基于知識(shí)管理的BIM模型建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查系統(tǒng)研究

陳 遠(yuǎn)，張 雨，康 虹

基于知識(shí)管理的BIM模型建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查系統(tǒng)研究

陳 遠(yuǎn)，張 雨，康 虹

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查對(duì)保證建筑信息模型(BIM)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，增加規(guī)范檢查自動(dòng)化程度具有重要意義。結(jié)合合規(guī)性檢查理論與專家系統(tǒng)方法，提出了以BIM模型為檢查對(duì)象的合規(guī)性自動(dòng)檢查系統(tǒng)框架，以規(guī)則知識(shí)與推理機(jī)制分開的方式實(shí)現(xiàn)合規(guī)性檢查過程。以《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》為例，對(duì)規(guī)范中的條文進(jìn)行知識(shí)分析，總結(jié)出規(guī)范知識(shí)表達(dá)式，構(gòu)建規(guī)則庫(kù)和規(guī)則庫(kù)訪問機(jī)制；建立了邏輯策略下推理機(jī)制，將規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則信息與BIM信息進(jìn)行推理，輸出檢查結(jié)果；最后構(gòu)建了合規(guī)性檢查系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)，通過BIM模型實(shí)例完成模型數(shù)據(jù)提取及規(guī)則推理的過程，實(shí)現(xiàn)了合規(guī)性檢查的功能，驗(yàn)證了合規(guī)性檢查方法框架。該方法在一定程度上能夠指導(dǎo)后續(xù)的合規(guī)性檢查相關(guān)研究，有效提高BIM模型的建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查效率，保證檢查質(zhì)量，促進(jìn)建筑工程領(lǐng)域信息化的發(fā)展。

合規(guī)性檢查；知識(shí)管理；規(guī)則庫(kù)；建筑信息模型

設(shè)計(jì)是以國(guó)家、部門和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)完成的。設(shè)計(jì)審查是工程建設(shè)周期中的重要環(huán)節(jié)之一，其目的是在設(shè)計(jì)階段檢查工程圖紙或者模型是否符合相關(guān)規(guī)范要求或是否存在設(shè)計(jì)缺陷。現(xiàn)階段，我國(guó)常用的施工圖審查工作模式還是以人工審查的方式為主，審查過程中需要檢查人員參照大量的規(guī)范條款，審查結(jié)果很大程度上取決于檢查人員對(duì)規(guī)范的了解程度和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致檢查結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀性。同時(shí)設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查是一個(gè)十分耗時(shí)，同時(shí)對(duì)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)要求非常高的過程，在信息化時(shí)代，此種粗放的檢查方式已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查的需求，亟需新的技術(shù)來推進(jìn)規(guī)則檢查技術(shù)的進(jìn)程。

信息化是建筑業(yè)目前發(fā)展的大趨勢(shì)，建筑信息模型(building information model，BIM)技術(shù)是近年來建筑業(yè)研究的熱點(diǎn)問題，BIM可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，有效解決“信息孤島”的問題，提供各方協(xié)同的平臺(tái)。另外，基于BIM的正向設(shè)計(jì)，有助于各專業(yè)在設(shè)計(jì)過程中高度協(xié)調(diào)，更加高效把握項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量，因而基于BIM的正向設(shè)計(jì)被更多人提倡，設(shè)計(jì)交付成果也逐漸由CAD向BIM設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)變。但是基于BIM模型的所有應(yīng)用的前提是模型本身必須符合相應(yīng)的規(guī)范要求。在以BIM模型為交付設(shè)計(jì)成果的前提下，如何進(jìn)行BIM規(guī)范檢查是設(shè)計(jì)人員、審圖機(jī)構(gòu)及建設(shè)主管部門面臨的新的問題。

當(dāng)前BIM模型的合規(guī)性檢查主要依靠三維瀏覽或者內(nèi)部漫游人工檢查的方式，需要時(shí)間長(zhǎng)，效率低，當(dāng)模型體量較大時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)檢查遺漏的情況。基于人工檢查方式存在的問題，很多學(xué)者對(duì)BIM模型合規(guī)性自動(dòng)檢查的研究進(jìn)行探索，嘗試以計(jì)算機(jī)來輔助人工檢查，提高檢查效率。因此，基于BIM的設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查的研究逐漸被重視，是目前一個(gè)重要的研究方向，對(duì)提高審查工作的的準(zhǔn)確性和規(guī)范性，提高建筑工程領(lǐng)域的自動(dòng)化水平具有重要意義。

1 基于BIM的合規(guī)性檢查研究現(xiàn)狀

設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查是一種系統(tǒng)方法，其不需要改變?cè)O(shè)計(jì)，而是通過模型對(duì)象的屬性參數(shù)及屬性間的關(guān)系來評(píng)價(jià)一項(xiàng)設(shè)計(jì)[1]。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，基于BIM的規(guī)則檢查技術(shù)也發(fā)展起來。

FENVES等[2]用決策表對(duì)規(guī)范結(jié)構(gòu)化，將建筑規(guī)范以精確的決策表形式表示；EASTMAN等[1]提出建筑領(lǐng)域合規(guī)性檢查的一般過程；ZHANG和El-GOHARY[3-4]提出了一種基于語義的、基于規(guī)則的自然語言處理方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化信息提取，還提出了一種擴(kuò)展IFC模式的新方法[5]，都用于支持自動(dòng)合規(guī)性檢查。MALSANE等[6]重點(diǎn)分析了英格蘭和威爾士與住宅防火安全有關(guān)的建筑法規(guī)，以確定并優(yōu)化自動(dòng)合規(guī)性檢查的潛力。BEACH等[7]提出了一種基于規(guī)則的語義方法，允許領(lǐng)域?qū)＜以谄涫煜さ恼Z義領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)建和維護(hù)自己的合規(guī)性檢查系統(tǒng)，而不需要進(jìn)行廣泛的軟件開發(fā)。MACIT和GüNAYDIN[8]提出了一種新的建筑規(guī)范表示模型和相應(yīng)的建模方法，可用于未來自動(dòng)合規(guī)性檢查系統(tǒng)的開發(fā)。SOLIHIN和EASTMAN[9]利用建筑、工程和施工領(lǐng)域的各種規(guī)范和規(guī)則檢查，引入了一個(gè)通用的跨應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)則分類，使用的標(biāo)準(zhǔn)適用于自動(dòng)合規(guī)性檢查的所有方面。為了支持對(duì)建筑設(shè)計(jì)的評(píng)估，LEE等[10]提出了基于建筑環(huán)境規(guī)則擴(kuò)展語言的自動(dòng)合規(guī)性檢查，以確保滿足空間規(guī)劃的要求和可視性。LUO和GONG[11]重點(diǎn)研究了實(shí)現(xiàn)基于BIM的合規(guī)性檢查的關(guān)鍵問題——校驗(yàn)知識(shí)庫(kù)和所需信息標(biāo)準(zhǔn)的建立并且實(shí)現(xiàn)了基于BIM的深基坑工程合規(guī)性檢查。FAN等[12]回顧了現(xiàn)有的基于BIM的合規(guī)性檢查系統(tǒng)，對(duì)規(guī)則進(jìn)行分類，并進(jìn)一步開發(fā)了一個(gè)面向用戶的界面，使用戶能夠根據(jù)自己的需求建立規(guī)則。ZHANG和BEETZ[13]建議擴(kuò)展SPARQL函數(shù)來查詢建筑信息模型，從而簡(jiǎn)化編寫查詢和檢索模型中隱含的有用信息，以進(jìn)行合規(guī)性檢查。KOO和SHIN[14]通過訓(xùn)練算法來學(xué)習(xí)給定IFC類BIM元素的幾何形狀，可以自動(dòng)檢測(cè)出離群值，該算法可用于檢查IFC數(shù)據(jù)的完整性，這是基于BIM合規(guī)性檢查的前提。NAWARI[15]通過為中立的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC開發(fā)通用自適應(yīng)框架來使合規(guī)性檢查過程自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率和成本效益。

目前，國(guó)內(nèi)基于BIM的合規(guī)性檢查研究還處于起步階段。李雪等[16]在Revit軟件平臺(tái)上結(jié)合專家系統(tǒng)和Revit二次開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)了建筑電氣專業(yè)的審圖專家系統(tǒng)。劉洪和辛文慧[17]開展了基于BIM的構(gòu)造配筋中規(guī)范的審查研究，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與構(gòu)造配筋規(guī)范的自動(dòng)審查。孫澄宇和柯勛[18]以軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范為例，在BIM模型中分別采取不同的驗(yàn)證算法驗(yàn)證了規(guī)范條款的自動(dòng)檢查技術(shù)。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，當(dāng)前研究還存在以下局限性：①建筑規(guī)范涉及范圍較廣且種類眾多，但大多數(shù)研究只關(guān)注一個(gè)特定的問題去研究，如結(jié)構(gòu)配筋檢查、防火、安全檢查等，從而忽略了建筑規(guī)范的整體性，缺乏避免規(guī)則間相互矛盾的能力；②一些建筑規(guī)范被硬編碼到系統(tǒng)中，規(guī)則編輯缺乏靈活性，規(guī)則可維護(hù)性差并且用戶難以控制；③以硬編碼的形式將規(guī)則編碼到系統(tǒng)，規(guī)則與模型之間處于一種綁定的形式，而沒有直接映射，從而使實(shí)際的建筑規(guī)范與系統(tǒng)代碼的一致性檢查變得困難。

基于當(dāng)前研究存在的局限性，本文探索規(guī)范條文的知識(shí)表達(dá)形式，并結(jié)合合規(guī)性檢查理論與專家系統(tǒng)方法，提出了一種規(guī)則與系統(tǒng)獨(dú)立的基于BIM的建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查框架，彌補(bǔ)上述研究硬編碼形式的局限性。該框架融合了專家系統(tǒng)原理及合規(guī)性審查的一般方法，既包含合規(guī)性審查一般過程中的準(zhǔn)備審查數(shù)據(jù)、規(guī)范解讀、合規(guī)性審查、報(bào)告審查結(jié)果這4個(gè)階段，也包含專家系統(tǒng)中的推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、交互界面等部分。這種新的合規(guī)性檢查方法框架內(nèi)容更為全面，能夠指導(dǎo)后續(xù)的合規(guī)性檢查相關(guān)研究。

以這種新的方法構(gòu)建了合規(guī)性檢查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIM模型的建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查。系統(tǒng)的規(guī)則庫(kù)獨(dú)立于軟件系統(tǒng)，規(guī)則庫(kù)以知識(shí)表達(dá)式的形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行模型合規(guī)性檢查時(shí)，由模型信息與規(guī)則建立映射關(guān)系在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相應(yīng)規(guī)則。此方式可以讓檢查人員自行添加規(guī)則，增加規(guī)則庫(kù)的可維護(hù)性，避免大量的軟件開發(fā)工作。

2 基于BIM的建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查系統(tǒng)框架

本文在專家系統(tǒng)和合規(guī)性檢查理論方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)提出了基于BIM的設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)檢查方法框架(圖1)，由規(guī)則知識(shí)獲取、模型信息準(zhǔn)備、執(zhí)行檢查、輸出檢查結(jié)果4個(gè)部分。

圖1 自動(dòng)檢查方法框架

該方法在BIM平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，利用BIM模型中對(duì)象的屬性、空間位置及對(duì)象關(guān)系與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范匹配比較，得出模型的合規(guī)性判斷，以此來輔助建筑設(shè)計(jì)的評(píng)估與決策，從而獲得符合規(guī)范要求的BIM設(shè)計(jì)模型。此方法框架各模塊功能如下：

(1) 規(guī)則知識(shí)獲取。該模塊的主要功能是將規(guī)范條文通過知識(shí)獲取的方式形成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的規(guī)則，然后將規(guī)則以產(chǎn)生式的方式建立規(guī)則庫(kù)。規(guī)則庫(kù)在本文中以數(shù)據(jù)庫(kù)形式表現(xiàn)，在建立規(guī)則庫(kù)前，首先應(yīng)對(duì)規(guī)范條文進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，抽取知識(shí)表達(dá)式，以二維數(shù)據(jù)表來存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化的規(guī)則。

(2) BIM設(shè)計(jì)信息獲取。BIM模型建立過程中需要定義構(gòu)件名稱、屬性等信息，因而一個(gè)完整的BIM模型里包含了設(shè)計(jì)中的各類信息。BIM設(shè)計(jì)信息的獲取可以從基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM模型中獲取，也可以從Revit或ArchCAD等建模軟件創(chuàng)建的模型中獲取。

(3) 規(guī)則執(zhí)行及審查報(bào)告。規(guī)則執(zhí)行將前面2個(gè)模塊提供的規(guī)則數(shù)據(jù)與模型信息關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了一定的推理規(guī)則。在檢查過程中，程序不斷調(diào)用規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則數(shù)據(jù)與模型中的信息，通過屬性值的檢查來判斷模型是否滿足規(guī)范要求。在執(zhí)行規(guī)則后，每次會(huì)輸出該次的檢查結(jié)果，檢查結(jié)果反映了每個(gè)構(gòu)件的規(guī)范符合情況。

3 建筑設(shè)計(jì)規(guī)范知識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

規(guī)范知識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即通過規(guī)范描述規(guī)律找出邏輯結(jié)構(gòu)，形成規(guī)范知識(shí)表達(dá)式。本研究以設(shè)計(jì)規(guī)范——《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](GB50096-2011，以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》)為例，將此規(guī)范作為合規(guī)性檢查系統(tǒng)的規(guī)則輸入。知識(shí)表達(dá)式的建立過程如圖2所示，主要包括知識(shí)表達(dá)式初定、知識(shí)表達(dá)式優(yōu)化、確定知識(shí)表達(dá)式3個(gè)階段。

圖2 規(guī)范知識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

(1) 知識(shí)表達(dá)式初定。針對(duì)可形式化規(guī)則，本文的規(guī)范知識(shí)表達(dá)式以詞語為基本單元，根據(jù)規(guī)范的描述組合成為規(guī)則知識(shí)表達(dá)式。每條約束條文都可以抽象為由多個(gè)詞語序列組合表示漢語句子，即

因此，本文的規(guī)范知識(shí)表達(dá)式以詞語為基本單元，根據(jù)規(guī)范的描述組合成為規(guī)則知識(shí)表達(dá)式。如圖3所示，對(duì)《規(guī)范》中的條文進(jìn)行分析得出，《規(guī)范》中可形式化規(guī)則均為屬性約束類條文，主要由建筑構(gòu)件、構(gòu)件屬性、比較詞和屬性值4個(gè)部分組成。

建筑構(gòu)件是條文中的約束對(duì)象，需要根據(jù)條文內(nèi)容具體分析，屬性名稱是針對(duì)建筑構(gòu)件的約束內(nèi)容，一般是屬性的參數(shù)約束。屬性值是為滿足規(guī)則約束的數(shù)值信息，比較詞包括“小于”、“等于”、“大于”、“不小于”、“不大于”等判斷比較類詞語。套用式(1)結(jié)果如下

(建筑構(gòu)件)+(屬性名稱)+(比較詞)+(屬性值) (2)

例如，《規(guī)范》6.3.1條“樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于1.10 m”這種類型的約束條文可以按式(2)轉(zhuǎn)換為“樓梯梯段”+“凈寬”+“不應(yīng)小于”+“1.1 m”，簡(jiǎn)單直接約束的條文可以以此種形式轉(zhuǎn)換，可以發(fā)現(xiàn)，仍然有許多構(gòu)件與屬性一對(duì)多的條文或在某一前提下屬性約束的條文難以適用上式。故需要進(jìn)一步優(yōu)化知識(shí)表達(dá)式，以期找到合適的表達(dá)式，將所有可形式化規(guī)則按表達(dá)式形式建模。

(2) 知識(shí)表達(dá)式優(yōu)化階段。規(guī)范條文中在比較詞前往往具有對(duì)本條規(guī)范約束嚴(yán)格程度的副詞，不同的用詞分別表示不同的執(zhí)行嚴(yán)格程度，例如從“不宜”和“嚴(yán)禁” 2個(gè)詞中可以看出，后者約束的要求程度更加嚴(yán)格。因此，必須在表達(dá)式中增加此類情態(tài)副詞，有助于判斷規(guī)范條文約束的嚴(yán)格程度。另外，對(duì)于部分規(guī)范條文，需要在滿足一定條件下才進(jìn)行下一步約束，如《規(guī)范》5.6.3條“陽臺(tái)欄板及欄桿凈高，六層及六層以下不應(yīng)低于1.05 m”中，陽臺(tái)欄板及欄桿凈高的判斷需要建立在住宅層數(shù)在六層及六層以下的基礎(chǔ)上，具有一定的前提條件。在不同的前提條件下，約束的內(nèi)容也會(huì)存在不同，所以表達(dá)式中還需要增加前提條件一項(xiàng)。優(yōu)化后的知識(shí)表達(dá)式如下

(前提條件)+(建筑構(gòu)件)+(屬性名稱)+ (情態(tài)詞)+(比較詞)+(屬性值) (3)

(3) 知識(shí)表達(dá)式確定階段。由《規(guī)范》中可形式化規(guī)則可以總結(jié)出，可形式化規(guī)則6種類型見表1。

表1 可形式化規(guī)則類型

表1種的6種類型分別討論規(guī)范條文對(duì)式(3)的適用程度如圖4所示。第1類條文與第2類條文在結(jié)構(gòu)上相似，套用表達(dá)式時(shí)，第1類條文前提條件為空，后續(xù)屬性約束的詞語與表達(dá)式一一對(duì)應(yīng)，第2類條文與表達(dá)式完全對(duì)應(yīng)。第3類條文與第4類條文結(jié)構(gòu)相似，兩者構(gòu)件與屬性呈現(xiàn)一對(duì)多的關(guān)系，即一個(gè)檢查對(duì)象對(duì)應(yīng)多個(gè)檢查點(diǎn)。如圖4所示，第3類和第4類條文約束主體都為樓梯踏步，但同一主體對(duì)應(yīng)2個(gè)屬性，即2個(gè)檢查點(diǎn)，2個(gè)屬性約束是“且”的關(guān)系，需同時(shí)滿足要求。第5類條文與第6類條文同為一組，其構(gòu)件與屬性是多對(duì)一的關(guān)系，即多個(gè)檢查對(duì)象對(duì)應(yīng)一種類型的檢查點(diǎn)。圖4中，約束主體分別為通往臥室的過道和通往起居室的過道，2個(gè)不同的約束主體對(duì)應(yīng)同一屬性，約束主體是“并”的關(guān)系，兩者互不影響。以上可以看出，雖然存在一些較為邏輯關(guān)系較為復(fù)雜的規(guī)范表述，不能直接轉(zhuǎn)譯為上述知識(shí)表達(dá)式，但可以將條文先分解，化繁為簡(jiǎn)再套用表達(dá)式，然后用邏輯連接詞連接來綜合表述一條規(guī)范條文。因此，式(3)的規(guī)范知識(shí)表達(dá)式可適用于對(duì)《規(guī)范》中所有可形式化規(guī)則的知識(shí)建模，在下一小節(jié)將重點(diǎn)論述利用知識(shí)表達(dá)式建立規(guī)則庫(kù)的過程。對(duì)半形式化和不可形式化的規(guī)則，難以建立統(tǒng)一的知識(shí)表示形式，本文將此類條文按照“規(guī)范名稱-章節(jié)號(hào)-建筑構(gòu)件-條文描述”的格式創(chuàng)建規(guī)則表。

圖4 表達(dá)式對(duì)可形式化條文的適用情況分析

在確定規(guī)范知識(shí)表達(dá)式后，選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server來建立規(guī)則庫(kù)。本文采用先在Excel中建立規(guī)則表，再通過C#語言編程開發(fā)，引入數(shù)據(jù)庫(kù)ADO.NET程序集實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)源的交互。Excel導(dǎo)入SQL Server實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵代碼如圖5所示，構(gòu)建了方法ReadRowContentMoveToSql (string sourcePath)，傳入Excel表格文件地址，然后行列不斷循環(huán)將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖5 Excel導(dǎo)入SQL Server實(shí)現(xiàn)代碼

4 推理機(jī)制設(shè)計(jì)

推理是從已知的事實(shí)出發(fā)，運(yùn)用知識(shí)庫(kù)中相關(guān)知識(shí)逐步推出目標(biāo)結(jié)論的過程。本文的合規(guī)性檢查系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)，其推理的形式是基于規(guī)則的推理。需要解決的問題是根據(jù)BIM模型中的數(shù)據(jù)信息，匹配規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則，推出模型是否符合規(guī)范的結(jié)果。推理過程與正向推理的推理過程一致，都是由條件向結(jié)果方向的推理。正向推理的基本思想是從已有事實(shí)出發(fā)，逐條搜尋知識(shí)庫(kù)尋找可用知識(shí)，若前提條件中各子項(xiàng)在事實(shí)庫(kù)中不存在，則放棄該條規(guī)則，否則執(zhí)行該條規(guī)則。反復(fù)循環(huán)執(zhí)行這一過程，直至問題解決。

結(jié)合正向推理的過程，本系統(tǒng)的推理思路為：推理機(jī)負(fù)責(zé)合規(guī)性檢查系統(tǒng)的整個(gè)問題求解過程，把規(guī)則中的條件部分與BIM模型中的信息進(jìn)行比較，也可以稱之為匹配，如果匹配成功，則判斷出該模型構(gòu)件是否符合規(guī)范。具體地說，BIM模型可以作為一個(gè)儲(chǔ)存構(gòu)件信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，推理機(jī)根據(jù)BIM模型中的信息，決定在當(dāng)前信息下能夠匹配的所有規(guī)范規(guī)則，然后執(zhí)行規(guī)則，按照規(guī)則的結(jié)構(gòu)一層一層詞語匹配，最后一級(jí)進(jìn)行BIM信息與規(guī)則屬性值的比較，推導(dǎo)出檢查結(jié)果。接著繼續(xù)檢查其他建筑構(gòu)件，如此循環(huán)把模型中所有構(gòu)件全部檢查，輸出檢查結(jié)果。系統(tǒng)的推理過程如圖6所示，主要步驟如下：

(1) 實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問，調(diào)取規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則信息。

(2) 以規(guī)則表中的建筑構(gòu)件為對(duì)象，生成規(guī)則選擇樹中的一級(jí)節(jié)點(diǎn)，并以面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢⑾嗤瑯?gòu)件對(duì)象的約束條文查詢出來存儲(chǔ)在一個(gè)集合中。

(3) 循環(huán)規(guī)則列表，如果約束條文中存在前提條件，生成規(guī)則選擇樹的二級(jí)節(jié)點(diǎn)，如果無前提條件，該規(guī)則對(duì)應(yīng)的建筑構(gòu)件就為選擇樹的根節(jié)點(diǎn)。

(4) 獲取BIM信息，將BIM模型構(gòu)件以選擇樹方式顯示，選取所要檢查的構(gòu)件對(duì)象，通過插件界面的控件值將規(guī)則與模型信息關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩者信息比對(duì)，最終輸出檢查結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)推理過程

在進(jìn)行推理的過程中，需要在大量的規(guī)則知識(shí)中進(jìn)行搜索，找到所需的規(guī)則，然后根據(jù)知識(shí)不斷規(guī)則匹配。因而建立的推理機(jī)制的組成為

推理機(jī)制=搜索+匹配

系統(tǒng)的搜索在規(guī)則庫(kù)導(dǎo)入之后完成，系統(tǒng)在規(guī)則庫(kù)中搜索檢查對(duì)象，以檢查對(duì)象建立treeview節(jié)點(diǎn)，treeview的一個(gè)節(jié)點(diǎn)下儲(chǔ)存有該檢查對(duì)象的所有約束規(guī)則。規(guī)則的匹配是利用BIM模型中的數(shù)據(jù)信息來完成一條規(guī)則的推理。規(guī)則匹配的實(shí)現(xiàn)需要首先設(shè)計(jì)推理樹，推理樹的本質(zhì)是一個(gè)層級(jí)式知識(shí)圖，是對(duì)規(guī)則庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行合理的樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表達(dá)了為實(shí)現(xiàn)某一組織目標(biāo)而用到的相關(guān)知識(shí)間的因果關(guān)系和從屬關(guān)系。推理樹在知識(shí)庫(kù)中以鏈表形式存放，推理樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)規(guī)則的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。推理樹的匹配過程是以一個(gè)參數(shù)為固定根節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)事實(shí)參數(shù)匹配，自上而下地不斷進(jìn)行節(jié)點(diǎn)匹配，逐一滿足規(guī)則中的各子目標(biāo)，直到得出最終結(jié)論。

依據(jù)上述推理樹的匹配原理，本文構(gòu)建了規(guī)則匹配推理樹，如圖7所示，顯示了每一級(jí)匹配的過程，匹配順序與知識(shí)表達(dá)式一致。在規(guī)則匹配前，已經(jīng)獲得存儲(chǔ)構(gòu)件對(duì)象的列表集合，后續(xù)依次進(jìn)入情態(tài)詞匹配、比較詞匹配、屬性值比較。推理匹配過程中采用深度優(yōu)先的策略，在推理樹的每一層只擴(kuò)展一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，然后不斷向深度方向前進(jìn)，直到不能再繼續(xù)前進(jìn)。若能到達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)，則推理結(jié)束，輸出檢查結(jié)果；若不能到達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)，則從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)退出返回上一級(jí)節(jié)點(diǎn)，沿另一方向繼續(xù)前進(jìn)，直到得出最終結(jié)論。

5 基于知識(shí)管理的建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查系統(tǒng)

基于BIM模型的建筑設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查系統(tǒng)是以BIM模型為檢查對(duì)象，以相關(guān)住宅設(shè)計(jì)規(guī)范為規(guī)則，在BIM平臺(tái)系統(tǒng)集成兩者信息，通過推理機(jī)對(duì)比建筑設(shè)計(jì)信息是否符合規(guī)范，最后輸出檢查結(jié)果。本文的合規(guī)性檢查系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、技術(shù)層、應(yīng)用層，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖8所示。本文驗(yàn)證系統(tǒng)采用基于Revit平臺(tái)的.NET框架開發(fā)實(shí)現(xiàn)，編程語言為C#，模型軟件為Revit2016，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2008。

圖7 規(guī)則匹配過程(從內(nèi)到外情態(tài)詞匹配、比較詞匹配、屬性值比較、結(jié)果輸出)

輸入模塊的應(yīng)用主要是系統(tǒng)規(guī)則的輸入，規(guī)則是模型合規(guī)性檢查中對(duì)構(gòu)件屬性的約束。本系統(tǒng)提供了2種規(guī)則輸入方式：①通過Excel表批量導(dǎo)入的方式；②手動(dòng)輸入增加規(guī)則。在系統(tǒng)左上角選項(xiàng)卡選擇“規(guī)則編輯”，在下拉菜單里選擇“增加規(guī)則”即可實(shí)現(xiàn)規(guī)則的輸入功能。

存儲(chǔ)模塊的應(yīng)用即系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)即BIM模型本身，外部數(shù)據(jù)庫(kù)是規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)，其借助SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)為系統(tǒng)用戶界面和數(shù)據(jù)庫(kù)間搭建了橋梁，使得在系統(tǒng)界面可直接查看存儲(chǔ)在規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)中的規(guī)則。在系統(tǒng)左上角選項(xiàng)卡選擇“規(guī)則編輯”，在下拉菜單里選擇“查看規(guī)則”即可出現(xiàn)圖9所示界面，界面顯示了規(guī)則庫(kù)中存儲(chǔ)的所有規(guī)則信息，可對(duì)規(guī)則進(jìn)行全面管理與展示。

圖8 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

圖9 規(guī)則查看界面

計(jì)算模塊的應(yīng)用是合規(guī)性檢查執(zhí)行過程，此模塊應(yīng)用是整個(gè)系統(tǒng)的核心功能，其功能任務(wù)是檢查案例BIM模型中的構(gòu)件屬性信息及空間關(guān)系數(shù)據(jù)是否符合《規(guī)范》中的要求。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)BIM模型的建筑設(shè)計(jì)自動(dòng)合規(guī)性檢查，其自動(dòng)化的過程主要體現(xiàn)在界面自動(dòng)生成、BIM信息自動(dòng)匹配、自動(dòng)檢查3個(gè)方面。如果通過點(diǎn)選每個(gè)構(gòu)件實(shí)例進(jìn)行屬性值匹配實(shí)現(xiàn)規(guī)范檢查，這種方式操作過于繁瑣，效率較低。因而，系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)相同類型的構(gòu)件實(shí)例的批量檢查。同一類檢查實(shí)例都集中在BIM信息選擇樹的二級(jí)節(jié)點(diǎn)，通過遍歷二級(jí)節(jié)點(diǎn)下所有的構(gòu)件實(shí)例的方式，讀取屬性參數(shù)與規(guī)則值進(jìn)行比較，可以實(shí)現(xiàn)批量檢查的功能，最終批量輸出檢查結(jié)果。

輸出模塊的應(yīng)用為系統(tǒng)執(zhí)行模型檢查后輸出檢查報(bào)告的過程，檢查報(bào)告是合規(guī)性檢查的最后一個(gè)階段的應(yīng)用，是合規(guī)性檢查的工作結(jié)果的呈現(xiàn)。檢查結(jié)果報(bào)告以表格的形式展現(xiàn)，其內(nèi)容主要有構(gòu)件屬性、是否滿足要求、嚴(yán)重等級(jí)、詳細(xì)原因。嚴(yán)重等級(jí)是根據(jù)規(guī)范用詞的嚴(yán)格程度進(jìn)行分級(jí)，將不同等級(jí)分別以不同顏色圖標(biāo)顯示，直觀顯示檢查結(jié)果。

例如，《規(guī)范》中第5.8.7小節(jié)中規(guī)定：入戶門寬度不應(yīng)小于1.0 m，高度不應(yīng)小于2.0 m。在系統(tǒng)界面中選擇一個(gè)ID為223790的入戶門進(jìn)行合規(guī)性檢查，檢查結(jié)果如圖10(a)所示，檢查結(jié)果顯示寬度不符合規(guī)范要求，高度符合要求，并給出詳細(xì)的說明原因。輸入ID選擇圖元后，驗(yàn)證其寬度屬性值為0.9 m，高度屬性為2.2 m，寬度值不符合《規(guī)范》要求，驗(yàn)證結(jié)果如圖10(b)所示。

圖10 入戶門檢查過程

在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)并不能對(duì)所有可形式化的規(guī)則實(shí)現(xiàn)合規(guī)性檢查，主要原因是由于規(guī)范信息與BIM信息間的對(duì)應(yīng)問題。以下分情況根據(jù)兩者間對(duì)應(yīng)關(guān)系討論系統(tǒng)應(yīng)用效果。表2展示了可形式化規(guī)則信息與BIM信息間的對(duì)應(yīng)關(guān)系分類，表中和分別對(duì)應(yīng)規(guī)范中的檢查對(duì)象與BIM中構(gòu)件對(duì)象，(1,2,3)與(12,3)分別表示檢查對(duì)象與構(gòu)件對(duì)象下的屬性集合。

表2 規(guī)則信息與BIM信息間的對(duì)應(yīng)情況分類

系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果表明，對(duì)于類型Ⅱ和類型Ⅲ由于規(guī)范與模型間不是直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能直接建立映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)合規(guī)性檢查。對(duì)類型Ⅳ的信息冗余問題，本文給出了建立合規(guī)性檢查模型視圖的技術(shù)建議，即在規(guī)范檢查之前，先篩選出需要的檢查信息，構(gòu)成輕量化的規(guī)則檢查模型，以提高系統(tǒng)檢查效率。但想要真正實(shí)現(xiàn)合規(guī)性自動(dòng)檢查不僅需要引入技術(shù)手段，更需要從行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略層面上來解決規(guī)范與模型間的對(duì)應(yīng)問題。

6 結(jié) 論

本文著眼于建筑設(shè)計(jì)階段的規(guī)范檢查過程，以《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》為例構(gòu)建規(guī)范規(guī)則庫(kù)，選用BIM核心建模軟件Revit平臺(tái)建立BIM模型，探究了基于BIM的建筑設(shè)計(jì)自動(dòng)化檢查方法，并以此方法為基礎(chǔ)，構(gòu)建了合規(guī)性檢查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型的合規(guī)性自動(dòng)檢查。

本文對(duì)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范知識(shí)結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)了規(guī)范條文的描述規(guī)律，提出條文的結(jié)構(gòu)化知識(shí)表達(dá)式。以知識(shí)表達(dá)式構(gòu)建了獨(dú)立于程序的規(guī)則庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。便于檢查人員根據(jù)自己的需求更新和維護(hù)規(guī)則庫(kù)，避免了大量的軟件開發(fā)工作，具有實(shí)用的現(xiàn)實(shí)意義。設(shè)計(jì)了具有正向推理策略的推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了調(diào)用規(guī)則庫(kù)信息與BIM模型信息匹配推理，輸出檢查結(jié)果的過程。基于邏輯推理準(zhǔn)確完成規(guī)范檢查的過程，解決了以硬編碼形式進(jìn)行規(guī)范檢查的現(xiàn)狀，這對(duì)合規(guī)性檢查的相關(guān)研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。本文在專家系統(tǒng)原理與經(jīng)典的合規(guī)性一般過程的研究基礎(chǔ)上，汲取了兩者優(yōu)勢(shì)，提出了新的基于BIM模型的設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查系統(tǒng)框架，此框架推動(dòng)了設(shè)計(jì)合規(guī)性自動(dòng)審查的研究發(fā)展，為后續(xù)合規(guī)性檢查的研究提供了新的思路。最后以新的框架為基礎(chǔ)，構(gòu)建了基于BIM模型的設(shè)計(jì)合規(guī)性檢查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)理論方法的驗(yàn)證。

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Research on knowledge-based BIM for automated compliance checking system in architectural design

CHEN Yuan, ZHANG Yu, KANG Hong

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan450001, China)

It is of great significance to conduct the research on automated compliance checking system of architectural design, in terms of ensuring that the building information model (BIM) meets the design rules requirements and increasing the degree of automated compliance checking. Combined with the theory of compliance checking and the expert system method, this research proposed the framework of the automatic compliance checking system with BIM as the test target, and realized the compliance checking process by separating rule knowledge from reasoning mechanism. Taking the Design code for residential buildings as an example, this paper conducted the knowledge analysis on the provisions in the specification, summarized the expression of code knowledge, as well as built the rule base and the access mechanism to the rule base. Next, the reasoning mechanism under logical strategy was established. Through reasoning the rule information and BIM information in the rule base, checking results were output.Finally, this paper constructed a verification platform of compliance checking system, completed the process of model data extraction and rule reasoning through BIM examples, realized the function of compliance checking, and verified the framework of compliance checking method. The structure of the compliance checking method proposed in this research is more comprehensive and can therefore guide the follow-up research. This automated compliance checking system can effectively improve the efficiency of BIM compliance checking, ensure the quality of checking, and promote the development of informatization in the field of construction engineering.

automated compliance checking; knowledge management; rule database; building information model

TP 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2020030490

A

2095-302X(2020)03-0490-10

2019-11-04；

2020-01-02

陳 遠(yuǎn)(1975-)，男，江蘇泰興人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榻ㄖI(yè)信息化。E-mail：chen_yuan@zzu.edu.cn