基于BIM 模型的DfS 規(guī)則應(yīng)用研究

曾雯琳 袁競(jìng)峰 張 星

(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院建設(shè)與房地產(chǎn)系，南京 210096)

建筑業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用，如何在保證工程項(xiàng)目建設(shè)速度的同時(shí)保障施工人員的健康和安全，已受到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視。傳統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)管理大多數(shù)致力于施工過(guò)程中的管理，而在設(shè)計(jì)階段便開(kāi)始考慮施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理的研究較少。

如果從全生命周期的設(shè)計(jì)和計(jì)劃階段便開(kāi)始對(duì)工程項(xiàng)目后期安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以有效地減少施工過(guò)程中的安全事故，這一方法最早被美國(guó)國(guó)家安全委員會(huì)(National Safety Council，NSC)在其1995 年出版的《事故預(yù)防手冊(cè)》中稱作通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)防(Prevention through Design，PtD)，其后漸漸發(fā)展出了許多不同的表達(dá)術(shù)語(yǔ)，如安全設(shè)計(jì)(Design for Safety，DfS)、通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)防施工風(fēng)險(xiǎn)(Construction Hazard Prevention through Design，CHPtD)等等。

1 DfS 理念

區(qū)別于傳統(tǒng)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理，DfS 理念立足于從工程項(xiàng)目全生命周期的視角出發(fā)，重點(diǎn)考慮在設(shè)計(jì)階段便對(duì)后期施工過(guò)程中的施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和處理，從而達(dá)到提高工程項(xiàng)目的施工安全性和可施工性的目的。

DfS 理念在國(guó)外的研究和應(yīng)用相對(duì)國(guó)內(nèi)較為廣泛，究其應(yīng)用過(guò)程，目前主要通過(guò)借助一些輔助工具來(lái)實(shí)現(xiàn)DfS 理念，傳統(tǒng)的方法主要包括基于安全風(fēng)險(xiǎn)清單發(fā)展的工具、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表和設(shè)計(jì)審查工具，如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)DfS 應(yīng)用方法匯總表

上述方法歸根結(jié)底都是利用文本形式的安全檢查表來(lái)審查DfS 的實(shí)施情況，這種方式要求工作人員逐項(xiàng)檢查表中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)措施是否達(dá)標(biāo)，如果單純運(yùn)用該方式來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)DfS 的目的，往往將不僅低效而且繁瑣，難以達(dá)到預(yù)期效果。隨著B(niǎo)IM 等3D/4D 可視化技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用迅速升溫，為推進(jìn)DfS 的信息化發(fā)展提供了契機(jī)，已成為DfS 新的發(fā)展方向之一。

2 BIM 與DfS

近年來(lái)，BIM 作為一種創(chuàng)新生產(chǎn)方式，是信息技術(shù)在建筑業(yè)的直接應(yīng)用，正快速而深刻地影響著整個(gè)建筑業(yè)。BIM 是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將工程全生命周期內(nèi)的各種相關(guān)信息加以整合的一種全新設(shè)計(jì)模式，是工程項(xiàng)目信息的集成化管理系統(tǒng)［8］。

目前，將BIM 與DfS 結(jié)合的研究并不算多，如Taiebat(2011)建立了將安全設(shè)計(jì)知識(shí)嵌入到BIM建模系統(tǒng)的框架，但研究?jī)H止于理論階段，并未加以實(shí)現(xiàn)［9］;Sijie Zhang 等(2011)和Qi 等(2011)分別利用模型檢查軟件Solibri Model Checker 和AEC3 XABIO，在BIM 模型上對(duì)搜集的安全設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行了演示［10］［11］;Kasirossafar 等(2012)認(rèn)為借助BIM技術(shù)有利于設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的潛在危險(xiǎn)，提出了將3D 模型和安全風(fēng)險(xiǎn)源集成的想法［12］;Sijie Zhang(2012，2013)等將安全知識(shí)納入工程項(xiàng)目施工進(jìn)度計(jì)劃，構(gòu)建了BIM 模型的施工安全自動(dòng)檢查框架［11］［13］［14］。

在軟件應(yīng)用方面，典型的如芬蘭的Solibri 公司研發(fā)的模型檢查軟件Solibri Model Checker (SMC)，它的核心價(jià)值在于可以基于規(guī)則(rule)的檢測(cè)，找出BIM 模型中和已定義規(guī)則相沖突的地方，評(píng)估建模水平，有效的檢查出模型中各專(zhuān)業(yè)的建模缺陷。SMC 本身提供了一些各領(lǐng)域的規(guī)則集(rule sets)，例如，SMC 可以有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合采光標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，用戶可以通過(guò)修改規(guī)則集中的參數(shù)來(lái)滿足本地化的需求。從檢查對(duì)象上來(lái)說(shuō)，SMC 主要側(cè)重于模型幾何空間的檢查［15］，但由于目前其并不支持公眾用戶開(kāi)發(fā)新的規(guī)則，在應(yīng)用起來(lái)存在一定的局限性。

總結(jié)而言，大多數(shù)將BIM 與DfS 結(jié)合的實(shí)踐研究都著重于將安全設(shè)計(jì)知識(shí)，或者說(shuō)規(guī)則，導(dǎo)入模型檢查軟件，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行審查，以自動(dòng)識(shí)別BIM模型中的風(fēng)險(xiǎn)，而這都是依賴于BIM 的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，本文也將從這個(gè)切入點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DfS 規(guī)則的應(yīng)用。

3 基于BIM 模型的DfS 規(guī)則應(yīng)用方法

3.1 基于BIM 模型的DfS 規(guī)則應(yīng)用框架

基于BIM 模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DfS 規(guī)則的應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是將文本形式的DfS 規(guī)則轉(zhuǎn)化為Revit 能識(shí)別的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，基于該規(guī)則對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，自動(dòng)識(shí)別施工安全風(fēng)險(xiǎn)，將識(shí)別結(jié)果可視化的表現(xiàn)出來(lái)，并提供相應(yīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程都是基于BIM二次開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其框架如圖1 所示。

圖1 基于BIM 模型的DfS 規(guī)則應(yīng)用框架

Autodesk 公司的Revit 系列軟件作為眾多BIM工具中的一種，主要致力于基礎(chǔ)圖形平臺(tái)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)軟件的研發(fā)，將具體功能的擴(kuò)展預(yù)留給二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。2005 年，在Autodesk 公司推出的Revit 8.0 版本中，Revit 開(kāi)始提供二次開(kāi)發(fā)接口，通過(guò)調(diào)用API(Application Programming Interface，即應(yīng)用程序接口)，用戶可以根據(jù)自己的需要，以程序開(kāi)發(fā)的方式在Revit 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)和集成相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的定制化操作，極大地提高了軟件的可擴(kuò)展性，這也是本文選擇使用Revit 軟件進(jìn)行BIM 建模的關(guān)鍵所在。

Revit API 是.NET 編程接口，與Microsoft .NET Framework 2.0 兼容的語(yǔ)言，例如VB.NET、Managed C++和Microsoft Visual C#，均可調(diào)用該接口。通過(guò)Revit API 進(jìn)行編程，用戶可以根據(jù)自己的需求，完成Revit 的二次開(kāi)發(fā)工作，主要功能如下:

(1)快速創(chuàng)建、提取、編輯或刪除建筑模型構(gòu)件，提高建模效率;

(2)訪問(wèn)和編輯建筑模型中的圖形數(shù)據(jù)及參數(shù)數(shù)據(jù);

(3)將多步連續(xù)的命令操作納入至單個(gè)命令中;

(4)執(zhí)行基于BIM 的各種與建筑設(shè)計(jì)等相關(guān)的計(jì)算分析;

(5)建立外部應(yīng)用程序與Revit 之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)互相通訊功能;

(6)實(shí)現(xiàn)工程所需圖檔及文檔的自動(dòng)生成、導(dǎo)出功能;

(7)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)審查錯(cuò)誤;

(8)創(chuàng)建客戶點(diǎn)云引擎，存儲(chǔ)基于對(duì)象的客戶數(shù)據(jù)等。

不難看出，Revit 二次開(kāi)發(fā)給工程領(lǐng)域帶來(lái)了便捷和高效，合理利用上述功能，可以極大地簡(jiǎn)化操作，顯著提高效率。本文基于DfS 規(guī)則，利用Revit API 來(lái)訪問(wèn)建筑信息模型中的圖形數(shù)據(jù)及參數(shù)數(shù)據(jù)，并對(duì)提取的數(shù)據(jù)信息是否滿足相關(guān)要求加以判斷。

3.2 Revit 二次開(kāi)發(fā)環(huán)境配置及流程設(shè)計(jì)

在Microsoft Visual Studio 平臺(tái)開(kāi)發(fā)Revit 軟件，主要有兩種功能擴(kuò)展方式:一是外部命令(External Command)方式，二是外部應(yīng)用(External Application)方式，見(jiàn)表2。本文使用創(chuàng)建外部命令(External Command)方式，來(lái)進(jìn)行Revit 具體功能的擴(kuò)展。

表2 基于Visual Studio 的Revit 功能擴(kuò)展方式

在Revit 2013 中，對(duì)命令的加載方式主要有兩種，一可通過(guò)安裝Revit 插件管理器Add-In Manager 來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載，二可通過(guò)加載.addin 文件到指定目錄中來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)加載。手工加載.addin 文件不僅繁瑣而且易于出錯(cuò)，而使用Add -In Manager 加載方法可方便用戶靈活加載和卸載用戶的程序文件，使用該方法加載后程序后，可立即運(yùn)行命令，而無(wú)需手工編輯.addin 文件，即使修改代碼，進(jìn)行編譯后也可立即再次運(yùn)行命令，無(wú)須重新啟動(dòng)Revit，提高了程序的開(kāi)發(fā)效率。因此，本文選用Add -In Manager 方式來(lái)加載命令。

3.3 Revit 二次開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)

本節(jié)基于Microsoft Visual Studio 2010 平臺(tái)，使用C# 語(yǔ)言，通過(guò)外部命令(External Command)擴(kuò)展方式，實(shí)現(xiàn)Revit 上的軟件功能開(kāi)發(fā)工作，需要遵循下列開(kāi)發(fā)步驟:

(1)啟動(dòng)VS 2010 程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，新建項(xiàng)目;

(2)引用Revit API 接口裝配文件及System.Windows.Forms;

(3)引用Revit 命名空間和Windows 窗體控件的命名空間;

(4)為命令類(lèi)添加控制命令的事務(wù)模式(Transaction)和更新模式(Regeneration)兩個(gè)屬性;

(5)利用外部命令的開(kāi)發(fā)方式來(lái)擴(kuò)展Revit功能;

(6)編譯并運(yùn)行命令。

Revit 二次開(kāi)發(fā)流程如圖2 所示。

圖2 Revit 二次開(kāi)發(fā)流程

至此，Revit 二次開(kāi)發(fā)環(huán)境配置和流程設(shè)計(jì)工作已全部完成，下節(jié)將結(jié)基于Viusal Studio 2010 平臺(tái)，利用Revit 建模技術(shù)、Revit 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，結(jié)合具體實(shí)例，描述如何實(shí)現(xiàn)對(duì)DfS 規(guī)則的應(yīng)用。

3.4 基于BIM 模型的DfS 規(guī)則應(yīng)用實(shí)例分析

雖然我國(guó)還未頒布專(zhuān)門(mén)針對(duì)工程施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南或手冊(cè)，目前已頒布的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等條文中也不存在顯式地表明風(fēng)險(xiǎn)的語(yǔ)句，但通過(guò)經(jīng)驗(yàn)，可總結(jié)出若干對(duì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別有價(jià)值的信息，比如通過(guò)識(shí)別其中的關(guān)鍵用詞:“應(yīng)”、“不應(yīng)”、“必須”、“嚴(yán)禁”、“宜”、“不宜”等，可以推理出可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，如《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50096)中5.8.1 條“外窗窗臺(tái)距樓面、地面的凈高低于0.90m時(shí)，應(yīng)有防護(hù)設(shè)施”［16］，從此條款中可以推理出“外窗窗臺(tái)凈高低于0.90m”是一個(gè)施工安全風(fēng)險(xiǎn)，在施工過(guò)程中不能有效起到對(duì)墻面洞口的防護(hù)作用，可能引發(fā)高處墜落事故。以此規(guī)則項(xiàng)為例，依照上文的Revit 二次開(kāi)發(fā)流程對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，通過(guò)在VS中編程，再加載至Revit 中來(lái)判斷其是否存在“外窗窗臺(tái)凈高低于0.90m”這一施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

先建立一個(gè)簡(jiǎn)單的BIM 模型，使前兩扇窗的窗臺(tái)高度為0.80m，第三扇窗的窗臺(tái)高度為0.90m，其立面顯示如圖3 所示:

圖3 BIM 模型立面圖

在開(kāi)發(fā)流程第5 部分中，利用外部命令的開(kāi)發(fā)方式來(lái)擴(kuò)展Revit 功能，核心代碼如下:

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"，" 窗臺(tái)凈高低于900mm 的窗戶個(gè)數(shù)="+collector.Count().ToString());

return Result.Succeeded;

}

啟動(dòng)Revit 2013，Add -In Manager 插件加載界面和識(shí)別結(jié)果如圖4 和圖5 所示:

圖4 插件管理器界面

圖5 識(shí)別結(jié)果顯示

根據(jù)圖5 所示識(shí)別結(jié)果，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)編程代碼，在Revit 中能夠自動(dòng)識(shí)別窗臺(tái)高度不足900mm窗戶的數(shù)量及位置，可以較為直觀且高效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤或不足，如不能改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，也可以在工程開(kāi)工前和施工方進(jìn)行交底，對(duì)其可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，有利于施工方制定全面的安全技術(shù)措施方案，有效開(kāi)展施工安全管理活動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)階段作為項(xiàng)目全生命周期的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)階段的不安全因素必然會(huì)對(duì)下游施工和維護(hù)階段的安全生產(chǎn)造成影響。工程項(xiàng)目中的施工安全問(wèn)題并不僅僅和施工階段的安全管理有關(guān)，從設(shè)計(jì)階段便開(kāi)始開(kāi)展施工安全管理工作也同樣重要，安全設(shè)計(jì)理念便是執(zhí)行這一思想的最好體現(xiàn)。

本文將施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理引入設(shè)計(jì)階段，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方在施工安全管理中發(fā)揮的重要作用，打破了傳統(tǒng)觀念上的施工安全只由施工方負(fù)責(zé)的認(rèn)識(shí)局限，在理論上充實(shí)了對(duì)安全管理事前控制的研究。安全設(shè)計(jì)理念的貫徹落實(shí)要求設(shè)計(jì)人員同樣參與到施工安全管理中來(lái)，在設(shè)計(jì)階段便開(kāi)始對(duì)后期施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，并采取能夠降低甚至消除安全風(fēng)險(xiǎn)的有效措施，從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全生命周期安全管理的目標(biāo)，這要求設(shè)計(jì)不僅能滿足最終使用的需求，還能增強(qiáng)建造過(guò)程中的施工安全性和可施工性。

基于Revit 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，借助Autodesk Revit、Microsoft Visual Studio 等相關(guān)三維建模工具及開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用C#編程語(yǔ)言，本文提出了一種對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化審查，高效識(shí)別施工安全風(fēng)險(xiǎn)，以便進(jìn)一步采取規(guī)范或改進(jìn)設(shè)計(jì)的措施的方法。最后，結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行了分析，論證了該方法的可行性，這無(wú)疑是一種更加科學(xué)化、信息化、自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)安全設(shè)計(jì)理念的思路，可有效減少人工識(shí)圖的理解差異，即使是施工經(jīng)驗(yàn)不是很豐富的設(shè)計(jì)人員，也能夠進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別工作，并使設(shè)計(jì)有利于保障施工安全事故的發(fā)生。

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