面向建设工程设计成果智能审查的BIM设计模型精细度研究

余宏亮， 程嗣睿， 王春宵， 魏 然， 张 弛

(1. 武汉科技大学 服务科学与工程研究中心， 湖北 武汉 430081； 2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074； 3. 武汉市建设工程设计审查办公室， 湖北 武汉 430040)

建设工程施工图设计文件审查作为提升勘查设计质量的重要手段，从2000年起以制度形式运行了17年。勘查设计单位、图审机构、政府建设主管部门依据《房屋建筑和市政基础设施工程施工图设计文件审查管理办法》的规定，以CAD软件绘制的施工图纸为载体，实现图纸的生产、审查、监管工作。2013年以后，我国住建部相继颁布了《关于征求关于推荐BIM技术在建筑领域应用的指导意见(征求意见稿)》(2013)、《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》(2014)、《关于推进建筑信息模型的指导意见》(2015)、《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》(2016)等一系列文件，推动BIM(Building Information Modeling)技术在建筑领域的应用，北京、上海、广州等地也出台相应配套文件，要求在建筑设计中交付BIM模型作为工程设计成果。在以BIM设计模型为核心交付设计成果情景下，如何进行设计成果审查将是图审机构和政府建设主管部门面临的挑战，二维纸质或电子化的工程图审查环境下积累的审查技术要点、方法流程是否还适合BIM设计模型，设计单位提交的BIM设计模型是否满足技术审查的要求，都是我们需要研究的课题。

国外对于建设工程施工图设计审查信息化的研究主要集中在两个方面：一是研发了若干实用性或实验性的审查平台[1]，如新加坡电子政府系统CORENET子项目e-PlanCheck电子审查系统、挪威Statsbygg设计规则审查系统、澳大利亚EDM自动审查软件平台、美国国际规范委员会(International Code Council，ICC)SMARTcodes平台；二是针对部分建筑功能设计(如防火、消防等)进行自动审查，如Balaban等[2]针对部分代表性规范条文研究了防火通道设计合规性审查的实现方法；Choi等[3]对高层、复杂建筑在疏散通道设计合规性自动审查方面的可行性进行了研究；Malsane等[4]通过分析英国相关规范条文的特点，针对住宅防火规范条文提出了在BIM上实现建筑信息表达优化的方法。国内的研究集中在施工图审图业务的流程管理[5]和针对二维CAD图纸的数字化审图[6,7]。卢春峰等[8]提出基于BIM技术的设计文件审查要点以及BIM审查模式下可能面临模型轻量化、规范自动化智能检查、数字认证和加密等问题。检索文献表明基于BIM模型的智能审查方法和信息系统在国内外还少见报道。

本课题组研究如何利用信息技术对BIM设计模型为载体的建设工程设计成果进行智能审查：即输入BIM设计模型和必要的设计资料，在后台规则库、知识库、数据库支持下，利用推理机实现智能审查，输出审查报告。在研究过程中，我们发现设计单位交付的BIM设计模型不满足设计文件审查的要求，也就是说模型设计精细度(Level of Design，LOD)不够，我们参照国内外BIM交付标准，结合中国建设工程设计文件审查的具体要求，提出如何构建精细度满足审查要求的BIM设计模型。

1 国内外典型BIM模型交付标准的不足

1.1 美国LOD规范

《美国BIM模型发展程度规范》(Level of Development Specification[9]，LOD规范)是根据美国建筑师协会(American Institute of Architects，AIA)的E202号文件而来。文件中以LOD来指称BIM模型中的模型构件(Element)在项目生命周期的不同阶段中所预期的完整度，并定义了从LOD100～LOD500的五种LOD。这也是一直以来被广为引用说明建筑信息模型内容细节的标准。但是E202号文件中并没有提出明确的、实质性的模型构件LOD定义。为了能更明确化对BIM模型的内容与细节加以定义，以利用模型交付及应用于跨专业、跨生命周期的共同作业，美国综合营造公会(Association of General Contractors，AGC)的BIM Forum工作小组从2011年开始，便于AIA合作发展LOD规范，将组成各个建筑系统的构件的LOD更详细地定义出来。此规范最大的精度LOD 500所包含的信息量仍然较少，并且表述模糊，无法满足审查要求。以楼梯为例，只提出了装修时的细部组件或材料需要标明，但没有给定需要标明哪些具体信息，例如安装位置，组件型号等，并且未说明楼梯结构设计需要提供哪些数据。该规范是按照分部分项施工工序分类的，比如室内构造，室内装修等。

1.2 我国《建筑工程设计信息模型交付标准》

由中国建筑标准设计研究院主编的GB/T50XXX-20XX《建筑工程设计信息模型交付标准》[10](下文简称《交付标准》)已于2017年4月通过审查，于近期发布。此标准旨在完成BIM设计模型数据的建立、传递和解读，各专业之间的协同，工程设计参与各方的协作及设计质量管控。《交付标准》5.2.2条规定建筑工程信息模型精细度(由信息粒度和建模精度组成)分为四个等级，分别对应LOD100～LOD400。其中施工图设计对应的模型精细度为LOD300级精细度。5.3.1条规定建筑工程信息模型信息粒度应由建筑基本信息系统、建筑属性信息系统、建筑外围护信息系统、建筑水系统设备信息系统、建筑电气系统信息系统、建筑暖通信息系统等组成，《交付标准》5.3.3～5.3.10条仅规定了几十项必需的属性来反映信息粒度，这些信息不足以支撑施工图审查的技术要求。5.4节建模精度规定了LOD100～LOD400模型精细度下BIM模型各类构件的建模精度。以楼梯构件为例，5.4.3条规定在LOD300建模精度下，楼梯应建模，并应输入构造层次信息；平台板可用楼板替代，但应在“类型”属性中注明“楼梯平台板”。而我们在对BIM设计模型楼梯构件进行合规性审查时发现，BIM设计模型中欠缺若干属性信息(见表1)，以至于无法完成全部审查任务。

表1 BIM设计模型楼梯构件合规性审查规则

2 面向智能审查的BIM设计模型精细度要求

上文所述《交付标准》对BIM设计模型的交付要求主要考虑各专业在设计阶段如何协调，BIM模型中的信息如何应用于工程造价和施工管理。对于合规性审查，由于涉及的规范条文数目众多，《交付标准》不可能细化覆盖所有强制性条文。因此，为了使交付的BIM设计模型能满足智能审查的要求，我们对BIM设计模型的精细度(包含信息粒度和建模精度)提出了具体要求。

建设工程设计成果智能审查是让计算机既能理解BIM设计模型，也能理解规范条文。因此，我们需对建筑、结构、给排水、电气等专业的规范条文进行结构化，一般采用IF...THEN语句进行描述，这些结构化的规范条文形成了审查规则，审查规则中包含了必要的审查属性(如梯段净宽，平台净高等)，因此要求BIM设计模型中至少需要包含这些属性信息，也就是说对BIM设计模型的精细度提出了具体要求。然后，我们比照审查规则，检查BIM设计模型(达到LOD300精细度)中相应的构件属性是否能获得，如果无法直接或间接获得，本条审查规则就无法执行，必须补充属性，提高模型精细度。表2列出了需提升模型精细度的例子。

表2 结构化条文与BIM设计模型精细度要求

3 提升BIM设计模型精细度的方法

由前文所述，设计单位交付的BIM设计模型之所以不满足智能审查的要求，是由于模型中缺乏一些构件属性，这些欠缺技术参数直接影响审查规则的判定。要使BIM模型精细度满足智能审查要求，需要建模设计师和软件系统开发人员共同努力，在深刻理解审查技术规范和BIM设计模型基础上，通过整体规划，在尽可能不改变建筑师BIM建模工作内容条件下，由软件系统开发人员设计多种不同的属性获取方式，从现有的模型数据中挖掘审查属性，以满足BIM设计模型精细度要求，同时也需由建筑师补充必要的构件属性，以实现工程设计成果智能审查系统运行的需要。

3.1 将专业相关整体信息录入EXCEL表格

《交付标准》5.3.1条规定建筑工程信息模型信息粒度由若干专业信息系统构成，其内容涵盖建筑设计、结构设计、给排水设计、电气设计、暖通设计等专业总说明中的重要信息。我们可以每个专业设计一张EXCEL表格，将表格链接到BIM设计模型，计算机通过读取EXCEL表格就可获得BIM设计模型中无法读取的整体信息。表3为建筑设计专业整体信息表(部分内容)。

表3 建筑设计专业整体信息表(部分内容)

3.2 运用各类计算方法间接获取属性值

计算机读取BIM设计模型时，会遇到一些无法直接获取的构件属性值，但某些属性值可以通过计算获得。我们根据计算的难易程度分为以下三类。

(1)简单算术计算

通过计算机读取BIM设计模型直接获取构件的若干属性值，通过简单的算术计算，能间接获得其他属性值。例如：JGJ 39-87《托儿所、幼儿园建筑设计规范》3.6.5条 “楼梯栏杆垂直线饰间的净距不应大于0.11 m” 。BIM设计模型中可以直接读取“栏杆间距” “栏杆直径”属性值(如图1所示)，那么我们由垂直栏杆间净距=栏杆间距-栏杆直径，间接得到“垂直栏杆间净距”的属性值。

图1 从BIM模型中读取“栏杆间距”“栏杆直径”属性值

(2)空间几何信息计算

某些审查规范条文中所需的属性值不能在BIM设计模型中直接获得，也不能通过简单算术运算得到，这类值需通过空间几何信息计算获得。例如：GB 50016-2014《建筑设计防火规范》5.5.17条 “直通疏散走道的房间疏散门至最近安全出口的直线距离不应大于表5.5.17的规定” 。BIM模型中没有“直线距离”这一属性值，需要设计算法来获得。如图2所示，为得到几个门之间的直线距离，设计如下算法：

图2 房间疏散门至最近安全出口的直线距离判定/mm

1)将两门底部中点(坐标为x1,y1,z1;x2,y2,z2)所构成的直线与门高组成平面，再将面内所有点的坐标与构件包含点的坐标进行比对(注：采用构建平面而不是直线的方式检查有无障碍，是为了防止因构建表面预留有门窗洞口，构建直线可能恰好穿过洞口，不产生坐标重合，导致障碍判断错误，而构建平面则可以避免此类情况发生)；

3.3 运用智能推理获取属性值

GB 50096-2011《住宅设计规范》6.6.1规定 “七层及七层以上的住宅，应对下列部位进行无障碍设计：1 建筑入口；2 入口平台；3 候梯厅；4 公共走道”，其中“建筑入口”这个属性在BIM设计模型中无法取得。而我们知道专业人员在观察BIM模型时，是在有足够的知识储备前提下进行的，有许多常识性的认识。如图3，建筑师和技术规范审查人员都轻易判别这个建筑有两个“建筑入口”这是常识。我们不能要求建造师在做BIM建模时，在每个建筑入口处都标注，这即不合建筑师的工作习惯，也增加了不必要的工作量。而在计算机检索BIM模型时，“建筑入口”仅仅是一个普通洞口，怎样让计算机具有一定智能，也能识别它。我们需要根据专业知识和经验，设计若干规则进行判断。以民用住宅建筑、办公楼为例，我们推理的路径是：(1)确定建筑结构类型，分两种情况：1)没有架空层；2)首层为架空层。(2)根据建筑类型，若为情况1)，则判定首层功能属性为“外部”的门为“建筑入口”；若为情况2)，则判定二层功能属性为“外部”的门为“建筑入口”。

图3 建筑物出入口判定

3.4 在BIM设计模型中增加属性值

BIM设计模型中存在一些既无法获取也不能通过间接计算得到的属性，我们只能通过在对应构件属性栏中添加“字段”，预设字段值，再通过建模人员手动添加的方式来表征该属性，在IFC(Industry Foundation Classes)格式文件中这些添加的字段会完整地呈现，从而保证添加的字段值与相关的属性进行对应。为了不增加BIM建模人员工作量，需将人工添加的属性数量降低到最低，同时通过对添加字段的典型取值进行预设，以人工手动选择为主，进一步降低手动输入的工作量。表4列举了部分需添加的属性。

表4 BIM设计模型中需添加的属性(部分内容)

4 结 语

面向建设工程设计成果智能审查系统必需依赖后台的判定规则，结构化的规范条文采用IF...THEN语句构成判定规则集合。BIM设计模型必须提供判定规则运行所需要的属性值。本文从这个逻辑出发，提出BIM设计模型精细度要求，从将专业相关整体信息链接到模型，运用各类计算方法间接获取属性值，运用智能推理获取属性值，模型上增加属性值四个方面提升BIM设计模型的精细度，经过实践验证，可使BIM模型精细度提升至满足智能审查要求的水平。需进一步的研究工作包括：拓展研究范围，考察更多建筑构件对此方法的适用性，以及规范条文的属性字段抽取和判定规则的自动生成，BIM设计模型中属性智能获取算法改进，BIM交付成果审查应用标准等。