基于工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）標(biāo)準(zhǔn)的城市軌道交通建筑物樓梯規(guī)范自動化檢查方法*

王昌盛 鄧雪原 吳祎菲 張家春

（上海交通大學(xué)土木系，200240，上海∥第一作者，碩士研究生）

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的逐漸提高，工程信息越發(fā)豐富，如何規(guī)范城市軌道交通大數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性已成為工程設(shè)計過程中亟需考慮的要素之一。BIM（建筑信息模型）的可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性給項目的各參與方帶來了不同的應(yīng)用價值［1］。IFC（工業(yè)基礎(chǔ)類）標(biāo)準(zhǔn)作為BIM 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一，在模型格式統(tǒng)一、屬性提取、設(shè)計規(guī)范方面具有不可替代的優(yōu)越性。樓梯是建筑物中都要涉及到的構(gòu)件，建筑類設(shè)計規(guī)范都會對樓梯踏步高、踏步寬、踏步級數(shù)和樓梯凈寬等進(jìn)行規(guī)定。但是國內(nèi)外對建筑樓梯的智能化檢查方法研究較少。本文基于對國內(nèi)外規(guī)范檢查的研究進(jìn)展和對國內(nèi)城市軌道交通規(guī)范檢查的需求程度，提出一種基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的對樓梯規(guī)范的自動化檢查方法，并用案例驗證該方法的可行性。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 城市軌道交通BIM 研究現(xiàn)狀

近年國內(nèi)建筑行業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計施工模式已經(jīng)無法滿足日益增長的工程建設(shè)的需要。BIM 的出現(xiàn)能夠極大地提高勘察設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)中的工作效率。麥肯錫研究院的研究報告指出“采用BIM 技術(shù)的單位中有75%報告其投資回報率為正，并且縮短了項目周期，節(jié)省了文書工作和材料成本［2］。”

IFC 標(biāo)準(zhǔn)由國際協(xié)作聯(lián)盟組織IAI（現(xiàn)名Building SMART）提出，是一個公開的、結(jié)構(gòu)化的、基于對象的信息交換格式，定義描述BIM 的標(biāo)準(zhǔn)格式［3］，確保項目全生命周期中各個階段的數(shù)據(jù)能夠交換和共享。通過對IFC 標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)拥臄U(kuò)展可以實現(xiàn)IFC標(biāo)準(zhǔn)對多專業(yè)、多模型的兼容［4］。

城市軌道交通領(lǐng)域的BIM 研究較工民用建筑起步較晚，但近些年發(fā)展迅猛。城市軌道交通領(lǐng)域存在體量大、周期長、范圍廣的特征，對管理者的考驗巨大，BIM 技術(shù)能極大地提高城市軌道交通行業(yè)的效率。國內(nèi)大量學(xué)者對城市軌道交通的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維階段的BIM 技術(shù)進(jìn)行了研究，但是如何保證城市軌道交通構(gòu)件信息的準(zhǔn)確性、規(guī)范性，國內(nèi)尚未形成一套完善的解決方案。本文介紹一種以樓梯為例的基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的城市軌道交通規(guī)范自動化檢查方案，將有助于解決這一難題。

1.2 三維模型的規(guī)范自動化檢查研究現(xiàn)狀

基于BIM 的規(guī)范檢查技術(shù)起步較早，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展逐漸趨于完善。早在2003 年，文獻(xiàn)［5］研究出一種基于對象的構(gòu)建模型方法，并在在分布式系統(tǒng)中的J2EE（Java 2 平臺，企業(yè)版）實現(xiàn)，展示了在分布式環(huán)境中構(gòu)建設(shè)計一致性檢查的方法和系統(tǒng)的有效性；隨后文獻(xiàn)［6］通過測試5 個工業(yè)進(jìn)程，提出一種基于IFC 的規(guī)范檢查技術(shù)結(jié)構(gòu)框架；文獻(xiàn)［7-8］提出了一種基于IFC 的BIM 產(chǎn)品文檔的自動語義標(biāo)注方法，并開發(fā)了一個名為BIMSeek 的原型語義搜索引擎。迄今為止，國外的FORNAX、Solibri、EDModelchecker、SMARTcodes 等多款軟件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對國外規(guī)范的自動化檢查。但是，受制于規(guī)范的書面條款與計算機(jī)可識別計算語言的差異，規(guī)范中的參數(shù)并不能直接被計算機(jī)執(zhí)行，加上國內(nèi)外規(guī)范本身存在較大差異，故而國外規(guī)范自動化檢查手段尚未在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)BIM 的規(guī)范自動化檢查起步較晚，大多數(shù)中小設(shè)計企業(yè)對BIM 的概念尚處于二維圖紙翻模階段，因而對于規(guī)范檢查的應(yīng)用還停留在二維CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）審圖階段。但近年來國內(nèi)對BIM的規(guī)范檢查研究并不少。文獻(xiàn)［9］以Solibri 軟件為例羅列實現(xiàn)全方位碰撞檢查技術(shù)的規(guī)則類型；文獻(xiàn)［10］研究展示了一種面向Revit 平臺上BIM 模型的建筑專業(yè)規(guī)范條款的自動化檢查；文獻(xiàn)［11］在編程環(huán)境Microsoft Visual Studio 中利用SQLite 數(shù)據(jù)開發(fā)庫、Revit API 二次開發(fā)接口對規(guī)范數(shù)據(jù)、模型信息進(jìn)行了提取，并將提取的數(shù)據(jù)交由對應(yīng)的邏輯表達(dá)進(jìn)行計算驗證；文獻(xiàn)［12］用預(yù)定義的標(biāo)記方法對文本進(jìn)行處理，并且構(gòu)建規(guī)范本體，生成計算機(jī)可讀的規(guī)則。但是上述研究還是大多停留在對Solibri軟件規(guī)范檢查功能的國內(nèi)化分析和對Revit 二次開發(fā)的研究，缺乏BIM 語義的基礎(chǔ)研究。樓梯的踏步高、踏步寬、踏步級數(shù)和樓梯寬度在IFC 標(biāo)準(zhǔn)的文件中均有語義表達(dá)，通過對其IFC 屬性提取并進(jìn)行研究即可實現(xiàn)樓梯規(guī)范的自動化檢查。

2 城市軌道交通建筑物樓梯規(guī)范的檢查方法

2.1 技術(shù)路線

IFC 標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前國際應(yīng)用最廣的BIM 標(biāo)準(zhǔn)，基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)建立的BIM 能夠完美實現(xiàn)包含所有建筑信息，只要將IFC 模型文件中與規(guī)范條款相對應(yīng)的屬性信息提取出來與現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行校對，就能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)范的自動化檢查。雖然IFC4 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，但是國內(nèi)外主流BIM 軟件仍只能較好地支持IFC 2×3 標(biāo)準(zhǔn)文件的輸入、輸出?；贗FC 標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)規(guī)范研究主要包含以下三個步驟：

1）IFC 對象屬性提取：通過對buildingSMART官網(wǎng)上發(fā)布的IFC 標(biāo)準(zhǔn)［13］進(jìn)行實體語義研究，通過實體包含的直接屬性、導(dǎo)出屬性和反屬性及實體之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行深入解讀，實現(xiàn)實體屬性的提取。

2）規(guī)范轉(zhuǎn)譯：將規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯成計算機(jī)可以表達(dá)的形式，采用模板匹配的方式或者將規(guī)范條文內(nèi)嵌到規(guī)范檢查軟件中。

3）檢查計算：輸出格式為IFC 的模型文件導(dǎo)入規(guī)范檢查軟件后進(jìn)行規(guī)范校對，并導(dǎo)出校驗報告。

本文采用基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的BIM 數(shù)據(jù)規(guī)范檢查平臺研究是在文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［15］的研究基礎(chǔ)上對城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。根據(jù)所檢查的屬性是否可直接在實體中表達(dá)，可以將規(guī)范檢查分為基礎(chǔ)屬性有效性檢驗和特殊屬性規(guī)范檢查兩個部分。

2.2 基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的樓梯基礎(chǔ)屬性有效性檢驗

在IFC 標(biāo)準(zhǔn)中，每一個構(gòu)件都有專門屬性表達(dá)，樓梯也不例外。構(gòu)件的屬性信息存儲在對應(yīng)的IFC 標(biāo)準(zhǔn)實體語句中，數(shù)據(jù)的有效性是指構(gòu)件實體中屬性信息的準(zhǔn)確性和真實性。對于交付的城市軌道交通信息模型，保證每個構(gòu)件信息有效。

樓梯的踏步寬度、踏步高度、樓梯級數(shù)和樓梯寬度屬性在對應(yīng)的IFC 語句中均有表達(dá)。踏步寬度和踏步高度在IfcStair 實體中表達(dá)，樓梯寬度和樓梯級數(shù)在IfcStairFlight 實體中表達(dá)。所以通過對對應(yīng)實體中的屬性值與規(guī)范值進(jìn)行校驗，就能判斷屬性信息的有效性。本研究采用模板匹配的方法，讀取待檢的IFC 文件，以標(biāo)準(zhǔn)校驗?zāi)０宓膶ο竺Q作為關(guān)鍵字在IFC 文件內(nèi)進(jìn)行搜索。定位目標(biāo)對象后，將其屬性名稱、屬性值的有效值域與標(biāo)準(zhǔn)校驗?zāi)０宓膬?nèi)容進(jìn)行對比。具體步驟如下：

1）遍歷需要檢查的對象名稱。該步要求規(guī)范模型各構(gòu)件的命名規(guī)則，只有按照統(tǒng)一命名規(guī)則命名的對象才能被檢索到。如所有的現(xiàn)場澆筑樓梯統(tǒng)一命名為“現(xiàn)場澆筑樓梯”，不允許部分現(xiàn)場澆筑樓梯命名為“現(xiàn)場澆筑樓梯”、部分命名為“樓梯”的情況，于此同時不同的樓梯也不能采用同一種名稱命名。對象名稱屬性保存在對應(yīng)IFC 實體的“Name”屬性中。

2）解析需要檢查對象的IFC 語義。對象實體的幾何屬性信息在IFC 文件中使用實體IfcPropertySingleValue 表達(dá)，但在IFC 文件中IfcPropertySingle－Value 實體信息不能直接得到，需要先從名稱遍歷的結(jié)果中找到實體IfcPropertySet，然后通過IfcPropertySet 的“HasProperties”屬性找到IfcPropertySingleValue，最后提取實體IfcPropertySingleValue中包含的屬性值與規(guī)范值進(jìn)行校對。屬性提取算法如圖1 所示。

圖1 樓梯屬性值校驗算法

基于本研究的規(guī)范檢查平臺如圖2 所示。在左方菜單欄中選擇“數(shù)據(jù)校驗”模式，界面上方5 個按鈕依次表示“載入實體文件”“載入屬性文件”“打開IFC 文件”“開始校驗”和“保存校驗報告”。右下角為校驗結(jié)果欄。標(biāo)準(zhǔn)校驗?zāi)０宀捎门渲帽淼母袷?。配置表具體格式在以下案例驗證中進(jìn)行說明。

2.3 基于IFC 的樓梯特殊屬性規(guī)范檢查

上文已經(jīng)介紹關(guān)于實體中能直接包含的屬性信息進(jìn)行規(guī)范檢查，樓梯的踏步寬度、踏步高度、樓梯級數(shù)和樓梯寬度屬性都可以通過以上算法提取并與規(guī)范值進(jìn)行校驗。但是，現(xiàn)實規(guī)范中很多條文轉(zhuǎn)譯的信息是不能直接通過某一個實體表達(dá)的。如樓梯休息平臺的寬度，需要通過對IFC 實體語義和關(guān)聯(lián)性的研究提取屬性，并經(jīng)過幾何計算和算數(shù)計算得到的最終值與規(guī)范值進(jìn)行比較。這類規(guī)范檢查較為復(fù)雜，一般針對每一條特定的規(guī)范都需要一個特定的算法與之對應(yīng)。具體檢查步驟如下：

圖2 數(shù)據(jù)校驗規(guī)范檢查平臺實景圖

1）在IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中檢索待檢樓梯的名稱，定位對應(yīng)的樓梯實體IfcStair；

2）利用IfcStair 的反屬性“IsDecomposedBy”與IfcRelAggregates 的屬性“RelatingObjects”之間的引用關(guān)系，定位對應(yīng)的關(guān)聯(lián)實體IfcRelAggregates；

3）利 用IfcSlab 的 反 屬 性“Decomposes”與IfcRelAggregates 的屬性“RelatedObjects”之間的引用關(guān)系，定位對應(yīng)樓梯平臺實體IfcSlab；

4）通過IfcSlab 的“Representation”屬性，定位形狀描述實體IfcProductDefinitionShape；

5）通過實體IfcProductDefinitionShape 的“Representation”屬性，定位特定幾何描述實體Ifc－ShapeRepresentation；

6）通過IfcShapeRepresentation 的“Item”屬性，定位拉伸實體IfcExtrudedAreaSolid；

7）通過IfcExtrudedAreaSolid 的“SweptArea”屬性，定位不規(guī)則形狀的幾何表達(dá)實體IfcArbitraryClosedProfileDef；

8）通過實體IfcArbitraryClosedProfileDef 的“OuterCurve”屬性，定位描述有界曲線的實體IfcPolyLine；

9）通過IfcPolyLine 的屬性“Points”，定位所有描述樓梯平臺截面邊界的點坐標(biāo)IfcCartesianPoint；

10）提取IfcCartesianPoint 中的坐標(biāo)屬性，順序連接各點，經(jīng)過幾何運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算可以獲得休息平臺的寬度，并與轉(zhuǎn)譯好的規(guī)范數(shù)值進(jìn)行對比。具體樓梯休息平臺的寬度檢查算法如圖3 所示。

樓梯平臺截面如圖4 所示。由圖4 可知樓梯平臺的寬度值是該截面中線段的最大值，按順序?qū)fcCartesianPoint 表示的各點順序連成的線段長度進(jìn)行比較，得到線段最大長度，即為樓梯平臺寬度值。

圖3 樓梯休息平臺寬度檢查算法

圖4 樓梯平臺截面示意圖

2.4 本研究與既有規(guī)范檢查方法對比

當(dāng)前，國內(nèi)既有建筑物依然采用傳統(tǒng)二維設(shè)計方法，國內(nèi)一些大型設(shè)計企業(yè)雖然已經(jīng)開始探索三維BIM 正向設(shè)計，但距離應(yīng)用仍有差距。國內(nèi)審圖主要采用人工審圖方式，成本高效率低。對于三維模型，國內(nèi)一般采用3D 漫游的方式進(jìn)行整體性檢查，但對于大型模型檢查既耗時又容易出錯。Solibri Model Checker 是一款國際上應(yīng)用最為廣泛的規(guī)范自動檢查軟件，但其國內(nèi)化應(yīng)用程度并不高。

基于本研究的規(guī)范自動化檢查平臺從IFC 基礎(chǔ)語義出發(fā)，通過IFC 屬性研究，實現(xiàn)IFC 文件的規(guī)范自動化檢查。當(dāng)前，國內(nèi)外主流BIM 軟件都能較好支持IFC 文件輸出。IFC 文件內(nèi)容保存完整，占內(nèi)存小，只需在平臺中導(dǎo)入IFC 文件就能自動生成檢查報告。本研究針對國內(nèi)具體規(guī)范條文的應(yīng)用程度高，能夠完美實現(xiàn)對城市軌道交通建筑物樓梯規(guī)范的檢查。

3 案例驗證

3.1 案例模型

本研究的案例為上海軌道交通14 號線錦繡東路站。該Revit 模型如圖5 所示。選取其中的部分樓梯模型如圖6 所示。

圖5 上海軌道交通14 號線錦繡東路站Revit 模型

圖6 上海軌道交通14 號線錦繡東路站部分樓梯模型

3.2 規(guī)范分析

根據(jù)上海市軌道交通設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，研究樓梯規(guī)范條文，選取其中樓梯的踏步寬、踏步高、級數(shù)、寬度和休息平臺寬度的規(guī)范值如下：①踏步高150 ～162 mm；②踏步寬280 ～320 mm；③梯段的踏步級數(shù)3～18；④單向樓梯寬度≥1 800 mm；⑤樓梯休息平臺寬1 200 ～1 500 mm。

3.3 配置表框架

本研究采用模板匹配的方式進(jìn)行屬性校驗，對樓梯規(guī)范的檢查使用配置表如表1 所示。配置表采用屬性配置表的形式，包含4 列：列1 為對象的名稱；列2 為對象的IFC 實體名稱（只有同時滿足前2列名稱相同的實體才可以進(jìn)行屬性值校驗）；列3 為待檢屬性名稱；列4 為待檢屬性值的有效值域，即規(guī)范規(guī)定區(qū)間。表格中數(shù)值分為固定值、枚舉型和區(qū)間型三種值域類型，枚舉型以分號“；”分隔，區(qū)間型以連接號“-”“≥”和“≤”作為區(qū)間識別符。

表1 基于設(shè)計規(guī)范的正確性校驗屬性信息配置表

3.4 驗證結(jié)果

對于可以直接從IFC 實體中提取的屬性值校驗，先導(dǎo)入預(yù)設(shè)的配置表，再將錦繡東路站Revit 模型以IFC 格式導(dǎo)入基于本研究的規(guī)范檢查平臺，并自動生成檢查報告。檢查報告分為兩種，即樓梯屬性校驗結(jié)果和屬性有誤的樓梯校驗結(jié)果。部分檢驗結(jié)果分別如表2 和表3 所示。部分樓梯休息平臺寬度檢查報告如表4 所示。

對于不能直接從IFC 實體中提取屬性值的規(guī)范檢查，則不需要導(dǎo)入配置表，可直接將錦繡東路站IFC 文件導(dǎo)入基于本研究的規(guī)范檢查平臺，并勾選樓梯休息平臺寬度檢查。只有初始名稱校驗結(jié)果為“是”的實體才會出現(xiàn)在報告中，從表2、表3、表4 中可以直觀看出模型是否符合規(guī)范。

表2 樓梯屬性值校驗結(jié)果

表3 屬性有誤的樓梯校驗結(jié)果

表4 樓梯休息平臺寬度校驗結(jié)果

4 結(jié)語

本文對城市軌道交通項目樓梯構(gòu)件屬性的IFC表達(dá)與屬性提取進(jìn)行了深入研究，引入配置表的概念，提出一種通過IFC 實體屬性關(guān)聯(lián)實現(xiàn)城市軌道交通樓梯規(guī)范的自動化檢查方法，并通過實際案例驗證了該方法的可行性。本研究方法同樣適用于城市軌道交通領(lǐng)域以外其它建筑物樓梯規(guī)范的自動化檢查。樓梯只是建筑物中的一個典型構(gòu)件，對于其它構(gòu)件，可在IFC 文件中找到對應(yīng)的屬性信息，通過算法同樣能實現(xiàn)自動化檢查。基于本研究的規(guī)范自動化檢查平臺也將朝著實現(xiàn)多元化規(guī)范自動檢查的目標(biāo)邁進(jìn)。自動化檢查的實現(xiàn)能夠大大提高設(shè)計人員的效率，降低人力成本。另一方面，城市軌道交通項目中還存在大量的其他需要檢查的規(guī)范條文，如人員疏散距離，防火分區(qū)面積等相關(guān)規(guī)范條文，通過簡單的屬性提取計算尚不能夠完成自動化檢查，還需要進(jìn)一步研究相應(yīng)信息的IFC 表達(dá)、搜索與轉(zhuǎn)換算法。這些是本文后續(xù)研究的重點。