基于BIM的建筑专业设计合规性自动审查系统及其关键技术

邢雪娇， 钟波涛， 骆汉宾， 余宏亮， 甘 晨

(1. 华中科技大学 a. 湖北省数字建造与安全工程技术研究中心； b. 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074； 2. 武汉科技大学 管理学院， 湖北 武汉 430081)

我国实行施工图设计审查制度，即由政府建设主管部门或其认定的审查机构负责，对施工图是否符合有关法律法规的要求以及对涉及公共利益、公众安全和工程建设强制性标准等内容进行审查。通过减少建筑专业施工图设计阶段的错误，可保证建筑使用、运营及维护阶段的功能性、适用性，减少因建筑功能缺失而导致的人民生命财产损失。当前我国的施工图审查方式主要是人工审查，依赖具有丰富专业知识和工程经验的领域专家对施工图图纸进行手工审查，期间主要以翻阅纸质规范、地质报告、手算结果等作为审查依据。审查过程中面临着由于该传统审查方式而导致的一系列问题，如管理体系不全、专家水平参差不齐、耗时耗力且易产生审查纰漏等[1]。

从全球范围来看，信息化已被普遍视为改造建筑业这一传统产业的战略手段[2]。在施工图审查制度方面，我国住建部在近年相继颁布的《关于征求关于推荐BIM技术在建筑领域应用的指导意见(征求意见稿)》《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》《关于推进建筑信息模型的指导意见》《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》等文件中，强调了BIM(Building Information Modeling)作为一种新的技术手段在提高建筑业信息化水平方面的重要性和推广利用的紧迫性，指出白图代替蓝图、数字化审图是BIM技术应用的重要领域之一。然而，近年来出现的新型审图技术多面向以电子化的方式辅助于施工图审查流程的管理，本质上并没有改变人工翻阅规范进行图纸审查的审图方式。本文提出了一种“基于BIM的建筑专业施工图合规性自动审查系统”，该系统作为一种新型审图方式，可实现对审图行政管理部门和审查机构对审图工作的辅助与优化。

1 国内外研究现状

近年来针对建筑领域自动合规性审查的相关研究可分为三类：基于图纸/CAD(Computer Aided Design)的自动审查、基于BIM技术的自动审查、基于过程管理的自动审查管理。

当前国内市场已发行有相关的CAD辅助审查应用软件，如：理正研发了对结构平法施工图进行自动校对审核的软件，可利用平法施工图和计算结果简图完成校对工作；优泰AutoCAD电子审图系统能够实现在AutoCAD电子图纸上的“电子签名”功能。目前的研究多面向工程图纸典型图元的识别，例如，Lladós等[3]提出了结构化匹配、语法匹配、基于约束和统计分类的建筑图纸识别的方法。赵锦艳[4]提出通过提取图块、相邻平行线对、封闭轮廓线等特征信息对建筑图纸进行识别。然而，由于基于图纸/CAD的方法存在信息提取较困难、难以推广等方面的问题，当前发展较慢，且仅应用于简单的数字化管理领域。

随着BIM协同设计模式的不断推广和成熟，促进了基于BIM信息模型进行施工图审查的研究发展。Tan等[5]提出了在扩展的BIM模型(EBIM)中进行仿真，达到对建筑围护结构的性能进行评价的目的。Martins等[6]研究了基于IFC(Industry Foundation Class)标准的BIM模型的建筑供水系统设计规范自动审查系统。Balaban等[7]针对部分代表性规范条文研究了防火通道设计合规性审查的实现方法。Choi等[8]对高层、复杂建筑在疏散通道设计合规性自动审查方面的可行性进行了研究。Malsane等[9]针对住宅防火条文提出了对BIM在建筑信息表达方面进行优化的方法。针对基于BIM的自动审查平台实现的关键技术，Pauwels等[10]通过分析IFC与语义网描述语言的特点，提出了将语义规则审查环境应用到建筑设计和审查中的方法。Zhong等[11]提出了一种基于本体的语义模型，可面向后期的建筑质量审查对规范条文进行规范化、结构化。Salama等[12]提出了一种基于语义和机器学习的规范分类方法，可提升后期自动规范审查的效率。Beach等[13]提出了一种基于规则的语义方法，将专家知识库运用到合规性审查中。Shin等[14]提出了可以通过运用定量数据及权重对建筑的连通性进行评价。Lee等[15]提出了可通过利用基于逻辑规则的机制将自然语言下的规范条文转化为计算机可理解的形式。

此外，“建设工程施工图审查管理系统”也是近年来针对审图机构审图过程规范性研究较多、较为成熟的一个方向。数字化审图“便捷高效、即时审查，过程留痕、监管有据”的作用已经初步显现，例如环球软件研发了建设工程施工图纸审查管理系统，将传统的人工操作变为计算机处理，实现了审图流程全过程管理的信息化。龚月瑛[16]利用UML(Unified Modeling language)统一建模语言，在RUP (Rational Unified Process)指导下，对B/S(Browser/Server)模式下施工图审查管理系统的建模设计与实现进行了研究。张志华等[17]对基于B/S结构的施工图审查管理系统进行了相应的数据库设计和软件设计。龙资[18]在“半自动化”辅助审查软件方面进行了研究，初步开发了用于辅助专家审查的规范数据库及规范搜索系统。

总结来看，相较于传统的设计信息载体(图纸/CAD)，BIM技术应用已成为当前施工图合规性审查领域的主要侧重点。近年来，国外学者已逐渐开始针对某一特定建筑领域规范审查的研究，考虑特定领域的规范审查在BIM环境下的实现特点，设计并开发了相关软件平台，在一定程度上可支持特定规范的审查，但此类系统支持平台的功能在当前仍非常有限。另一方面，国内外学者在BIM信息表达、语义规则设计、审查规则结构化等方面已进行了较多研究，可支持自动审查平台关键技术环节的实现。针对自动审查管理系统方面的研究较多且较为成熟，可用以支持电子化的审图流程，避免相关部门间繁琐的资料交接、信息沟通过程，但具体审查环节仍为专家参与的人工形式的审查。

2 基于BIM的建筑专业施工图自动审查系统的设计思路及总体框架

2.1 系统总体设计框架

本文提出的基于BIM的建筑专业施工图自动审查，是基于BIM信息表达的特点，以面向对象的方式，对BIM建筑专业施工图的合规性进行的审查。

为实现完整的建筑专业施工图自动审查流程，首先需要将自然语言下的建筑规范条文及相关评审规则结构化为计算机可理解的语言，同时从BIM中提取对应工程参数，最后由内置的专家推理系统完成两个数据库的对比分析，在整个规范审查过程结束后输出审查结果。从这个思路出发，将该系统设计为三个子系统：知识库管理子系统、BIM信息识别子系统、自动审图子系统，其总体设计框架如图1所示。

图1 自动审图系统总体设计框架

(1)知识库管理子系统。该子系统的作用是完成图纸审查知识(审查要求、规范条文等)的采集、表达及存储，主要功能模块包括：规范数据库管理、审查规则库管理和工程资料管理。为保证自动审图系统运行的准确性及高效性，该知识库管理子系统需要具备知识表示的广泛性、准确性和良好的可扩展性。

(2)BIM信息识别子系统。自动审图系统的审查对象为基于BIM的建筑施工图，该子系统的作用是完成BIM模型相关建筑信息的提取和存储。主要功能模块包括：BIM信息提取策略管理、BIM信息提取算法管理、BIM信息提取及存储。

(3)规则推理子系统。该子系统的作用是推理对比BIM设计信息与相应规范条文信息的一致性，所需知识基础及数据基础分别来自于上述“知识库管理子系统”与“BIM信息识别子系统”。依据用户点选的建筑设计范围和规范种类，从知识库管理子系统和BIM信息识别子系统中分别抽取出相关规范集合和建筑设计属性集，通过系统内置的匹配算法，对两者进行一致性推理，输出合规性审查报告(包括不合规处及原规范条文规定等内容)。主要功能模块包括：推理算法管理，规则推理，推理结果输出。

在自动审查过程中，三个子系统间主要涉及四个数据处理及传递过程，即：(1)规范条文的结构化处理；(2)面向合规性审查的建筑模型构建；(3)基于规则推理的审查；(4)审查结果输出。各信息传递流程及实现关键技术间彼此关联、互为基础，主要关系如图2所示。

图2 合规性自动审查系统实现流程

2.2 系统总体工作流程

2.2.1 规范条文的结构化处理

当前规范条文的编写形式是为满足后期人工解读的需要，条文内主要包括文本式语句、图表和计算公式等内容。为实现计算机的自动审查，首先需要将该自然语言的规范条文结构化为计算机可以识别的语句。该步骤可主要考虑以下两种方式[19]：(1)直接将每条规范条文转换为对应的计算机代码，该方法需要专业人员进行条文的逐条理解分析、编码操作，效率低，且不利于规范条文数据库的扩展与升级；(2)先对规范条文的叙述逻辑、语义进行解读，再进行规范条文的结构化，即基于规范条文内在的文本语义进行结构化处理，对涉及的审查对象及其属性进行标准化，该方法需要选取适当的文本结构化平台。

2.2.2 面向合规性审查的建筑模型的构建

基于BIM的建筑专业施工图自动审查系统以BIM作为设计信息载体，从BIM中完整提取到所需建筑设计参数是自动审查系统实现的重要步骤之一。总结来说，面向合规性审查的建筑模型在构建时应满足以下两大基本要求：首先，需要具备面向对象的特性，即在模型构建时，要面向建筑构件进行相关属性的定义并保证其完备性，以满足后期构件相关特性提取的需要；其次，由于建筑信息的传递过程需要经历提交和接收两个环节，期间需要保证信息数据提交时的完整性和接收时的一致性，对于提交到审查系统的BIM模型(及电子设计总说明)，要求包含设计审查的所有信息，即要达到可供设计审查的模型设计深度，满足面向合规性审查的模型交付标准。

2.2.3 基于规则推理的审查

基于前两个环节需建立两个数据库，即：(1)含有结构化的建筑规范条文及相应审查规则的“规范数据库”；(2)含有所需建筑工程参数的“工程信息数据库”。在进行规范合规性自动审查前，需要用户输入建筑项目的项目概况，如建筑类型、建筑结构形式、建筑使用性质等，系统可依据以上输入的基本工程信息，形成审查项目列表。在专家系统对比推理环节，系统将依照审查项目列表从规范数据库和工程信息数据库中自动筛选出待审查规范及所需工程信息，并结合专家系统中的推理规则对两个数据库中的信息进行对比分析，即完成实际工程设计与设计规范条文的一致性审查。

2.2.4 审查结果输出

审查输出结果表示的是上述规则推理后的设计合规情况，即基于BIM的建筑专业施工图设计的合规性报告。该输出报告应在保证审查正确率的前提下满足用户理解及交互的需求。即可对审查结果的输出形式进行面向用户的设计，如：(1)若在整个审查过程中多构件没有进行相应的规则命名，为简洁直观地表示这类构件，可借鉴空间碰撞检测方面的相关研究成果[20]，定义构件在审查建筑中的位置坐标，通过设置模型视图角度来记录构件的信息，最后输出的图形化审查结果报表，可直观标识出构件的位置信息；(2)对于审查出的不合格设计，在输出的审查报告中应包含完备的解释条目(涉及的设计参数、原规范内容及解决方案等)；(3)针对不同利益方，输出关注点不同的结果报表。

3 基于BIM的建筑专业施工图自动审查系统关键技术

为实现基于BIM的建筑专业施工图自动审查，本文对系统完整的技术工作流程进行了分析(见图3)，以下说明其中所涉及的四类关键技术。

图3 基于BIM的建筑专业施工图自动审查系统关键技术流程

3.1 基于知识表达的规范条文结构化

基于知识表达的规范条文结构化，即对建筑专业涉及的规范条文(本研究重点针对建筑专业强制性条文)进行整理、分类，用对应结构化方法进行表达，形成规范条文的知识表达体系。在规范条文结构化过程中，为达到减少人力投入、提高效率、降低错误率、扩展规范条文涵盖范围等目的，本研究引入了本体技术。在对规范条文进行语义分析后，按结构化规则对条文进行本体化，形成领域本体库，在后期规范信息检索、调用等过程中达到令计算机可理解的目的，即在后期应用时，可利用查询语言对本体库进行目的性的检索，抽取出与该项目相关的审查规范条文。

建筑专业涉及的强制性条文主要包括：(1)普通住宅规范或建筑通用规范：《民用建筑设计通则》《住宅设计规范》《无障碍设计规范》《建筑地面设计规范》《屋面工程技术规范》等；(2)高层建筑、幼儿园、学校、医院等特殊建筑规范：《中小学校设计规范》《综合医院建筑设计规范》《种植屋面工程技术规程》《老年人建筑设计规范》等。本研究通过对以上各类规范条文进行语义分析，总结出相关条文在后期审查中所需的建筑设计属性类目，包括：涉及的审查对象、具体审查点、审查属性、合规要求值等。结构化前期首先分析建筑设计规范知识的基本表达形式。同时应通过分析上述建筑设计属性在BIM中获取的难易程度，对规范条文的信息组织形式进行整理，最后结构化为面向后期规范检索的建筑规范领域本体库。

3.2 面向建筑专业施工图自动审查的BIM设计深度标准

在建筑产品全生命周期内，BIM可以作为建筑施工图从二维到三维(N维)转化的媒介，也可以是不同阶段、不同参与方之间信息传递的载体，需要依据信息传递目的明确BIM的交付标准。在基于BIM的建筑专业施工图自动审查系统中，需要在前期按照本系统的应用目的进行建模，确定BIM(包括BIM模型及电子设计总说明)从建设方到审图机构传递的交付需求。由于当前由住房与城乡建设部颁布的《建筑工程设计信息模型交付标准》(征求意见稿)中没有涉及到该领域的标准，因此要对面向建筑专业施工图合规性自动审查的BIM设计深度标准进行研究。

在该系统中，对于BIM设计深度的要求主要有以下两点：(1)保证待审查建筑属性信息表达的全面性，以满足后期对所需审查信息提取的需要；(2)保证属性信息存储的规范性、简洁性，避免信息冗余，达到后期信息提取的便捷与高效的目的。为满足以上要求，可利用模型精细度LOD(Levels of Detail)作为BIM交付需求的描述标准，确定BIM的设计深度。

前期规范条文语义分析的过程，也是建模深度标准建立的依据。某条文的审查属性要求，也是模型所需提供信息的要求。之后需要对这些审查属性按照某种合适的标准进行分类，如可按照属性在模型中存在的方式划分为以下几类：直接属性(模型构件上关联的直接字段属性)、间接属性(由直接字段属性通过简单算法得到属性)、空间算法属性(需建立单独的空间模型视图进行空间计算得到的属性)、模拟属性(基于建筑的性能表现进行模拟分析得到的属性)等。后期将以上述分类标准为基础，同时考虑后期相关属性获取效率的问题，确定模型的建模深度，主要方法为：对属性进行逐个分析，确定其适宜按照以上哪类属性进行设计，即需要作为直接模型字段信息在建模时直接输入模型或电子设计总说明，还是需要结合对应算法设计作为导出属性。其中，直接属性作为预定义的对象属性，它所涉及的建模范围及存储要求形成了该面向建筑专业强制性条文合规性审查的BIM设计深度标准(包括电子设计总说明的深度)，并以LOD的表达方式加以描述。另外，Han等[21]提出了独立模型视图的概念，利用独立的BIM视图有利于从中提取规范审查所需的信息，整合为后期审查所需的建筑设计参数子集，有利于提高整个规范审查系统的运行效率。因此可基于特定的审查领域，对BIM的建模范围进行规定。

在规范正式审查前需要对模型视图的信息完备性进行预审，即要确定该建筑模型是否已包含有规范审查BIM设计深度标准中所规定的全部属性值，并满足面向对象的特性。预审的目的是保证在正式推理审查时能从建筑模型中获取到有效的设计信息。

3.3 基于BIM的建筑信息定义及提取

根据审查属性要求及建模深度标准，在正式规则推理审查前，需对照审查项目列表，以BIM内的直接属性为基础提取出所需属性值，并以相应属性集的形式存储于IFC文件。该提取过程应依据属性分类标准进行分类提取，主要提取方法如表1所示。

表1 基于BIM的建筑信息提取方法分类

3.4 基于规则推理的审查算法

在完成规范数据库和工程信息数据库的建立后，在规则推理审查阶段需要结合专家系统，基于SPARQL审查规则对工程信息IFC文件进行匹配分析。专家系统信息匹配的前提是对数据库中的信息进行规范合理的编码，以达到计算机正确、高效地理解与调用。

审查顺序及具体审查方式会直接影响到审查的效率和全面性，本系统所设计的审查方式为：以面向对象的方式，通过前期整理的对象完备属性集对某一类构件所涉及的全部规范进行审查，在该过程中，需要对构件审查流程的合理性和属性集的完备性进行有效管理。该专家系统除对两个数据库进行数据的匹配分析外，对于与节能、绿色建筑等相关的规范的审查，因不是简单的数值型匹配型判断，此处还需要该领域特定专家知识的介入，设计出针对性的专家知识库。

4 案例分析

图4 原型系统审查流程界面

为验证上述审查流程及关键技术设计的可行性和有效性，本研究设计了如图4所示的原型系统进行基于BIM的建筑专业设计合规性自动审查验证。本文选取了一个常规建筑工程作为案例进行验证。该工程对象为一栋地上12层，框剪结构形式的住宅建筑，功能比较单一，具有完整的建筑设计图纸。本研究主要面向的是对建筑专业规范条文的审查(不涉及水暖电等专业)，因此选取了该住宅的建筑施工图纸作为后期BIM构建的基础。本次案例验证以面向对象的方式选取了六类审查对象，并从其涉及的建筑专业强制性条文中选取了部分有代表性的条文进行了审查，其中包括：节能类(3条)、无障碍设计类(7条)、电梯类(7条)、楼梯间类(23条)、防水类(22条)、卫生间类(10条)。本文将以厨房设计审查为例进行审查流程说明。为直观检验原型系统对设计错误的审查能力，首先对该住宅的建筑施工图做了两处不合规的更改(改变了两间厨房的面积)。

4.1 规范条文的结构化处理

本案例依据建筑设计规范本体和建筑设计规范知识基本表达形式，构建SPARQL审查规则(表2)。

表2 SPARQL审查规则(以厨房设计为例)

4.2 面向自动审查深度的BIM交付模型构建与预处理

本案例采用AutoDesk Revit 2017软件，依据建筑施工图纸进行了该住宅建筑BIM模型的构建(图4a)，并根据建模深度标准对相应BIM模型对象和电子设计总说明的属性字段进行录入和完善，使BIM构件包含审查交付需求所需的几何、非几何信息，形成面向自动审查深度的BIM交付模型。通过系统操作引导界面输入项目基本工程信息，并通过点选“建筑专业”形成审查范围。

将已建的BIM交付模型导入原型系统，即首先进入“模型预处理”环节(图4b)。通过模型预处理对模型和设计总说明内的信息完备性进行检查，验证交付信息的正确性与协调性。由于基于BIM的建筑专业设计合规性自动审查功能的实现，主要体现在系统内部预设的建筑构件属性与BIM交付模型内部构件属性的匹配，因此在模型预处理时，若检测到交付模型内部构件必备属性的值为空或输入格式不正确，会自动生成模型的预处理意见书，并及时反馈至建设单位和设计单位。当由设计单位依据反馈信息对模型进行相应信息修改和补充后，该模型将再次返回进行审查，因而保证了上传至审图系统的BIM模型可满足自动审查的信息交付需求。

4.3 基于原型系统的审查及结果生成

预处理通过后，通过点选自动图审按钮进入自动图审步骤，由内置的专家系统进行自动的规范匹配审查(图4c)。导出的住宅建筑施工图IFC文件转换为ifcOWL本体形式的建筑施工图审查信息。原型系统应用SPARQL审查规则对建筑信息进行逐一审查，并输出审查结果(图5)，审查结果符合预先人为设定的两处不合规设计。依据用户需求最后将输出“建筑施工图合规性自动审查意见告知书”(图4d)。

图5 建筑设计规范本体实例的查询结果

5 结 语

施工图设计审查是世界许多国家政府为监管工程勘察设计质量所制定的一项重要制度，以期通过严格的施工图审查工作来保证施工图的质量。“基于BIM的建筑专业施工图合规性自动审查系统”是面向建筑专业的强制性条文、针对专家审图工作所提出的一种辅助审查软件，此软件所带动的新型审图方式的出现，能够有效辅助专家对建筑专业施工图的合规性进行审查。对该系统的研究可填补当前我国在该领域的技术空白，具有创新性强、技术水平高的特点。本文阐述了该系统的设计框架及运行流程，并对其技术实现方法进行了分析，其中包含的关键技术问题主要可分为以下四点：(1)基于知识表达的规范条文结构化方法；(2)面向合规性自动审查的BIM设计深度标准；(3)基于BIM的建筑信息定义及提取；(4)基于规则推理的审查算法设计。关于该新型审图方式的研究对我国施工图设计图审工作及BIM技术的应用有重要的理论意义和后续应用价值，且符合当前建筑行业信息化技术应用的潮流，可促进建筑产业的技术进步。