guī)則的來源十分廣泛，如《建筑工程施工圖設(shè)計(jì)文件審查要點(diǎn)》《工程設(shè)計(jì)資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等官方文件，甚至是資深工程師的經(jīng)驗(yàn)和建議都可以成為規(guī)則建立的依據(jù)。然而并不是所有的條款都可以用數(shù)字表達(dá)式表達(dá)，這就意味著我們的模型評(píng)估只限于可數(shù)字化的規(guī)則檢查。

尋找并篩選可數(shù)字化的規(guī)則較為容易，但問題的關(guān)鍵在于如何將這些文字轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識(shí)別運(yùn)行的語言。目前，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并非難題，用于規(guī)則檢查的各類成熟的計(jì)算機(jī)語言層出不窮，如C++、Java等。需要注意的是對(duì)每個(gè)條件應(yīng)當(dāng)有明確的量化的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并且與相應(yīng)的建筑模型構(gòu)件建立正確的關(guān)系。

那么在規(guī)則中如何描述基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑構(gòu)件的信息，要弄清這個(gè)問題，需要理解IFC對(duì)建筑構(gòu)件的表達(dá)方法。

IFC標(biāo)準(zhǔn)是參考STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data-產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)并逐步完善的，采用EXPRESS語言定義。EXPRESS是一種面向?qū)ο蟮姆蔷幊陶Z言，用于信息建模，既能為人所理解，又能被計(jì)算機(jī)處理(通過EXPRESS編譯程序)。EXPRESS主要用來描述應(yīng)用協(xié)議或集成資源中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使描述規(guī)范化，它是STEP中數(shù)據(jù)模型的形式化描述工具。

在IFC文件中，任何一個(gè)實(shí)體都是通過屬性來描述自身的信息，屬性分為直接屬性、反屬性和導(dǎo)出屬性。直接屬性是指標(biāo)量或直接信息，如Name、Globalld等；導(dǎo)出屬性是指由其他實(shí)體來表述的屬性，如OwnerHistory、ObjectPlacement和Representation；反屬性是指通過關(guān)聯(lián)實(shí)體將屬性實(shí)體與構(gòu)件進(jìn)行鏈接，使得構(gòu)件具備鏈接的屬性實(shí)體的屬性，如HasAssociations通過關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelAssociates可以關(guān)聯(lián)構(gòu)件的材料信息。

以標(biāo)準(zhǔn)梁構(gòu)件IfcBeamStandardCase為例。IfcLocalPlacement定義了標(biāo)準(zhǔn)梁的位置信息，其中IfcLocalPlacement代表的是參考坐標(biāo)系，即標(biāo)準(zhǔn)梁所在樓層(IfcBuildingStorey)的坐標(biāo)系。而IfcAxis2Placement3D則定義了坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，即通過對(duì)參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成新的坐標(biāo)系。

另外， IfcProductDefinitionShape，定義了標(biāo)準(zhǔn)梁的截面形狀，其中IfcshapeRepresentation定義了幾何形狀表現(xiàn)類型，IfcDirection則定義了實(shí)體的拉伸方向。標(biāo)準(zhǔn)梁的材料屬性是通過關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelAssociatesMaterial將構(gòu)件與材料相關(guān)聯(lián)，材料的定義則引用了IfcMaterialProfileSet實(shí)體。

因此，在引用IFC構(gòu)件信息時(shí)，要限定位置、名稱以及需要的屬性信息，這樣便可建立起一個(gè)較為科學(xué)的規(guī)則庫，同時(shí)，也要保證可以隨時(shí)添加修改來使其不斷完善。

2.1.2 檢索引擎

在眾多實(shí)體構(gòu)件中能夠檢索得到每條規(guī)則對(duì)應(yīng)的構(gòu)件及相關(guān)信息，對(duì)整個(gè)模型評(píng)估過程有著重要影響。只有找準(zhǔn)目標(biāo)，才能對(duì)癥下藥。解決這一問題其實(shí)并不復(fù)雜，我們可以在開發(fā)出來的評(píng)估工具中嵌入一個(gè)功能強(qiáng)大的正則表達(dá)式引擎，來實(shí)現(xiàn)檢索功能。

所謂正則表達(dá)式( Regular Expression)，是使用單個(gè)字符串來描述、匹配一系列符合某個(gè)句法規(guī)則的字符串的一種程序，它通常被用來檢索或替換符合某個(gè)模式的文本內(nèi)容。

正則表達(dá)式引擎本質(zhì)上說就是使用關(guān)鍵詞匹配規(guī)則，根據(jù)編好的規(guī)則算法中描述的構(gòu)件位置、名稱以及所需屬性等字符，在即將導(dǎo)入的IFC文件中檢索到相應(yīng)的構(gòu)件信息，并提取出來參與運(yùn)算。這一過程與規(guī)則算法中對(duì)IFC構(gòu)件的描述的準(zhǔn)確度息息相關(guān)。

2.1.3 模型評(píng)估

BIM模型的評(píng)估過程主要是在評(píng)估工具中運(yùn)行算法中的一系列判斷語句。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所研發(fā)出一種插件——IFC File Analyzer(IFC文件分析器)，并且，IFA可以一次分析多個(gè)IFC文件來比較實(shí)體使用情況。在BIM模型的評(píng)估過程中，我們同樣可以使用IFA程序以達(dá)到數(shù)據(jù)提取更加便捷的目的，而更重要的是它可以為多個(gè)BIM模型的對(duì)比分析評(píng)價(jià)提供思路與方法。

內(nèi)嵌IFA的評(píng)估工具的輸入是BIM軟件導(dǎo)出的IFC文件，在評(píng)估工具中，獨(dú)立的程序IFA用來獲取所有需要的數(shù)據(jù)，通過從IFC文件中生成電子表格或CSV文件來提供此功能。在電子表格中，針對(duì)文件中每一種類的IFC實(shí)體，都會(huì)有一份工作表與它對(duì)應(yīng)。工作表的每一行包含一種IFC實(shí)體的一個(gè)實(shí)例的屬性。評(píng)估工具能夠從工作表中較為容易地解析所有的實(shí)體及其屬性，計(jì)算時(shí)，它讀取電子表格，并從數(shù)據(jù)庫中檢索需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)而執(zhí)行規(guī)則的算法。算法明確了判斷的步驟，每一步都包含是與否的判定以及必要的計(jì)算公式。最后生成一個(gè)包含各種細(xì)節(jié)的報(bào)告。

需要的數(shù)據(jù)，比如一些建筑元素的面積和體積都可以從IfcElementQuantity里面的IfcQuantityArea和IfcQuantityVolume中獲取，IfcSlab工作表的PredefinedType提供了所有的板和屋頂?shù)念愋汀Ｔ牧系男畔⒖梢詮腎fcMaterial工作表里建筑元素相關(guān)實(shí)體的IfcMaterialLayer、 IfcMaterialLayerSet、 IfcMaterialLayerSetUsage中獲得。規(guī)則對(duì)應(yīng)的建筑元素通過ItemReference從IfcClassificationReference中被檢索出來，其他信息全部從IfcPropertySet中獲取。

2.2 基于Revit的評(píng)估方式

BIM模型的評(píng)估也可以直接基于Revit繪圖軟件，它與基于IFC的評(píng)估方式相比，大致的思路基本相同，只是需要導(dǎo)入的文件一個(gè)是DWG格式，一個(gè)是IFC格式。同時(shí)，在編寫規(guī)則算法時(shí)，前者對(duì)構(gòu)件信息的描述也應(yīng)當(dāng)與DWG文件中的語句相一致。

此外，基于Revit的評(píng)估方式最大的特征就在于Revit API的使用，通過Revit API來提取構(gòu)件的信息與規(guī)則進(jìn)行比對(duì)。

2.2.1 Revit API

API應(yīng)用到BIM上，就可以實(shí)現(xiàn)用BIM通過在Revit軟件中儲(chǔ)存規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)作為項(xiàng)目參數(shù)來評(píng)估建筑設(shè)計(jì)是否合格，例如體積、梁、地板都被提取到了Revit 接口，這些參數(shù)會(huì)在計(jì)算的時(shí)候被提取出來。

雖然API目前還沒有廣泛應(yīng)用在擴(kuò)展BIM范圍上，即通過外部程序給BIM工具添加額外的功能，但我國的一些公司企業(yè)已經(jīng)在做出一步又一步的嘗試，并取得很大的成果。

從本質(zhì)上來說，Revit API將DWG模型文件轉(zhuǎn)化為一個(gè)可以從中提取信息的數(shù)據(jù)庫，以備后續(xù)評(píng)估過程使用；另一方面，Revit API中內(nèi)置的FilteredElementCollector(過濾原件收集器)可以有效地根據(jù)字符串檢索得到與規(guī)則相對(duì)應(yīng)的構(gòu)件信息。也就是說，Revit API既扮演了數(shù)據(jù)庫的角色，又承擔(dān)了檢索的重任，因此，它是基于Revit的評(píng)估方式的核心所在。

2.2.2 Revit族庫

為了使得大部分規(guī)范條款描述的對(duì)象都能夠與 BIM模型中的設(shè)計(jì)對(duì)象建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，也為了程序可以方便地利用 Revit API 解析出模型對(duì)象的屬性與幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，研究人員提出了Revit標(biāo)準(zhǔn)族庫的概念，要求設(shè)計(jì)的BIM 模型必須基于族庫建立。

Revit族庫就是把大量Revit族按照特性、參數(shù)等屬性分類歸檔而成的數(shù)據(jù)庫，它使建模過程得以簡(jiǎn)化，也使模型與規(guī)則的匹配出錯(cuò)率更低。如規(guī)范中對(duì)于墻體尺寸，墻面材質(zhì)等提出的要求，都能夠較為容易地與模型中對(duì)應(yīng)的墻體對(duì)象進(jìn)行匹配，然后可通過直接提取相關(guān)的參數(shù)或幾何信息來展開計(jì)算相關(guān)行業(yè)企業(yè)或組織隨著項(xiàng)目的開展和深入，都會(huì)積累到一套自己獨(dú)有的族庫。在以后的工作中，可直接調(diào)用族庫數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況修改參數(shù)，便可提高工作效率。Revit族庫可以說是一種無形的知識(shí)生產(chǎn)力。

3 結(jié)論

以上兩種模型評(píng)估機(jī)制殊途同歸，各有特色，不能評(píng)判哪一種更為優(yōu)越，只能根據(jù)不同地區(qū)不同公司的實(shí)際情況選擇最適合自己的一種模式。盡管這種技術(shù)與人工審圖在成本上和靈活性上存在著一定的距離，但隨著國內(nèi)外對(duì)這方面研究的逐漸成熟，必然會(huì)有更為先進(jìn)的模式或者工具被開發(fā)出來，并且得到實(shí)際的普及和應(yīng)用。

在我國，我們首先要站在全方位的視角，以解決問題和提高效率為目的，利用先進(jìn)的數(shù)字化檢查技術(shù)與國內(nèi)建筑行業(yè)的實(shí)際需求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相互結(jié)合，開發(fā)研制出一套屬于我國的評(píng)估工具。之后，再去研究如何優(yōu)化 BIM 建筑審圖的工作流程。

此外，目前綠色建筑越來越成為建筑行業(yè)的熱點(diǎn)，評(píng)估一個(gè)建筑的可持續(xù)性也是許多公司看重的一點(diǎn)。因此，一套完善的綠色建筑打分機(jī)制及評(píng)估工具亟待開發(fā)。

在強(qiáng)化模型評(píng)估的同時(shí)，我們也要思考如何在設(shè)計(jì)階段就能設(shè)計(jì)出更為符合標(biāo)準(zhǔn)的模型，在這一點(diǎn)上，目前較為先進(jìn)的本體論與語義網(wǎng)技術(shù)為我們提供了一種思路。通過對(duì)規(guī)則本體的創(chuàng)建，建筑模型本體的轉(zhuǎn)換以及語義網(wǎng)技術(shù)的相互關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件與相關(guān)規(guī)則的匹配。對(duì)用戶來說，就是選中族庫里的某一構(gòu)件，與其相關(guān)的各種規(guī)則就會(huì)以文字形式顯示在一個(gè)對(duì)話框內(nèi)，提醒用戶在設(shè)計(jì)的時(shí)候，就應(yīng)考慮到相關(guān)要求，避免違反規(guī)定。

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[定稿日期]2017-06-23

張勤(1996～)， 男, 本科, BIM建模與評(píng)估以及國際工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)防控； 張帥(1995～), 男, 本科, BIM建模與評(píng)估以及國際工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)防控； 韓喜誠(1996～), 本科, BIM建模與評(píng)估以及國際工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)防控。

TU712.1

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