張吉松　于澤涵　趙麗華

摘要：目前，基于BIM模型的合規(guī)性審查采用人工方式，工作量繁重且自動化程度低，開展自動合規(guī)性審查研究具有重要意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域能夠有效支撐規(guī)范知識表示與推理并支持設(shè)計審查自動化的設(shè)計規(guī)范表達(dá)方法有待開發(fā)?；谝浑A謂詞邏輯，通過轉(zhuǎn)譯《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的設(shè)計條款，提出一種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)則表達(dá)和推理方法。該方法可實(shí)現(xiàn)將半結(jié)構(gòu)化設(shè)計規(guī)范條款轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化知識并支持靈活查詢與推理，通過“謂詞定義”和“函數(shù)定義”轉(zhuǎn)譯設(shè)計規(guī)范中語言類、表格類和計算公式類設(shè)計條款，提出兩種規(guī)范條款謂詞定義方式。對于語言模糊類、表后注釋類和條款補(bǔ)充類的設(shè)計條款給出轉(zhuǎn)譯解決方案。提出的方法有效地解決了傳統(tǒng)一階謂詞對于結(jié)構(gòu)設(shè)計條款表示不充分和不精確的問題，進(jìn)而為設(shè)計規(guī)范的計算機(jī)表達(dá)提供一種參考方法。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范；知識表示；一階謂詞邏輯；合規(guī)性審查；人工智能

中圖分類號：TU17? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：2096-6717（2024）01-0254-09

Representation of structural design specifications based on first-order predicate logic

ZHANG Jisong， YU Zehan， ZHAO Lihua

（School of Civil Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， P. R. China）

Abstract： At present， the code compliance checking based on BIM model are done manually with heavy workload and low information intelligence. It is of great significance to carry out the research on automatic compliance checking. As an important step， standard translation involves many fields such as philosophy， mathematics， mathematical logic， computer science， artificial intelligence， natural language processing and semantics. It is not only a research issue of interdisciplinary integration， but also a prerequisite for realizing the automation of building design and compliance checking. In the field of structural design， code representation methods which can effectively support knowledge representation， reasoning， and automation of compliance checking needs to be developed. Based on the first-order predicate logic， this paper proposes a method of expression and reasoning of structural design rules by translating the provisions in the “code for design of concrete structures”. Through the definition of “predicate” and “function”， the design provisions， table and formula in design specification are translated. It effectively solves the problem of insufficient and inaccurate representation of structural design clauses by using traditional first order predicates， and thus provides a reference for the computer expression of design specifications.

Keywords： structural design code； knowledge representation； first-order predicate logic； code compliance checking； artificial intelligence

在土木工程設(shè)計領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的計算機(jī)表達(dá)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計合規(guī)性審查的技術(shù)基礎(chǔ)與前提條件。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計合規(guī)性審查，中國實(shí)行施工圖設(shè)計審查制度，即由政府建設(shè)主管部門或其認(rèn)定的審查機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，對施工圖是否符合有關(guān)法律法規(guī)的要求以及對涉及公共利益、公眾安全和工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容進(jìn)行審查[1]，整個審查過程是采取人工審查的方法（圖紙+計算書），但人工審查存在自動化程度低、工作量繁重、審查過程規(guī)范化不足等問題。而且，檢驗(yàn)結(jié)果很大程度上依賴于檢驗(yàn)人員對規(guī)范的理解和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果的主觀性較強(qiáng)。BIM技術(shù)的出現(xiàn)使得基于BIM模型的審查成為未來的發(fā)展趨勢。國家住建部頒布的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，提出在未來探索基于BIM模型的合規(guī)性審查，提高設(shè)計審查效率與設(shè)計質(zhì)量。

目前，對合規(guī)性審查的研究大致可分為兩個方面：基于施工圖的審查[2-4]和基于BIM模型的審查[5-8]。Eastman等[9]將基于BIM的合規(guī)性審查的過程分為4個部分：規(guī)范轉(zhuǎn)譯、BIM模型準(zhǔn)備、規(guī)則執(zhí)行和推理、生成審查報告。其中，規(guī)范轉(zhuǎn)譯是實(shí)現(xiàn)自動合規(guī)性審查的前提條件和首要步驟。目前關(guān)于規(guī)范轉(zhuǎn)譯的方法大致可以分為：基于本體方法、基于規(guī)則引擎方法、基于語言開發(fā)方法和基于邏輯方法[10]，每種方法都具有一定的優(yōu)點(diǎn)以及局限性。其中，基于本體、規(guī)則引擎、語言開發(fā)的3種方法在對復(fù)雜規(guī)范進(jìn)行轉(zhuǎn)譯時，常常出現(xiàn)以下問題：規(guī)范條款中信息的缺失、較低的靈活性和可維護(hù)性、建筑信息模型與規(guī)范條款的映射連接性較弱、無法解決模糊語言的轉(zhuǎn)譯問題、無法處理各規(guī)范條款之間的矛盾。而基于邏輯的規(guī)范轉(zhuǎn)譯方法經(jīng)過較長周期的發(fā)展顯現(xiàn)出了強(qiáng)于其他方法的優(yōu)勢，相較于其他方法，一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)譯的規(guī)范條款可以將建筑元素與規(guī)則相連接，并且由于一階謂詞邏輯與自然語言的相通性，對于較為復(fù)雜的條款此方法可以依據(jù)規(guī)范上下文實(shí)現(xiàn)嵌套的規(guī)則表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)規(guī)則的自動化審查。另外，基于一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)移的規(guī)范可以很好地轉(zhuǎn)換為SWRL語言的形式，在后續(xù)實(shí)現(xiàn)規(guī)范審查自動化的研究中能夠與基于本體以及規(guī)則引擎的方法相結(jié)合，最大程度發(fā)揮各類方法的優(yōu)勢。

合規(guī)性審查的自動化推理基于兩方面信息：源于BIM模型的設(shè)計信息和源于設(shè)計規(guī)范的設(shè)計條款信息。設(shè)計信息可以表示為“邏輯事實(shí)”，規(guī)范條款信息可以表示為“邏輯規(guī)則”。采用基于邏輯的信息表示，可以作為推理技術(shù)的基礎(chǔ)。基于一階謂詞邏輯的推理非常適合于自動化合規(guī)性審查，原因?yàn)椋哼壿嫷亩裕M足或不滿足）符合合規(guī)性審查的二元性（符合或不符合）；形式化定義的邏輯可以充分表示合規(guī)性審查（建筑規(guī)范信息和BIM模型信息）中的“概念”（或?qū)嶓w）和“關(guān)系”；與程序編程語言（例如C語言需要描述解決方案步驟）不同，邏輯編程是描述性的，只需要描述領(lǐng)域內(nèi)的規(guī)則和事實(shí)即可，如果設(shè)計信息和設(shè)計條款信息能夠以邏輯形式正確表示，推理就可以以完全自動化的方式進(jìn)行；各種自動推理技術(shù)，例如檢索和合一（unification）問題，可以在已經(jīng)較為成熟的邏輯推理機(jī)中（logic reasoners）使用[11]。

中國土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具有4個特點(diǎn)：數(shù)量繁多且相互平行嵌套；規(guī)范條款中含有模糊語言；時效性；半結(jié)構(gòu)化文檔。由于這些特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的計算機(jī)表達(dá)轉(zhuǎn)譯工作充滿了諸多困難，尤其是當(dāng)規(guī)范條款中涉及模糊語言時，由于中文的特殊性，這些條款很難準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)譯為計算機(jī)語言，所以選擇合適的方法是決定規(guī)范轉(zhuǎn)譯工作難易的關(guān)鍵所在。筆者基于一階謂詞邏輯，提出一種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范表達(dá)方法，并選取《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中部分條款進(jìn)行轉(zhuǎn)譯以證明其可行性。首先，通過分析一階謂詞邏輯的特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范分為語言類明確條款、語言類模糊條款、表格類和公式類。其次，提出了通過“謂詞定義”和“函數(shù)定義”兩種方法，轉(zhuǎn)譯設(shè)計規(guī)范中語言類、表格類和計算公式類設(shè)計條款，對結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范條款進(jìn)行精確表示以便支持后續(xù)推理和合規(guī)性審查。最后，總結(jié)一階謂詞邏輯在規(guī)范轉(zhuǎn)譯方面的局限性（對于模糊語言處理上）以及未來研究建議。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于規(guī)范轉(zhuǎn)譯的方法大致可以分為4類，分別是基于本體方法、基于規(guī)則引擎方法、基于語言開發(fā)方法和基于邏輯方法。在基于本體的方法中，Zarli等[12]和Wang等[13]分別利用基于語義網(wǎng)的本體技術(shù)構(gòu)建了施工、風(fēng)險和解決措施等概念類和關(guān)系，并基于其建立了一致性檢查的安全規(guī)則[14]。基于規(guī)則引擎方法的研究工作開展也較為廣泛，如SWRL （Semantic Web Rule Language）規(guī)則，Ding等[15]和Lu等[16]分別構(gòu)建了地下風(fēng)險本體、施工風(fēng)險本體，利用本體的概念和屬性，在本體中使用插件SWRL規(guī)則編輯器直接構(gòu)建檢查規(guī)則；目前，商業(yè)合規(guī)性檢查軟件有Solibri Model Checker（SMC）和CORENETe-PlanCheck等使用基于規(guī)則的方法，中國有廣聯(lián)達(dá)BIM審圖軟件與廣州市施工圖設(shè)計文件審查管理系統(tǒng)。這些審查系統(tǒng)大部分都只針對建筑設(shè)計的合規(guī)性檢查，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的合規(guī)性檢查則涉及較少。有代表性的合規(guī)性審查系統(tǒng)如表1所示。

較為典型的是基于語言開發(fā)的方法，Eastman等[9]為了在不同服務(wù)器上編輯規(guī)則，提出開發(fā)一種不受平臺環(huán)境限制的規(guī)則翻譯語言，如JAVA、SQL等；而后，Lee等[22]開發(fā)了建筑環(huán)境和分析語言（Building Environment Rule and Analysis，BERA），用于對建筑流通和空間規(guī)劃進(jìn)行更復(fù)雜的代碼編碼和代碼檢查，并提出了基于建筑環(huán)境規(guī)則擴(kuò)展語言的自動符合性檢查，以確?？臻g規(guī)劃要求和可視性得到滿足。

基于邏輯的規(guī)范轉(zhuǎn)譯方法研究工作時間跨度較大，其起源可以追溯到古希臘哲學(xué)家亞里士多德的三段論?，F(xiàn)代最早可追溯到1969年，由Fenves等[23]開創(chuàng)性地發(fā)明了決策表，將復(fù)雜的規(guī)范條款用精確簡練的決策表形式來表示；而后Fenves等[24]于1987年發(fā)明了用于表示和處理設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)分析、綜合和表達(dá)（SASE）模型，后續(xù)很多學(xué)者針對此模型自動化開展大量其他相關(guān)研究和開發(fā)工作（Nyman等[25]、Harris等[26]、Garret等[27]、Wang[28]、Dym等[29]、Cronembold等[30]、Lopez等[31]）。使用SASE模型進(jìn)行設(shè)計包括3個步驟：確定合適的分類器；根據(jù)分類詞確定適用條款；使用規(guī)則處理規(guī)定。其中，第1步和第2步定義了規(guī)范組織子模型的處理，第3步定義了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的處理，規(guī)范自動分類在過去沒有得到有效的處理，直到1990年左右才開始成為一個研究問題[32]。同時，步驟2和步驟3的自動化已經(jīng)被許多研究人員用于結(jié)構(gòu)部件設(shè)計。Salama等[33]從規(guī)范性文件和文件規(guī)定的角度出發(fā)，運(yùn)用邏輯和本體技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)則的自動分類和轉(zhuǎn)譯。而后，為了提高規(guī)范編輯的可讀性，Solihin等[34]提出了一種基于概念圖的規(guī)則編輯方法，概念圖識別規(guī)則的概念，分析獨(dú)立的子規(guī)則，總結(jié)其約束和屬性，最后實(shí)現(xiàn)它們的鏈接，而后基于建筑、工程、施工全領(lǐng)域中的多類規(guī)范，引入一個跨應(yīng)用程序域的通用規(guī)則分類，使用其適用于計算機(jī)合規(guī)審查的所有方面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[35-36] 。

一階謂詞邏輯的基礎(chǔ)是數(shù)理邏輯，數(shù)理邏輯是研究推理邏輯規(guī)律的一個數(shù)學(xué)分支，也被稱為符號邏輯。數(shù)理邏輯是以符號化為特點(diǎn)的形式化理論，注重形式推理而不重視數(shù)值計算，采用特殊的數(shù)學(xué)符號語言，并給出推理規(guī)則來建立推理體系。數(shù)理邏輯包含命題演算與謂詞演算，而一階謂詞邏輯正是在命題邏輯基礎(chǔ)上提出的，比如“凡是A都是B，C是A，所以C是B?！边@個推理在命題邏輯中是不能被準(zhǔn)確描述的，假設(shè)這3個命題分別為p、q、r，則正確的推理形式應(yīng)為（p?q）→r，但是將p、q、r賦予其他值時這個推理則不成立，也就是說、這個推理形式并非重言式，正是由于命題邏輯的這種局限性，想要進(jìn)一步剖析簡單命題，則必須要引入謂詞、變量以及量詞的概念，進(jìn)而研究其邏輯關(guān)系，于是構(gòu)成了謂詞邏輯。

一階謂詞邏輯表示一條知識是通過將個詞體、謂詞、量詞根據(jù)所要表達(dá)知識的語義以邏輯聯(lián)結(jié)詞相連接，形成謂詞公式。謂詞邏輯就是研究它們的形式結(jié)構(gòu)、邏輯性質(zhì)、謂詞關(guān)系及從中導(dǎo)出的規(guī)律。謂詞邏輯在數(shù)據(jù)庫（如用謂詞邏輯將關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)子語言表示出來并優(yōu)化）、教育（如智能答疑系統(tǒng)）、人工智能科學(xué)等方面都有很廣泛的應(yīng)用。謂詞公式主要由5個部分組成，分別是個體詞、謂詞、量詞、邏輯連接詞以及語法符號，如圖1所示。

2 研究方法

2.1 規(guī)范條款分類與選擇

目前中國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及的設(shè)計規(guī)范主要包括：《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（04JGJ 3—2010）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[37]（GB 50010—2010，以下簡稱《混規(guī)》）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）等。在以上規(guī)范中所包含的條款種類大體具有4個特點(diǎn)：1）數(shù)量繁多且相互平行嵌套，中國現(xiàn)在正在施行大約40本結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，包括混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、荷載、可靠性、防火等多個方面，且各規(guī)范之間關(guān)系復(fù)雜，既有相互平行關(guān)系，同時也存在規(guī)范之間的引用與嵌套；2）規(guī)范條款中含有模糊語言，在中國很多規(guī)范中會出現(xiàn)“適量”“不宜”等概念性詞語，此類條款對結(jié)構(gòu)審查的規(guī)范性影響較大；3）時效性，大部分的建筑規(guī)范都會隨時間更新或修訂，這就使規(guī)范衍生出大量的修訂版本與解釋性手冊，增大了人工規(guī)范審查的工作量；4）半結(jié)構(gòu)化文檔，不同本規(guī)范對同一建筑部位有不同規(guī)定，可能會出現(xiàn)條款沖突的情況。

按照一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)譯的難易程度分為4類：1）語言類明確條款，條款由語言敘述，且規(guī)定明確，無模糊語言，可直接轉(zhuǎn)譯為一階謂詞邏輯公式，例如《混規(guī)》第11.3.5條規(guī)定，框架梁截面尺寸應(yīng)符合下列要求∶截面寬度不宜小于200 mm、截面高度與寬度的比值不宜大于4、凈跨與截面高度的比值不宜小于4；2）語言類模糊條款，條款由語言敘述，但規(guī)定不明確，含有“適當(dāng)”“不宜”等模糊語言，由于此類條款多作為注釋出現(xiàn)，所以可利用一階謂詞邏輯的全部量詞和存在量詞進(jìn)行轉(zhuǎn)譯；3）表格類條款，此類條款需要先轉(zhuǎn)述為語言類條款，再進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，例如《混規(guī)》第11.3.6條中表11.3.6-1，可將第一格中條款轉(zhuǎn)述為：“一級抗震等級框架梁支座處縱向受拉鋼筋配筋率大于0.4與80ft/fy中的較大值”，再轉(zhuǎn)譯為一階謂詞邏輯公式；4）計算公式類條款，此類條款由于包含復(fù)雜的計算公式，使得其轉(zhuǎn)譯難度大大增加，而在轉(zhuǎn)譯的過程中對于公式可以有多種處理方式。

根據(jù)上述分類情況，可以把利用一階謂詞公式表示規(guī)則條款總結(jié)為3個步驟：首先，定義條款中的個體詞與謂詞，確定每個謂詞及個體的確切含義，在定義個體詞與謂詞時參考現(xiàn)行IFC標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)體進(jìn)行分類，提高轉(zhuǎn)譯結(jié)果的兼容性，以便后續(xù)在BIM模型合規(guī)性審查中，條款與模型中實(shí)體逐一對應(yīng)；其次，根據(jù)所要表達(dá)規(guī)則條款，將個體詞帶入每個謂詞中的變量；最后，根據(jù)規(guī)則條款的具體語義，用適當(dāng)?shù)倪B接符號將各個謂詞連接起來，形成謂詞公式。由此看出，不同謂詞定義方式可以展現(xiàn)出不同的規(guī)范轉(zhuǎn)譯方法，所以在基于一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)譯結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范時，要靈活選擇謂詞的定義方式。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，總則、總體規(guī)定等原則性條款多是闡述規(guī)范適用范圍、該規(guī)范的相關(guān)解釋以及制定標(biāo)準(zhǔn)，不在本文的轉(zhuǎn)譯范圍內(nèi)。選取《混規(guī)》第11.3節(jié)、第11.4節(jié)共計27條規(guī)范條款進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，其中包含結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中大部分條款類型，較具有代表性，用以驗(yàn)證基于一階謂詞邏輯的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范表達(dá)方法可行性。

2.2 語言類規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯

無論規(guī)范條款語言描述明確與否，在針對語言類條款的轉(zhuǎn)譯時，都是由自然語言中直接確定條款的主體，即該條款所規(guī)定作用對象，并進(jìn)行謂詞的定義，而后進(jìn)行限定條件謂詞定義，最后以合適的邏輯連接詞相連接，進(jìn)而轉(zhuǎn)譯為一階謂詞邏輯公式。由此看出，語言類條款轉(zhuǎn)譯較為直接，但不同的謂詞定義方式可以展現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)譯結(jié)果，以《混規(guī)》第11.3.5條、第11.3.7條為例，提出兩種謂詞定義方式，第1種以第11.3.5條為例，將限定條件定義為一個整體謂詞，這樣的定義方式適用于所規(guī)定部位較為明確簡潔的條款，其優(yōu)點(diǎn)在于可以減少定義謂詞數(shù)量，缺點(diǎn)是不便于后續(xù)的數(shù)據(jù)調(diào)用；第2種方式以第11.3.7條為例，將限定條件細(xì)化分別定義為多個謂詞，這樣的定義方式適用于定義規(guī)定較為復(fù)雜的構(gòu)件，雖然會增加所定義謂詞的數(shù)量，但是利于后續(xù)調(diào)用且規(guī)定較為明確具體。轉(zhuǎn)譯結(jié)果如表2所示。

2.3 表格類規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯

由于一階謂詞邏輯與人類思維活動規(guī)律及自然語言的貼合性，在轉(zhuǎn)譯表格類規(guī)范條款時，首先需要針對表格內(nèi)容將其轉(zhuǎn)述為更易轉(zhuǎn)譯的語言類條款，再按照轉(zhuǎn)譯語言類條款的方式轉(zhuǎn)譯，以《混規(guī)》第11.4.16條為例（一、二、三、四級抗震等級的各類結(jié)構(gòu)的框架柱、框支柱，其軸壓比不宜大于表11.4.16規(guī)定的限值），表中第1條數(shù)據(jù)可以表述為“在框架結(jié)構(gòu)體系中，一級抗震等級的框架柱軸壓比不宜大于0.65”，其余數(shù)據(jù)以相同的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)述，轉(zhuǎn)譯結(jié)果選取語言類規(guī)范條款的第2種謂詞定義方法進(jìn)行展示。轉(zhuǎn)譯結(jié)果如表3所示。

2.4 計算公式類規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯

計算公式類條款中的語言敘述部分仍然與轉(zhuǎn)譯語言類條款相同，不同的是計算公式類條款包含復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計算公式，而能否更準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)譯計算式是決定此類條款轉(zhuǎn)譯成功與否的關(guān)鍵，基于一階謂詞表達(dá)計算公式可以有多種方法，根據(jù)前文一階謂詞公式組成成分——多元謂詞及個體函數(shù)，提出兩種不同的轉(zhuǎn)譯計算公式的方法：1）利用謂詞定義計算式，通過定義多元謂詞的方式，逐個定義計算公式，將公式中各項(xiàng)變量與常量定義為個體詞；2）利用函數(shù)定義計算式，在一階謂詞邏輯中，函數(shù)表示一個個體到另一個個體的映射，函數(shù)沒有真值可言，例如《混規(guī)》第11.4.5條中規(guī)定“一級抗震等級框架角柱彎矩設(shè)計值為11.4.1條中規(guī)定的一級抗震等級框架柱彎矩設(shè)計值乘以增大系數(shù)1.1”，首先可以定義關(guān)系謂詞EQUAL（x，y）表示x的值為y，再定義函數(shù)f（x）=1.1x，則這個命題以一階謂詞邏輯可以表達(dá)為“EQUAL（x，father（y））”，x與y分別定義為一級抗震等級框架角柱矩設(shè)計值與框架柱彎矩設(shè)計值。由于規(guī)范中大部分計算公式都是由一個多項(xiàng)式對構(gòu)件某些屬性進(jìn)行規(guī)定，所以可以把多項(xiàng)式定義為函數(shù)供謂詞公式調(diào)用，這種方法相比于第一種可以大量減少謂詞的定義。以《混規(guī)》第11.4.6條為例列舉兩種轉(zhuǎn)譯方法，轉(zhuǎn)譯結(jié)果選取語言類規(guī)范條款的第一種謂詞定義方法進(jìn)行展示，轉(zhuǎn)譯結(jié)果如表4所示。

3 分析與討論

基于一階謂詞邏輯提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范表示方法核心在于提取出規(guī)范條款的規(guī)定主體與限定條件，進(jìn)而轉(zhuǎn)譯為一階謂詞公式，這種轉(zhuǎn)譯方式與建筑信息模型（BIM）有較高的契合度與可操作性，所提取出的規(guī)定主體可以對應(yīng)為模型中的實(shí)體，限定條件即為對實(shí)體屬性的限制。

從算法的角度，基于BIM模型的合規(guī)性審查，其關(guān)鍵步驟可以分為3步：1）規(guī)范轉(zhuǎn)譯，即將規(guī)范的條款自動提取并轉(zhuǎn)譯成相應(yīng)的“邏輯規(guī)則”；2）模型信息提取，即從BIM模型中提取相關(guān)信息并轉(zhuǎn)換成“邏輯事實(shí)”；3）將以上的“邏輯規(guī)則”與“邏輯事實(shí)”進(jìn)行合規(guī)性比較，即采用自動推理機(jī)推理“邏輯事實(shí)”是否符合“邏輯規(guī)則”，得出最終的結(jié)論。

一階謂詞邏輯主要應(yīng)用在上面提到的第1步，即將規(guī)范中的設(shè)計條款轉(zhuǎn)譯成計算機(jī)可識別的規(guī)則。如果與人工智能中的自然語言處理技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建專業(yè)領(lǐng)域語料庫和知識庫是前提條件。目前，盡管規(guī)范轉(zhuǎn)譯的方法有很多，包括基于決策表、基于硬編碼（程序編程語言）、基于軟編碼（語義規(guī)則等）、基于對象等，但其大部分都需要手動（或半自動）進(jìn)行規(guī)則提取和編碼，至今還沒有一種被廣泛接受的有效方法。規(guī)范轉(zhuǎn)譯未來可以與人工智能中的自然語言處理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)等算法相結(jié)合，逐步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)譯過程的自動化。目前一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)譯規(guī)范的方法需要較高的專業(yè)性，其轉(zhuǎn)譯過程目前還需人工干預(yù)，由專業(yè)人員將規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯為合適的謂詞公式形式。但一階謂詞邏輯與其他方法比較的優(yōu)勢在于，如果設(shè)計規(guī)范條款信息和BIM模型信息能夠以邏輯形式正確表示，推理就可以以完全自動化的方式進(jìn)行，無需人工手動干預(yù)。例如將轉(zhuǎn)譯后的謂詞公式與SWRL語言相結(jié)合可編譯為SWRL FOL的形式，借助本體構(gòu)建工具protege可將建筑信息模型與轉(zhuǎn)譯后的規(guī)則構(gòu)建為本體的形式。在規(guī)范轉(zhuǎn)譯的過程中參考IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行謂詞的定義，不僅可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)譯工作的標(biāo)準(zhǔn)化，而且可以更好地與建筑信息模型結(jié)合，再利用基于SWRL語言的推理機(jī)進(jìn)行規(guī)則的推理與審查，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑信息模型的自動化合規(guī)審查。

基于一階謂詞邏輯表示結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可以極大發(fā)揮一階謂詞邏輯的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)譯的規(guī)范條款較準(zhǔn)確，可應(yīng)用性較高，但是在轉(zhuǎn)譯過程中也遇到一些問題，總結(jié)為3點(diǎn)：

1）基于一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)譯規(guī)范條款時，雖然很好地解決了一部分相對模糊的語言，但都是基于后續(xù)注解較為明確的前提，還有部分模糊語言無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)譯，只能通過精確量化的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，這樣在轉(zhuǎn)譯過程中難免出現(xiàn)誤差。在人工審查圖紙過程中，對于規(guī)范條款中的模糊語言處理方式大多是根據(jù)審查人員的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行主觀判斷，如果通過精確量化的方式進(jìn)行模糊條款轉(zhuǎn)譯則其結(jié)果與主觀判斷差別不大，無法實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的規(guī)范審查。所以，對于規(guī)范條款中模糊語言的處理方法以及結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化問題還有待進(jìn)一步的研究。

2）雖然對于包含計算公式類的規(guī)范條款提出了兩種基于一階謂詞邏輯的轉(zhuǎn)譯方式，但兩種方式工作量較繁重且其實(shí)現(xiàn)還需研究與考證。一階謂詞邏輯在知識表示中的應(yīng)用較廣泛，對于計算公式的表示方法層出不窮，其中不乏很多方法可以為規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯提供借鑒與參考，對于公式類條款的轉(zhuǎn)譯方式還有很大研究空間。

3）對于規(guī)范條款主體提取的方式只是其中兩種，并且這兩種方式轉(zhuǎn)譯都需提供數(shù)據(jù)龐大的定義對照表，對于主體的提取還可以選取更加細(xì)化的方式，使得轉(zhuǎn)譯結(jié)果更加簡潔。不同的主體提取方式或者基于一階謂詞邏輯的不同轉(zhuǎn)譯思路，對規(guī)范轉(zhuǎn)譯的復(fù)雜程度影響很大，如需確定基于一階謂詞邏輯表達(dá)規(guī)范的最方便、快捷的方法，需要做的調(diào)查與研究工作還有很多。

從上述轉(zhuǎn)譯過程中遇到的問題可以看出，一階謂詞邏輯同樣有一定局限性，這種局限性更多地體現(xiàn)在對于模糊語言以及計算公式的處理上，從更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌葋碚f，規(guī)范規(guī)定“適當(dāng)放寬”和“適當(dāng)減小”，“適當(dāng)”的范圍是多少，并沒有明確規(guī)定。同時，對于在轉(zhuǎn)譯過程中的“一詞多義”和“一句多義”等問題，一階謂詞的語法和語義無法直接轉(zhuǎn)譯，需要先將該條款所包含的多種含義都羅列出來，將每種可能的含義轉(zhuǎn)譯為可量化的條款，進(jìn)而才能轉(zhuǎn)譯成一階謂詞的表達(dá)。一些由于一階謂詞邏輯局限性而無法轉(zhuǎn)譯或轉(zhuǎn)譯困難的條款類型如表5所示。

消除這種局限性的辦法有很多。第一，可以將設(shè)計規(guī)范先進(jìn)行“轉(zhuǎn)述”，再進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)譯；第二，可以加強(qiáng)中國規(guī)范的結(jié)構(gòu)性，減少類似“適量”“不宜”等模糊語言的出現(xiàn)；第三，一階謂詞邏輯在規(guī)范表達(dá)領(lǐng)域的研究還可以更加深入，繼續(xù)研究更多簡潔、準(zhǔn)確的表達(dá)方式與謂詞定義方法，也可以與面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合，或利用更高階的謂詞邏輯解決此類問題。針對“一詞多義”和“一句多義”等問題，未來可以借助自然語言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)統(tǒng)計算法統(tǒng)計出所有可能性并進(jìn)行轉(zhuǎn)譯。

4 結(jié)論

分析中國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的主要特點(diǎn)與規(guī)范轉(zhuǎn)譯的方法，進(jìn)而可以更好地進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，選取一階謂詞邏輯表示結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范條款。利用一階謂詞邏輯在表達(dá)自然語言方面的特點(diǎn)，使其對于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的轉(zhuǎn)譯工作提供幫助。為證明一階謂詞邏輯轉(zhuǎn)移規(guī)范的可行性，選取《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中部分條款進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，并對選取條款按照轉(zhuǎn)譯的難易程度進(jìn)行分類，不同類型條款有不同的轉(zhuǎn)譯步驟，相同的條款也可以根據(jù)不同的謂詞定義方式展現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)譯結(jié)果。討論了一階謂詞邏輯邏輯在規(guī)范轉(zhuǎn)譯領(lǐng)域的可行性與局限性。提出的轉(zhuǎn)譯方法并不局限于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的轉(zhuǎn)譯，也可以引申至其他專業(yè)設(shè)計規(guī)范的轉(zhuǎn)譯工作。

采用謂詞邏輯轉(zhuǎn)譯規(guī)范看似簡單，實(shí)則涉及哲學(xué)、數(shù)學(xué)、數(shù)理邏輯、計算機(jī)科學(xué)、自然語言處理、語義學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等領(lǐng)域，是一個多學(xué)科交叉融合且比較復(fù)雜的問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范條文的計算機(jī)表達(dá)對于檢驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)合規(guī)性的重要程度不言而喻，而隨著科技的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合規(guī)性審查被各國愈發(fā)重視，想要更好地實(shí)現(xiàn)對于建筑結(jié)構(gòu)的自動審查，其關(guān)鍵是準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)譯規(guī)范條款。提出一種基于一階謂詞邏輯的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范表示方法，將結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范轉(zhuǎn)譯為計算機(jī)可識別的語言，為推動建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計自動化和審查自動化進(jìn)程提供一種參考方法。

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（編輯? 胡玲）

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.031

收稿日期：2021?12?16

基金項(xiàng)目：遼寧省科技廳博士科研啟動基金（2019-BS-041）；遼寧省教育廳青年科技人才育苗項(xiàng)目（JDL2019036）；遼寧省教育廳基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JDL 2019018）

作者簡介：張吉松（1983-），男，博士，主要從事BIM技術(shù)研究，E-mail：13516000013@163.com。

通信作者：趙麗華（通信作者），女，博士，副教授，E-mail zhaolihua1015@126.com。

Received： 2021?12?16

Foundation items： PhD Research Startup Foundation of Department of Science & Technology of Liaoning Province （No. 2019-BS-041）; Scientific Talents Breeding Foundation of Educational Department of Liaoning Province （No. JDL2019036）; Fundamental Research Foundation of Educational Department of Liaoning Province （No. JDL 2019018）

Author brief： ZHANG Jisong （1983- ）， PhD， main research interest： building information modelling technology， E-mail： 13516000013@163.com.

corresponding author：ZHAO Lihua （corresponding author）， PhD， associate professor， E-mail： zhaolihua1015@126.com.