BIM消防審查信息數(shù)據(jù)及合規(guī)性判斷規(guī)則研究

喬長江 鄭 鵬 陳元鍇 陳勝男

(1.廣州市建設(shè)科技中心，廣州 510030； 2.北京構(gòu)力科技有限公司，深圳 518000)

引言

從2019年國務(wù)院推動(dòng)工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度改革，全國各地陸續(xù)出臺(tái)地方響應(yīng)政策，取消施工圖審查。消防工程質(zhì)量安全監(jiān)管是住建部門重點(diǎn)工作之一，從設(shè)計(jì)源頭把控消防工程質(zhì)量安全尤其重要。消防設(shè)計(jì)普遍采用二維施工圖紙形式進(jìn)行審查交付，該種方式存在很多問題，如審查尺度不一、審查不全、審查效率不高、審查質(zhì)量無法評(píng)估等問題[1]，如消防二維圖紙審查中，疏散距離、防火分區(qū)計(jì)算嚴(yán)重依靠人工測(cè)量或者圖紙文字表達(dá)，該方法效率低下且結(jié)果可靠性不高。探索BIM消防審查有助于解決以上問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器輔助專家審查，提高審圖效率，有效把控審查質(zhì)量。

2018年11月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在《關(guān)于開展運(yùn)用建筑信息模型系統(tǒng)進(jìn)行工程建設(shè)項(xiàng)目審查審批和城市信息模型平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)工作的函》中要求，開展“運(yùn)用BIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目電子化審批審查”、“探索建設(shè)CIM(城市信息模型)平臺(tái)”的試點(diǎn)工作。試點(diǎn)城市政府要以工程建設(shè)項(xiàng)目三維電子報(bào)建為切入點(diǎn)，在“多規(guī)合一”的基礎(chǔ)上，建設(shè)具有規(guī)劃審查、建筑設(shè)計(jì)方案審查、施工圖審查和竣工驗(yàn)收備案等功能的CIM平臺(tái)，精簡和改革工程建設(shè)項(xiàng)目審批程序，減少審批時(shí)間，探索建設(shè)智慧城市基礎(chǔ)平臺(tái)。

CIM平臺(tái)是一種融合了城市各類時(shí)空信息的三維有機(jī)模型，主要包含BIM信息模型、IoT物聯(lián)網(wǎng)、GIS地理信息系統(tǒng)。在規(guī)劃報(bào)建、施工圖審查、竣工驗(yàn)收過程中，通過CIM平臺(tái)匯集各類BIM數(shù)據(jù)，保證建設(shè)項(xiàng)目層層管控，數(shù)據(jù)層層傳遞，最終融合成CIM平臺(tái)的細(xì)胞單元，給智慧城市提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

BIM審查作為試點(diǎn)主要任務(wù)，在南京市、廣州市、蘇州市及、湖南省等地都開展了基于BIM的施工圖審查系統(tǒng)建設(shè)工作。其中消防作為審查的核心組成部分，探索消防審查相關(guān)BIM信息數(shù)據(jù)及條文計(jì)算判斷規(guī)則等關(guān)鍵技術(shù)極其重要，下文將針對(duì)該系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)展開討論研究。

1 消防條文拆解

1.1 條文梳理原則

建筑住宅類消防規(guī)范要點(diǎn)條文約400余條，根據(jù)以下四個(gè)原則進(jìn)行條文篩選：

(1)政府及審圖專家關(guān)心的內(nèi)容，如建筑防火分區(qū)面積、安全出口等；

(2)二維審查有難度，三維審查容易實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容； 如消防審查重點(diǎn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014(2018版)第5.5.17 條關(guān)于消防疏散距離的審查[3]；

(3)可量化的強(qiáng)制性條文； 如防火分區(qū)面積不大于1 500m2，欄桿高度不低于1.2m等；

(4)該條文適合自然語言的理解和生成，且對(duì)BIM消防屬性信息等設(shè)計(jì)精度要求增加不多。

初步篩選出民用建筑消防審查要點(diǎn)條文160余條。

1.2 規(guī)范條文拆解

規(guī)范條文拆解方法分為兩種：第一種，專家人工拆解條文； 第二種，使用NLP方法智能拆解條文。全國建筑規(guī)范條文有幾千條，如果進(jìn)行人工拆解，則工作量巨大，同時(shí)面臨規(guī)范隨時(shí)更新的情況，導(dǎo)致大量工作的重復(fù)，因此，有必要探討一種新的方法進(jìn)行機(jī)器拆解。NLP(Nature Language Processing)自然語言處理是人工智能的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)自然人機(jī)交互的重要學(xué)科[4]。NLP的包含詞性標(biāo)注、詞性還原、識(shí)別停用詞、依存句法分析、命名實(shí)體識(shí)別、共指消解、詞意角色標(biāo)注等功能，如《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50096-2011第5.6.3條：陽臺(tái)欄板或欄桿凈高，六層及六層以下不應(yīng)低于1.05m； 七層及七層以上不應(yīng)低于1.10m[5]。通過NLP規(guī)范拆解步驟為：

(1)詞匯識(shí)別，依賴專家人工構(gòu)建，如該條文中陽臺(tái)、欄板、欄桿；

(2)關(guān)系抽取，從文本中抽取實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系； 不應(yīng)低于、以下、空間關(guān)系；

(3)屬性，如凈高、樓層； 最后拆解條文結(jié)果如表1所示。

表1 住宅設(shè)計(jì)規(guī)范5.6.3條文拆解

2 BIM消防信息提取

2.1 BIM合規(guī)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息

國家BIM相關(guān)規(guī)范對(duì)建筑模型數(shù)據(jù)交付進(jìn)行了規(guī)定，主要包含了模型單元的幾何信息、關(guān)聯(lián)關(guān)系、單元屬性信息、系統(tǒng)分類、單元屬性值等，但深度不足以支撐消防合規(guī)性審查的信息數(shù)據(jù)要求，如缺乏構(gòu)件耐火等級(jí)、構(gòu)件材料信息等[6]。

目前設(shè)計(jì)院交付的BIM數(shù)據(jù)格式多種多樣，以國外ABC(AutodeskBentlyCatia)軟件數(shù)據(jù)為主，各軟件廠商底層數(shù)據(jù)邏輯各不相同，以某一款主流BIM軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)交付，可行性不大，因此，需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式來支撐BIM審查信息數(shù)據(jù)的交付。國際通用IFC標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)格式作了嚴(yán)格定義，雖然各軟件開發(fā)商都做了相應(yīng)的接口，但其內(nèi)部數(shù)據(jù)定義不可能與其完全一致，造成轉(zhuǎn)換復(fù)雜、數(shù)據(jù)有損失的情況[6]。BIM消防審查所需數(shù)據(jù)是單向，僅用于BIM消防設(shè)計(jì)審查，是基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)消防部分BIM審查數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸納整理[7]，如表2所示。

表2 BIM消防數(shù)據(jù)信息分類

2.2 提取BIM消防數(shù)據(jù)信息

BIM軟件中的信息分為全局屬性信息和局部構(gòu)件信息，大部分構(gòu)件都繼承了全局的屬性信息，只有少部分的局部信息在構(gòu)件中單獨(dú)存在，如Revit軟件中樓板標(biāo)準(zhǔn)族包含有以下屬性信息[8]，如表3所示。

表3 Revit樓板族屬性

提取過程中先按照全局屬性信息提取，樓板屬性如表4所示。

表4 樓板全局屬性

剩下的局部屬性，通過單獨(dú)提取的方式增加即可，然后通過北京構(gòu)力科技有限公司圖模大師軟件進(jìn)行輕量化展示，樓板BIM消防基本屬性展示如圖1所示。

圖1 提取后消防信息

3 BIM消防模型合規(guī)性判斷方法

3.1 判斷基本方法

BIM消防模型采用SNL(結(jié)構(gòu)化自然語言)作為基本判斷方法，將建筑消防規(guī)范條文轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)容易處理的信息，并且建立規(guī)則庫，使用相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行計(jì)算判斷[9]，其中主要包含以下五類：

(1)屬性規(guī)則，構(gòu)件有哪些屬性及屬性名，用于檢查BIM審查信息是否缺失；

(2)屬性值，如構(gòu)件的屬性值是否滿足規(guī)則庫要求，如消防面積；

(3)構(gòu)件的空間規(guī)則，如房間里面的構(gòu)件從屬及邏輯關(guān)系；

(4)幾何和距離計(jì)算規(guī)則，如機(jī)電碰撞檢查、疏散距離檢查；

(5)正則表達(dá)規(guī)則，字符串的表達(dá)與匹配，多種語義的理解。

通過設(shè)置不同的規(guī)則庫，可以檢查BIM模型的質(zhì)量問題及技術(shù)規(guī)范條款。規(guī)則庫包含復(fù)雜條件(管道上相鄰支吊架的距離)的距離計(jì)算，尤其是在三維模型中，人工檢查很難或者幾乎不可能做到，但利用包含規(guī)則庫的自動(dòng)檢查工具，可以在短時(shí)間內(nèi)給出全且準(zhǔn)的結(jié)果，能幫助工程師和審圖節(jié)約大量時(shí)間并同時(shí)提升BIM的模型質(zhì)量。消防設(shè)計(jì)規(guī)范中經(jīng)常涉及到面積計(jì)算問題，如防《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第5.3.1條：一、二級(jí)高層民用建筑，未設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)，建筑內(nèi)防火分區(qū)的面積小于等于1 500 m2。針對(duì)這種情況，首先對(duì)該區(qū)域構(gòu)件空間規(guī)則進(jìn)行判斷，其是否含有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，如果沒有則要對(duì)防火分區(qū)面積屬性值進(jìn)行判斷，即防火分區(qū)的面積屬性值判斷是否大于1 500m2，沒有則通過審查，有則提示該條文不通過，并在模型中進(jìn)行定位顯示。

3.2 疏散距離Dijkstra算法

疏散距離的計(jì)算是消防審查中的重難點(diǎn)，采用點(diǎn)點(diǎn)直線連接測(cè)距的方法不能滿足規(guī)范審查的要求，需要采用智能計(jì)算方法，求出疏散最短路徑。迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路徑算法，用于計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑，它的主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止[10]。采用該方法計(jì)算BIM模型中最短疏散路徑，具體步驟如下：

(1)識(shí)別BIM模型中安全出口、疏散門，作為分析模型中起點(diǎn)和終點(diǎn)；

(2)尋找中間路徑節(jié)點(diǎn)，如墻體拐角等；

(3)結(jié)合起點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)、終點(diǎn)建立Dijkstra模型，計(jì)算分析求出最短路徑。

以某BIM模型平面為例(如圖2 所示)，其中A點(diǎn)為房間疏散門，F(xiàn)點(diǎn)為安全出口，BCDE都是中間路徑節(jié)點(diǎn)，其中兩點(diǎn)可以直接連接距離為S，不能連接即距離即無窮大，根據(jù)該模型建立Dijkstra數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖2 某BIM模型平面圖

圖3 Dijkstra數(shù)學(xué)模型

(1)首先初始化距離，S為直接連接點(diǎn)的距離，dis[E]表示E到F點(diǎn)的最短距離，因而初始

dis[D]=SDF； dis[E]=SEF； dis[B]=SBF； dis[C]=SCF； dis[F]=0； 現(xiàn)在得到F到各點(diǎn)距離 {E(SEF)，C(SCF)，B(SBF)，D(SDF；)，F(xiàn)(0)A(*)}，其中*代表未知數(shù)也可以說是無窮大，括號(hào)里面的數(shù)值代表F點(diǎn)到該點(diǎn)的最短距離；

(2)圖3所示dis[E]距F最近，尋找與E相連節(jié)點(diǎn)dis[E-B]=SBE； dis[E-C]=SEC； dis[E-D]=SED；

dis[B]=SBE+SEF>SBF； dis[D]=SDE+SEF>SDF； dis[C]=SCE+SEF>SCF，即C(SCF)、B(SBF)、D(SDF；)都不更新；

(3)在第2步中C點(diǎn)的值最小，此時(shí)看與C點(diǎn)直接連接dis[C-A]=SCA； dis[C-B]=SCB； dis[C-D]=SCD；

重復(fù)(2)過程所示，dis[A]=SAC+SCFSBF； dis[D]=SCD+SCF>SDF，即B(SBF)、D(SDF；)不更新，更新A(*)=SAC+SCF；

(4)以此類推，針對(duì)節(jié)點(diǎn)BD重新更新計(jì)算，遍歷所有節(jié)點(diǎn)得出A節(jié)點(diǎn)到F節(jié)點(diǎn)的最短距離。

最后采用該方法針對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)能夠有效正確的計(jì)算出疏散門到安全出口距離，大幅提高《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》5.5.17條的審查工作效率，如圖4所示。

圖4 疏散距離智能計(jì)算

4 結(jié)論與展望

根據(jù)消防審查要點(diǎn)和BIM模型信息特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)條文篩選和拆解，同時(shí)對(duì)BIM消防合規(guī)性基礎(chǔ)信息進(jìn)行歸納整理，然后采用SNL方法的進(jìn)行合規(guī)性判斷，最后以某案例驗(yàn)證其可行性。審查結(jié)果表明，基于BIM的消防審查能夠有效提升工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)作為BIM審查的專項(xiàng)應(yīng)用和有效補(bǔ)充。文中重點(diǎn)探討了BIM消防審查中的若干技術(shù)問題，并進(jìn)行展開分析和討論，主要有以下三點(diǎn)：

(1)介紹了BIM消防審查條文篩選的四個(gè)基本原則及NLP智能拆解方法；

(2)探討B(tài)IM模型審查合規(guī)性基礎(chǔ)信息的組成結(jié)構(gòu)，結(jié)合消防審查特點(diǎn)進(jìn)行提取和展示；

(3)研究BIM消防審查合規(guī)性判斷的基本方法(SNL方法及Dijkstra算法)，最后進(jìn)行案例驗(yàn)證，表明該方法能夠有效輔助消防專項(xiàng)智能審查。

該技術(shù)給BIM三維模型合規(guī)性審查提供了重要的示范作用，從消防專項(xiàng)審查進(jìn)行突破，為以后的BIM審查全面推廣奠定應(yīng)用基礎(chǔ)，有效提高項(xiàng)目報(bào)建審批數(shù)字化、信息化和智能化水平，為智慧城市管理奠定基礎(chǔ)。