吴松飞,邓逸川,申琪玉,罗德焕
BIM支持的施工安全规范合规检查研究综述
吴松飞,邓逸川,申琪玉,罗德焕
(华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640)
结合BIM的自动化安全规范检查可以提高安全管理效率,预防安全事故的出现,减少安全事故的发生。目前,我国的建筑安全事故频发的现象仍未得到有效改善,建筑安全事故严重危害了人民的人身和财产安全。近年来,安全管理的研究热度不断增高,但目前国内还未有总结BIM支持安全检查的综述类文章。为此调研了近10年的相关文献,从相关技术和应用层面对国内外BIM支持的安全检查的研究和平台进行了综述,重点归纳了规则翻译、模型准备、执行检查和结果呈现的相关技术,并总结了安全规范检查的平台和应用领域。讨论了目前安全检查过程中存在的问题,提出相应的解决办法,为安全检查进一步自动化的研究提供思路。
BIM;安全规范检查;技术研究;应用研究
传统的安全合规检查(safety code/rule checking)是安全管理人员依据纸质或电子档安全相关规范对施工现场的作业环境、机械设备等进行检查或安全规划,以减少或预防由物的不安全状态所造成的事故[1]。面对规模和功能日趋复杂的建筑形式,依靠静态冗杂的安全规范条例和管理人员经验来完成安全检查的方式,已然无法解决动态复杂的施工现场安全问题。由于建筑信息模型(building information model,BIM)具有参数化建模、模拟施工和可视化等优点,许多学者提出在利用计算机技术将规范转换为动态可计算形式的基础上,结合BIM模型实现自动化合规检查[2]。基于BIM技术的自动化合规检查不仅可以节省检查过程的时间,而且可以提高检查结果准确性,从而实现安全隐患的提前消除和实时解决。
目前,国外有关合规检查的研究和应用非常丰富,但是综述类文章[2-4]较少,NAWARI[2]全面归纳了建筑设计自动化规范检查的过程、实施平台和使用者反馈等内容,但是其关注的是设计的规范检查,并未针对安全规范特点和问题进行具体讨论。ISMAIL等[4]则主要讨论了安全检查过程中规则翻译(rule interpretation),仅是规范检查的一个部分。相比之下,虽然国内有较多规范检查的研究和应用,例如孙澄宇和柯勋[5]总结了基于Revit平台的不同类型规范条款自动检查实现的过程,但是鲜有综述类研究关注安全规范自动化检查。因此,本文总结了目前基于BIM的安全规范检查的研究和应用文献,归纳了目前安全规范合规性检查的现状和问题。
本文以英文关键词“safety code checking”、 “safety rule checking”和“building information model”等在国外知名数据库engineering village 数据库(EV)、Web of Science数据库(WoS)和ASCE Library数据库中查找了近10年基于BIM的安全合规检查相关的文献,并以中文关键词“安全规则”、“规范检查”和“BIM”等在中国知网(CNKI)中查找相同时间段的基于BIM的安全合规检查相关文献,检索结果如图1所示。图1按照年份展示2008–2017年每年相关的研究文献数,根据趋势可知国内外在安全规则检查方面的研究呈增长趋势,在近3年的增长速度加快。
本文收集了国内外总共68篇文章进行技术和应用分析。其中在规范检查所用技术方面,EASTMAN等[3]将规范检查分为4个步骤:规则翻译、模型准备(BIM model preparation)、规则执行(rule execution)和检查报告(rule check reporting)。而近年来,以规范检查为主题的研究多以此作为实现规范检查的步骤[4,6]。因此,本文也依据规范检查的4个步骤对其过程所应用的关键技术进行总结。在应用方面,本文从目前安全检查所应用的领域和阶段的研究进行了梳理,概括目前安全检查技术的应用水平,并在目前研究的水平上讨论文献现存的问题和未来安全检查的发展方向。
图1 中外数据库中相关文献数量
规则翻译是指将以人类语言形式所定义的安全规范、条款、公式、表格等转换为电脑可以理解或处理的形式[3]。作为规则检查中最重要的部分,目前已有大量的研究关注规则的翻译,大致可以分为4个方向:基于逻辑的方法、基于本体(ontology)的方法、基于语言开发的方法和其他方法(如规则引擎),相关技术和研究文献见表1。
表1 规则翻译相关技术
2.1.1 基于逻辑的方法
存在于规范中的规则一般是以自然语言处理的形式存在,而最直接的方式是将组成规则的条件和结果以逻辑形式编程为电脑可识别的形式。这种规则翻译方法需要较高的专业性。最早基于逻辑的规则编译方法,是由FENVES等[26]所提出的决策表格,该方法使用简单的参数表格形式表达复杂规范条款。TAN等[8]利用这种方法定义了围护结构热工性能的相关规范,定义的表格包括表头、条件列和决策列,每行代表一个条规则。国内有较多研究利用此方式建立参数化的安全检查表格[27-29]。在决策表格的基础上,更为先进的一阶谓词逻辑方法被用来替代决策表。一阶谓词逻辑表示的规则考虑了与建筑元素的连接,并依据规范上下文实现嵌套的规则表达,从而实现一条规则对一类元素的自动化检查,目前应用较为广泛。比如ZHANG等[6-7]利用IF-Then的形式编辑了不同现场条件或背景(IF)下高处坠落安全事故(Then)的检查参数,并定义相应的解决措施。以上两种方法仍然需要大量编辑工作来确定规则的各个组成,只能为规则检查的后3个阶段实现自动化。随着近年来人工智能技术的快速发展,有学者开始研究完全自动化的规则翻译方法,如自然语言处理、机器学习等。自然语言处理是结合语言学理论和计算机科学的一种技术[30],包括信息检索(information retrieval,IR)和信息提取(information extraction,IE)。SALAMA和EI-GOHARY[9,12]分别利用道义逻辑、本体技术和机器学习(machine learning,ML)的方法从规范文档和文件条款的角度实现自动化规则分类和翻译。从文档的角度,实现基于语义的规范文档分类(Text classification,TC),形成训练得到的文档分类器有着100%和96%的召回率和准确率。从文件条款角度,根据语言的组织特点和道义模型(deontic model)自动完成包含规范概念、概念之间关系和道义逻辑公理的规范条款提取。类似的工作还包括ZHANG和EI-GOHARY[10,13]利用语义自然语言方法实现对于2009国际建筑规范(2009 International Building Code)规范条款的句法特征和语义特征的提取和分析,该方法取得很高的查全率和查准率,大大节约人工查找和编辑规范中规则的时间。然而,自然语言处理技术对专业性要求很高,因此有学者(SOLIHIN和EASTMAN[15])考虑了规则编辑的专业性和人的可读性,提出基于概念图(conceptual graphic)的规则编辑方式。概念图首先识别规则的概念,其次分析相互独立的子规则,再次归纳子规则的约束和属性,最后实现相互的连接[4]。MARTINS和MONTEIRO[14]利用这一方法结合SQL语言实现了建筑给水管网设计的规则翻译。
2.1.2 基于本体的方法
本体是某个领域形式化的概念知识的集合[31]。本体是由概念、属性、以及概念之间的关系所组成,通过概念定义和层级关系可以从语义上呈现领域知识。语义网则是由元数据(metadata)、资源描述框架(resource description framework,RDF)和本体所组成,本体的知识描述和继承为语义网的推理创造了条件。 ZARLI等[16]和WANG和BOUKAMP[17]分别利用基于语义网的本体技术构建了施工过程、风险、解决措施等概念类和关系,并以概念和关系构建起用于一致性检查的安全规则。为了通用性和便捷性,关于规范概念和属性的语义词典被开发出来用于规则构建、模型的映射机制的建立,如国际能源保护法规(IECC)词典[32]和国际词典框架[33]。丰富的语义词典所提供的概念及属性关系不仅使得规则建立变得方便,也使得与规则相对应的被检查对象的信息可以被提取,有利于提高规则检查的准确率和效率。概念全面、结构清晰的本体构建将会使安全检查的规则编译方法更加通用。正如İLAL和GÜNAYDIN[19]指出,目前的规范翻译模型存在4个缺陷:①不够全面,无法呈现条款中所有信息;②对规范进行硬编码,缺乏灵活性和可维护性;③建筑模型和规范不存在直接的映射机制;④未考虑整体规范之间各条款的矛盾之处。因此,该文献提出基于语义的4层级模型用于建筑规范的整体规则呈现,以适应未来的自动化规则检查系统。四层级规则构建模型从领域层、规则层、规则集层和管理层梳理整个规范的概念、层次和属性,并利用RASE (requirement,application,selection,exception)方法构建系统的规则。
2.1.3 基于语言开发的方法
不同国家和领域建立了不同的规则检查系统,而所用的规范翻译方法各不相同,故迁移应用是规则检查的另一个挑战。LEE等[20,34]开发了建筑环境和分析语言 (building environment rule and analysis,BERA)以实现更加复杂的规范编码和对于建筑流通和空间规划的规范检查。EASTMAN等[3]提出要开发不受平台环境限制的规则翻译语言,即类似JAVA,SQL的便携式语言,使编辑规则在不同工具或服务器上均能使用。尽管目前还没出现这样的成熟成果,但是有学者从其他的语言开发角度来促进规范翻译的通用性和便利。PREIDEL和BORRMANN[21]提出可视化规范检查语言(visual code checking language,VCCL)以降低规则翻译的专业门槛,使得规则翻译的过程更加灵活独立。
2.1.4 其他
目前存在许多基于本体推理机的规则检查机制的研究,比如SWRL (semantic web rule language)规则。DING等[22]和LU等[25]分别构建地下风险本体和建筑施工风险本体,利用本体中自带插件SWRL规则编辑器直接利用本体概念和属性构建检查规则。安全检查的规则和本体实例能自动转换为JESS推理规则和事实,并利用JESS推理机完成规则推理。焦海霞[35]利用这一方法实现了对于地铁施工安全的风险检查。此外还有利用成熟的规则检查器,比如SMC (solibri model checker)[36],CORNET[37]等进行安全规范检查,其内容将会在应用研究中进行进一步阐述。
2.2.1 模型视图
在规则翻译之前,模型与规则的映射是一个必须被考虑的问题。BIM作为建筑模型的数据载体,包含检查所需要的构件对象、属性参数信息和关系[20]。不同检查主题的对象所需要准备的信息偏向有所不同,如临时设施的结构安全检查需要荷载信息,而建筑设计中的空间合理性检查只需要几何信息等。HAN等[38]提出了独立的模型视图,即每个单独的模型视图包含一种主题的相关信息,而这些模型视图所包含的信息则是总信息的子集。目前已有较多研究采用这一思路进行模型信息的处理,如国外的International Code Council[39]和BuildingSMART[40]等。张伟胜[1]利用BIM、结构信息模型和临时设施信息模型来分别完成空间安全因素和结构稳定的安全性检查的检查方式。
不同视图可以解决不同主题的问题,然而针对同一主题,信息的提取则需要根据建立的映射机制来进行目标构件或信息“定位”。对于显性信息,比如对于洞口检测,只需要提取构件信息的几何信息即可,而对于隐性信息需要经过计算和推理后方可得知,比如空间的连通、相对标高等。目前存在几种模型与规则的映射机制:①基于规则为导向的方式,GUO等[41]根据条款在规范中的主题和编号对安全规则进行编码,编码组分别为规则类型、事故主体、属性、规则编号、规范编号和条款编号几个部分,根据这一组成来进行构件建模信息准备。构件ID,直接参数和间接参数分别于安全规则事故主体和参数对应。②基于现成框架的信息准备,比如IFC框架[42]。③基于本体技术,如ZHANG等[24]构建了包括施工产品模型、施工过程模型和施工安全模型3个组成的施工安全本体模型,通过本体文件和进度文件生成待检测的本体实例并利用JESS推理引擎完成实例的检查。
2.2.2 模型层次与维度
模型层次(level of detail,LOD)[39]是用于描述BIM的层次细节的水平,层次越高,信息量越大。LOD分为LOD100-LOD600 6个层次,LOD300包括具体的对象、构件的数量、尺寸、形状、位置和附属的非图形信息[43]。项目不同层次和不同阶段对模型的细节有不同的要求。文献[44]认为目前的规范检查所需要模型的细度只需达到LOD300或LOD350即可。2011年以来,出现较多研究模拟动态的规范检查,即4D的建造过程中模拟[7,45-46]安全检查。随着动态检查的精细化,对装饰装修阶段,机械设备自身的检查需要融入更多信息才能实现这些目前还未达到的细节模拟。
规则执行阶段是利用定义好的安全规则检查准备好的信息模型,通过规则与模型中具体的构件或场景的连接,提取需要检查的参数进行检查的一个过程。检查执行的任务包括两个:①能识别出不安全的条件或参数;②能提供备选的问题解决办法来纠正不合规问题[20]。为判断执行的效果,评价机制是有必要的。文献[47]提出在检查之前进行预检查,以确保模型中所包含信息是足够的。由于规则和问题类别的多样性,检查过程中对于不合规的参数检查结果可能会因为不同规则的应用而导致矛盾,因此对不合规问题的结果呈现必须包含对应规则的相关信息。
检查结果的呈现的形式目前常见的包括Excel或PDF的电子文档形式、可视化的呈现方式等。文献[7, 24-45]在高处坠落安全检查和临时脚手架的安全检查结果以Excel形式呈现每条检查结果。Excel检查结果表中包含检查构件的ID、相关属性和参数以及建议的预防方法。但是存在的问题是构件或问题的所在的位置信息、超限的参数等并未呈现。文献[45]则包含了类似信息,比如施工工序、危险所在区位以及工序的相关信息,但是未包含相应的解决或预防方法。相比于Excel表格,可视化的呈现方式更能直观呈现危险所在位置和时间等信息,文献[24]还提出自动化安全措施建模来自动优化模型。可视化的方式对于呈现局部问题有着较好优势,而信息充足的Excel表和可视化呈现二者结合的方式将更为合适。
国内外涌现了大量优秀的规范检查平台,主要可以分为商业软件和基于商业软件的二次开发应用,但只有较少的研究针对具体的检查目标进行了检查原型的开发。目前主要的商业平台和应用插件介绍如下。
3.1.1 商业软件
目前应用较为广泛的合规检查系统软件有芬兰Solibri Model Checker (SMC)、挪威Jotne EDModelChecker、新加坡CORENET e-PlanCheck、国际规范委员会(ICC)开发的SMARTcodes,国内只有广联达BIM审图软件。而这些软件在规则检查的实施过程中存在着不同的特点和应用要求,因此本文将从基本功能、检查规则、实际应用几个方面总结以上软件的优势和不足。
芬兰SMC[48]是基于Java的BIM软件应用平台,能够检查施工之前和之中的设计问题,比如缺失的模型构件或模型空间的流通问题。其包括诸多内置功能:类似形状重叠、构件命名等的模型预检查、火灾疏散路径宽度检查、自动查看检查问题及输出报告,包括PDF、XML以及可视化等方式[3],而这些检查的对象是以IFC形式表达的模型。实施检查的规则是将参数化表格硬编码(hard-coded)为电脑可以处理的形式来实现自动化检查,这需要耗费较多人力去实现。由于SMC不支持非开发人员的规则扩展,因此检查的主题只能限于开发人员所提供的规则。但是由于其丰富的功能,SMC平台已经得到广泛应用,比如美国总务管理局项目(GSA project)[49]和挪威国家管理的项目(HITOS project)[3]的模型空间一致性检查。
挪威Jotne EDModelChecker(EDM)[50]提供对象数据库,并支持开源的EXPRESS语言的规范检查开发和复杂扩展,能一次对大型建筑项目或多个主题实现检查。由于EXPRESS语言是IFC框架的基础语言,所以可以基于EDM服务器灵活地开发并建立规则,而建立的规则可以被其他能识别EXPRESS语言的软件所使用[28],但是对规则建立者有一定的编程基础要求。目前这一平台在挪威的一些项目得到了应用[3]。
新加坡CORENET e-PlanCheck是由政府主导的建筑规范检查平台,使用了挪威的EDM模型服务器,目前已经实现了在建筑规划(如建筑控制、无障碍接入等)和建筑服务(如火灾预警、管线排水系统等)两大类的诸多规范检查。相比于前两种检查器,其在检查规则的翻译方面具有自动化程度高、扩展方便的优势。开发人员在检查器中开发了名为FORNAX的对象库,通过检索或扩展IFC模型来创建具体对象获取具体的规则语义,从而实现规则的自动翻译,避免了再度编程的工作。但是调用Fornax对象需要拥有C++编程技术和领域专业知识才能实现,限制了其应用扩展。新加坡政府规定2014年之后,所有新加坡建筑面积大于20 000 m2的项目必须通过这一平台的审查,在2015年将此标准提高到50 000 m2[51]。
国际规范委员会(ICC)开发的SMARTcodes[3]规则检查平台,目前主要用于住宅和商业相关建筑的规范检查。ICC开发的SMARTcodes builders可以通过事先建立的包含领域概念的领域词典来快速翻译自然语言表达的规则。其检查过程实现所需要的被检对象(IFC模型)也可以利用领域词典形成与规则对应的形式,从而实现安全的检查。所以此平台应用的范围和深度取决于领域词典的丰富性。其以网站形式发出,用户可以登录网站进行使用,应用方式十分便捷。但是由于国家地域的原因,领域词典的全面性将会是一个巨大的挑战。目前这一检查平台利用国际节能规范[37]进行了测试。
国内广联达BIM审图软件能进行针对三维建筑信息模型的空间碰撞、门窗开启、楼梯净高、管线冲突等检查,能支持Revit、Tekla和Magicad等主流BIM软件的格式。但其所支持检查的规则为内置,检查的问题还处于初级水平,与国外类似平台还有很大的差距[28]。
3.1.2 软件插件
国内外有许多研究利用以上相关商业软件进行二次开发应用,大部分二次开发集中在利用SMC和SMARTcodes两款商用软件上(表2)。由于SMC提供了丰富的参数配置模板和多样的结果呈现方式,SMARTcodes提供了丰富概念和定义的词典,提高规范代码访问能力[18],故两款软件较为常用。而国内在这方面的应用较少,只有简单的测试应用。
表2 检查软件插件检查应用
规范检查经过多年的发展,已经在建筑施工行业得到广泛的应用,具体总结见表3。现在规范依据从民用建筑的设计施工安全向基础设施、地下工程安全发展,从静态安全规范检查向动态检查发展,此外对建筑性能的检查也有一定的研究。其中CLAYTON[55]和DIMYADI等[56]分别对医院火灾人员疏散和防火墙设计进行安全检查,以实现建筑防火参数的优化。在施工规划中,高处坠落中临边和洞口的规范检查[6,7,24,57]得到了大量的关注,对于起重事故[58]和模板安全[46]的安全检查较少。HU和ZHANG[46]开发了一套完整的4D模拟系统检查施工临时设施-模板的结构安全,对于安全检查的深度实施具有重要意义。除了建筑领域安全检查之外,基础设施和复杂的地下安全也出现了一些尝试,MARTINS和MONTEIRO[14]利用空间推理算法和自然语言处理对地下管网施工进行安全检查,从而面对复杂的地下基坑或基础等安全风险[23,35,59],在此领域语义网和本体是目前主要采取的技术手段。随着检查技术的提升,对于更加细节、复杂的安全问题的规范检查,如墙体热工性能[8]、声学性能[60]、动态施工检查[45,54]将会得到进一步的实现。
表3 插件应用领域
规范检查已经在多年的发展下,出现了大量的研究成果和应用案例。安全检查的过程已经逐步由耗时费力的人工检查转为半自动、自动检查;在技术上不断得到更新,BIM技术、语义本体和自然语言处理、数据挖掘等信息技术已经开始被用于助力安全检查的过程;在范围上从普通民用建筑设计和施工向基础设施、地下工程等进行扩展;结合3D BIM模型和时间、成本等的动态安全规范检查也有一定的发展和应用,这些成果对安全管理效率提升具有重要意义。在文献研究和应用的调研基础上,还存在如下问题:
(1) 规范检查停留在规划设计阶段。预防是安全管理的目标,良好的安全规划可以减少很多不必要的安全问题。但安全规划也不能完全应对施工现场的动态性和复杂性,而目前大部分的研究都是集中在设计阶段,只有较少的研究开始进行动态安全识别规则的开发。
(2) 规则翻译自动化和复用程度低。目前已经存在多种规则翻译技术,而由于规则条款以自然语言形式存在,翻译的过程仍然需要大量人工工作来完成。尽管有学者开始利用自然语言处理技术进行自动化规则分类与提取,但对于专业性要求高,并且对规范类别有一定依赖性。国内外存在各种研究翻译了不同类别的安全规则,但是由于地区不同,复用的可能比较低,导致大量重复工作,洞口和临边的检测就是很好的证明。
(3) 模型与规则的连接问题。现在大部分研究都是针对某一特定主题的安全检查,因此规则的检测对象的连接只具有局部适用性,而尚未出现能对安全问题的各个方面检查的连接方法。该问题的原因在于安全问题的检查不仅仅包括对模型构件信息的获取,还包括隐形动态的场景信息的获取。
(4) 检查结果的呈现形式。安全检查的目的在于找到问题,并处理或消除。不同项目的参与方只关注各自专业内的相关问题,而规范检查的结果需要分类呈现给不同专业,不同管理层次的相关人员以便采取措施。这一问题目前只有较少研究关注,可视化方式或Excel检查报告是目前的主要呈现的方式,但是随着建筑规模、功能的复杂化,安全检查问题的数据量将会增多,如何有效获取并呈现安全管理人员关注的内容是仍是需要解决的问题。
(5) 国内技术水平需要提升。国外已经存在大量的商用规范检查的软件和研究,但是国内关于安全检查的研究深度和应用相对来说非常少,国内有必要开发出基于本国的安全检查系统以提升安全管理的效率。
针对以上问题,本文展望了未来的研究方向:
(1) 建立全生命周期的安全检查系统。安全检查的目的是使得建筑在建造之前和之中的风险能被提前识别并消除。安全检查的过程贯穿在整个建筑全生命周期内,融合BIM技术的自动化安全规范检查能为设计规划的安全优化(如人员疏散)、施工阶段和运维阶段的实时安全识别与预防提供决策和建议。三维激光扫描、传感器技术、计算机视觉、GIS等新兴技术为施工现场和运维阶段的信息实时获取和BIM模型更新提供支撑,从而实现规划设计之后的其他阶段动态建造安全的风险识别和预防。
(2) 开发规则翻译技术或框架。目前规则翻译技术或方法的专业性和不可复用性阻碍了自动化安全技术的应用普及。以语义本体和语义词典为主的安全规则编译方法可以帮助规则概念和关系的复用,为破除地域障碍,减少重复工作,增加规则翻译准确性提供途径;结合语义的自然语言处理技术可以提供完全自动化的规则建立;可视化编程技术降低了规则翻译门槛,这些技术的深度开发将会提高安全规则编译过程的自动化程度,并使得规则编译的准确度和应用广度得到提升。
(3) 模型与规则的连接框架。面对建筑全生命周期的安全检查,建立起基于本体技术或国际标准的概念词典(如IFD)的连接框架,以实现规则在不同阶段应用时的目标对象或场景的识别和相关信息提取。本体网络或语义词典所提供的语义概念和逻辑关系为模型与规则的智能映射提供了解决思路。
(4) 智能安全检查报告呈现。语义自然语言检索技术可以从语义上理解用户自然语言表达的查询需求,从而进行信息提取与呈现。而面对不同的安全管理职能或范围的的工作人员的查询需求,利用检索技术完成查询和呈现,可以提高安全管理的效率和节约时间。
本文通过调研近10年来关于安全规范检查的相关文献,从发展趋势,安全检查过程的相关技术和应用进行了梳理和总结,列举了目前规则翻译、模型准备、规则执行和结果呈现所用的技术和方法,并概括了安全检查技术的应用平台和插件应用。新技术、新主题以及不断完善的检查平台将会使得安全规范完全自动化检查成为可能。此外,本文讨论了目前安全规范检查所存在的问题,并提出了一些解决思路。
[1] 张伟胜. 集成BIM与安全规则的不安全设计因素自动识别机制研究[D]. 北京: 清华大学, 2015.
[2] NAWARI N O. Automating codes conformance [J]. Journal of Architectural Engineering, 2012, 18(4): 315-323.
[3] EASTMAN C, LEE J M, JEONG Y S, et al. Automatic rule-based checking of building designs [J]. Automation in Construction, 2009, 18(8): 1011-1033.
[4] ISMAIL A S, ALI K N, IAHAD N A. A review on BIM-based automated code compliance checking system [C]//5th International Conference on Research and Innovation in Information Systems. New York: IEEE Press, 2017: 1011-1033.
[5] 孙澄宇, 柯勋. 建筑设计中BIM模型的自动规范检查方法研究[J]. 建筑科学, 2016, 32(4): 140-145.
[6] ZHANG S J, TEIZER J, LEE J K, et al. Building information modeling (BIM) and safety: automatic safety checking of construction models and schedules [J]. Automation in Construction, 2013, 29: 183-195.
[7] ZHANG S J, LEE J K, VENUGOPAL M, et al. A framework for automatic safety checking of building information models [C]//Proceedings of the 2012 Construction Research Congress. Reston: American Society of Civil Engineers, 2012: 574-581.
[8] TAN X Y, HAMMAD A, FAZIO P P E. Automated code compliance checking for building envelope design [J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2010, 24(2): 203-211.
[9] SALAMA D A, EI-GOHARY N M. Automated compliance checking of construction operation plans using a deontology for the construction domain [J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2013, 27(6): 681-698.
[10] ZHANG J S, EI-GOHARY N M. Automated information transformation for automated regulatory compliance checking in construction [J/OL]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2015, 29(4)-. Reston: American Society of Civil Engineers, 2015-. [2018-02-01]. https: //ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29CP.1943-5487.0000427.
[11] LI S, CAI H B, KAMAT V R. Integrating natural language processing and spatial reasoning for utility compliance checking [J/OL]. Journal of Construction Engineering and Management, 2016, 142(12)-. Reston: American Society of Civil Engineers, 2016-. [2018-02-11]. https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/% 28ASCE%29CO.1943-7862.0001199.
[12] SALAMA D M, EI-GOHNARY N M. Semantic text classification for supporting automated compliance checking in construction [J/OL]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2016, 30(1)-. Reston: American Society of Civil Engineers, 2016-. [2018-03-02]. https:// ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29CP.1943-5487.0000301.
[13] Zhang J S, EI-Gohary N M. Semantic NLP-based information extraction from construction regulatory documents for automated compliance checking [J/OL]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2016, 30(2)-. Reston: American Society of Civil Engineers, 2016-. [2018-02-14]. https://ascelibrary.org/doi/abs/10. 1061/%28ASCE%29CP.1943-5487.0000346.
[14] MARTINS J P, MONTEIRO A. LicA: a BIM based automated code-checking application for water distribution systems [J]. Automation in Construction, 2013, 29: 12-23.
[15] SOLIHIN W, EASTMAN C. A knowledge representation approach in BIM rule requirement analysis using the conceptual graph [J]. Journal of Information Technology in Construction, 2016, 21: 370-401.
[16] ZARLI A, YURCHYSHYNA A, THANH N L, et al. Towards an ontology-based approach for formalizing expert knowledge in the conformity-checking model in construction [M]//eWork and eBusiness in Architecture, Engineering and Construction. London: Taylor & Framcis Group, 2008: 447-456
[17] WANG H H, BOUKAMP F. Ontology-based representation and reasoning framework for supporting job hazard analysis [J/OL]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2011, 25(6)-. Reston: American Society of Civil Engineers, 2016-. [2018-02-15]. https:// ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29CP.1943-5487.0000125.
[18] GETULI V, VENTURA S M, CAPONE P, et al. BIM-based code checking for construction health and safety [J]. Procedia Engineering, 2017, 196: 454-461.
[19] İLAL S M, GÜNAYDIN H M. Computer representation of building codes for automated compliance checking [J]. Automation in Construction, 2017, 82: 43-58.
[20] LEE J K. Building environment rule and analysis (BERA) language and its application for evaluating building circulation and spatial program [EP/OL]. [2018-02-18]. https://smartech.gatech.edu/handle/1853/39482.
[21] PREIDEL C, BORRMANN A. Refinement of the visual code checking language for an automated checking of building information models regarding applicable regulations [C]//Asce International Workshop on Computing in Civil Engineering. Reston: American Society of Civil Engineers, 2017: 157-165.
[22] DING L Y, ZHONG B T, WU S, et al. Construction risk knowledge management in BIM using ontology and semantic web technology [J]. Safety Science, 2016, 87: 202-213.
[23] ZHONG B T, DING L Y, LUO H B, et al. Ontology-based semantic modeling of regulation constraint for automated construction quality compliance checking [J]. Automation in Construction, 2012, 28: 58-70.
[24] ZHANG S J, BOUKAMP F, TEIZER J. Ontology-based semantic modeling of construction safety knowledge: Towards automated safety planning for job hazard analysis (JHA) [J]. Automation in Construction, 2015, 52: 29-41.
[25] LU Y, LI Q M, ZHOU Z P, et al. Ontology-based knowledge modeling for automated construction safety checking [J]. Safety Science, 2015, 79: 11-18.
[26] FENVES S J, GAYLORD E H, GOEL S K. Decision table formulation of the 1969 AISC specification [EP/OL]. [2018-03-11]. https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/14275.
[27] 宫培松, 琚倩茜. 地铁施工安全风险与致险工程参数关联研究[J]. 施工技术, 2013, 42(13): 106-110.
[28] 王诗旭. 基于BIM的规则检查技术辅助建筑设计方法研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2015.
[29] 吴跃星. 基于BIM与Eworks技术的建筑工程事故预防系统研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2015.
[30] KUMAR, E. Natural language processing [M]. New Delhi: I. K. International Publishing House Pvt. Ltd, 2011: 2-11.
[31] ZHANG J, EI-DIRABY T E. Social semantic approach to support communication in AEC [J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2012, 26(1): 90-104.
[32] The International Code Council. 2009 International energy conservation code (IECC) dictionary [EP/OL]. [2018-03-07]. https://www.iccsafe.org/codes-tech-support/ codes/2018-i-codes/iecc/.
[33] International Organization for Standardization. ISO 12006-3: 2007 Building construction - Organization of information about construction works – part 3: framework for object-oriented information [EP/OL]. [2018-03-03]. http://www.csinet.org/s_csi/sec.asp?CID= 2446&DID=15842.
[34] LEE J K, EASTMAN C M, YONG C L. Implementation of a BIM domain-specific language for the building environment rule and analysis [J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems, 2015, 79(3-4): 507-522.
[35] 焦海霞. 基于本体的地铁施工安全风险知识库构建与应用[D]. 南京: 东南大学, 2015.
[36] Solibri Inc. Solibri model checker [EP/OL]. [2018-02-20]. http: //www. solibri. com.
[37] KHEMLANI K. CORENET e-plancheck: singapore's automated code checking system [EP/OL]. [2018-02-19]. https://www.aecbytes.com/buildingthefuture/2005/CORENETePlanCheck.html.
[38] HAN C S, KUMZ J C, LAW K H. Client/Server framework for on-line building code checking [EP/OL]. [2018-01-30]. https://www.researchgate.net/publication/ 228938666_ClientServer_Framework_for_On-Line_Building_Code_Checking.
[39] BIMForum. Level of development specification — for building information models [EP/OL]. [2018-02-02]. http://bimforum.org/wp-content/uploads/2013/08/2013-LOD-Specification. pdf: BIMForum 2013.
[40] BuildingSMART. IFC solutions factory — the model view definition site [EP/OL]. [2018-03-09]. http://www. blis-project.org/IAI-MVD/.
[41] GUO H L, YU Y T, ZHANG W S, et al. BIM and safety rules based automated identification of unsafe design factors in construction [J]. Procedia Engineering, 2016, 164: 467-472.
[42] MELZNER J, ZHANG S J, EIZER J, et al. A case study on automated safety compliance checking to assist fall protection design and planning in building information models [J]. Construction Management and Economics, 2013: 31(6): 661-674.
[43] LEE J M. Automated checking of building requirements on circulation over a range of design phases [EP/OL]. [2018-03-03]. https://www.researchgate.net/publication/ 46267568_Automated_checking_of_building_requirements_on_circulation_over_a_range_of_design_phases.
[44] SOLIHIN W, EASTMAN C. Classification of rules for automated BIM rule checking development [J]. Automation in Construction, 2015, 53: 69-82.
[45] KIM K, YONG C, ZHANG S J. Integrating work sequences and temporary structures into safety planning: automated scaffolding-related safety hazard identification and prevention in BIM [J]. Automation in Construction, 2016, 70: 128-142.
[46] HU Z Z, ZHANG J P. BIM and 4D-based integrated solution of analysis and management for conflicts and structural safety problems during construction: 2. development and site trials [J]. Automation in Construction, 2011, 20(2): 155-166.
[47] CONOVER D. Method and apparatus for automatically determining compliance with building regulations: US, 20090125283 A1 [P/OL]. [2018-03-11]. http://www. freepatentsonline.com/y2009/0125283.html.
[48] Solibri Company. Model Checker [EP/OL]. [2018-02-10]. http://www.solibri.com/.
[49] MALSANE S, MATTHEWS J. Automated compliance checking using building information models [EP/OL]. [2018-03-06]. https://www.researchgate.net/publication/ 276886468_Automated_compliance_checking_using_building_information_models.
[50] QI J, ISSA R R A, OLBINA S, et al. Use of building information modeling in design to prevent construction worker falls [J/OL]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2014, 28(5)-. Reston: American Society of Civil Engineers, 2014-. [2018-01-30]. https://ascelibrary. org/doi/abs/10.1061/(ASCE)cp.1943-5487.0000365.
[51] LEE Y C, EASTMAN C M, LEE J K. Automated rule-based checking for the validation of accessibility and visibility of a building information model [C]// Proceedings of the 2015 International Workshop on Computing in Civil Engineering. Reston: American Society of Civil Engineers, , 2012: 572-579.
[52] LEE J M. Automated checking of building requirements on circulation over a range of design phases [EP/OL]. [2018-01-10]. https://search.proquest.com/science/ docview/757945615.
[53] 吉久茂, 童华炜, 张家立. 基于Solibri Model Checker的BIM模型质量检查方法探究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2014, 6(1): 14-19.
[54] 曾雯琳. 基于安全设计的建筑施工安全事故预控研究[D]. 南京: 东南大学, 2015.
[55] CLAYTON M J. Automated plan review for building code compliance using BIM [EP/OL]. [2018-02-15]. https://www.researchgate.net/publication/254862600_Automated_Plan_Review_for_Building_Code_Compliance_Using_BIM.
[56] DIMYADI J, CLIFTON C, SPEARPOINT M, et al. Regulatory knowledge encoding guidelines for automated compliance audit of building engineering design [EP/OL]. [2018-01-29]. https://ascelibrary. org/doi/10.1061/9780784413616.067.
[57] QI J, ISSA R R A, HINZE J, et al. A fall hazard checking tool based on BIMserver [EP/OL]. [2018-04-01].https://ascelibrary.org/doi/10.1061/9780784412343.0045.
[58] YEOH J K W, WONG J H, PENG L. Integrating crane information models in BIM for checking the compliance of lifting plan requirements [EP/OL]. [2018-02-13]. https://www.researchgate.net/publication/320167757_Integrating_Crane_Information_Models_in_BIM_for_Checking_the_Compliance_of_Lifting_Plan_Requirements.
[59] LUO H B, GONG P S. A BIM-based code compliance checking process of deep foundation construction lans [J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems, 2015, 79(3-4): 549-576.
[60] VOSSEBELD N, HARTMANN T. Supporting tunnel safety assessment with an information model [C]// International Conference on Computing in Civil and Building Engineering. Reston: American Society of Civil Engineers, 2014: 57-64.
[61] HAMMAD A, SETAYESHGAR S, ZHANG C, et al. Automatic generation of dynamic virtual fences as part of BIM-based prevention program for construction safety [EP/OL]. [2018-02-15]. https://dl.acm.org/ citation.cfm?id=2429839.
[62] JIANG L, LEICHT R M, MESSNER J I. Automated rule-based constructability checking: Case study of formwork [J]. Journal of Management in Engineering, 2015, 31(1).
[63] PAUWELS P, VAN DEURSEN D, VERSTRAETEN R, et al. A semantic rule checking environment for building performance checking [J]. Automation in Construction, 2011, 20(5): 506-518.
A Review on Research and Applications of BIM-Based Construction Safety Compliance Checking
WU Songfei, DENG Yichuan, SHENQiyu, LUODehuan
(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640, China)
Automatic safety compliance checking integrated with BIM can significantly enhance management efficiency and reduce the occurrence of safety accidents. Currently, the high frequency of construction accidents are not alleviated, which has seriously affected the life and property security of our people. Although research on safety management has been increasing in recent years, there is no review for the current research on safety compliance checking. This paper reviews the related literature in ten years. Domestic and foreign researches and safety checking platforms based on BIM are reviewed on rules translation, BIM model preparation, rule execution and checking results from the perspective of relevant technology and application. The application domain and platform of safety compliance checking were introduced. Finally, the existing problems in the process of safety compliance checking were discussed and the corresponding solutions proposed for facilitating further automation of safety compliance checking.
BIM; safety compliance checking; technology research; application research
TP 391
10.11996/JG.j.2095-302X.2018061156
A
2095-302X(2018)06-1156-09
2018-04-09;
2018-05-17
广东省自然科学基金项目(2017A030313393);亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题(2017KB12)
吴松飞(1993-),男,湖北荆州人,硕士研究生。主要研究方向为建筑信息模型、安全管理等。E-mail:201520105774@scut.edu.cn
邓逸川(1989-),男,广东河源人,助理教授,博士。主要研究方向为建筑信息模型、计算机视觉。E-mail:ctycdeng@scut.edu.cn