基于BIM模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查方法研究

張吉松，趙麗華，崔英輝，任國(guó)乾，李海江

基于BIM模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查方法研究

張吉松1，趙麗華1，崔英輝1，任國(guó)乾2，李海江2

(1. 大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2. 卡迪夫大學(xué)工學(xué)院，英國(guó)威爾士 卡迪夫 CF24 3AA)

建筑信息模型(BIM)作為建筑工程的數(shù)字化表達(dá)，正在成為實(shí)現(xiàn)建筑全生命期信息化、工業(yè)化和智能化的重要手段。以BIM模型作為設(shè)計(jì)交付成果是未來(lái)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。然而，現(xiàn)階段建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的審查工作還是以人工手動(dòng)審查為主，普遍存在主觀、效率偏低且易出差錯(cuò)等問(wèn)題。因此，以框架結(jié)構(gòu)模型審查為實(shí)例，通過(guò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)方法解析BIM模型數(shù)據(jù)，采用Java編程轉(zhuǎn)譯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條文，提出一種基于BIM模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查方法。實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括：①模型準(zhǔn)備與信息映射；②規(guī)范條款分類和轉(zhuǎn)譯；③建立連接和代碼執(zhí)行。結(jié)果表明：該方法可以部分實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的自動(dòng)化審查，提高了設(shè)計(jì)審查工作的科學(xué)性、可靠性和規(guī)范性，為今后全面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)審查的自動(dòng)化和智能化提供了技術(shù)基礎(chǔ)和參考方法。

建筑信息模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；合規(guī)性審查；關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；Java

建筑信息模型(building information modelling，BIM)是建設(shè)項(xiàng)目全生命期(設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維)信息的數(shù)字化表達(dá)與共享方法，在許多國(guó)家和地區(qū)工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。BIM作為信息技術(shù)與工程建設(shè)過(guò)程深度融合的技術(shù)基礎(chǔ)，是推動(dòng)建筑業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的重要載體，對(duì)于促進(jìn)傳統(tǒng)建設(shè)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，世界各地對(duì)BIM的應(yīng)用率要求越來(lái)越高。以英國(guó)為例，從2016年開(kāi)始所有政府投資公建項(xiàng)目必須采用3D BIM技術(shù)來(lái)協(xié)同交付項(xiàng)目[1]。我國(guó)住建部在2015年印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提倡在新建項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)中廣泛應(yīng)用BIM技術(shù)。上海市要求到2020年新建政府投資項(xiàng)目在規(guī)劃施工階段應(yīng)用BIM比例不低于60%[2]。我國(guó)很多城市也采用多項(xiàng)措施推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用，要求在建筑設(shè)計(jì)中交付BIM模型作為工程設(shè)計(jì)成果。

然而，全面推進(jìn)BIM技術(shù)落地遇到很多瓶頸。其中重要原因之一是設(shè)計(jì)成果由傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，給施工圖審查(即三維模型審查)帶來(lái)了相當(dāng)大的難度，因?yàn)槿S模型審查涉及技術(shù)、管理、法律法規(guī)等多個(gè)層面問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一種被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于BIM合規(guī)性審查主要集中在以下幾個(gè)方面[3]：①BIM模型審查軟件或插件應(yīng)用。典型的軟件包括SMC (Solibri Model Checker)，SMARTcodes，EDM Model Checker，F(xiàn)ORNAX和EXPRESS Data Manager。這些軟件大都無(wú)法按照用戶自己設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行審查，只能在軟件提供的框架下修改規(guī)則實(shí)現(xiàn)審查。②基于決策表的方法，該方法將規(guī)范條款轉(zhuǎn)換成多個(gè)基于邏輯的決策表并實(shí)現(xiàn)審查，如FENVES[4]提出將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范轉(zhuǎn)化成涵蓋“條件”和“行動(dòng)”的決策表。③基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)或?qū)ο箨P(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的方法。如YOU和YANG[5]將STEP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(structured query language，SQL)數(shù)據(jù)庫(kù)；KANG和LEE[6]提出基于工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation class，IFC)的對(duì)象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理模型信息。④基于語(yǔ)義規(guī)則的方法。采用Ontology進(jìn)行查詢和推理模型是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，如文獻(xiàn)[7]采用Ontology來(lái)表示IFC，提出EXPRESS-to-OWL具體轉(zhuǎn)換方法，給出了ifcOWL Ontology的構(gòu)建方法；文獻(xiàn)[8]提出了一種基于Ontology的建設(shè)領(lǐng)域知識(shí)的語(yǔ)義組織和結(jié)構(gòu)化方法。以上4種方法都是基于分析IFC實(shí)體、對(duì)象或EXPRESS為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。

EASTMAN等[9]在2009年提出基于BIM的規(guī)則檢查的4個(gè)步驟：①規(guī)則解釋(規(guī)范轉(zhuǎn)譯)并在邏輯上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類；②BIM模型建立和準(zhǔn)備；③規(guī)則執(zhí)行；④生成審查報(bào)告。其中最核心且最難的步驟是規(guī)范轉(zhuǎn)譯，原因?yàn)椋孩傥覈?guó)的規(guī)范體系龐大，數(shù)量眾多，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，直接或間接涉及的規(guī)范超過(guò)50本以上，對(duì)于整個(gè)規(guī)范知識(shí)的抽取和轉(zhuǎn)譯必然是一個(gè)巨大的工程；②設(shè)計(jì)領(lǐng)域的知識(shí)(規(guī)范條文)可以分為“顯式”和“隱式”，而“隱式”的規(guī)范條文較難直接轉(zhuǎn)譯，有時(shí)還包含很多“模糊語(yǔ)言”；③設(shè)計(jì)知識(shí)碎片化，設(shè)計(jì)規(guī)范條文相互關(guān)聯(lián)和層層嵌套，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)互相矛盾的設(shè)計(jì)條款。規(guī)范轉(zhuǎn)譯的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)條款的分類和表達(dá)。

因此，本文基于國(guó)內(nèi)外合規(guī)性審查的研究現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的實(shí)際情況，探索一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范重新分類(條文直接轉(zhuǎn)譯和轉(zhuǎn)述后轉(zhuǎn)譯)的方法，并且通過(guò)解析BIM模型中的IFC文件，構(gòu)建了從IFC建模語(yǔ)言EXPRESS到Java語(yǔ)言再到My SQL數(shù)據(jù)類型的映射規(guī)則，并運(yùn)用Java進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條款的表達(dá)和轉(zhuǎn)譯，提出一種基于BIM模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查方法。

1 模型建立與信息提取

1.1 BIM模型準(zhǔn)備

BIM模型準(zhǔn)備對(duì)于審查結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。如果模型過(guò)于簡(jiǎn)單，未包含必要的相關(guān)信息，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位的審查；如果模型過(guò)于精細(xì)復(fù)雜，則容量過(guò)于龐大，會(huì)導(dǎo)致審查效率的低下。因此，以審查為目的的模型應(yīng)遵循“適度”的原則。一般情況下，可以采用從結(jié)構(gòu)分析軟件(例如PKPM，Midas等)中導(dǎo)入Revit的方法進(jìn)行，或直接在Revit中建立模型。本文采用在Revit中的“結(jié)構(gòu)”建立一個(gè)框架結(jié)構(gòu)模型，材料為鋼筋混凝土，3層(每層層高4 m)，柱網(wǎng)6 m×6 m (3跨，框架總長(zhǎng)和寬為18 m×18 m)，包括16個(gè)框架柱(柱截面500 mm×500 mm)，框架梁截面尺寸為300 mm× 700 mm。模型建好后導(dǎo)入Robot Structural Analysis軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并將含有配筋的框架結(jié)構(gòu)模型作為本研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查的模型，如圖1所示。

圖1 BIM模型建立

1.2 EXPRESS向關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)映射規(guī)則構(gòu)建

為增強(qiáng)互操作性，BIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用IFC作為中性文件交換標(biāo)準(zhǔn)。IFC源于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(standard for the exchange of product model data，STEP)，采用EXPRESS形式化數(shù)據(jù)語(yǔ)言(STEP中的PART11)來(lái)描述產(chǎn)品，借鑒面向?qū)ο蟮姆椒▽?shù)據(jù)組織成有等級(jí)關(guān)系的類，以繼承、多型、封裝、抽象、參照等各種不同的關(guān)系來(lái)描述數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性。因此，IFC文件語(yǔ)法適合在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)的傳輸，任意EXPRESS語(yǔ)法都能映射到交換結(jié)構(gòu)的語(yǔ)法中去。

EXPRESS數(shù)據(jù)類型[10]包括：①簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型(數(shù)值型NUMBER、實(shí)數(shù)形REAL、整數(shù)型INTEGER、邏輯型LOGICAL、布爾型BOOLEAN、字符串型STRING、二進(jìn)制型BINARY)；②聚合數(shù)據(jù)類型(數(shù)組ARRAY、列表LIST、包BAG和集SET)；③命名數(shù)據(jù)類型(實(shí)體數(shù)據(jù)類型ENTITY和定義數(shù)據(jù)類型TYPE)；④構(gòu)造數(shù)據(jù)類型(枚舉ENUMERATION和選擇SELECT數(shù)據(jù)類型)。

為了實(shí)現(xiàn)BIM模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，本研究建立了EXPRESS語(yǔ)言向關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的映射規(guī)則。EXPRESS語(yǔ)言具有 “實(shí)體、關(guān)系(繼承)和數(shù)據(jù)” 3個(gè)特點(diǎn)。其中實(shí)體可以映射為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中一張表格，表中每一行數(shù)據(jù)代表某一個(gè)具體的實(shí)體，每一列代表實(shí)體的某個(gè)屬性，實(shí)體屬性值可以是數(shù)據(jù)，也可以關(guān)聯(lián)到其他的實(shí)體。繼承關(guān)系(主要指實(shí)體之間)可以通過(guò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的“外鍵”方式(類型ID)，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的另一張表進(jìn)行關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)類型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)類型可以直接找到對(duì)應(yīng)關(guān)系，并直接映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。為了保留EXPRESS數(shù)據(jù)類型更多的語(yǔ)義信息，需要對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型加一些值域限制，如限制枚舉類型的取值范圍在枚舉表范圍之內(nèi)。EXPRESS數(shù)據(jù)類型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的映射對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 EXPRESS向關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)映射規(guī)則

1.3 映射到Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)

映射規(guī)則建立完畢，就可將BIM模型中實(shí)體、關(guān)系(繼承)和數(shù)據(jù)等信息映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。BIM模型中的實(shí)體(如梁、板、柱等)映射后為一張或幾張表(梁表，板表、柱表等)。每種實(shí)體的具體實(shí)體(如具體某根柱子)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)著相應(yīng)表格中的一行數(shù)據(jù)。某個(gè)具體實(shí)體的屬性，對(duì)應(yīng)著表格中的一列數(shù)據(jù)。以某根梁為例，在IFC文件中可描述為：#168= IFCBEAM ('24BByyjcz3bwE4fWzP qSXt',#41,'Concrete-Rectangular Beam:300×600 mm:423263',$,'Concrete-Rectangular Beam:300×600 mm', #135,#164,'423263')，該實(shí)體描述共包含8項(xiàng)，依次為：IfcGloballyUniqueId，IfcOwnerHistory，Name，Description， ObjectType， IfcObjectPlacement，IfcProductRepresentation和IfcIdentifier。其中IfcOwnerHistory，IfcObjectPlacement和IfcProductRepresentation 3項(xiàng)在IFC文件中分別關(guān)聯(lián)到實(shí)體#41，#135和#164進(jìn)行詳細(xì)描述，映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)后以“外鍵”方式與另一張表進(jìn)行關(guān)聯(lián)。此外，其余的5項(xiàng)描述例如IfcIdentifier均以表格中的具體一列表示。

以柱子為例，在IFC文件中是一個(gè)實(shí)體，即IfcColumn，導(dǎo)入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)后該柱子實(shí)體對(duì)應(yīng)為結(jié)構(gòu)柱表。在導(dǎo)入的關(guān)系庫(kù)中點(diǎn)擊該結(jié)構(gòu)柱表后，可以看到表中數(shù)據(jù)如圖2所示。取結(jié)構(gòu)柱表中ID(即IfcIdentifier)為460642的柱為例，可以看到表中估計(jì)的鋼筋體積數(shù)據(jù)為0.011 991 46 m3，及該實(shí)體包含的其余屬性信息，如對(duì)應(yīng)實(shí)體的類型ID、體積、結(jié)構(gòu)材質(zhì)、標(biāo)高、保護(hù)層厚度和長(zhǎng)度等相關(guān)信息。接著打開(kāi)Revit，點(diǎn)擊管理項(xiàng)中的“按ID選擇”項(xiàng)，輸入460642進(jìn)行搜索，從查詢結(jié)果中可以看出，Revit軟件顯示的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)估計(jì)的鋼筋體積為11 991.46 cm3與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的0.011 991 46 m3結(jié)果一致，說(shuō)明BIM模型在導(dǎo)入關(guān)系關(guān)鍵庫(kù)的過(guò)程中數(shù)據(jù)保存準(zhǔn)確。在BIM模型中導(dǎo)出的IFC文件中可以看出，本研究建立的框架結(jié)構(gòu)模型共包含200多個(gè)實(shí)體，因此映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中也有200多個(gè)表格。但是有很多表格是空表(如梁IFC文件中第4項(xiàng)“$”，表示為空)，從信息的查詢和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查的角度來(lái)看，可以忽略部分相關(guān)信息。因此，本研究的結(jié)構(gòu)主要規(guī)范條文與BIM模型實(shí)體具有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)體信息提取和規(guī)則編寫(xiě)，如柱、梁、板、鋼筋等實(shí)體，這些實(shí)體可以在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相關(guān)的表格，本研究后續(xù)Java轉(zhuǎn)譯的規(guī)范條文也基于這些實(shí)體。

圖2 映射后結(jié)構(gòu)柱表信息

2 規(guī)范轉(zhuǎn)譯

2.1 規(guī)范條款分類和選取

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，依據(jù)的規(guī)范有：《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11](GB 50010-2010，簡(jiǎn)稱《混規(guī)》)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[12](GB 50011-2010，簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等。前文提到，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的規(guī)范較多且存在較難直接轉(zhuǎn)譯的條文。因此本研究在轉(zhuǎn)譯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的過(guò)程中，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條款重新分成以下幾類：①規(guī)范條文與BIM模型實(shí)體具有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以直接轉(zhuǎn)譯。例如《混規(guī)》第9章和第11章都有關(guān)于“梁”構(gòu)件的各種構(gòu)造要求和規(guī)定，可以直接對(duì)應(yīng)BIM模型中的梁實(shí)體(IFCBEAM)以及與其關(guān)聯(lián)的各種實(shí)體；②規(guī)范條文與BIM模型實(shí)體具有間接對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用同等含義的“轉(zhuǎn)述”表達(dá)后，也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)譯。例如《混規(guī)》第4.1.2條規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20，該條款可以轉(zhuǎn)述為“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱等構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20”，進(jìn)而可以采用第一種方法(構(gòu)件與BIM模型實(shí)體對(duì)應(yīng))進(jìn)行轉(zhuǎn)譯；③規(guī)范條文與BIM模型實(shí)體沒(méi)有任何對(duì)應(yīng)關(guān)系，無(wú)法量化的條文，也無(wú)法直接轉(zhuǎn)譯，只能通過(guò)設(shè)計(jì)總說(shuō)明或查看結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)進(jìn)行人為判斷。如建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)，抗震設(shè)防類別等信息；④只能通過(guò)模型或計(jì)算書(shū)人為識(shí)別和判斷的信息。如結(jié)構(gòu)方案是否合理、經(jīng)濟(jì)，計(jì)算參數(shù)取值、周期比、位移比等等。因此，本文的研究范圍為可直接或間接對(duì)應(yīng)于BIM模型實(shí)體或關(guān)系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條款，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本規(guī)定、構(gòu)造措施和材料強(qiáng)度等條款。為了用較少篇幅闡述方法的有效性，本文從《混規(guī)》和《抗規(guī)》截取出10余個(gè)條款，見(jiàn)表2。以梁為例，在《混規(guī)》中選取6種不同類型的條款，分別是梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、最小保護(hù)層厚度、梁高與縱向鋼筋、梁高與箍筋、梁截面寬度、高寬比、跨高比和縱向鋼筋最小配筋率。需要注意的是，有些條款可以直接轉(zhuǎn)譯成計(jì)算機(jī)代碼，而有些條款需要轉(zhuǎn)述才能更方便地轉(zhuǎn)譯。如，《混規(guī)》第11.4.11條規(guī)定：“矩形截面框架柱，抗震等級(jí)為四級(jí)或?qū)訑?shù)不超過(guò)2層時(shí)，其最小截面尺寸不宜小于300 mm，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)且層數(shù)超過(guò)2層時(shí)不宜小于400 mm”，該條文可以轉(zhuǎn)述為：“抗震設(shè)計(jì)時(shí)鋼筋混凝土框架柱最小截面尺寸不宜小于300 mm (因?yàn)榭拐鸬燃?jí)分為四級(jí)，同時(shí)包含了層數(shù)低于或高于2層的任何情況)”，轉(zhuǎn)述后能夠更方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)譯。

2.2 轉(zhuǎn)譯規(guī)范條款

規(guī)范轉(zhuǎn)譯過(guò)程包括2個(gè)部分：規(guī)范條款的表示和審查算法的實(shí)現(xiàn)。規(guī)范條款的表示方法有：①?zèng)Q策表方法[4]，如早些年文獻(xiàn)[4]提出將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條款轉(zhuǎn)化成決策表，多個(gè)決策表可以構(gòu)成決策樹(shù)，最終設(shè)計(jì)出SASE系統(tǒng)；②基于規(guī)則的語(yǔ)言方法[13](rule-based language)，可將設(shè)計(jì)條款轉(zhuǎn)換成IF (條件)和THEN (行動(dòng))；③基于邏輯的方法[14-15](rule-based language)，主要是一階謂詞邏輯表示法；④基于對(duì)象表示法[16](object-oriented)，該方法建議采用信息模型和類等級(jí)(class hierarchies)表示規(guī)范，并將規(guī)范條款按照對(duì)象分成4個(gè)不同等級(jí)；⑤語(yǔ)義規(guī)則語(yǔ)言(semantic rule language)和Ontology的方法，如文獻(xiàn)[7]提出的ifcOWL Ontology構(gòu)建和轉(zhuǎn)換方法。

審查算法的實(shí)現(xiàn)一般在條款表示的基礎(chǔ)上，采用規(guī)則進(jìn)行推理，包括基于對(duì)象的語(yǔ)言編程方法、基于對(duì)象的參數(shù)檢驗(yàn)方法、語(yǔ)義網(wǎng)本體語(yǔ)言、SQL語(yǔ)言和基于邏輯查詢化語(yǔ)言等[17]。本研究采用Java編程的方法實(shí)現(xiàn)規(guī)范條款的表示，采用SQL結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)審查算法。SQL中的SELECT語(yǔ)句具有強(qiáng)大的查詢功能，只要數(shù)據(jù)庫(kù)存在的數(shù)據(jù)，總能通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵洳檎页鰜?lái)。SELECT語(yǔ)句進(jìn)一步分為SELECT，F(xiàn)ROM，WHERE和ORDER BY等子句，以便滿足不同的查詢功能。本文共轉(zhuǎn)譯規(guī)范條款50條，以《混規(guī)》第11.4.11(1)條為例，即“一、二、三級(jí)抗震等級(jí)且層數(shù)超過(guò)2層時(shí)，框架柱的截面尺寸不宜小于400 mm”進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，采用JAVA和SQL編寫(xiě)的具體代碼如圖3所示。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范轉(zhuǎn)譯條款(部分)

圖3 框架柱條款的轉(zhuǎn)譯

在圖3中，利用select的where子句實(shí)現(xiàn)對(duì)柱表的查詢結(jié)果進(jìn)行篩選，從“結(jié)構(gòu)表”和“結(jié)構(gòu)柱類型”中選擇截面尺寸小于400 mm的柱子類型并顯示其ID，其格式為 select from <結(jié)構(gòu)柱表或者結(jié)構(gòu)柱類型表> where<條件>，條件為“類型名稱”(即截面)小于400 mm的柱截面尺寸，其中substr為截取字符串函數(shù)，可以返回一個(gè)從指定位置開(kāi)始的指定長(zhǎng)度的子字符串。System.out.printIn為查詢后交互截面顯示的句子，例如“所有的結(jié)構(gòu)柱均符合柱截面寬度大于400 mm”和“不符合柱截面寬度大于400 mm的結(jié)構(gòu)柱ID有”等等。以某柱的審查為例，SQL語(yǔ)句為SELECT a.ID FROM`結(jié)構(gòu)柱` a LEFT JOIN `結(jié)構(gòu)柱類型` b ON b.ID = a.`類型 ID` WHERE SUBSTR (b.`類型名稱` FROM 1 FOR 3) < 400 OR SUBSTR (b.`類型名稱` FROM 5 FOR 3) < 400，其中可通過(guò)外鍵關(guān)系綁定結(jié)構(gòu)柱與結(jié)構(gòu)柱類型的連接，實(shí)現(xiàn)多表查詢。由于Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中一般表與表中間通常是經(jīng)過(guò)外鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)，所以本文在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時(shí)大量使用了SQL語(yǔ)句中的表連接語(yǔ)句，以體現(xiàn)IFC文件中實(shí)體之間關(guān)系的描述。

3 規(guī)范審查實(shí)現(xiàn)

3.1 Java代碼連接數(shù)據(jù)庫(kù)

為實(shí)現(xiàn)BIM模型按規(guī)范進(jìn)行審查，需要建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接(Java database connectivity，JDBC) JDBC是Java語(yǔ)言中訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序接口，提供查詢和更新數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)Java與Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，可以向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)起查詢請(qǐng)求并且能夠處理數(shù)據(jù)庫(kù)返回結(jié)果。

因此本文創(chuàng)建了一個(gè)JDBC連接數(shù)據(jù)庫(kù)的程序，即：①定義參數(shù)：包括用戶名、密碼、統(tǒng)一資源定位標(biāo)識(shí)和驅(qū)動(dòng)；②創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接：采用DriverManager的getConnectin方法傳入指定的欲連接的數(shù)據(jù)庫(kù)的路徑、數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶名和密碼，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)連接；③創(chuàng)建Statement實(shí)例：在執(zhí)行SQL語(yǔ)句之前，需要獲得Java.sql.statement實(shí)例，本研究采用執(zhí)行動(dòng)態(tài)SQL語(yǔ)句的Preparedstatement實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)；④執(zhí)行SQL語(yǔ)句：采用ExecuteQuery執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL語(yǔ)句，并返回一個(gè)結(jié)果集(ResultSet)對(duì)象；⑤遍歷結(jié)果集：執(zhí)行更新返回的是本次操作影響到的記錄數(shù)，執(zhí)行查詢返回的結(jié)果是一個(gè)ResultSet對(duì)象；⑥處理異常，關(guān)閉JDBC對(duì)象資源。具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 SQL語(yǔ)句的執(zhí)行

3.2 代碼執(zhí)行和結(jié)果顯示

實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查，即執(zhí)行規(guī)范審查代碼，需要一個(gè)進(jìn)入程序的主方法，在Test類下創(chuàng)建一個(gè)Main方法作為整個(gè)程序的入口。Main方法能夠調(diào)用規(guī)范審查的邏輯執(zhí)行代碼，以圖3所示規(guī)范轉(zhuǎn)譯后的SQL語(yǔ)句為例，實(shí)現(xiàn)的審查功能是框架柱的截面尺寸不宜小于400 mm，調(diào)用工具類JDBC執(zhí)行語(yǔ)句ExecuteQuery中的方法GetIds()可以實(shí)現(xiàn)查詢結(jié)果。

執(zhí)行SQL語(yǔ)句完成后，JDBC可以反饋一個(gè)查詢結(jié)果集，通過(guò)對(duì)查詢結(jié)果集的循環(huán)遍歷取出數(shù)據(jù)庫(kù)返回的結(jié)果。一般而言，返回結(jié)果后就可以在控制臺(tái)輸出規(guī)范審查結(jié)果?？刂婆_(tái)輸出的結(jié)果為所有的結(jié)構(gòu)柱均符合Test1方法中定義的規(guī)范審查語(yǔ)句，可通過(guò)Navicat數(shù)據(jù)庫(kù)可視化工具驗(yàn)證審查結(jié)果是否正確。通過(guò)查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)柱類型表，發(fā)現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)中只有一種結(jié)構(gòu)柱類型，截面尺寸為(500×500) mm2，滿足本文設(shè)定的規(guī)范審查條件截面尺寸大于400 mm，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)審查的功能，如圖5所示。同理，其余的審查也可以通過(guò)以上的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖5 查詢結(jié)果

4 分析與討論

本研究通過(guò)將BIM模型導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，采用JDBC將Java與Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)連接，運(yùn)用Java轉(zhuǎn)譯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范并編寫(xiě)邏輯判斷代碼，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查最基本的功能，只是一個(gè)初步的嘗試，今后還需要更多地研究和完善，現(xiàn)存問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和解決：

(1) BIM模型建立和準(zhǔn)備。精確、完整并且按照一定規(guī)則建立的模型是設(shè)計(jì)審查的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)是通過(guò)人的視覺(jué)(矩形線條輪廓和長(zhǎng)寬高比例)來(lái)判斷是一根“梁”還是一片“墻”，是“人”識(shí)別“構(gòu)件”。而基于對(duì)象的BIM模型是通過(guò)實(shí)體的類型和屬性來(lái)區(qū)分，是“計(jì)算機(jī)”識(shí)別“構(gòu)件”。因此，對(duì)于模型的建立要求會(huì)更嚴(yán)格，需要嚴(yán)格按照一系列建模要求來(lái)規(guī)范。建?？梢詤⒄辗诸惥幋a標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)OmniClass、英國(guó)Uniclass和我國(guó)《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，美國(guó)《GSA BIM Guide 02 – Spatial Program Validation》則給出了一些基于規(guī)則檢查的建模要求，可以作為我國(guó)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的參考。同時(shí)，基于審查目標(biāo)的設(shè)計(jì)模型精細(xì)度(level of details，LOD)和模型視圖定義(model view definition，MVD)是充分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化審圖的基礎(chǔ)，亟待開(kāi)發(fā)和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) BIM模型的輕量化和非規(guī)則構(gòu)件的信息提取問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)模型精細(xì)度的要求，很多復(fù)雜工程的BIM模型容量越做越大，相應(yīng)地帶來(lái)模型“輕量化”問(wèn)題，即如何保證模型最大限度的包含所有審查需要的相關(guān)信息，同時(shí)也能最小化模型容量，并依據(jù)規(guī)則適當(dāng)簡(jiǎn)化審查模型，是今后值得研究的問(wèn)題。另外，BIM模型中的所有構(gòu)件，并非獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)的柱梁板實(shí)體(即IFC的776個(gè)實(shí)體中沒(méi)有涵蓋的)，對(duì)該種類型的構(gòu)件，如何進(jìn)行審查是未來(lái)值得研究的問(wèn)題。

(3) 以設(shè)計(jì)審查為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范重新分類。我國(guó)的規(guī)范體系十分龐大，建筑法、施工圖文件審查制度和規(guī)范條文(強(qiáng)制性條文和一般性條文)構(gòu)成了我國(guó)規(guī)范實(shí)施的監(jiān)督體系，僅以一個(gè)專業(yè)為例(建筑或結(jié)構(gòu))，涉及的規(guī)范達(dá)數(shù)十本之多，這些規(guī)范不僅是“平行”的關(guān)系，在平行的同時(shí)又存在相互引用、嵌套等關(guān)系，轉(zhuǎn)譯工作量較大；對(duì)于包含“模糊語(yǔ)言”的“隱式”的規(guī)范條文較難直接轉(zhuǎn)譯，需要采用新技術(shù)和新方法進(jìn)行解釋和轉(zhuǎn)譯。因此，如何將這些規(guī)范整理成系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的、并且計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的“語(yǔ)言”，構(gòu)建設(shè)計(jì)審查專門的數(shù)據(jù)庫(kù)，是成功實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查的關(guān)鍵一步，也是今后長(zhǎng)期的研究方向。

(4) 規(guī)范條文的轉(zhuǎn)譯。規(guī)范條文的轉(zhuǎn)譯可以有很多種方法，如利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編碼方法和參數(shù)表法等。本研究?jī)H僅是眾多方法中的一種，只對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條款中可以直接轉(zhuǎn)譯的部分進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，還有很多模糊的、非客觀的條款暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)譯。如，對(duì)于規(guī)范中的“不宜”則較難轉(zhuǎn)譯。同時(shí)，對(duì)于有些信息無(wú)法包含在模型里的部分，如建筑抗震設(shè)防類別、建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、荷載的取值、計(jì)算模型的簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)的合理性(周期比、位移比、剛重比和剪力重比等)等還需要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明和計(jì)算書(shū)來(lái)進(jìn)行判斷，這些方面還需要國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

施工圖設(shè)計(jì)審查對(duì)于保障我國(guó)建設(shè)工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量起到了重要作用。BIM技術(shù)的出現(xiàn)使得今后施工圖審查由傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)向三維模型的審查，涉及涵蓋技術(shù)、管理、法律法規(guī)等多個(gè)層面的問(wèn)題。本研究旨在技術(shù)層面探討如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查，采用Java編程轉(zhuǎn)譯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條文的方法，將BIM模型導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，研究了基于BIM模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查方法，并以一個(gè)框架結(jié)構(gòu)模型審查實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性，研究成果可以為今后國(guó)家編制 BIM 相關(guān)設(shè)計(jì)審查成果標(biāo)準(zhǔn)提供參考和借鑒。然而，仍有如下的問(wèn)題有待解決：

(1) 規(guī)范條文的分類和轉(zhuǎn)譯方法的選擇十分重要。本文轉(zhuǎn)譯的設(shè)計(jì)條款大多數(shù)是“定量”化的條文，這些條文可以較容易地采用一定的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言和代碼，而對(duì)于大多數(shù)的“定性”條文和“隱式”條文，較難直接轉(zhuǎn)譯，或者需要將其近似地轉(zhuǎn)化為定量條文，或者采用人工識(shí)別的方式，這也是今后需要研究的重要方向之一。

(2) 按照不同用途定義結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型精細(xì)度和模型視圖。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)模型可以按照不同的用途進(jìn)行分類，如專門為審查提供的“設(shè)計(jì)審查模型”、用于結(jié)構(gòu)分析的“結(jié)構(gòu)分析模型”、用于造價(jià)分析的“概預(yù)算模型”和返給建筑師結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件的“結(jié)構(gòu)-建筑模型”、用于可持續(xù)分析的“綠色模型”等，可以極大地提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在各領(lǐng)域的應(yīng)用效率。

(3) 除模型以外的文件、表格數(shù)據(jù)對(duì)于審查可以起到很大的輔助作用。模型包含的信息有限，尤其是計(jì)算模型的取值、建筑抗震設(shè)防類別和建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)等一系列信息無(wú)法包含在模型中的，可以采用文件(例如計(jì)算書(shū)等)和數(shù)據(jù)表格的方式輔助審查。

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Code compliance checking of structural design based on BIM model

ZHANG Ji-song1, ZHAO Li-hua1, CUI Ying-hui1, REN Guo-qian2, LI Hai-jiang2

(1. School of Civil Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian Liaoning 116028, China; 2. Cardiff School of Engineering, Cardiff University, Cardiff CF24 3AA, UK)

Building information modeling (BIM), as the digital expression of construction engineering, is becoming an important means to realize the informatization, industrialization, and intelligence of the whole life of building. The utilization of BIM model as a design delivery represents the future trend of construction design. However, currently, the compliance checking of structural design is conducted manually, which tends to be subjective, inefficient and error-prone. As a result, this paper carried out a case study of the compliance checking of the frame structure, analyzed the BIM model data using the relational database, and employed Java programming to translate the provisions of structure design code, thereby proposing an approach to compliance checking of structural design based on the BIM model. The process can be divided into three main steps: ①M(fèi)odel preparation and information mapping; ② Provision classification and translation; ③Development of connection and code execution. The results show that the proposed method can partially realize the automatic compliance checking of structural design, improve the scientificity, reliability, and standardization of conformance checking, and provide a technical basis and alternative method for the automation and intelligence of code compliance checking in the future.

building information modelling; structural design; compliance checking; relational database; Java

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2021010133

A

2095-302X(2021)01-0133-08

2020-06-24；

24 June，2020；

2020-09-07

7 September，2020

遼寧省科技廳博士科研啟動(dòng)基金計(jì)劃項(xiàng)目(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)

：Ph.D Research StartupFoundation of Department of Science & Technology of Liaoning Province (2019-BS-041); Scientific Talents Breeding Foundation of Educational Department of Liaoning Province (JDL2019036);Fundamental Research Foundation of Educational Department of Liaoning Province (JDL 2019018)

張吉松(1983–)，男，遼寧鞍山人，講師，博士。主要研究方向?yàn)锽IM技術(shù)。E-mail：13516000013@163.com

ZHANG Ji-song (1983-), male, lecture, Ph.D. His main research interest covers BIM. E-mail：13516000013@163.com

趙麗華(1981–)，女，遼寧朝陽(yáng)人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)檐壍澜煌〝?shù)字化。E-mail：zhaolihua1015@126.com

ZHAO Li-hua (1981-), female, associate professor, Ph.D. Her main research interest covers digitalization of rail transit. E-mail：zhaolihua1015@126.com