基于BIM的建筑施工AIHS系統(tǒng)設(shè)計

梁津源 王麗 楊雪韻

摘?要：BIM技術(shù)因其可視性、模擬性、協(xié)同性等優(yōu)勢，在建筑施工安全智能管理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文在本質(zhì)安全的原則指導(dǎo)下，基于專家系統(tǒng)，提出了基于BIM的建筑施工危險源自動辨識（AIHS）系統(tǒng)的建設(shè)概念。其中充分發(fā)掘BIM模型識別和數(shù)據(jù)信息分析和提取，實(shí)現(xiàn)了危險源的自動辨識和防護(hù)措施匹配，并且以良好的可視化形式展現(xiàn)。AIHS系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用成本低，能夠有效地提高施工安全管理水平，降低施工事故的發(fā)生概率。

關(guān)鍵詞：危險源辨識;專家系統(tǒng);BIM

基于BIM的建筑施工危險源自動辨識（AIHS）系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)BIM環(huán)境下危險源辨識自動化的工具。利用該系統(tǒng)，能夠?qū)IM建筑與安全控制措施設(shè)計方案進(jìn)行智能分析診斷。它通過專家系統(tǒng)在BIM環(huán)境中進(jìn)行模擬風(fēng)險分析，實(shí)現(xiàn)BIM模型識別、信息提取、工程反演、危險源辨識和防護(hù)措施匹配等功能，極大地提高了施工中安全設(shè)計的科學(xué)性和全面性。

1?建筑施工AIHS系統(tǒng)模型分析

建筑施工AIHS系統(tǒng)是基于BIM二次開發(fā)使用的輔助性工具，系統(tǒng)功能主要有BIM建筑模型數(shù)據(jù)分析和提取、危險源辨識、防護(hù)措施設(shè)計。針對種類繁多的危險源，AIHS需要對其進(jìn)行有效整合和分類，才能夠提高使用效率和數(shù)據(jù)利用率。本文對整個建筑施工AIHS系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、專家系統(tǒng)和系統(tǒng)功能進(jìn)行了設(shè)計和分析。

1.1?AIHS系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

AIHS系統(tǒng)從BIM建筑設(shè)計模型出發(fā)，通過BIM二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的提取，并在專家系統(tǒng)內(nèi)部完成基于語義網(wǎng)的施工危險源辨識和防護(hù)措施匹配，最終將結(jié)果同步反饋至BIM平臺。利用BIM的族類建設(shè)，實(shí)現(xiàn)基于施工階段的防護(hù)措施可視化定位展示，落實(shí)施工安全設(shè)計與建筑設(shè)計同步進(jìn)行的要求。AIHS系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)層、功能層、應(yīng)用層和輸出層。

AIHS的數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)的執(zhí)行和功能實(shí)現(xiàn)提供必要數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)功能分類可以分為系統(tǒng)建設(shè)依據(jù)庫和系統(tǒng)運(yùn)行原始數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)建設(shè)依據(jù)庫包括施工安全防護(hù)庫、建筑工程庫和事故樹（FTA）分析庫。其中：

（1）施工安全防護(hù)庫主要支持系統(tǒng)防護(hù)措施匹配功能的實(shí)現(xiàn)。通過對危險源風(fēng)險性質(zhì)進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的措施管理，提高系統(tǒng)防護(hù)措施匹配的效率。

（2）建筑工程庫為系統(tǒng)提供了結(jié)構(gòu)與工程的基本關(guān)系，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對模型的工程反演推導(dǎo)，施工安全設(shè)計的4D化（3D+時間）建設(shè)和建筑施工全空間、全時間的風(fēng)險管理。

（3）FTA分析庫根據(jù)FTA分析的結(jié)果為專家系統(tǒng)語義網(wǎng)建設(shè)提供知識支持并作為危險源辨識功能的理論依據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行原始數(shù)據(jù)庫主要指BIM模型庫，通過BIM二次開發(fā)功能提取建筑信息，作為原始數(shù)據(jù)保存到專家系統(tǒng)中。

AIHS系統(tǒng)的功能層主要指專家系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)功能，專家系統(tǒng)內(nèi)部主要分為BIM信息處理模塊、建筑信息分析模塊、危險源辨識模塊、防護(hù)措施匹配模塊和信息轉(zhuǎn)換輸出模塊：

（1）BIM信息處理模塊對BIM模型庫所提供的初步信息進(jìn)行處理，提取和保留所需的基本數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求計算得出二級數(shù)據(jù)，即由原始數(shù)據(jù)計算得出該系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)。

（2）建筑分析模塊基于BIM信息處理模塊結(jié)果，對建筑的信息如樓層信息、建筑高度、建筑工程等進(jìn)行計算和推理。

（3）危險源辨識模型基于FTASN（事故樹—語義網(wǎng)）模型，利用建筑分析信息和BIM模型處理信息，根據(jù)事故樹—語義網(wǎng)的推理機(jī)理，識別危險源，確定其風(fēng)險、工程時間段、3D位置和尺寸。

（4）防護(hù)措施匹配模塊在風(fēng)險分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)措施失效的原則展開FTASN分析，計算尺寸，實(shí)現(xiàn)防護(hù)措施匹配。

（5）信息轉(zhuǎn)換輸出模塊是將專家系統(tǒng)最終得到的風(fēng)險管理結(jié)果轉(zhuǎn)換至適用于BIM平臺的功能，確定信息輸出和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化。

AIHS的應(yīng)用層是指各模塊內(nèi)部的具體功能子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)作為專家系統(tǒng)事實(shí)庫、知識庫、推理庫的具體表現(xiàn)，支持著功能實(shí)際執(zhí)行。輸出層主要為BIM平臺的可視化，其功能包括防護(hù)措施族類建設(shè)、措施定位和尺寸確定、施工階段匹配4D實(shí)現(xiàn)設(shè)計。

1.2?基于FTASN的專家系統(tǒng)模型

專家系統(tǒng)作為AIHS系統(tǒng)的核心，利用語義的手段代替了實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，從語義網(wǎng)的角度模擬和推理了施工過程中危險源的產(chǎn)生和識別。在傳統(tǒng)的現(xiàn)場安全檢查中，危險源一般以實(shí)體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，在BIM環(huán)境中實(shí)現(xiàn)施工各階段的建模成本較大。而在語義網(wǎng)中，通過建立結(jié)構(gòu)與工程時間節(jié)點(diǎn)、危險源與工程時間節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)理論上的4D建模。于該4D環(huán)境中通過專家系統(tǒng)模擬專家的安全檢查工作，可實(shí)現(xiàn)基于BIM的建筑施工危險源辨識。

AIHS專家系統(tǒng)執(zhí)行模型以FTASN模型作為理論基礎(chǔ)。將事故類型作為FTA的頂事件，基于風(fēng)險模式研究中間事件，并將人的行為模式整合入風(fēng)險中。根據(jù)整合后的風(fēng)險類型，進(jìn)行相關(guān)風(fēng)險消減措施匹配，即危險源安全防護(hù)措施匹配，并做尺寸分析。專家系統(tǒng)的事實(shí)庫由建筑信息、結(jié)構(gòu)信息和施工工程階段信息動態(tài)組成，在推理機(jī)的作用下，通過知識庫進(jìn)行整合及表達(dá)，為知識庫規(guī)則的執(zhí)行提供有力的支撐。

1.3?AIHS系統(tǒng)功能分析

建筑施工AIHS系統(tǒng)的主要功能包括：

（1）BIM溝通：AIHS在核心系統(tǒng)和BIM平臺之間通過BIM的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)BIM的數(shù)據(jù)提取和系統(tǒng)結(jié)果反饋以及基于工程反演結(jié)果的階段性可視化報告。

（2）數(shù)據(jù)處理分析：通過在建設(shè)階段的知識BIM化處理，專家系統(tǒng)具有在BIM環(huán)境下執(zhí)行和分析的能力，能夠?qū)Σ寮斎氲腂IM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

（3）工程反演：基于施工工程—結(jié)構(gòu)—危險源的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)理論化4D模型。

（4）風(fēng)險管理：利用FTASN模型，實(shí)現(xiàn)危險源識別和防護(hù)措施匹配，做到風(fēng)險再整合，從而提高系統(tǒng)的效率。

（5）安全防護(hù)信息顯示：通過輸出模塊實(shí)現(xiàn)防護(hù)措施基于BIM平臺的可視化，確定防護(hù)措施的3D位置、尺寸，并將工程反演根據(jù)工程時間軸形成4D展示模型。

2?專家系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的建設(shè)

AIHS的專家系統(tǒng)關(guān)鍵模塊主要包括建筑分析模塊、危險源辨識模塊和防護(hù)措施匹配模塊。各模塊的建設(shè)包括創(chuàng)建階段、推理階段、優(yōu)化階段和修改階段，主要是利用語義網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)手段對知識表示分規(guī)則塊進(jìn)行程序設(shè)計，再根據(jù)模塊功能和特點(diǎn)利用推理機(jī)確定模塊內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。各模塊要保留修改空隙，即系統(tǒng)執(zhí)行后，可以根據(jù)運(yùn)行的結(jié)果分析和知識的更新對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和修改，以延長系統(tǒng)壽命。

2.1?建筑分析模塊

建筑分析模塊的功能是將BIM環(huán)境中的建筑信息轉(zhuǎn)換為語義環(huán)境中的建筑信息，對信息的價值進(jìn)行判斷，篩選系統(tǒng)可匹配信息，并進(jìn)行初步的信息處理，為后續(xù)功能模塊提供語義環(huán)境適用的信息數(shù)據(jù)。

建筑分析模塊的理論基礎(chǔ)包括工程反演理論和風(fēng)險分析需求數(shù)據(jù)推算。其中工程反演理論是基于建筑施工專家知識和傳統(tǒng)實(shí)際建筑施工計劃案例總結(jié)確定的結(jié)構(gòu)—工程節(jié)點(diǎn)關(guān)系，推算公式則是基于FTASN模型并總結(jié)和整合系統(tǒng)風(fēng)險分析中需要的數(shù)據(jù)所確定的，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)計算推理模塊提供規(guī)則依據(jù)。建筑分析模塊在獲取BIM信息后，通過信息初步整理模塊、數(shù)據(jù)計算推理模塊、工程反演匹配模塊的推理，保存最終分析結(jié)果于建筑施工信息庫中，等待系統(tǒng)其余模塊的激活。

2.2?危險源辨識模塊

危險源辨識模塊的功能主要為根據(jù)BIM環(huán)境中的建筑模型，識別建筑施工工程所有階段由建筑結(jié)構(gòu)自身原因所導(dǎo)致產(chǎn)生的危險源。

危險源辨識模塊的建設(shè)支撐包括基于FTA分析的風(fēng)險再分類研究、結(jié)構(gòu)—危險源—工程節(jié)點(diǎn)關(guān)系研究以及信息庫BIM化處理研究。在這些支撐研究和知識信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建FTASN語義網(wǎng)，依據(jù)語義網(wǎng)進(jìn)行專家系統(tǒng)建設(shè)。危險源辨識模塊在接受建筑分析模塊的建筑信息后，根據(jù)結(jié)構(gòu)—危險源—工程節(jié)點(diǎn)關(guān)系規(guī)則，確定BIM圖元在某施工工程階段的危險源類別。同時基于FTA分析結(jié)果確定風(fēng)險類型，根據(jù)不同類型的風(fēng)險進(jìn)行重新分類。

2.3?防護(hù)措施匹配模塊

防護(hù)措施匹配模塊的功能是智能的對危險源提出風(fēng)險管理方案，確定防護(hù)措施在BIM環(huán)境中的位置和具體要求尺寸。AIHS的防護(hù)措施匹配是基于風(fēng)險的再分類實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)防護(hù)措施消緩風(fēng)險的功能特點(diǎn)，對防護(hù)措施與風(fēng)險進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)更高效地本質(zhì)風(fēng)險管理。

防護(hù)措施匹配模塊的建設(shè)支撐包含基于FTA分析的風(fēng)險防護(hù)規(guī)則研究、BIM化處理信息庫研究及危險源相關(guān)圖元與防護(hù)措施路徑關(guān)系算法研究?；谶@些支撐研究和知識信息建立FTASN語義網(wǎng)。防護(hù)措施匹配模塊根據(jù)風(fēng)險類型匹配措施。由于部分結(jié)構(gòu)需要特殊防護(hù)，對這類結(jié)構(gòu)則需要優(yōu)先進(jìn)行措施匹配。排除特殊要求防護(hù)措施的匹配后，根據(jù)風(fēng)險和防護(hù)措施匹配關(guān)系匹配一般防護(hù)措施，再根據(jù)路徑關(guān)系算法確定防護(hù)措施的定位以及特殊尺寸，并將最終結(jié)果保存到危險源信息庫中。

3?BIM可視化安全設(shè)計

BIM的可視化優(yōu)勢，為AIHS的結(jié)果展示提供了更好的平臺。將執(zhí)行結(jié)果反饋到BIM，實(shí)現(xiàn)基于工程反演的防護(hù)措施可視化、同步施工安全設(shè)計與建筑設(shè)計、簡化圖紙的閱讀難度并方便二次設(shè)計。要實(shí)現(xiàn)AIHS基于BIM的結(jié)果可視化，需要在BIM平臺完成防護(hù)措施族類的建設(shè)、構(gòu)件定位和尺寸設(shè)置，

3.1?防護(hù)措施族類建設(shè)

在BIM環(huán)境中，模型的基本繪圖單元是圖元。圖元根據(jù)種類組成類別，即BIM族，也稱為構(gòu)件族。BIM族通常分為常規(guī)構(gòu)件族和特定構(gòu)件族。在Autodesk?Revit中（以下簡稱Revit），可以直接利用的族均有分類。在通過體量假設(shè)族時，需要根據(jù)設(shè)計圖元類型選擇公制模板。不同類型的族在項目模型使用中，可選擇修改的尺寸不同，因此防護(hù)措施族類的建設(shè)首先需要根據(jù)防護(hù)措施的基本結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類。

通過對防護(hù)措施基于基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，與Revit系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)可的族類別進(jìn)行匹配確認(rèn)，確定該防護(hù)措施的圖元的具體建設(shè)方法。由于Revit中BIM圖元的尺寸設(shè)置并不相同，不同的族類的所需輸入的尺寸類型不同，因此，在防護(hù)措施族類建設(shè)完成后，統(tǒng)計所有防護(hù)措施的尺寸設(shè)置模板，根據(jù)尺寸設(shè)置模板的類型對措施進(jìn)行再分類，以便實(shí)現(xiàn)在結(jié)果輸出時的批量性和匹配性。

3.2?BIM構(gòu)件的定位和尺寸設(shè)置

Revit中圖元的構(gòu)建是通過繪制路徑和設(shè)置立面來實(shí)現(xiàn)的。在AIHS中，ID具有十分重要的意義，它是AIHS能在BIM環(huán)境外處理信息并反饋結(jié)果的橋梁。在Revit中，每一個圖元、路徑、點(diǎn)都有自己的ID，這為防護(hù)措施的路徑繪制提供了可能性：AIHS的專家系統(tǒng)將分析結(jié)果通過插件將危險源相關(guān)圖元ID和防護(hù)措施類型提供給Revit，根據(jù)圖元的ID號，插件分析識別其路徑ID，利用防護(hù)措施路徑和圖元路徑關(guān)系算法，確定最終的位置和尺寸。防護(hù)措施路徑和圖元路徑關(guān)系算法是指兩者之間的映射原則。插件通過該算法，根據(jù)提取的圖元路徑自動選擇防護(hù)措施的路徑。利用BIM平臺自身的繪制功能，降低專家系統(tǒng)內(nèi)部對不同形狀、不同尺寸的危險源進(jìn)行處理的難度。

立面在Revit中的具體尺寸條件名稱有：底部標(biāo)高、底部限制、底部偏移、頂部標(biāo)高、頂部限制、頂部偏移。立面尺寸是決定3D模型Z軸的數(shù)值。由于軟件內(nèi)的名稱存在名異義同的情況，例如底/頂部標(biāo)高和底/頂部限制都是表達(dá)圖元最底部或最頂部參考的標(biāo)高，而專家系統(tǒng)內(nèi)部為了提高效率只做整合，不做分類，因此需要插件在數(shù)據(jù)輸入BIM時實(shí)現(xiàn)尺寸名稱還原。

由上述得到AIHS系統(tǒng)中BIM構(gòu)件的定位和尺寸設(shè)置進(jìn)行模型建設(shè)，確定防護(hù)措施BIM族、圖原路徑ID，并基于路徑關(guān)系算法確定措施路徑ID，最終將需要建設(shè)的防護(hù)措施的數(shù)據(jù)信息反饋給BIM平臺，實(shí)現(xiàn)可視化功能。

3.3?基于工程反演的4D模型建設(shè)

4D模型是BIM應(yīng)用的一個重要方向，它將施工進(jìn)度管理作為時間軸與BIM?3D模型形成四維空間。AIHS系統(tǒng)的4D模型主要實(shí)現(xiàn)工程反演結(jié)果的可視化。通過工程反演對BIM模型進(jìn)行自動工程分析得到的時間類結(jié)果有如下兩類：

（1）建筑各結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生工程階段;

（2）建筑施工中危險源的產(chǎn)生工程階段。

鑒于建筑結(jié)構(gòu)的施工與危險源的防護(hù)是基于同一工程時間軸的3D模型，因此AIHS系統(tǒng)的4D模型能夠同時實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度管理和施工風(fēng)險管理。

AIHS實(shí)現(xiàn)了將整個施工進(jìn)度及安全管理流程預(yù)先化，即在實(shí)際施工過程之前，完成預(yù)設(shè)計，系統(tǒng)地把控整個施工過程中可能的風(fēng)險，并且通過4D模型的計算機(jī)模擬，能夠提前檢查施工中存在的問題，對計劃進(jìn)行全面優(yōu)化。

結(jié)語

建筑施工危險源自動辨識（AIHS）系統(tǒng)是集可視化設(shè)計平臺、插件和專家系統(tǒng)的集合，滿足建筑設(shè)計與施工安全設(shè)計同步進(jìn)行的要求。本文從層次結(jié)構(gòu)、專家系統(tǒng)核心模塊和系統(tǒng)功能等方面出發(fā)，對AIHS系統(tǒng)做系統(tǒng)化設(shè)計，并針對專家系統(tǒng)的建筑分析模塊、危險源辨識模塊、防護(hù)措施匹配模塊提出了構(gòu)成模型及建設(shè)模型。最終，在系統(tǒng)結(jié)果展示模塊的建設(shè)中，提出4D模型的建設(shè)理論，指明建設(shè)關(guān)鍵。該系統(tǒng)使用語義的方法進(jìn)行建筑分析和風(fēng)險分析，降低了BIM輸出建設(shè)模型多方面信息的技術(shù)難度;利用強(qiáng)化專家系統(tǒng)的功能，提升了系統(tǒng)整體的智能化水平。該過程從風(fēng)險分析的本質(zhì)性知識入手，探索危險源辨識和防護(hù)措施匹配的本質(zhì)原理，使系統(tǒng)更高效。從應(yīng)用層面上看，本系統(tǒng)優(yōu)化了施工安全管理的傳統(tǒng)流程，有效提高建筑施工安全管理信息化、智能化水平。

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基金項目：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重特大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目（hubei00042017AQ）

作者簡介：梁津源（1998—?），男，漢族，廣東高州人，碩士，研究方向：安全管理信息技術(shù)。