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模型評估體系，同時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人的理解及闡述，希望能對中國的工程自動化審核事業(yè)提供些許的幫助。

規(guī)則檢查； BIM； 模型評估； 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、施工、運維階段的應(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模型自動審核方法還尚處于初始階段，針對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，因為該類評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)的對研究本身進(jìn)行詳細(xì)論述的著作較少，反而是對相應(yīng)產(chǎn)品的介紹較為明晰，這無疑為我國BIM模型評估軟件的開發(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模型評估體系，同時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人的理解及闡述，希望能對中國的工程自動化審核事業(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(ICC)、AEC3 和Digital Alchemy 的一個聯(lián)合項目，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)計質(zhì)量評估系統(tǒng)，并已完成其概念框架的設(shè)計以及未來目標(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)計協(xié)調(diào)于一體，還融入了節(jié)能設(shè)計的理念，主要分為KBim簡要評估、KBim能源、KBim成本、KBim協(xié)作、KBim檢驗、KBim邏輯、KBim評估以及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在綠色建筑的評估與設(shè)計中的潛在優(yōu)勢，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)做出計算來生成項目的綠色評級得分表。

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)，針對設(shè)計和施工準(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)軟件平臺的優(yōu)勢在于本土技術(shù)優(yōu)勢和適應(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)則檢查也相對初級，很難滿足設(shè)計過程中的多樣需求。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模型評估的機(jī)制與流程

經(jīng)過對多個評估模型的研究，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模型評估機(jī)制可以分為基于IFC和基于Revit倆種評估方式。

2.1 基于IFC的評估方式

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)用程序中實現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交換。

總體來說，這種評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)出來的評估工具中，導(dǎo)入IFC文件，運行算法，針對每條規(guī)則提取相應(yīng)構(gòu)件的數(shù)據(jù)。

(4)生成報表，顯示評估結(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，很大程度上是因為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異，因此，在我國BIM模型評估技術(shù)本土化進(jìn)程中的首要任務(wù)就是建立一個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)計文件審查要點》《工程設(shè)計資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等官方文件，甚至是資深工程師的經(jīng)驗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)橛嬎銠C(jī)可以識別運行的語言。目前，要實現(xiàn)這一點并非難題，用于規(guī)則檢查的各類成熟的計算機(jī)語言層出不窮，如C++、Java等。需要注意的是對每個條件應(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，要弄清這個問題，需要理解IFC對建筑構(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，任何一個實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體來表述的屬性，如OwnerHistory、ObjectPlacement和Representation；反屬性是指通過關(guān)聯(lián)實體將屬性實體與構(gòu)件進(jìn)行鏈接，使得構(gòu)件具備鏈接的屬性實體的屬性，如HasAssociations通過關(guān)聯(lián)實體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則定義了實體的拉伸方向。標(biāo)準(zhǔn)梁的材料屬性是通過關(guān)聯(lián)實體IfcRelAssociatesMaterial將構(gòu)件與材料相關(guān)聯(lián)，材料的定義則引用了IfcMaterialProfileSet實體。

因此，在引用IFC構(gòu)件信息時，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較為科學(xué)的規(guī)則庫，同時，也要保證可以隨時添加修改來使其不斷完善。

2.1.2 檢索引擎

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

所謂正則表達(dá)式( Regular Expression)，是使用單個字符串來描述、匹配一系列符合某個句法規(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，并提取出來參與運算。這一過程與規(guī)則算法中對IFC構(gòu)件的描述的準(zhǔn)確度息息相關(guān)。

2.1.3 模型評估

BIM模型的評估過程主要是在評估工具中運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IFC文件來比較實體使用情況。在BIM模型的評估過程中，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BIM模型的對比分析評價提供思路與方法。

內(nèi)嵌IFA的評估工具的輸入是BIM軟件導(dǎo)出的IFC文件，在評估工具中，獨立的程序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，針對文件中每一種類的IFC實體，都會有一份工作表與它對應(yīng)。工作表的每一行包含一種IFC實體的一個實例的屬性。評估工具能夠從工作表中較為容易地解析所有的實體及其屬性，計算時，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算公式。最后生成一個包含各種細(xì)節(jié)的報告。

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)實體的IfcMaterialLayer、 IfcMaterialLayerSet、 IfcMaterialLayerSetUsage中獲得。規(guī)則對應(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的評估方式

BIM模型的評估也可以直接基于Revit繪圖軟件，它與基于IFC的評估方式相比，大致的思路基本相同，只是需要導(dǎo)入的文件一個是DWG格式，一個是IFC格式。同時，在編寫規(guī)則算法時，前者對構(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。

2.2.1 Revit API

API應(yīng)用到BIM上，就可以實現(xiàn)用BIM通過在Revit軟件中儲存規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)作為項目參數(shù)來評估建筑設(shè)計是否合格，例如體積、梁、地板都被提取到了Revit 接口，這些參數(shù)會在計算的時候被提取出來。

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)化為一個可以從中提取信息的數(shù)據(jù)庫，以備后續(xù)評估過程使用；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)范條款描述的對象都能夠與 BIM模型中的設(shè)計對象建立對應(yīng)關(guān)系，也為了程序可以方便地利用 Revit API 解析出模型對象的屬性與幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)計算，研究人員提出了Revit標(biāo)準(zhǔn)族庫的概念，要求設(shè)計的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化，也使模型與規(guī)則的匹配出錯率更低。如規(guī)范中對于墻體尺寸，墻面材質(zhì)等提出的要求，都能夠較為容易地與模型中對應(yīng)的墻體對象進(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算相關(guān)行業(yè)企業(yè)或組織隨著項目的開展和深入，都會積累到一套自己獨有的族庫。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生產(chǎn)力。

3 結(jié)論

以上兩種模型評估機(jī)制殊途同歸，各有特色，不能評判哪一種更為優(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)外對這方面研究的逐漸成熟，必然會有更為先進(jìn)的模式或者工具被開發(fā)出來，并且得到實際的普及和應(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，評估一個建筑的可持續(xù)性也是許多公司看重的一點。因此，一套完善的綠色建筑打分機(jī)制及評估工具亟待開發(fā)。

在強化模型評估的同時，我們也要思考如何在設(shè)計階段就能設(shè)計出更為符合標(biāo)準(zhǔn)的模型，在這一點上，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)，可以實現(xiàn)各構(gòu)件與相關(guān)規(guī)則的匹配。對用戶來說，就是選中族庫里的某一構(gòu)件，與其相關(guān)的各種規(guī)則就會以文字形式顯示在一個對話框內(nèi)，提醒用戶在設(shè)計的時候，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建模與評估以及國際工程項目風(fēng)險防控； 張帥(1995～), 男, 本科, BIM建模與評估以及國際工程項目風(fēng)險防控； 韓喜誠(1996～), 本科, BIM建模與評估以及國際工程項目風(fēng)險防控。

TU712.1

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