基于BIM模型的深基坑工程施工方案自动图审

宫培松， 骆汉宾， 郭聖煜

(1. 中国地质大学(武汉) 经济管理学院， 湖北 武汉 430074； 2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

深基坑工程施工具有很高的安全风险，各国都针对深基坑工程施工建立了严格的施工安全管理制度，这些制度涵盖从设计到施工的全过程[1]。设计是施工的基础，其对施工质量和安全将产生重要的影响[2]。而深基坑工程施工方案是深基坑工程施工的设计文件，其质量直接关系到施工安全和施工可实施性。

深基坑工程施工方案一般包括深基坑施工图、施工组织、施工工艺工法、质量安全保障措施等，而施工方案应经过两个阶段的审查才能最后实施。首先，深基坑施工图应经过图审，主要审查施工图是否存在违反设计规范的情况；其后，应根据建质[2009]87号《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》的要求，组织专家对全部施工方案进行技术和安全方面的评审。以上两个环节都是施工的前提条件，图审环节保障施工图纸的质量符合要求，达到最基本的安全要求；而方案评审环节能够结合施工方案的其他内容对安全风险进行全面评估，为后期的施工安全管理提供必要的决策支持信息。因此对深基坑工程基坑施工图的图审工作对保障后期施工安全具有重要的意义。

目前深基坑工程施工图的图审主要由人工完成，重点是检查图纸的规范符合情况，但由人工完成图审工作存在一些难以克服的困难。首先，相关设计规范包含的信息量巨大，人脑不可能完全掌握；其次，实际工作中往往多个项目集中图审，则每个项目能够分配到的时间很有限，图审专家不可能对所有图审点一一翻阅规范；最后，相关规范众多，对于同一个图审点，可能不同的规范有不同的要求。因此，人工图审难免会存在图审点遗漏，以及相关标准选用难以把握甚至错用的情况[3]。

综上所述，图审工作的特点可以总结为：信息量大；工作量大；工作流程明确；判定标准简单；耗时长。而图审工作的特点符合计算机的特长，以计算机代替人工完成图审工作将克服人工图审面临的所有困难。此外，随着BIM(Building Information Modeling)技术的快速普及，以往计算机对CAD(Computer Aided Design)格式图纸解析难度大、识别率低的困难将在很大程度上得到解决，BIM模型的数字化特点将使信息提取变得快速而准确，因此BIM技术使得自动审图具备了很好的基本数据条件。

施工方案包括文字部分和图纸部分，传统格式图纸只能表达基坑开挖至最深部位时的信息，有关施工组织、施工工艺等过程信息都以文字的形式存在，所以传统图审的定义只是针对图纸中的规范符合情况进行检查，并不包括对全部方案的审查。而BIM模型能够定义施工过程信息，因此深基坑施工方案的BIM模型不仅包括了施工方案图纸中的基本信息也包括了施工方案文字部分的主要技术信息，如开挖顺序、监测点、施工流向等。因此深基坑施工方案的几乎全部关键信息都可以集中用BIM模型表达，从而本文中的“图审”不是针对传统图纸的检查，而是对施工方案的规范符合性审查。

自BIM技术推广普及，施工图的自动图审一直是业内的研究热点，国内外学者和工程师们做了很多相关研究和应用开发。

理论方面，早在1996年，Tang等[4]对自动图审做了初步研究，提出了技术方案；Yang等[5]设计开发了一个基于J2EE(Java Enterprise Editon)平台的应用软件实现针对IFC(Industry Foundation Classes)格式的建筑模型的自动审图；Reichard等[6]开发了两个应用软件用于监测方案的设计成果是否符合强制性规范的要求；Stewart等[7]开发了一个自动日照设计图审工具用于监测建筑图纸是否符合新泽西当地的日照设计规范；BIM领域的权威专家Eastman等[8]系统分析了全球五种最典型的针对IFC格式模型的自动图审系统，总结了基于BIM的自动图审系统的理论框架及流程；Tan等[9]针对基于BIM的建筑设计提出了一种自动审图方法监测其环境设计规范的符合性；Nguyen等[10]提出了一个协同设计平台，协调各设计专业，以保证设计出的BIM模型能够始终符合设计规范要求；Karlsson[11]开发了一个管理信息系统应用于冰岛的建设管理中，实现了设计图纸的电子交付和自动图审功能；李雪等[12]设计开发了基于BIM的建筑电气审图专家系统，该系统基于Revit的API(Application Programming Interface)接口开发；李吉江等[13]针对地图技术审查缺乏有效管理的状况，基于B/S(Browser/Server)架构设计开发了自动审图系统。

此外，在应用方面，1995年，新加坡就推广应用了基于2D图纸的自动图审系统，1998年则进一步开发应用了基于IFC标准模型的自动图审系统——CORENET。CORENET系统已经拥有了超过2500个公司用户，包括建筑、结构、监理和其他一些专业[8]。Smart Codes 是另一个卓有成效的应用。国际规范委员会(The International Chamber of Commerce，ICC)支持开发了Smart Codes，它可以将文字载体的规范条文翻译成计算机能够使用的规则，结合相应的图审系统，可以为设计者反馈一个图审报告，明确支持设计图纸中有哪些部分不符合相关规范。至今ICC已经开发了超过15个国际规范(包括建筑、消防、绿色建造等)[14]。

过去二十多年来，随着BIM技术在AEC/FM(Architecture, Engineering & Construction； Facility Management)行业的普及和推广，自动图审领域的研究和实践取得了显著成果。但到目前为止，大多数研究成果都只针对某个或某几个领域，如建筑设计、空间监测、结构设计、环境、能耗等[15]，还没有专门针对深基坑工程施工方案的自动图审研究和应用。事实上，深基坑工程是一个过程产品，或者说是一个临时产品，它并不是最后交付的建筑产品的一部分，可能深基坑工程的这个性质使得其在自动图审研究方面被忽略。但是，深基坑工程具有极高的安全风险，图审工作质量对施工安全具有及其重要的意义，因此，实际工作中急需针对深基坑工程施工方案的自动图审研究以提高安全管理质量。

Eastman等[8]总结了过去二十年来自动图审研究，提出了自动图审的四阶段模型。

第一阶段，规则解释。将大量自然语言表达的规范条文转换成计算机能够使用的规则，最常用的规则形式就是产生式表达，即IF THEN格式。所有规则组成规则库供自动图审时被系统调用。

第二阶段，模型准备。一个深基坑工程施工方案的BIM模型包含了大量信息。但针对一个特定的规范检查，可能只需要极少数信息即可。如果每完成一个图审点的规范检查，都遍历一次BIM模型，则自动图审将完全没有效率优势，也失去了存在的价值。因此，必须根据深基坑工程施工方案的图审需求，进行模型视图定义(Model View Definition，MVD)，以快速建立图审所需的信息子集，为自动图审完成模型信息准备。信息交付手册(Information Delivery Manual，IDM)是完成模型视图定义的基础，针对深基坑工程自动图审的IDM研究是实现其自动图审的关键环节。

第三阶段，规则执行。利用规则比对待图审项目的BIM模型，判断各图审点是否符合规范要求。

第四阶段，检查报告。将规则执行结果反馈给用户，反馈信息至少应包括检查过的图审点、图审点的规范符合情况以及不符合的图审点违反了哪个规范条文。

可见，自动图审的关键环节是规则解释和模型准备两项工作。规则解释能够建立规则库，提供图审标杆，而模型准备能够去除冗余信息，为图审提取必须的信息子集。

本文以四阶段模型为理论依据，以深基坑工程施工方案为对象，首先分析整理相关规范条文，建立深基坑工程自动图审知识库。根据图审点的信息需求，研究深基坑专项施工方案BIM模型所需的信息，以建立建模规范。在此基础上设计开发基于BIM的自动图审系统并应用于实际项目。

1 自动图审知识库与模型准备

规范条文是由自然语言编写，需要相关条文转化成规则才能由计算机识别和执行。整理深基坑施工规范，将相关条文改写成IF THEN格式的规则，然后建立知识库存储和管理所有规则，以便自动图审时随时调用。自动图审知识库是实现自动图审的基础。

1.1 自动图审需求与工程语义结构

深基坑施工规范包含的信息量巨大，涵盖了所有深基坑工程施工工法，而一个具体施工方案只会选择少数几种工法进行组合，因此对于一次图审，仅需要很少一部分规范条文即可。计算机不能自动提取所需的规则，如果没有一个初筛的过程，则每次图审都只能将知识库中所有的规则全部计算一遍。这将耗费大量的资源和时间，难以体现自动图审的效率。而且当规则无法执行时，计算机难以判断是模型数据错误导致，还是根本无需检查此条规则，模型中根本就没有规则所需数据。因此，必须在正式图审前，根据施工方案内容确定所需的规则，而不是提取知识库中的全部规则。这就需要建立一个深基坑工程的工程语义结构，每条规则至少归属于语义结构中的一个图审对象，这样就可以利用这个语义结构从知识库中快速提取图审所需规则。以下举例阐述工程语义结构的建立过程。

规范目录已经将深基坑工程主要内容进行了分类编排，可以按照目录内容，以图审对象定义目录中列出的主要工法或结构构件。同时，针对各图审对象下的具体规范条文，从中提炼出图审点。如表1所示，目录中第6.7节是内支撑，可以建立两级图审对象，即一级图审对象“支护结构”和其下属的二级图审对象“钢筋混凝土支撑”。在6.7中，根据规范条文6.7.3的内容，可以建立“钢筋混凝土内支撑混凝土强度等级”“钢筋混凝土内支撑截面形状”和“钢筋混凝土内支撑钢筋标号”三个图审点。这三个图审点可分别建立图审规则以完成自动图审。

表1 工程语义结构与规范内容关联示例

注：数据来源于DB 42/159-2004《湖北省基坑工程技术规程》

表2是依据规范条文建立的工程语义结构。根据待图审项目施工方案的主要工法选型，即可确定评审对象，按照工程语义结构就能即时筛选出待图审项目所有图审点。这样，各图审点所关联的图审规则就是本次图审需要的全部规则，而不必使用知识库中的全部规则。

表2 工程语义结构

1.2 规则构建

工程语义结构起到了快速筛查图审点和提取相应图审规则的目的，在各图审点下，需要根据规范条文的内容将自然语言转换成图审规则，规则可以使用产生式表示法表达。

如表1中图审点“钢筋混凝土内支撑混凝土强度等级”规范原文为“钢筋混凝土内支撑的混凝土强度等级不应低于C30”则规则的伪代码可表达为：

IF 钢筋混凝土内支撑的混凝土强度等级≮C30

THEN 符合

ELSE 不符合

以上规则伪代码可以转化成两条规则，如表3所示。

表3 图审规则示例

当然，某些规范条文规则前提较多，逻辑关系较为复杂，不能直接翻译成单条件规则。这时可以建立决策表分析多规则前提条件下的逻辑关系，化繁为简，用简单规则组成规则链以准确表达相应规范条文中的逻辑。

1.3 知识库构建

知识库由工程语义结构、图审规则和规则前提三个部分组成。工程语义结构定义待图审项目施工方案的主要信息。图审规则与工程语义结构中的各图审点相关联，一旦待图审项目确定了对应的工程语义结构信息，即可根据其所对应的图审点筛选出所有需要的图审规则。各图审规则包含若干条规则前提(规则前提数量由规范条文的语义逻辑决定)，各规则前提与相应的规则关联，即可保证规则的正确运行和计算。知识库内部三个部分之间的关联如图1所示。

图1 图审知识库各部分的关系

图1中，以工程语义结构中的图审对象勘察点为例，在图审对象“勘察点”下，根据规范条文建立了“勘察点间距”和“勘察点深度”两个图审点。根据规范条文，勘察点间距应在12～24 m。因此，图审点“勘察点间距”下应建立两条图审规则，即“勘察点间距要求1”和“勘察点间距要求2”。规则“勘察点间距要求1”的规则前提为“勘察点间距∈[12,24]”，因此，与该条规则对应的结论为“是”，即符合规范要求。规则“勘察点间距要求2”的规则前提为“勘察点间距>24”，因此，与该条规则对应的结论为“否”，即不符合规范要求。

图审知识库能够快速筛选待图审项目所需审查的图审点，有效管理和筛选相关规则，是实现自动图审的基础条件。

1.4 专项施工方案的模型准备

实现自动图审需要两个方面的信息，一是图审标准，即图审知识库；二是作为施工方案载体的BIM模型能够提供图审必需的信息，即信息被准确建立在模型中。

理论上BIM模型可以建立项目全生命周期的全部信息，信息量巨大。但针对具体工作任务，并不是所有信息都需要，因此各类信息交付手册(IDM)的研究和开发是实现BIM价值的重要基础条件之一。IDM能够为各项具体工作建立相应的模型视图定义(Model View Definition)，这样就去除了对具体工作而言的冗余信息，更重要的是，能够为具体工作提出明确的信息需求，以保证建模人员能够将所需信息正确建立在BIM模型中。

目前我国还没有针对深基坑施工方案的BIM模型标准，也没有相应的IDM。事实上，一个针对具体工作的IDM开发是一项复杂的系统工程，需要高水平团队和长期的工作才可能完成。因此，本文仅阐述专项施工方案的BIM模型信息需求的确定过程，该方法可作为实际研究开发的理论基础。

自动图审过程就是比较图审规则的前提信息与模型实际信息的符合情况，选取规则前提与模型信息一致的规则结论作为该图审点结论。通过整理各规则前提，即可得到深基坑工程施工方案BIM模型的信息需求。BIM模型信息需求的整理过程如表4所示，表4中“模型所需信息”一栏是最重要的信息，它规定了深基坑施工方案的BIM模型必须建立的信息及其标准名称。如施工方案能完全按照规定全面准确地建立所需信息，则能保证专项施工方案中提取的模型信息能够与图审规则中的规则前提无缝对接。

表4 BIM模型信息需求整理

图审知识库与施工方案的模型准备是相互配合相互依赖的两个关键模块，前者提供了符合计算机计算要求的图审规则，后者提供了保证图审规则正常运行的信息。它们之间的关系如图2所示。

图2 图审知识库与模型构建标准的关系

2 自动图审系统及其应用

在具备了图审知识库和模型准备这两个基础条件之后，就可以设计相关系统框架和流程，以实现自动图审。

2.1 自动图审系统框架

根据人工图审的工作方式，利用计算机改造图审流程，可设计深基坑工程施工方案的自动图审系统框架(图3)，图3同时也展示了自动图审的工作流程。

图审知识库基于深基坑工程相关规范构建，由工程语义结构和图审规则两个部分组成。深基坑工程施工方案的BIM模型依据模型信息需求构建，即模型中必须包含信息需求中要求的信息且信息构建准确。

依据待图审项目的工程语义信息，结合图审知识库，可自动生成图审清单。图审清单包括待图审项目所有需要检查的图审点，各图审点在系统后台已经关联了相关图审规则。按照图审清单中的各图审点，根据各规则前提的信息需求从模型中提取相应信息以完成各相关规则计算，最后综合所有规则计算结果输出图审成果。图审成果中包括各图审点及是否符合规范要求的判定，并列出规范原文以供参考。

图3 自动图审系统框架

2.2 案例分析

绿地国际金融城基础工程呈长方形。根据该项目深基坑施工方案，其开挖面积约360000 m2，基坑最深处27.85 m，坑底为细砂层，坑壁主要由填土、夹花层土、淤泥质粉质粘土和砂层构成。基坑围护结构由1.2 m厚地下连续墙组成，二墙合一。内支撑为5道钢筋混凝土支撑，降水方式为坑内深井降水。系统的图审知识库是基于DB42/159-2004《湖北省基坑工程技术规程》建立的，因此自动图审以该规范为基准。

具体自动图审流程如下：

(1)根据该项目施工方案概况，可确定其基本工程语义信息(支护/悬臂式排桩、支撑/混凝土支撑、地下水治理/明沟排水、……)，系统可根据该项目工程语义信息自动生成图审清单。如图4上图所示。

(2)根据图审清单，系统可从该项目深基坑工程BIM模型中提取图审清单中的相应信息，以确定各图审点对应规则的规则前提信息。如图4中图所示。

(3)系统执行图审清单中的各图审规则，做出判断，生成图审结果。如图4下图所示。

自动审图系统完成了41个图审点的检查，给出了每个图审点的图审结果(是否符合规范要求)、依据(规范名称)和规范原文，图审耗时10 min。同时，为了检验自动图审的效率和质量，该项目也进行了人工图审。人工图审完成了25个图审点的检查，用时约1 h。人工图审与自动图审结果绝大部分一致，但存在3处矛盾。具体见表5所示。

表5 人工图审与自动图审比较

矛盾点1和矛盾点2都是有关土方开挖分层和分段的，施工方案中的设计是土方开挖分层厚度4 m，分段长度20 m，都符合规范要求。但方案BIM模型中未按照土方开挖方式对土体对象分块建模，造成计算机将全部土方的外形尺寸作为开挖厚度和分段长度数据，从而得到错误结论。矛盾点3是由于自动图审和人工图审使用了不同规范造成的。人工图审使用了国家规范JGJ120-99《建筑基坑支护技术规程》，而自动图审使用的是地方规范DB42/159-2004《湖北省基坑工程技术规程》，国家规范要求混凝土强度等级不低于C20，地方规范要求不低于C30，而该项目施工方案设计为C25，造成了两者结论矛盾。

3 结 语

本文研究了基于BIM模型的深基坑工程施工方案自动图审，详细阐述了图审知识库的构建、模型信息需求的确定以及深基坑工程自动图审的系统框架和工作流程。以绿地国际金融中心深基坑工程为对象，验证了自动图审能够保证图审工作的全面和准确，工作效率大大高于人工图审。

但不可否认，自动图审的质量依赖于图审知识库和模型准备的质量。对于同一图审点，不同规范可能有不同的标准，使用不同的规范可能出现结论不一致的情况；目前还没有针对深基坑工程图审的BIM模型构建标准，在图审中可能会出现由于模型信息构建不符合规则前提要求而造成结论错误的情况。后续研究应集中于多规范的冲突消解以及深基坑施工方案BIM建模标准方面。此外，基于BIM模型的深基坑施工方案自动图审体现了相关技术的进步，提高了工作效率和质量，但目前还不能完全替代人工评审，而是作为一种辅助手段，因为逻辑性更加复杂的技术审查和政策审查目前仍然需要依靠专家组的人工评审完成，而这也是自动图审研究的努力方向。

图4 自动图审过程