BIM消防审查信息数据及合规性判断规则研究
2022-10-27乔长江陈元锴陈胜男
乔长江 郑 鹏 陈元锴 陈胜男
(1.广州市建设科技中心，广州 510030； 2.北京构力科技有限公司，深圳 518000)
引言
从2019年国务院推动工程建设项目审批制度改革，全国各地陆续出台地方响应政策，取消施工图审查。消防工程质量安全监管是住建部门重点工作之一，从设计源头把控消防工程质量安全尤其重要。消防设计普遍采用二维施工图纸形式进行审查交付，该种方式存在很多问题，如审查尺度不一、审查不全、审查效率不高、审查质量无法评估等问题[1]，如消防二维图纸审查中，疏散距离、防火分区计算严重依靠人工测量或者图纸文字表达，该方法效率低下且结果可靠性不高。探索BIM消防审查有助于解决以上问题，实现机器辅助专家审查，提高审图效率，有效把控审查质量。
2018年11月，住房城乡建设部在《关于开展运用建筑信息模型系统进行工程建设项目审查审批和城市信息模型平台建设试点工作的函》中要求，开展“运用BIM系统实现工程建设项目电子化审批审查”、“探索建设CIM(城市信息模型)平台”的试点工作。试点城市政府要以工程建设项目三维电子报建为切入点，在“多规合一”的基础上，建设具有规划审查、建筑设计方案审查、施工图审查和竣工验收备案等功能的CIM平台，精简和改革工程建设项目审批程序，减少审批时间，探索建设智慧城市基础平台。
CIM平台是一种融合了城市各类时空信息的三维有机模型，主要包含BIM信息模型、IoT物联网、GIS地理信息系统。在规划报建、施工图审查、竣工验收过程中，通过CIM平台汇集各类BIM数据，保证建设项目层层管控，数据层层传递，最终融合成CIM平台的细胞单元，给智慧城市提供数据支撑[2]。
BIM审查作为试点主要任务，在南京市、广州市、苏州市及、湖南省等地都开展了基于BIM的施工图审查系统建设工作。其中消防作为审查的核心组成部分，探索消防审查相关BIM信息数据及条文计算判断规则等关键技术极其重要，下文将针对该系统和关键技术展开讨论研究。
1 消防条文拆解
1.1 条文梳理原则
建筑住宅类消防规范要点条文约400余条，根据以下四个原则进行条文筛选：
(1)政府及审图专家关心的内容，如建筑防火分区面积、安全出口等；
(2)二维审查有难度，三维审查容易实现的内容； 如消防审查重点《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018版)第5.5.17 条关于消防疏散距离的审查[3]；
(3)可量化的强制性条文； 如防火分区面积不大于1 500m2，栏杆高度不低于1.2m等；
(4)该条文适合自然语言的理解和生成，且对BIM消防属性信息等设计精度要求增加不多。
初步筛选出民用建筑消防审查要点条文160余条。
1.2 规范条文拆解
规范条文拆解方法分为两种：第一种，专家人工拆解条文； 第二种，使用NLP方法智能拆解条文。全国建筑规范条文有几千条，如果进行人工拆解，则工作量巨大，同时面临规范随时更新的情况，导致大量工作的重复，因此，有必要探讨一种新的方法进行机器拆解。NLP(Nature Language Processing)自然语言处理是人工智能的重要组成部分，是实现自然人机交互的重要学科[4]。NLP的包含词性标注、词性还原、识别停用词、依存句法分析、命名实体识别、共指消解、词意角色标注等功能，如《住宅设计规范》GB50096-2011第5.6.3条：阳台栏板或栏杆净高，六层及六层以下不应低于1.05m； 七层及七层以上不应低于1.10m[5]。通过NLP规范拆解步骤为：
(1)词汇识别，依赖专家人工构建，如该条文中阳台、栏板、栏杆；
(2)关系抽取，从文本中抽取实体与实体之间的关系； 不应低于、以下、空间关系；
(3)属性，如净高、楼层； 最后拆解条文结果如表1所示。
表1 住宅设计规范5.6.3条文拆解
2 BIM消防信息提取
2.1 BIM合规性基础数据信息
国家BIM相关规范对建筑模型数据交付进行了规定，主要包含了模型单元的几何信息、关联关系、单元属性信息、系统分类、单元属性值等，但深度不足以支撑消防合规性审查的信息数据要求，如缺乏构件耐火等级、构件材料信息等[6]。
目前设计院交付的BIM数据格式多种多样，以国外ABC(AutodeskBentlyCatia)软件数据为主，各软件厂商底层数据逻辑各不相同，以某一款主流BIM软件数据进行信息数据交付，可行性不大，因此，需要统一的数据格式来支撑BIM审查信息数据的交付。国际通用IFC标准，针对面向对象数据格式作了严格定义，虽然各软件开发商都做了相应的接口，但其内部数据定义不可能与其完全一致，造成转换复杂、数据有损失的情况[6]。BIM消防审查所需数据是单向，仅用于BIM消防设计审查，是基于目标驱动数据，对消防部分BIM审查数据信息进行归纳整理[7]，如表2所示。
表2 BIM消防数据信息分类
2.2 提取BIM消防数据信息
BIM软件中的信息分为全局属性信息和局部构件信息，大部分构件都继承了全局的属性信息，只有少部分的局部信息在构件中单独存在，如Revit软件中楼板标准族包含有以下属性信息[8]，如表3所示。
表3 Revit楼板族属性
提取过程中先按照全局属性信息提取，楼板属性如表4所示。
表4 楼板全局属性
剩下的局部属性，通过单独提取的方式增加即可，然后通过北京构力科技有限公司图模大师软件进行轻量化展示，楼板BIM消防基本属性展示如图1所示。
图1 提取后消防信息
3 BIM消防模型合规性判断方法
3.1 判断基本方法
BIM消防模型采用SNL(结构化自然语言)作为基本判断方法，将建筑消防规范条文转换为计算机容易处理的信息，并且建立规则库，使用相应规则进行计算判断[9]，其中主要包含以下五类：
(1)属性规则，构件有哪些属性及属性名，用于检查BIM审查信息是否缺失；
(2)属性值，如构件的属性值是否满足规则库要求，如消防面积；
(3)构件的空间规则，如房间里面的构件从属及逻辑关系；
(4)几何和距离计算规则，如机电碰撞检查、疏散距离检查；
(5)正则表达规则，字符串的表达与匹配，多种语义的理解。
通过设置不同的规则库，可以检查BIM模型的质量问题及技术规范条款。规则库包含复杂条件(管道上相邻支吊架的距离)的距离计算，尤其是在三维模型中，人工检查很难或者几乎不可能做到，但利用包含规则库的自动检查工具，可以在短时间内给出全且准的结果，能帮助工程师和审图节约大量时间并同时提升BIM的模型质量。消防设计规范中经常涉及到面积计算问题，如防《建筑设计防火规范》第5.3.1条：一、二级高层民用建筑，未设置自动喷水灭火系统时，建筑内防火分区的面积小于等于1 500 m2。针对这种情况，首先对该区域构件空间规则进行判断，其是否含有自动喷水灭火系统，如果没有则要对防火分区面积属性值进行判断，即防火分区的面积属性值判断是否大于1 500m2，没有则通过审查，有则提示该条文不通过，并在模型中进行定位显示。
3.2 疏散距离Dijkstra算法
疏散距离的计算是消防审查中的重难点，采用点点直线连接测距的方法不能满足规范审查的要求，需要采用智能计算方法，求出疏散最短路径。迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路径算法，用于计算一个节点到其他节点的最短路径，它的主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止[10]。采用该方法计算BIM模型中最短疏散路径，具体步骤如下：
(1)识别BIM模型中安全出口、疏散门，作为分析模型中起点和终点；
(2)寻找中间路径节点，如墙体拐角等；
(3)结合起点、中间节点、终点建立Dijkstra模型，计算分析求出最短路径。
以某BIM模型平面为例(如图2 所示)，其中A点为房间疏散门，F点为安全出口，BCDE都是中间路径节点，其中两点可以直接连接距离为S，不能连接即距离即无穷大，根据该模型建立Dijkstra数学模型如图3所示。
图2 某BIM模型平面图
图3 Dijkstra数学模型
(1)首先初始化距离，S为直接连接点的距离，dis[E]表示E到F点的最短距离，因而初始
dis[D]=SDF； dis[E]=SEF； dis[B]=SBF； dis[C]=SCF； dis[F]=0； 现在得到F到各点距离 {E(SEF)，C(SCF)，B(SBF)，D(SDF；)，F(0)A(*)}，其中*代表未知数也可以说是无穷大，括号里面的数值代表F点到该点的最短距离；
(2)图3所示dis[E]距F最近，寻找与E相连节点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点的值最小，此时看与C点直接连接dis[C-A]=SCA； dis[C-B]=SCB； dis[C-D]=SCD；
重复(2)过程所示，dis[A]=SAC+SCF
(4)以此类推，针对节点BD重新更新计算，遍历所有节点得出A节点到F节点的最短距离。
最后采用该方法针对实际工程案例进行验证，发现能够有效正确的计算出疏散门到安全出口距离，大幅提高《建筑防火设计规范》5.5.17条的审查工作效率，如图4所示。
图4 疏散距离智能计算
4 结论与展望
根据消防审查要点和BIM模型信息特点进行相关条文筛选和拆解，同时对BIM消防合规性基础信息进行归纳整理，然后采用SNL方法的进行合规性判断，最后以某案例验证其可行性。审查结果表明，基于BIM的消防审查能够有效提升工程设计质量，同时作为BIM审查的专项应用和有效补充。文中重点探讨了BIM消防审查中的若干技术问题，并进行展开分析和讨论，主要有以下三点：
(1)介绍了BIM消防审查条文筛选的四个基本原则及NLP智能拆解方法；
(2)探讨BIM模型审查合规性基础信息的组成结构，结合消防审查特点进行提取和展示；
(3)研究BIM消防审查合规性判断的基本方法(SNL方法及Dijkstra算法)，最后进行案例验证，表明该方法能够有效辅助消防专项智能审查。
该技术给BIM三维模型合规性审查提供了重要的示范作用，从消防专项审查进行突破，为以后的BIM审查全面推广奠定应用基础，有效提高项目报建审批数字化、信息化和智能化水平，为智慧城市管理奠定基础。
