浅析基于规则检查的BIM模型评估

张 勤, 张 帅, 韩喜诚

(四川大学商学院, 四川成都 610000)

浅析基于规则检查的BIM模型评估

张 勤, 张 帅, 韩喜诚

(四川大学商学院, 四川成都 610000)

目前，基于规则检查的BIM模型评估，或者说工程数字化审核在国内外越来越受到重视。然而，相比于国外，我国基于信息技术的BIM模型自动审核方法还尚处于初始阶段，本土化进程还在继续。文章综合目前最新的国内外研究现状，提练出几种典型的基于规则检查的BIM模型评估体系，同时在国外文章不作讲述或者讲得非常粗略的方面上加入了一些个人的理解及阐述，希望能对中国的工程自动化审核事业提供些许的帮助。

规则检查； BIM； 模型评估； IFC； Revit API

随着BIM技术在国内的逐步推广与应用，BIM建筑模型在设计、施工、运维阶段的应用也日渐流行。然而纵观我国目前的状况，BIM的发展略显不平衡，究其原因是从西方国家发展起来的BIM系统缺乏在我国本土化的过程，妨碍了我国BIM的推广，导致中外建筑市场差异下的BIM工具存在一定的技术瓶颈。

在BIM模型质量检查方面，相比于国外，我国基于信息技术的BIM模型自动审核方法还尚处于初始阶段，针对BIM模型质量检查的理论、方法和软件工具也还比较少见。同时，因为该类评估方法的研究可以直接转化为软件产品，涉及商业机密较多，所以国外较为先进的对研究本身进行详细论述的著作较少，反而是对相应产品的介绍较为明晰，这无疑为我国BIM模型评估软件的开发设置了巨大的障碍。

本文综合目前最新的国内外研究现状，提练出几种典型的基于规则检查的BIM模型评估体系，同时在国外文章不作讲述或者讲得非常粗略的方面上加入了一些个人的理解及阐述，希望能对中国的工程自动化审核事业提供些许的帮助。

1 国内外发展现状

Solibri是BIM 模型质量保证与质量控制的行业领跑者。其核心产品 Solibri Model Checker(SMC)软件主要用于BIM模型的精确性、合规性、综合建模质量评估以及建筑物的物理安全性能的检查。

精明准则(SMARTcodes)是国际代码委员会(ICC)、AEC3 和Digital Alchemy 的一个联合项目，它代表着当前最具有过程导向性的一种规则建立方法，其本质是体现建立代码并把它转化成规则的过程。

目前，韩国的庆熙大学、韩国智能建筑以及韩吉尔信息技术有限责任公司联合21所合作的研究机构正在致力于研究一套基于BIM的设计质量评估系统，并已完成其概念框架的设计以及未来目标的定位。该系统集质量检查、标准优化、信息提取、成果提交以及设计协调于一体，还融入了节能设计的理念，主要分为KBim简要评估、KBim能源、KBim成本、KBim协作、KBim检验、KBim逻辑、KBim评估以及KBim提交等板块。一旦开发成功，必将引领现代工程自动化审核的潮流。

此外，通过土耳其学者不断地挖掘BIM在绿色建筑的评估与设计中的潜在优势，一些结合建筑可持续性指标的模型框架和有关建立基于BIM的可持续性分析与LEED认证之间关系的概念框架，以及基于IFC与数据库的绿色建筑评估工具模型等一系列研究成果近年来相继被提出。其中，GBAT(绿色建筑评估工具)最为突出，它通过从IFC文件中提取相关的数据并根据需要的标准做出计算来生成项目的绿色评级得分表。

在我国，上海申通集团目前已建立了行业设施设备的Revit标准族库，明确要求其 BIM 模型必须基于该族库建立，实现了较为基础的数字化的审图。

广联达BIM 审图是广联达公司旗下的一款专业的 BIM 应用软件。该软件通过API对接Revit、Tekla Structure、Xsteel、Magicad 等主流 BIM 建模软件以及广联达算量软件，以国内建筑行业标准为基础，针对设计和施工准备的常规审图，准确检查 BIM 模型中各种设计问题，提供了诸如空间软性碰撞、门窗开启、空间净高、楼梯碰头等多种规则检查模式。与上海申通集团的软件类似，广联达BIM 审图这一类国产软件平台的优势在于本土技术优势和适应性，但是其检查类型多为系统内置规则，基于参数配置的规则检查也相对初级，很难满足设计过程中的多样需求。尽管如此，广联达 BIM 审图依然代表着规则检查技术在我国的发展成果。

2 基于规则检查的BIM模型评估的机制与流程

经过对多个评估模型的研究，不难发现它们规则检查的基本思路大同小异，而在细节的处理上则各有千秋。本文将总结几种典型的模型评估体系，并做出一定程度的解释与思考，以期为国内BIM模型评估技术的提升带来帮助。

目前，按照导入模型文件的格式，BIM模型评估机制可以分为基于IFC和基于Revit俩种评估方式。

2.1 基于IFC的评估方式

国外的大部分研究，一般都为了避免模型格式不统一造成的数据交互困难，而选择在各个软件厂商都共同支持的国际标准——Industry Foundation Classes( IFC) 标准下进行。

IFC是建筑行业中被广泛认可的标准，它使BIM数据模型能够在不同的软件应用程序中实现高质量的数据交换。

总体来说，这种评估方式一般分为以下4步。

(1)建立BIM模型，导出为IFC格式。

(2)根据规则编写算法，并建立检索引擎，与各构件建立匹配关系。

(3)在开发出来的评估工具中，导入IFC文件，运行算法，针对每条规则提取相应构件的数据。

(4)生成报表，显示评估结果。

2.1.1 规则算法

目前，我国之所以无法将国外的先进软件直接拿来使用，很大程度上是因为国内外标准的差异，因此，在我国BIM模型评估技术本土化进程中的首要任务就是建立一个符合我们自身要求的规则库。

目前, 规则的来源十分广泛，如《建筑工程施工图设计文件审查要点》《工程设计资质标准》等官方文件，甚至是资深工程师的经验和建议都可以成为规则建立的依据。然而并不是所有的条款都可以用数字表达式表达，这就意味着我们的模型评估只限于可数字化的规则检查。

寻找并筛选可数字化的规则较为容易，但问题的关键在于如何将这些文字转变为计算机可以识别运行的语言。目前，要实现这一点并非难题，用于规则检查的各类成熟的计算机语言层出不穷，如C++、Java等。需要注意的是对每个条件应当有明确的量化的判断标准，并且与相应的建筑模型构件建立正确的关系。

那么在规则中如何描述基于IFC标准的建筑构件的信息，要弄清这个问题，需要理解IFC对建筑构件的表达方法。

IFC标准是参考STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data-产品模型数据交互规范)标准进行开发并逐步完善的，采用EXPRESS语言定义。EXPRESS是一种面向对象的非编程语言，用于信息建模，既能为人所理解，又能被计算机处理(通过EXPRESS编译程序)。EXPRESS主要用来描述应用协议或集成资源中的产品数据，使描述规范化，它是STEP中数据模型的形式化描述工具。

在IFC文件中，任何一个实体都是通过属性来描述自身的信息，属性分为直接属性、反属性和导出属性。直接属性是指标量或直接信息，如Name、Globalld等；导出属性是指由其他实体来表述的属性，如OwnerHistory、ObjectPlacement和Representation；反属性是指通过关联实体将属性实体与构件进行链接，使得构件具备链接的属性实体的属性，如HasAssociations通过关联实体IfcRelAssociates可以关联构件的材料信息。

以标准梁构件IfcBeamStandardCase为例。IfcLocalPlacement定义了标准梁的位置信息，其中IfcLocalPlacement代表的是参考坐标系，即标准梁所在楼层(IfcBuildingStorey)的坐标系。而IfcAxis2Placement3D则定义了坐标的转换，即通过对参考坐标系的坐标进行转换，生成新的坐标系。

另外， IfcProductDefinitionShape，定义了标准梁的截面形状，其中IfcshapeRepresentation定义了几何形状表现类型，IfcDirection则定义了实体的拉伸方向。标准梁的材料属性是通过关联实体IfcRelAssociatesMaterial将构件与材料相关联，材料的定义则引用了IfcMaterialProfileSet实体。

因此，在引用IFC构件信息时，要限定位置、名称以及需要的属性信息，这样便可建立起一个较为科学的规则库，同时，也要保证可以随时添加修改来使其不断完善。

2.1.2 检索引擎

在众多实体构件中能够检索得到每条规则对应的构件及相关信息，对整个模型评估过程有着重要影响。只有找准目标，才能对症下药。解决这一问题其实并不复杂，我们可以在开发出来的评估工具中嵌入一个功能强大的正则表达式引擎，来实现检索功能。

所谓正则表达式( Regular Expression)，是使用单个字符串来描述、匹配一系列符合某个句法规则的字符串的一种程序，它通常被用来检索或替换符合某个模式的文本内容。

正则表达式引擎本质上说就是使用关键词匹配规则，根据编好的规则算法中描述的构件位置、名称以及所需属性等字符，在即将导入的IFC文件中检索到相应的构件信息，并提取出来参与运算。这一过程与规则算法中对IFC构件的描述的准确度息息相关。

2.1.3 模型评估

BIM模型的评估过程主要是在评估工具中运行算法中的一系列判断语句。

美国国家标准技术研究所研发出一种插件——IFC File Analyzer(IFC文件分析器)，并且，IFA可以一次分析多个IFC文件来比较实体使用情况。在BIM模型的评估过程中，我们同样可以使用IFA程序以达到数据提取更加便捷的目的，而更重要的是它可以为多个BIM模型的对比分析评价提供思路与方法。

内嵌IFA的评估工具的输入是BIM软件导出的IFC文件，在评估工具中，独立的程序IFA用来获取所有需要的数据，通过从IFC文件中生成电子表格或CSV文件来提供此功能。在电子表格中，针对文件中每一种类的IFC实体，都会有一份工作表与它对应。工作表的每一行包含一种IFC实体的一个实例的属性。评估工具能够从工作表中较为容易地解析所有的实体及其属性，计算时，它读取电子表格，并从数据库中检索需要的数据，进而执行规则的算法。算法明确了判断的步骤，每一步都包含是与否的判定以及必要的计算公式。最后生成一个包含各种细节的报告。

需要的数据，比如一些建筑元素的面积和体积都可以从IfcElementQuantity里面的IfcQuantityArea和IfcQuantityVolume中获取，IfcSlab工作表的PredefinedType提供了所有的板和屋顶的类型。原材料的信息可以从IfcMaterial工作表里建筑元素相关实体的IfcMaterialLayer、 IfcMaterialLayerSet、 IfcMaterialLayerSetUsage中获得。规则对应的建筑元素通过ItemReference从IfcClassificationReference中被检索出来，其他信息全部从IfcPropertySet中获取。

2.2 基于Revit的评估方式

BIM模型的评估也可以直接基于Revit绘图软件，它与基于IFC的评估方式相比，大致的思路基本相同，只是需要导入的文件一个是DWG格式，一个是IFC格式。同时，在编写规则算法时，前者对构件信息的描述也应当与DWG文件中的语句相一致。

此外，基于Revit的评估方式最大的特征就在于Revit API的使用，通过Revit API来提取构件的信息与规则进行比对。

2.2.1 Revit API

API应用到BIM上，就可以实现用BIM通过在Revit软件中储存规则的标准指标作为项目参数来评估建筑设计是否合格，例如体积、梁、地板都被提取到了Revit 接口，这些参数会在计算的时候被提取出来。

虽然API目前还没有广泛应用在扩展BIM范围上，即通过外部程序给BIM工具添加额外的功能，但我国的一些公司企业已经在做出一步又一步的尝试，并取得很大的成果。

从本质上来说，Revit API将DWG模型文件转化为一个可以从中提取信息的数据库，以备后续评估过程使用；另一方面，Revit API中内置的FilteredElementCollector(过滤原件收集器)可以有效地根据字符串检索得到与规则相对应的构件信息。也就是说，Revit API既扮演了数据库的角色，又承担了检索的重任，因此，它是基于Revit的评估方式的核心所在。

2.2.2 Revit族库

为了使得大部分规范条款描述的对象都能够与 BIM模型中的设计对象建立对应关系，也为了程序可以方便地利用 Revit API 解析出模型对象的属性与几何数据进行相应计算，研究人员提出了Revit标准族库的概念，要求设计的BIM 模型必须基于族库建立。

Revit族库就是把大量Revit族按照特性、参数等属性分类归档而成的数据库，它使建模过程得以简化，也使模型与规则的匹配出错率更低。如规范中对于墙体尺寸，墙面材质等提出的要求，都能够较为容易地与模型中对应的墙体对象进行匹配，然后可通过直接提取相关的参数或几何信息来展开计算相关行业企业或组织随着项目的开展和深入，都会积累到一套自己独有的族库。在以后的工作中，可直接调用族库数据，并根据实际情况修改参数，便可提高工作效率。Revit族库可以说是一种无形的知识生产力。

3 结论

以上两种模型评估机制殊途同归，各有特色，不能评判哪一种更为优越，只能根据不同地区不同公司的实际情况选择最适合自己的一种模式。尽管这种技术与人工审图在成本上和灵活性上存在着一定的距离，但随着国内外对这方面研究的逐渐成熟，必然会有更为先进的模式或者工具被开发出来，并且得到实际的普及和应用。

在我国，我们首先要站在全方位的视角，以解决问题和提高效率为目的，利用先进的数字化检查技术与国内建筑行业的实际需求和规范标准相互结合，开发研制出一套属于我国的评估工具。之后，再去研究如何优化 BIM 建筑审图的工作流程。

此外，目前绿色建筑越来越成为建筑行业的热点，评估一个建筑的可持续性也是许多公司看重的一点。因此，一套完善的绿色建筑打分机制及评估工具亟待开发。

在强化模型评估的同时，我们也要思考如何在设计阶段就能设计出更为符合标准的模型，在这一点上，目前较为先进的本体论与语义网技术为我们提供了一种思路。通过对规则本体的创建，建筑模型本体的转换以及语义网技术的相互关联，可以实现各构件与相关规则的匹配。对用户来说，就是选中族库里的某一构件，与其相关的各种规则就会以文字形式显示在一个对话框内，提醒用户在设计的时候，就应考虑到相关要求，避免违反规定。

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[定稿日期]2017-06-23

张勤(1996～)， 男, 本科, BIM建模与评估以及国际工程项目风险防控； 张帅(1995～), 男, 本科, BIM建模与评估以及国际工程项目风险防控； 韩喜诚(1996～), 本科, BIM建模与评估以及国际工程项目风险防控。

TU712.1

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