基于BIM與本體技術(shù)的建筑圖規(guī)則審查方法研究

王維欣， 賈 婧， 桂柯樸， 高潔雅

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

建筑圖審查工作是工程質(zhì)量與安全的基礎(chǔ)保障，而建筑規(guī)范體系的復(fù)雜性、工程圖紙的規(guī)范性及審圖人員專業(yè)水平等因素長期制約圖紙審查工作.在建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化快速發(fā)展的背景下，自動化審圖可提高審查效率，提升勘察設(shè)計質(zhì)量管理水平.在《關(guān)于推進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等文件中對于數(shù)字化審查均有重要論述.企業(yè)界積極探索，在BIM審圖工具與平臺開發(fā)方面，針對關(guān)鍵性審查規(guī)則已有產(chǎn)業(yè)化軟件成果，并不斷提高規(guī)則覆蓋度，提升圖紙審查的自動化與智能化水平.

數(shù)字化審查基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)路線構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)探索及特定規(guī)范審查工具開發(fā)等方面取得很多成果.文獻(xiàn)[1-3]基于BIM、本體、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建自動審圖的技術(shù)路線.文獻(xiàn)[4-6]結(jié)合自然語言處理(natural language processing，NLP)、知識圖譜等探究規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化建模及模型數(shù)據(jù)的自動提取與校核.文獻(xiàn)[7-8]對消防、排水專業(yè)特定規(guī)則實現(xiàn)了自動校核.上述研究使得數(shù)字化審查在規(guī)則自動化提取、結(jié)構(gòu)化表達(dá)及BIM模型與規(guī)則整合方面進(jìn)展顯著.在此背景下，理論上可通過本體知識庫與BIM模型的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)合規(guī)性判斷.然而，我國建筑規(guī)范體系復(fù)雜，審圖規(guī)則的基礎(chǔ)信息呈多源異構(gòu)特征，除模型圖元參數(shù)外，還包括溫度、濕度、空間用途等多類型屬性信息.這使得在構(gòu)建BIM模型時難以將規(guī)范校核所需信息完整參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化，從而影響自動審圖的覆蓋度與精確度，導(dǎo)致審圖過程仍為人工主導(dǎo).除利用NLP抽取規(guī)范信息、本體知識庫構(gòu)建、BIM數(shù)據(jù)到本體數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換外，為BIM模型快速添加其缺失的規(guī)范校驗基礎(chǔ)信息對于優(yōu)化審圖系統(tǒng)、提高自動審圖工作效率具有重要意義.

已有研究多為基于特定商業(yè)軟件平臺下的BIM數(shù)據(jù)，面向有限規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的審圖功能的實現(xiàn)，尚未從審圖的機(jī)制與需求上逆向分析BIM數(shù)據(jù)的完整度及通用化推理規(guī)則的編制.本文以28個建筑設(shè)計及綠色建筑國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為研究對象，構(gòu)建規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)樣本庫.首先對樣本庫的規(guī)則按照強(qiáng)制性空間構(gòu)成、區(qū)域?qū)傩蚤撝?、?gòu)件屬性閾值、區(qū)域/構(gòu)件拓?fù)潢P(guān)系校驗進(jìn)行提取、分類、歸納，然后提煉規(guī)則編譯所需的信息，基于OpenBIM理念依托IFC4.3建立Express-G表達(dá)模型.在此基礎(chǔ)上，對照已有BIM模型信息，分析信息缺失，制定基于IFC擴(kuò)展的BIM模型缺失信息的補(bǔ)充方案，實現(xiàn)審圖規(guī)則的結(jié)構(gòu)化分析及相應(yīng)BIM數(shù)據(jù)映射的完整構(gòu)建.

1 審圖規(guī)則分析

審圖規(guī)則的系統(tǒng)化分析是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化的關(guān)鍵，也是規(guī)則編譯的分類基礎(chǔ).為了保證本研究的覆蓋度、代表性及可行性，選取了28個建筑設(shè)計及綠色建筑國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)形成分析樣本庫，進(jìn)行語義分析.樣本規(guī)范庫的構(gòu)成詳見表1.

表1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)樣本庫Table 1 Standard sample library

遍歷樣本庫后，提取樣本規(guī)則，對其特征進(jìn)行顯著度、覆蓋度分析，將規(guī)則劃分為空間構(gòu)成、區(qū)域?qū)傩蚤撝?、?gòu)件屬性閾值及區(qū)域/構(gòu)件拓?fù)潢P(guān)系校驗4個類型，進(jìn)行樣本規(guī)則的匯總.規(guī)則分類及其審查規(guī)則示例如表2所示.

表2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)樣本庫規(guī)則分類與示例Table 2 Rule categories & examples for standard sample libirary

將上述樣本規(guī)則中的主體及其數(shù)值閾值相應(yīng)定義為本體中的類、對象屬性及數(shù)值屬性.其中構(gòu)件概念、空間概念可作為本體中的類存在，空間關(guān)系或拓?fù)潢P(guān)系可作為對象屬性存在，空間或構(gòu)件的屬性閾值以數(shù)值屬性的形式表達(dá).以“辦公用房的門洞口寬度不應(yīng)小于1.00 m，高度不應(yīng)小于2.1 m”為例，該本體規(guī)則可設(shè)置“辦公用房”“門洞口”為類，以“門洞寬度”“門洞高度”為數(shù)值屬性，并設(shè)置可表征包含關(guān)系的字段“隸屬于”為對象屬性.上述語句可在SWRL(semantic web rule language)或Jena中進(jìn)行本體規(guī)則定義[9-10]，以進(jìn)一步實現(xiàn)該實例的規(guī)則校核.

2 基于IFC的Express-G模型構(gòu)建

工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation class，IFC)是目前建筑行業(yè)廣泛認(rèn)可的國際性公共產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型格式標(biāo)準(zhǔn).IFC是基于使用對象的可用于實現(xiàn)信息交換的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)[11].與信息交互手冊(information delivery manual，IDM)，國際字典框架(international framework for dictionaries，IFD)三大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了BIM平臺信息交換的基礎(chǔ)[12].

為解決在已有研究中遇到BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的特定規(guī)則審查時出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，并同時兼顧開放性與通用性.基于OpenBIM理念[13]，選用IFC為BIM模型的表達(dá).基于BuildingSMART公布的IFC 4.3版本，以Express-G圖形化數(shù)據(jù)建模方式搭建構(gòu)件屬性信息、空間屬性信息及構(gòu)件與區(qū)域空間關(guān)系判斷方式的表達(dá)模型.

2.1 IFC規(guī)范對構(gòu)件屬性信息的表達(dá)

通過遍歷IFC 4.3 RC3實體，剖析邏輯關(guān)聯(lián)，生成構(gòu)件屬性與構(gòu)件材料的Express-G表達(dá)模型，如圖1所示.其中，IfcPropertySet實體代表屬性集定義，IfcQuantitySet代表量集的設(shè)置，二者通過實體IfcRelDefines與IfcObject關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)構(gòu)件屬性和數(shù)量值的描述.IfcMaterial代表材料，由IfcRelAssociatesMaterial與實體IfcElement相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)構(gòu)件材料表達(dá).IfcMaterialDefinitionRepresentation實體利用不同的節(jié)點(diǎn)、曲線、曲面，實現(xiàn)不同材料的表示方法，IfcMaterialDefinition的HasProperties屬性與IfcPropertySetDefinition建立聯(lián)系從而引用表示屬性的IfcProperty實體，進(jìn)而描述材料屬性.

圖1 基于IFC的構(gòu)件屬性Express-G表達(dá)模型Fig.1 IFC-based Express-G model for component properties

2.2 IFC規(guī)范對空間屬性的表達(dá)

IFC規(guī)范對空間的描述通過IfcZone實體和IfcSpace實體進(jìn)行，前者是人為構(gòu)建的空間組合，如某系統(tǒng)涉及的空間，由若干空間組合而成，彼此之間可通過IfcRelAssignsToGroup實體相聯(lián)系，后者多基于建筑的項目劃分得到，其通過關(guān)聯(lián)實體IfcRelSpaceBoundary與包圍該空間的實體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其實例往往針對某一個房間，其預(yù)定義屬性集中可能存在室外地坪高度、室內(nèi)標(biāo)高、樓層凈高等規(guī)范校核中的常用屬性，當(dāng)不存在這些預(yù)定義屬性集時，則可通過樓層標(biāo)高、樓板或墻的坐標(biāo)進(jìn)行計算.針對樓層空間，規(guī)范通過IfcBuilding及IfcBuildingStorey實體，與本層構(gòu)件通過關(guān)聯(lián)實體IfcRelContainedInSpatialStructure關(guān)聯(lián).這3種空間概念結(jié)合圖1、圖2可實現(xiàn)空間概念構(gòu)建.

2.3 基于IFC規(guī)范的空間關(guān)系判斷

空間關(guān)系判斷的實質(zhì)是空間坐標(biāo)和構(gòu)件位置的表達(dá)，在IFC規(guī)范中，構(gòu)件或空間的坐標(biāo)范圍計算通過世界坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系結(jié)合進(jìn)行.以標(biāo)準(zhǔn)墻為例，首先其通過ObjectPlacement屬性聯(lián)系到整體坐標(biāo)系，進(jìn)而獲得該實例模型的參照點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)，然后，其實例可通過屬性Representation聯(lián)系到IfcExtrudeAreaSolid或其他實體，并通過其Depth，Xdim，Ydim屬性及其中局部坐標(biāo)系方向的定義計算每個控制點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而表示墻的位置.對于不同構(gòu)件或空間之間的關(guān)系可通過比較坐標(biāo)之間的數(shù)值進(jìn)行推理.

3 IFC屬性擴(kuò)展

上述基于IFC規(guī)范構(gòu)建的對象模型圖是模型屬性添加的基礎(chǔ).開發(fā)引擎若已基于IFC規(guī)范設(shè)計了關(guān)聯(lián)類庫，則可通過編程手段，參照2.1～2.3節(jié)所示實體、屬性關(guān)系進(jìn)行待擴(kuò)展屬性的快速定位、添加、編輯等.xBIM(extensible building information modelling)為可擴(kuò)展的建筑信息模型，是NET開源軟件的BIM工具包，基于OpenBIM理念，支持BuildingSMART數(shù)據(jù)模型，不受BIM商業(yè)軟件限制[14-15].以某檔案館工程的BIM模型為例，選用xBIM平臺實現(xiàn)IFC屬性擴(kuò)展，該檔案館墻體構(gòu)件類型在xBIM平臺下的屬性擴(kuò)展核心代碼如圖2所示.

圖2 通過xBIM平臺添加構(gòu)件/空間屬性Fig.2 Adding component/space property through xBIM platform

同理，建筑空間名稱、屬性的設(shè)置與集成也可通過類似方式進(jìn)行，添加后的結(jié)果可通過usBIM，BIMViewer，BIMvision等IFC模型瀏覽器查看.

4 自動化審圖框架優(yōu)化

合規(guī)性審查的實質(zhì)是基于圖紙的建筑物總體或局部特征與相應(yīng)規(guī)范中所定義的特征閾值進(jìn)行對比的過程[4,16-17].不同規(guī)范通過控制不同參數(shù)范圍的方式控制建筑特征，因此自動審圖系統(tǒng)的開發(fā)需要在三維模型中集成特定規(guī)范涉及的參數(shù)或參數(shù)集，并能實現(xiàn)這些參數(shù)或參數(shù)集與規(guī)范設(shè)置閾值的比對.已有建筑模型信息及審圖規(guī)則的結(jié)構(gòu)化分析，基于審圖規(guī)則需求的建筑模型信息逆向分析及缺失信息的擴(kuò)展，是實現(xiàn)自動化審圖和相應(yīng)BIM數(shù)據(jù)雙向映射完整構(gòu)建的關(guān)鍵構(gòu)成.

我國建筑規(guī)范體系的多樣性與諸多條文所要求信息來源的復(fù)雜性決定了原始的BIM數(shù)據(jù)難以完全滿足規(guī)范校核所需信息，這使得一方面校核工作針對的只是規(guī)范中的部分條文，導(dǎo)致忽略重要規(guī)則；另一方面，即便針對已篩選的特定審圖規(guī)則，也會遇到建筑模型信息屬性缺失問題.上述限制使得在初始階段根據(jù)圖紙所得的BIM模型難以直接滿足合規(guī)性審查的數(shù)據(jù)需求.

為解決上述問題，本研究調(diào)研已有的自動審圖理念與技術(shù)路線，并嘗試納入IFC屬性集擴(kuò)展機(jī)制，進(jìn)行自動審圖系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)優(yōu)化，最終形成的自動化審圖框架如圖3所示.

圖3 自動審圖框架優(yōu)化Fig.3 Optimization of automatic compliance checking framework

5 實例分析

為驗證本研究提出的研究思路、擴(kuò)展方法、技術(shù)手段、優(yōu)化框架，提取、分析檔案館建筑設(shè)計規(guī)范(JGJ25—2010)第4節(jié)與第5節(jié)中的審圖規(guī)則并構(gòu)建本體，開發(fā)基于檔案館建筑信息模型的自動審圖系統(tǒng).

5.1 基于檔案館設(shè)計規(guī)范的本體構(gòu)建

首先對檔案館建筑設(shè)計規(guī)范的第4章與第5章內(nèi)容進(jìn)行合規(guī)性審查規(guī)則提取，進(jìn)而生成合規(guī)性審查規(guī)則所覆蓋的全部類與屬性.利用斯坦福大學(xué)基于Java語言開發(fā)的本體編輯和知識獲取開源軟件Protégé[18]，生成其結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化規(guī)范，得到檔案館建筑設(shè)計規(guī)范合規(guī)性審查所覆蓋的全部類與屬性的本體樹狀圖，如圖4所示.

圖4 檔案館建筑設(shè)計規(guī)范合規(guī)性審查規(guī)則Protégé本體模型Fig.4 Protégé ontology model of compliance checking rules of design code for archives buildings

5.2 基于IFC擴(kuò)展的構(gòu)件屬性或空間特征的添加

根據(jù)上述Protégé本體模型，擬定其中各類型房間的溫度、濕度、相對濕度為BIM模型中需手動輸入的屬性；通過對比規(guī)范中定義的信息與已有模型的精細(xì)程度確定了需要添加的信息為檔案庫類別下其內(nèi)部的檔案柜類型及檔案柜長度；最后通過IFC擴(kuò)展為對應(yīng)的類別設(shè)置屬性.通用的空間/構(gòu)件屬性集擴(kuò)充用戶界面如圖5所示.

圖5 空間/構(gòu)件屬性集擴(kuò)充用戶界面Fig.5 User interface for space/component property sets extension

5.3 本體推理規(guī)則的設(shè)定與模型的規(guī)范審查

BIM到本體數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換通過IfctoRDF工具實現(xiàn)，該工具可將IFC格式的BIM文件轉(zhuǎn)為ttl格式，使之與本體知識庫結(jié)合.為利用本體知識庫中規(guī)定的類、屬性與規(guī)則進(jìn)行合規(guī)性審查，首先要設(shè)置字段間的關(guān)聯(lián)，如設(shè)置“柱”類與“IfcColumn”類等價，即可將BIM模型中歸類為IfcColumn的實例作為柱類，結(jié)合規(guī)范中的屬性、規(guī)則進(jìn)行字段的計算，并借助本體規(guī)則，找出BIM模型中不合規(guī)范要求的部分，此功能需基于本體推理機(jī)或查詢工具，根據(jù)IFC文件中儲存的信息計算，如“房屋凈高”屬性的定義等價于IFC文件中記錄的特定空間中上、下樓板的高度差，這樣即可實現(xiàn)模型信息與本體規(guī)范的結(jié)合，進(jìn)而完成基于本體規(guī)則的BIM模型合規(guī)性審查.例如“廚房”實例可通過ifcowl:IfcSpace(?x)^ autogen0:longName_IfcZone(?x， ?y)^ swrlb:equal(?y， “廚房”)規(guī)則定義.

按照上述流程，首先將BIM模型轉(zhuǎn)為ttl格式，并根據(jù)規(guī)范對模型信息的要求，結(jié)合本文構(gòu)建的Express-G表達(dá)模型設(shè)計SWRL規(guī)則，對模型需求信息進(jìn)行提取.以某構(gòu)造柱為例，提取其樓層信息、屬性、量集及空間坐標(biāo)值，該對象推理結(jié)果如圖6所示，其合規(guī)性審查規(guī)則如表3所示.

圖6 結(jié)合本體與Express-G表達(dá)模型的構(gòu)造柱信息獲取Fig.6 Information acquisition of constructional column by combining ontology and Express-G models

表3 構(gòu)造柱SWRL規(guī)則構(gòu)建Table 3 Construction of SWRL rules for constructional column

將上述規(guī)則與本體知識庫合并，得出基于LinkedData的BIM模型與本體知識庫的合并結(jié)果，如圖7所示.可通過設(shè)置字段間相互關(guān)系將兩組本體進(jìn)行關(guān)聯(lián)(如設(shè)置IfcDoor與“門”等價)，即可加載推理得到校核結(jié)果，如圖8所示.

圖7 基于LinkedData的BIM模型與本體知識庫合并結(jié)果Fig.7 Merging result of LinkedData-based BIM models with ontology knowledge base

圖8 基于IFC與本體的合規(guī)性審查結(jié)果Fig.8 Compliance checking result based on IFC and ontology

6 結(jié) 語

1) BIM、本體技術(shù)等的發(fā)展將極大提高建筑圖合規(guī)性審查的準(zhǔn)確率與效率.在前人工作基礎(chǔ)上，通過對審圖規(guī)則的系統(tǒng)性分析梳理了建筑規(guī)則的一般形式，并針對BIM模型信息缺失問題，提出以Express-G圖形化數(shù)據(jù)的建模方式，結(jié)合IFC擴(kuò)展搭建構(gòu)件屬性信息、空間屬性信息及構(gòu)件與區(qū)域空間關(guān)系表達(dá)模型，建立了IFC數(shù)據(jù)屬性擴(kuò)展開發(fā)的模型基礎(chǔ)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化了建筑圖自動審查框架.

2) 以檔案館建筑設(shè)計規(guī)范中審圖規(guī)則及某檔案館工程BIM模型為工程實例，全面驗證了本研究所提出的信息擴(kuò)展方法、技術(shù)手段及優(yōu)化框架.建立了建筑物自動化審查優(yōu)化框架，以及具體的BIM模型信息擴(kuò)展方法、本體模型構(gòu)建技術(shù)手段及推理規(guī)則設(shè)計等，可以從審圖的機(jī)制與需求上，逆向分析BIM數(shù)據(jù)的完整度及通用化推理規(guī)則的編制，全面實現(xiàn)審圖規(guī)則的結(jié)構(gòu)化分析以及與BIM數(shù)據(jù)的雙向連接.在本研究的規(guī)則建立環(huán)節(jié)，仍需結(jié)合手動輸入工作；擬進(jìn)一步將NLP與本體語義網(wǎng)相結(jié)合，探究審查規(guī)則的自動生成算法，為進(jìn)一步提高建筑圖審查效率.