基于BIM的建筑施工AIHS系统设计

梁津源 王丽 杨雪韵

摘 要：BIM技术因其可视性、模拟性、协同性等优势，在建筑施工安全智能管理领域得到广泛应用。本文在本质安全的原则指导下，基于专家系统，提出了基于BIM的建筑施工危险源自动辨识（AIHS）系统的建设概念。其中充分发掘BIM模型识别和数据信息分析和提取，实现了危险源的自动辨识和防护措施匹配，并且以良好的可视化形式展现。AIHS系统开发和应用成本低，能够有效地提高施工安全管理水平，降低施工事故的发生概率。

关键词：危险源辨识;专家系统;BIM

基于BIM的建筑施工危险源自动辨识（AIHS）系统，是实现BIM环境下危险源辨识自动化的工具。利用该系统，能够对BIM建筑与安全控制措施设计方案进行智能分析诊断。它通过专家系统在BIM环境中进行模拟风险分析，实现BIM模型识别、信息提取、工程反演、危险源辨识和防护措施匹配等功能，极大地提高了施工中安全设计的科学性和全面性。

1 建筑施工AIHS系统模型分析

建筑施工AIHS系统是基于BIM二次开发使用的辅助性工具，系统功能主要有BIM建筑模型数据分析和提取、危险源辨识、防护措施设计。针对种类繁多的危险源，AIHS需要对其进行有效整合和分类，才能够提高使用效率和数据利用率。本文对整个建筑施工AIHS系统的层次结构、专家系统和系统功能进行了设计和分析。

1.1 AIHS系统层次结构

AIHS系統从BIM建筑设计模型出发，通过BIM二次开发技术实现相关信息的提取，并在专家系统内部完成基于语义网的施工危险源辨识和防护措施匹配，最终将结果同步反馈至BIM平台。利用BIM的族类建设，实现基于施工阶段的防护措施可视化定位展示，落实施工安全设计与建筑设计同步进行的要求。AIHS系统的层次结构主要包括数据层、功能层、应用层和输出层。

AIHS的数据层为系统的执行和功能实现提供必要数据，按照数据功能分类可以分为系统建设依据库和系统运行原始数据库，系统建设依据库包括施工安全防护库、建筑工程库和事故树（FTA）分析库。其中：

（1）施工安全防护库主要支持系统防护措施匹配功能的实现。通过对危险源风险性质进行分类，实现系统的措施管理，提高系统防护措施匹配的效率。

（2）建筑工程库为系统提供了结构与工程的基本关系，在此基础上实现对模型的工程反演推导，施工安全设计的4D化（3D+时间）建设和建筑施工全空间、全时间的风险管理。

（3）FTA分析库根据FTA分析的结果为专家系统语义网建设提供知识支持并作为危险源辨识功能的理论依据。系统运行原始数据库主要指BIM模型库，通过BIM二次开发功能提取建筑信息，作为原始数据保存到专家系统中。

AIHS系统的功能层主要指专家系统内部结构，根据系统功能，专家系统内部主要分为BIM信息处理模块、建筑信息分析模块、危险源辨识模块、防护措施匹配模块和信息转换输出模块：

（1）BIM信息处理模块对BIM模型库所提供的初步信息进行处理，提取和保留所需的基本数据，并根据需求计算得出二级数据，即由原始数据计算得出该系统使用的数据。

（2）建筑分析模块基于BIM信息处理模块结果，对建筑的信息如楼层信息、建筑高度、建筑工程等进行计算和推理。

（3）危险源辨识模型基于FTASN（事故树—语义网）模型，利用建筑分析信息和BIM模型处理信息，根据事故树—语义网的推理机理，识别危险源，确定其风险、工程时间段、3D位置和尺寸。

（4）防护措施匹配模块在风险分类的基础上，根据措施失效的原则展开FTASN分析，计算尺寸，实现防护措施匹配。

（5）信息转换输出模块是将专家系统最终得到的风险管理结果转换至适用于BIM平台的功能，确定信息输出和数据，实现可视化。

AIHS的应用层是指各模块内部的具体功能子系统，这些子系统作为专家系统事实库、知识库、推理库的具体表现，支持着功能实际执行。输出层主要为BIM平台的可视化，其功能包括防护措施族类建设、措施定位和尺寸确定、施工阶段匹配4D实现设计。

1.2 基于FTASN的专家系统模型

专家系统作为AIHS系统的核心，利用语义的手段代替了实时监测技术，从语义网的角度模拟和推理了施工过程中危险源的产生和识别。在传统的现场安全检查中，危险源一般以实体结构呈现，在BIM环境中实现施工各阶段的建模成本较大。而在语义网中，通过建立结构与工程时间节点、危险源与工程时间节点之间的关系，可实现理论上的4D建模。于该4D环境中通过专家系统模拟专家的安全检查工作，可实现基于BIM的建筑施工危险源辨识。

AIHS专家系统执行模型以FTASN模型作为理论基础。将事故类型作为FTA的顶事件，基于风险模式研究中间事件，并将人的行为模式整合入风险中。根据整合后的风险类型，进行相关风险消减措施匹配，即危险源安全防护措施匹配，并做尺寸分析。专家系统的事实库由建筑信息、结构信息和施工工程阶段信息动态组成，在推理机的作用下，通过知识库进行整合及表达，为知识库规则的执行提供有力的支撑。

1.3 AIHS系统功能分析

建筑施工AIHS系统的主要功能包括：

（1）BIM沟通：AIHS在核心系统和BIM平台之间通过BIM的二次开发，实现BIM的数据提取和系统结果反馈以及基于工程反演结果的阶段性可视化报告。

（2）数据处理分析：通过在建设阶段的知识BIM化处理，专家系统具有在BIM环境下执行和分析的能力，能够对插件输入的BIM数据进行处理和分析。

（3）工程反演：基于施工工程—结构—危险源的关系，实现理论化4D模型。

（4）风险管理：利用FTASN模型，实现危险源识别和防护措施匹配，做到风险再整合，从而提高系统的效率。

（5）安全防护信息显示：通过输出模块实现防护措施基于BIM平台的可视化，确定防护措施的3D位置、尺寸，并将工程反演根据工程时间轴形成4D展示模型。

2 专家系统关键模块的建设

AIHS的专家系统关键模块主要包括建筑分析模块、危险源辨识模块和防护措施匹配模块。各模块的建设包括创建阶段、推理阶段、优化阶段和修改阶段，主要是利用语义网的相关技术手段对知识表示分规则块进行程序设计，再根据模块功能和特点利用推理机确定模块内部运行机制。各模块要保留修改空隙，即系统执行后，可以根据运行的结果分析和知识的更新对系统进行优化和修改，以延长系统寿命。

2.1 建筑分析模块

建筑分析模块的功能是将BIM环境中的建筑信息转换为语义环境中的建筑信息，对信息的价值进行判断，筛选系统可匹配信息，并进行初步的信息处理，为后续功能模块提供语义环境适用的信息数据。

建筑分析模块的理论基础包括工程反演理论和风险分析需求数据推算。其中工程反演理论是基于建筑施工专家知识和传统实际建筑施工计划案例总结确定的结构—工程节点关系，推算公式则是基于FTASN模型并总结和整合系统风险分析中需要的数据所确定的，能够为数据计算推理模块提供规则依据。建筑分析模块在获取BIM信息后，通过信息初步整理模块、数据计算推理模块、工程反演匹配模块的推理，保存最终分析结果于建筑施工信息库中，等待系统其余模块的激活。

2.2 危险源辨识模块

危险源辨识模块的功能主要为根据BIM环境中的建筑模型，识别建筑施工工程所有阶段由建筑结构自身原因所导致产生的危险源。

危险源辨识模块的建设支撑包括基于FTA分析的风险再分类研究、结构—危险源—工程节点关系研究以及信息库BIM化处理研究。在这些支撑研究和知识信息的基础上构建FTASN语义网，依据语义网进行专家系统建设。危险源辨识模块在接受建筑分析模块的建筑信息后，根据结构—危险源—工程节点关系规则，确定BIM图元在某施工工程阶段的危险源类别。同时基于FTA分析结果确定风险类型，根据不同类型的风险进行重新分类。

2.3 防护措施匹配模块

防护措施匹配模块的功能是智能的对危险源提出风险管理方案，确定防护措施在BIM环境中的位置和具体要求尺寸。AIHS的防护措施匹配是基于风险的再分类实现的。依据防护措施消缓风险的功能特点，对防护措施与风险进行匹配，实现更高效地本质风险管理。

防护措施匹配模块的建设支撑包含基于FTA分析的风险防护规则研究、BIM化处理信息库研究及危险源相关图元与防护措施路径关系算法研究。基于这些支撑研究和知识信息建立FTASN语义网。防护措施匹配模块根据风险类型匹配措施。由于部分结构需要特殊防护，对这类结构则需要优先进行措施匹配。排除特殊要求防护措施的匹配后，根据风险和防护措施匹配关系匹配一般防护措施，再根据路径关系算法确定防护措施的定位以及特殊尺寸，并将最终结果保存到危险源信息库中。

3 BIM可视化安全设计

BIM的可视化优势，为AIHS的结果展示提供了更好的平台。将执行结果反馈到BIM，实现基于工程反演的防护措施可视化、同步施工安全设计与建筑设计、简化图纸的阅读难度并方便二次设计。要实现AIHS基于BIM的结果可视化，需要在BIM平台完成防护措施族类的建设、构件定位和尺寸设置，

3.1 防护措施族类建设

在BIM环境中，模型的基本绘图单元是图元。图元根据种类组成类别，即BIM族，也称为构件族。BIM族通常分为常规构件族和特定构件族。在Autodesk Revit中（以下简称Revit），可以直接利用的族均有分类。在通过体量假设族时，需要根据设计图元类型选择公制模板。不同类型的族在项目模型使用中，可选择修改的尺寸不同，因此防护措施族类的建设首先需要根据防护措施的基本结构类型进行分类。

通过对防护措施基于基本结构进行分类，与Revit系统内认可的族类别进行匹配确认，确定该防护措施的图元的具体建设方法。由于Revit中BIM图元的尺寸设置并不相同，不同的族类的所需输入的尺寸类型不同，因此，在防护措施族类建设完成后，统计所有防护措施的尺寸设置模板，根据尺寸设置模板的类型对措施进行再分类，以便实现在结果输出时的批量性和匹配性。

3.2 BIM构件的定位和尺寸设置

Revit中图元的构建是通过绘制路径和设置立面来实现的。在AIHS中，ID具有十分重要的意义，它是AIHS能在BIM环境外处理信息并反馈结果的桥梁。在Revit中，每一个图元、路径、点都有自己的ID，这为防护措施的路径绘制提供了可能性：AIHS的专家系统将分析结果通过插件将危险源相关图元ID和防护措施类型提供给Revit，根据图元的ID号，插件分析识别其路径ID，利用防护措施路径和图元路径关系算法，确定最终的位置和尺寸。防护措施路径和图元路径关系算法是指两者之间的映射原則。插件通过该算法，根据提取的图元路径自动选择防护措施的路径。利用BIM平台自身的绘制功能，降低专家系统内部对不同形状、不同尺寸的危险源进行处理的难度。

立面在Revit中的具体尺寸条件名称有：底部标高、底部限制、底部偏移、顶部标高、顶部限制、顶部偏移。立面尺寸是决定3D模型Z轴的数值。由于软件内的名称存在名异义同的情况，例如底/顶部标高和底/顶部限制都是表达图元最底部或最顶部参考的标高，而专家系统内部为了提高效率只做整合，不做分类，因此需要插件在数据输入BIM时实现尺寸名称还原。

由上述得到AIHS系统中BIM构件的定位和尺寸设置进行模型建设，确定防护措施BIM族、图原路径ID，并基于路径关系算法确定措施路径ID，最终将需要建设的防护措施的數据信息反馈给BIM平台，实现可视化功能。

3.3 基于工程反演的4D模型建设

4D模型是BIM应用的一个重要方向，它将施工进度管理作为时间轴与BIM 3D模型形成四维空间。AIHS系统的4D模型主要实现工程反演结果的可视化。通过工程反演对BIM模型进行自动工程分析得到的时间类结果有如下两类：

（1）建筑各结构的产生工程阶段;

（2）建筑施工中危险源的产生工程阶段。

鉴于建筑结构的施工与危险源的防护是基于同一工程时间轴的3D模型，因此AIHS系统的4D模型能够同时实现施工进度管理和施工风险管理。

AIHS实现了将整个施工进度及安全管理流程预先化，即在实际施工过程之前，完成预设计，系统地把控整个施工过程中可能的风险，并且通过4D模型的计算机模拟，能够提前检查施工中存在的问题，对计划进行全面优化。

结语

建筑施工危险源自动辨识（AIHS）系统是集可视化设计平台、插件和专家系统的集合，满足建筑设计与施工安全设计同步进行的要求。本文从层次结构、专家系统核心模块和系统功能等方面出发，对AIHS系统做系统化设计，并针对专家系统的建筑分析模块、危险源辨识模块、防护措施匹配模块提出了构成模型及建设模型。最终，在系统结果展示模块的建设中，提出4D模型的建设理论，指明建设关键。该系统使用语义的方法进行建筑分析和风险分析，降低了BIM输出建设模型多方面信息的技术难度;利用强化专家系统的功能，提升了系统整体的智能化水平。该过程从风险分析的本质性知识入手，探索危险源辨识和防护措施匹配的本质原理，使系统更高效。从应用层面上看，本系统优化了施工安全管理的传统流程，有效提高建筑施工安全管理信息化、智能化水平。

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基金项目：国家安全生产监督管理总局安全生产重特大事故防治关键技术科技项目（hubei00042017AQ）

作者简介：梁津源（1998— ），男，汉族，广东高州人，硕士，研究方向：安全管理信息技术。