基于BIM 模型的DfS 规则应用研究

曾雯琳 袁竞峰 张 星

(东南大学 土木工程学院建设与房地产系，南京 210096)

建筑业对国民经济的发展起着举足轻重的作用，如何在保证工程项目建设速度的同时保障施工人员的健康和安全，已受到了研究学者的广泛关注和重视。传统的安全风险管理大多数致力于施工过程中的管理，而在设计阶段便开始考虑施工安全风险管理的研究较少。

如果从全生命周期的设计和计划阶段便开始对工程项目后期安全风险进行识别和评估，并在此基础上进行一定的设计改进，可以有效地减少施工过程中的安全事故，这一方法最早被美国国家安全委员会(National Safety Council，NSC)在其1995 年出版的《事故预防手册》中称作通过设计预防(Prevention through Design，PtD)，其后渐渐发展出了许多不同的表达术语，如安全设计(Design for Safety，DfS)、通过设计预防施工风险(Construction Hazard Prevention through Design，CHPtD)等等。

1 DfS 理念

区别于传统的施工安全风险管理，DfS 理念立足于从工程项目全生命周期的视角出发，重点考虑在设计阶段便对后期施工过程中的施工安全风险进行识别和处理，从而达到提高工程项目的施工安全性和可施工性的目的。

DfS 理念在国外的研究和应用相对国内较为广泛，究其应用过程，目前主要通过借助一些辅助工具来实现DfS 理念，传统的方法主要包括基于安全风险清单发展的工具、安全风险评价表和设计审查工具，如表1 所示。

表1 传统DfS 应用方法汇总表

上述方法归根结底都是利用文本形式的安全检查表来审查DfS 的实施情况，这种方式要求工作人员逐项检查表中的各项设计措施是否达标，如果单纯运用该方式来达到实现DfS 的目的，往往将不仅低效而且繁琐，难以达到预期效果。随着BIM 等3D/4D 可视化技术在建筑业的应用迅速升温，为推进DfS 的信息化发展提供了契机，已成为DfS 新的发展方向之一。

2 BIM 与DfS

近年来，BIM 作为一种创新生产方式，是信息技术在建筑业的直接应用，正快速而深刻地影响着整个建筑业。BIM 是以三维数字技术为基础，将工程全生命周期内的各种相关信息加以整合的一种全新设计模式，是工程项目信息的集成化管理系统［8］。

目前，将BIM 与DfS 结合的研究并不算多，如Taiebat(2011)建立了将安全设计知识嵌入到BIM建模系统的框架，但研究仅止于理论阶段，并未加以实现［9］;Sijie Zhang 等(2011)和Qi 等(2011)分别利用模型检查软件Solibri Model Checker 和AEC3 XABIO，在BIM 模型上对搜集的安全设计知识进行了演示［10］［11］;Kasirossafar 等(2012)认为借助BIM技术有利于设计者发现设计中的潜在危险，提出了将3D 模型和安全风险源集成的想法［12］;Sijie Zhang(2012，2013)等将安全知识纳入工程项目施工进度计划，构建了BIM 模型的施工安全自动检查框架［11］［13］［14］。

在软件应用方面，典型的如芬兰的Solibri 公司研发的模型检查软件Solibri Model Checker (SMC)，它的核心价值在于可以基于规则(rule)的检测，找出BIM 模型中和已定义规则相冲突的地方，评估建模水平，有效的检查出模型中各专业的建模缺陷。SMC 本身提供了一些各领域的规则集(rule sets)，例如，SMC 可以有效验证设计是否符合采光标准。同时，用户可以通过修改规则集中的参数来满足本地化的需求。从检查对象上来说，SMC 主要侧重于模型几何空间的检查［15］，但由于目前其并不支持公众用户开发新的规则，在应用起来存在一定的局限性。

总结而言，大多数将BIM 与DfS 结合的实践研究都着重于将安全设计知识，或者说规则，导入模型检查软件，从而对设计进行审查，以自动识别BIM模型中的风险，而这都是依赖于BIM 的二次开发技术来实现的。因此，本文也将从这个切入点来实现对DfS 规则的应用。

3 基于BIM 模型的DfS 规则应用方法

3.1 基于BIM 模型的DfS 规则应用框架

基于BIM 模型来实现对DfS 规则的应用，其实质是将文本形式的DfS 规则转化为Revit 能识别的计算机语言，基于该规则对设计进行检查，自动识别施工安全风险，将识别结果可视化的表现出来，并提供相应设计改进措施的过程，而这个过程都是基于BIM二次开发技术来实现的，其框架如图1 所示。

图1 基于BIM 模型的DfS 规则应用框架

Autodesk 公司的Revit 系列软件作为众多BIM工具中的一种，主要致力于基础图形平台和基础数据软件的研发，将具体功能的扩展预留给二次开发应用程序。2005 年，在Autodesk 公司推出的Revit 8.0 版本中，Revit 开始提供二次开发接口，通过调用API(Application Programming Interface，即应用程序接口)，用户可以根据自己的需要，以程序开发的方式在Revit 平台上开发和集成相应的功能，实现对模型的定制化操作，极大地提高了软件的可扩展性，这也是本文选择使用Revit 软件进行BIM 建模的关键所在。

Revit API 是.NET 编程接口，与Microsoft .NET Framework 2.0 兼容的语言，例如VB.NET、Managed C++和Microsoft Visual C#，均可调用该接口。通过Revit API 进行编程，用户可以根据自己的需求，完成Revit 的二次开发工作，主要功能如下:

(1)快速创建、提取、编辑或删除建筑模型构件，提高建模效率;

(2)访问和编辑建筑模型中的图形数据及参数数据;

(3)将多步连续的命令操作纳入至单个命令中;

(4)执行基于BIM 的各种与建筑设计等相关的计算分析;

(5)建立外部应用程序与Revit 之间的关联，实现互相通讯功能;

(6)实现工程所需图档及文档的自动生成、导出功能;

(7)按照相关标准自动审查错误;

(8)创建客户点云引擎，存储基于对象的客户数据等。

不难看出，Revit 二次开发给工程领域带来了便捷和高效，合理利用上述功能，可以极大地简化操作，显著提高效率。本文基于DfS 规则，利用Revit API 来访问建筑信息模型中的图形数据及参数数据，并对提取的数据信息是否满足相关要求加以判断。

3.2 Revit 二次开发环境配置及流程设计

在Microsoft Visual Studio 平台开发Revit 软件，主要有两种功能扩展方式:一是外部命令(External Command)方式，二是外部应用(External Application)方式，见表2。本文使用创建外部命令(External Command)方式，来进行Revit 具体功能的扩展。

表2 基于Visual Studio 的Revit 功能扩展方式

在Revit 2013 中，对命令的加载方式主要有两种，一可通过安装Revit 插件管理器Add-In Manager 来实现自动加载，二可通过加载.addin 文件到指定目录中来实现手动加载。手工加载.addin 文件不仅繁琐而且易于出错，而使用Add -In Manager 加载方法可方便用户灵活加载和卸载用户的程序文件，使用该方法加载后程序后，可立即运行命令，而无需手工编辑.addin 文件，即使修改代码，进行编译后也可立即再次运行命令，无须重新启动Revit，提高了程序的开发效率。因此，本文选用Add -In Manager 方式来加载命令。

3.3 Revit 二次开发流程设计

本节基于Microsoft Visual Studio 2010 平台，使用C# 语言，通过外部命令(External Command)扩展方式，实现Revit 上的软件功能开发工作，需要遵循下列开发步骤:

(1)启动VS 2010 程序集成开发环境，新建项目;

(2)引用Revit API 接口装配文件及System.Windows.Forms;

(3)引用Revit 命名空间和Windows 窗体控件的命名空间;

(4)为命令类添加控制命令的事务模式(Transaction)和更新模式(Regeneration)两个属性;

(5)利用外部命令的开发方式来扩展Revit功能;

(6)编译并运行命令。

Revit 二次开发流程如图2 所示。

图2 Revit 二次开发流程

至此，Revit 二次开发环境配置和流程设计工作已全部完成，下节将结基于Viusal Studio 2010 平台，利用Revit 建模技术、Revit 二次开发技术及先进的计算机编程技术，结合具体实例，描述如何实现对DfS 规则的应用。

3.4 基于BIM 模型的DfS 规则应用实例分析

虽然我国还未颁布专门针对工程施工风险识别的规范、标准、指南或手册，目前已颁布的规范、标准等条文中也不存在显式地表明风险的语句，但通过经验，可总结出若干对风险识别有价值的信息，比如通过识别其中的关键用词:“应”、“不应”、“必须”、“严禁”、“宜”、“不宜”等，可以推理出可能存在的风险，如《住宅设计规范》(GB 50096)中5.8.1 条“外窗窗台距楼面、地面的净高低于0.90m时，应有防护设施”［16］，从此条款中可以推理出“外窗窗台净高低于0.90m”是一个施工安全风险，在施工过程中不能有效起到对墙面洞口的防护作用，可能引发高处坠落事故。以此规则项为例，依照上文的Revit 二次开发流程对设计进行检查，通过在VS中编程，再加载至Revit 中来判断其是否存在“外窗窗台净高低于0.90m”这一施工安全风险。

先建立一个简单的BIM 模型，使前两扇窗的窗台高度为0.80m，第三扇窗的窗台高度为0.90m，其立面显示如图3 所示:

图3 BIM 模型立面图

在开发流程第5 部分中，利用外部命令的开发方式来扩展Revit 功能，核心代码如下:

public Result Execute (ExternalCommandData commandData，ref string message，ElementSet elements)

{

UIApplication app=commandData.Application;

Document doc=app.ActiveUIDocument.Document;

ParameterValueProvider provider=new ParameterValueProvider (new ElementId (BuiltInParameter.INSTANCE_SILL_HEIGHT_PARAM));

FilterNumericRuleEvaluator evaluator=new FilterNumericLess();

FilterDoubleRule rule=new FilterDoubleRule(provider，evaluator，2.9527559055，0.0001);

ElementParameterFilter filter=new ElementParameterFilter(rule);

FilteredElementCollector collector=new FilteredElementCollector(doc);

collector.WherePasses(filter);

Selection sel=app.ActiveUIDocument.Selection;

sel.Elements.Clear();

foreach (Element elem in collector)

sel.Elements.Add(elem);

TaskDialog.Show(" 注意"，" 窗台净高低于900mm 的窗户个数="+collector.Count().ToString());

return Result.Succeeded;

}

启动Revit 2013，Add -In Manager 插件加载界面和识别结果如图4 和图5 所示:

图4 插件管理器界面

图5 识别结果显示

根据图5 所示识别结果，通过二次开发编程代码，在Revit 中能够自动识别窗台高度不足900mm窗户的数量及位置，可以较为直观且高效地发现设计中的错误或不足，如不能改进设计时，也可以在工程开工前和施工方进行交底，对其可能产生的风险进行详细说明，有利于施工方制定全面的安全技术措施方案，有效开展施工安全管理活动。

4 结语

设计阶段作为项目全生命周期的一个关键环节，设计阶段的不安全因素必然会对下游施工和维护阶段的安全生产造成影响。工程项目中的施工安全问题并不仅仅和施工阶段的安全管理有关，从设计阶段便开始开展施工安全管理工作也同样重要，安全设计理念便是执行这一思想的最好体现。

本文将施工安全风险管理引入设计阶段，强调设计方在施工安全管理中发挥的重要作用，打破了传统观念上的施工安全只由施工方负责的认识局限，在理论上充实了对安全管理事前控制的研究。安全设计理念的贯彻落实要求设计人员同样参与到施工安全管理中来，在设计阶段便开始对后期施工阶段安全风险进行识别，并采取能够降低甚至消除安全风险的有效措施，从而实现工程项目全生命周期安全管理的目标，这要求设计不仅能满足最终使用的需求，还能增强建造过程中的施工安全性和可施工性。

基于Revit 二次开发技术，借助Autodesk Revit、Microsoft Visual Studio 等相关三维建模工具及开发平台，利用C#编程语言，本文提出了一种对设计进行自动化审查，高效识别施工安全风险，以便进一步采取规范或改进设计的措施的方法。最后，结合具体实例进行了分析，论证了该方法的可行性，这无疑是一种更加科学化、信息化、自动化的实现安全设计理念的思路，可有效减少人工识图的理解差异，即使是施工经验不是很丰富的设计人员，也能够进行施工风险的识别工作，并使设计有利于保障施工安全事故的发生。

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