建筑设计中BIM模型的自动规范检查方法研究

孙澄宇，柯勋

（同济大学，上海200092）

 [摘要]研究展示了一种面向Revit平台上BIM模型的准确性检查应用——设计中建筑专业规范条款的自动化检查。它通过对国内规范的分类，针对建筑专业的可数字化条款的不同验证类型，分别采取不同的验证算法予以软件实现。这里以轨道交通设计中的多个检查类型为例，展示了在日常设计过程中这一新应用的潜在价值。同时，针对它在国内的后续发展提出了若干思考。

 [关键词]设计过程；建筑信息模型；Revit；合规性；自动检查

0  引言

 随着BIM技术的日趋成熟，其在国内大型建筑项目设计、施工、运维中的应用也越来越频繁。其中尤以在设计中后期，多专业间的碰撞检查为热点，它向业界展示出了巨大的应用价值。然而，基于BIM模型的各种准确性检查应用远不止于此，它们都能够对这个行业带来巨大的效率与质量的提升，它们至少包括以下4种：

 图纸与模型一致性检查，它是国内采用第三方BIM咨询单位进行建模的工作模式，所特有的一种准确性检查应用。它发生在二维设计基本完成后，旨在检查BIM咨询单位建立的模型是否与设计单位提供的二维图纸相一致。目前，只能够通过双方具体人员的往复沟通实现，而在设计人员直接建立BIM模型的工作模式中，就不存在这一类检查（故在国外的此类研究与应用较少）。

 单专业设计合规性检查，它发生在设计的整个过程中，旨在帮助每个专业的设计人员，自动完成对其设计模型是否符合相应规范的检查，同时也可为专业负责人的校审提供辅助手段。由于这一检查可以随时或定期进行，能够及时地给设计人员以反馈，并大大减少专业内部的问题，所以对于初阶设计人员的成长，以及复杂项目的进一步多专业协同，都能起到明显的作用。

 多专业协同一致性检查，即目前最为常见的“碰撞检查”，它发生在设计的中后期，在各个专业设计基本成形的情况下，对相互之间的空间位置碰撞与施工安装干扰进行检查。它可以有效地减少以往二维设计需要到施工阶段才发现的许多问题，给目前复杂项目的运行带来了十分明显的质量与效率的提升。

 交付模型数据标准检查，它发生在设计完成后，在设计单位、委托单位、施工单位、运维单位的相互模型数据的交接过程中，旨在检查模型是否符合各单位相互之间所约定的数据要求，包括模型的几何标准、属性标准、构件命名与层级关联标准等。它确保了BIM模型在不同单位间有效传递的可能性，是支撑建筑全生命周期理念的基石。

 目前，国内建筑业界已经着手开始制定各种BIM标准，以支撑未来的交付模型数据标准检查；对多专业协同一致性检查也已经有了相当成熟的应用，以至于BIM技术几乎被等同于“碰撞检查”为国人所知。而在上述四种准确性检查应用中，既有国外经验可参考，又有巨大应用需求的单专业设计合规性检查，必将成为下一个BIM应用热点。

 本研究团队在为上海申通集团提供有关全生命周期BIM咨询的过程中，受其轨道交通项目的设计流程启发，开始着手探索在设计过程中，基于Revit平台BIM模型的建筑专业自动规范检查方法。

1  相关研究综述

 目前，国外对BIM模型准确性检查方法的研究，一般都避免仅针对特定的模型格式，而选择在各个软件厂商都共同支持的Industry FoundationClasses( IFC)标准下进行。而且因为该类研究可以直接转化为软件产品，涉及商业机密较多，所以对研究本身的详细论著较少，反而是对相应产品的介绍较为明晰，这里就以其中最为主要的4个检查软件为例。

 Solibri是BIM模型质量保证与质量控制的行业领跑者。其核心产品Solibri Model Checker( SMC)除了能实现国内常见的多专业协同一致性检查（碰撞检查）外，还率先实现了对交付模型数据标准的检查，以找到模型的各种缺陷。同时，它已经初步实现基于内嵌在程序中的单专业设计合规性检查代码，对多条消防疏散类规范进行设计准确性检查。

 SMARTcodes由AEC3和Digital Alchemy研发，既可以独立使用，又可以弥补SMC对设计合规性检查的代码内嵌后可扩展性差的问题。它可以通过IEEC定制的专业术语，将规范半自动的映射为计算机检查程序。

 EDModelChecker也是一个较为完整的准确性检查平台，但它相较于SMC更加开放。它能够操作基于Express（IFC标准所使用的语言）和Express-X语言编写的模型数据，且支持服务器异地批处理，对于像空间可达性与防火疏散等规范条款的单专业设计合规性检查，可以灵活地由内嵌代码或外部导入代码实现。

 FORNAX则是这些准确性检查平台中最早面世，但开放性最差的一个（其具体的检查过程并未对外公开）。它自带的检查规则，多针对防火系统、喷淋系统、停车系统等的相关条款。用户需要通过C++编程，才能够充分发挥这一平台的效用。

 上述各种BIM模型自动准确性检查工具的工作流程一般都包含四步：1）规范转译：将书面语的规范条款转译成计算机可以计算的逻辑表达（代码程序）；2）对象提取：从BIM模型中提取规范条款所关切的几何数据、属性数据、层级结构数据等对象数据；3）检查计算：提取的对象数据交由对应的逻辑表达进行计算验证，得到正确或错误的结论；4）报告发布：对照BIM模型中的构件或属性，提示出检查错误的对象，便于设计人员修改。

 显然，第一步受制于现行设计规范中各条款的可计算程度，第二步则受制于BIM模型所包含信息的完整程度，最后两步受制于实际BIM应用的工作模式。首先，国内建筑规范与西方规范间存在着明显的质量差异一完整性不足，且存在着相同术语对应不同内涵的现象。这致使国外常用的“谓语逻辑”半自动转译方法，无法在国内应用。其次，国内BIM模型的行业标准刚刚起步，尚未考虑到模型内对象与规范对象一一对应的问题，所以要进行有效的对象自动提取也难度重重。最后，国内特有的第三方BIM咨询单位在二维设计后“翻模”的工作模式，直接造成一线设计人员远离BIM模型，缺乏应用“单专业设计合规性检查”的基本土壤。

2研究方法

 虽然国内BIM应用从面上讲受上述条件所限，但所幸上海申通集团顺应了国际BIM发展的规律，依托自身贯穿城市轨交项目投资、设计、施工、运维的有利角色，已建成较为完善的企业级BIM标准，使BIM模型自动识别成为可能，且通过BIM协同平台的推广，积极鼓励一线设计人员直接依托BIM模型展开设计工作一这些都为单专业设计合规性检查铺平了道路。在此基础上，本研究团队提出以类型学的方法，区别对待现行设计规范的转译问题，通过对不同类型问题的算法编制，探索了在Revit平台上实现建筑专业设计合规性自动检查的方法。

2.1标准化BIM模型的自动识别

 自动规范检查的前提是对BIM模型中各构件对象的自动识别，即解析出模型中的各种设计对象，诸如墙、楼梯、各种功能房间等，与规范条款描述的对象一一对应，而这必须以严格执行的BIM建模标准为基础。

 所幸，上海申通集团已经发布了企业级的BIM建模标准，还在此基础上积极推进地方行业标准的建设，同时建立了行业设施设备的Revit标准族库，明确要求其BIM模型必须基于该族库建立。这为本研究奠定了自动对象识别的主要技术基础，即在大部分情况下，规范条款描述的对象都能够与BIM模型中的设计对象建立对应关系，程序可以方便地利用Revit API解析出模型对象的属性与几何数据进行相应计算。如规范中对于楼梯梯宽、踏步尺寸等提出要求的条款，都可以在模型中找到对应的楼梯对象，直接提取对应的参数或几何信息，展开计算。又如规范中常见的，对各种功能房间的有无、或相互位置关系的判断，都可以通过自动遍历BIM模型中符合一定几何范围要求的所有Room对象，提取其在之前按照建模标准手工建模时赋予的命名值，展开计算。

 同时，规范条款描述中还存在一些现有BIM建模标准与族库对象没有包含的概念，如“站台计算长度”。本研究特别针对这类概念，遵循已有的设施设备分类标准扩充了现有族库，并建议已有标准增加对于此类对象的建模要求。这样，就可以从BIM模型中自动获取规范条款中的所有设计对象，及其必要参数。

2.2  规范条款的分类

面对内容庞杂的设计规范，本研究借鉴了类型学的方法，区别对待现行设计规范的转译问题。这里先将某专业设计规范的所有条款，根据其表述是否可以用数学方式表达，分为该专业下的可数字化条款与不可数字化条款两大基本分类。这里以GB50157-2013《地铁设计规范》中的建筑专业条款为例进行了基本分类。其中，不可数字化条款共计42条，包括提纲性条款5条、涉及其他专业条款24条、无BIM模型对应对象条款3条、定性化表述条款10条。而余下的49条可数字化条款，根据它们指向BIM模型对象的数据特性，可被进一步细分为以下10种类型（图1）：

 元素参数类，如“乘客使用的楼梯宜采用26度34分倾角……”；

 元素存在类，如“车站应设置无障碍电梯……”；

 元素数量类，如“站台至站厅应至少设1处上下行自动扶梯……”；

 点点距离类，如“地下车站降压变电所位置应接近车站负荷中心设置……”；

 点线距离类，如“在站台计算长度以外的车站结构立柱与站台边缘的距离……”；

 线线距离类，如“自动扶梯外缘与平行墙装饰面的水平距离，不得小于80 mm……；

 房间水平相邻类，如“消防泵房宜设于设备与管理用房有人区内的主通道旁……”；

 路径类，如“地下出入口通道长度不宜超过100 m……”：

 线线夹角类，如“站台上的楼梯和自动扶梯宜纵向布置……”；

 点点连通类，如“公用厕所的门不宜直接开向办公用房……”。

2.3不同条款类型的检查实现举要

 上述细分工作从繁杂的建筑专业可数字化条款的各种检查问题中，梳理出了多种检查范式（上例规范中就有10种），而每一种检查范式中，用到的算法基本思路、关键函数等都是高度相似的。因此，通过这种“分而歼之”的策略，只要能够完成对一类检查问题中一个的自动检查，那么这类条款就都能够得以解决，从而通过分别解决这10种类型，完成对于该规范的自动检查。这里，再次以上海轨道交通的设计应用为例，分别介绍“元素存在”、“元素参数”、“点点距离”，三类问题的3个代表条款的自动检查实现方法。

 在以下案例演示中，程序根据使用者勾选的规范条款，对模型展开自动检查计算。当模型存在合规性问题时，如果警告信息超过一条，则显示警告信息列表，使用者可以通过点击其中的标题进行详细查看；而如果仅有一条时，则直接显示警告信息内容，并进行详细查看。

 在详细查看时，如果问题与特定的模型对象关联，程序会将警告框与视图直接定位到该模型对象上，以便于观察；而如果问题涉及缺少元素，即缺少与特定模型对象的关联时，程序只能在当前视图显示警告框。

2.3.1  “元素存在”类

针对“9.2.6车站应设置公共厕所，管理人员厕所不宜与公共厕所合用。”条款进行合规性检查。算法引用常用String处理库的“正则表达式”，通过Revit API的FilteredElementCollector方法筛选出Room元素，并进行Regex匹配，最终报告匹配结果，操作过程如图2。

2.3.2  “元素参数”类

针对“9.7.1乘客使用的楼梯宜采用26度34分倾角，休息平台长度宜为1.2—1.8 m”条款进行合规性检查。算法通过LookupParameter在Revit模型中搜索名为‘楼梯’的对象，通过依次提取楼梯的参数stair. ActuaIRiserHeight、stair. ActuaITreadDepth、run. ActualRisersNumber、stairTp. MinRunWidth，并进行数值判断，最终报告检查结果，操作过程如图3。

2.3.3  “点点距离”类

针对“9.3.3设置在站台层两端的设备与管理用房，可伸入站台计算长度内，但伸入长度不应超过一节车辆的长度，且与梯口或通道口的距离不应小于8m”条款进行合规性检查。算法通过FilteredElementCollector和正则表达式，在Revit模型中过滤出名为‘站台一管理’‘站台一楼梯’的对象，遍历房间的各个角点以及楼梯的角点，通过Line. Project方法，将点投影至轨道线上，比较点点之间的距离，最终报告检查结果，操作过程如图4。需要留意，由于现行的轨道交通BIM模型标准中并不存在“站台计算长度”对象和“一节车厢的长度” 参数，所以本案例中要求建模者使用研究团队补充的族库对象，按照建议新增的BIM建模标准，事先建立该对象并设定参数。可见，自动规范检查会对各种现行标准提出新的需要。

3  结论

 本研究展示了一种面向Revit平台上BIM模型的准确性应用，即设计中建筑专业规范条款的自动化检查。通过案例演示可以发现，该应用可以通过后台的自动运行，帮助初阶设计人员或面对复杂项目的设计人员，在日常设计过程中即时发现各种违规情况；亦可通过BIM协同管理平台在服务器端自动批量运行，周期性地对整个设计企业的每日工作成果进行日报检查，这将有效地辅助企业的质量管理层开展设计审核与质量管控工作。

 当然，在上述研究过程中，亦获得了对国内BIM发展的三点思考：

 1)国内建筑设计类规范表述严密程度不足，制约BIM发展。相比欧美规范，尚存在较多的定性表述，且规范间概念表述不一致，这些问题既会影响规范自身的执行，亦会成为今后基于BIM模型的规范自动化检查应用的先天缺陷。

 2)国内现行BIM标准研发缺乏对设计规范中概念对象的匹配，将被迫升级。自动检查的基础就是拿BIM模型中的对象与规范条款中描述的概念对象进行比较，所以现行BIM标准的研发如果不对这些对象（比如最后一个演示中的“站台计算长度”）进行规范，那么与之对应的规范条款就很难落实自动检查。所以这又为BIM标准的研发提出了新的要求。

 3)国内大量存在的第三方BIM咨询模式阻碍BIM应用的价值最大化，将逐步萎缩。参考国外模式，设计人员在BIM咨询企业的培训后，成为开展基于BIM设计的主力，而咨询企业仅负责高难度的BIM应用。该模式从根本上避免了国内模式中所特有的手动“图纸与模型一致性检查”工作。这种位于最底层的手动准确性检查，将会使所有后续的BIM模型的准确性受到威胁，会排斥以设计者频繁与模型互动为基础的各种应用，最终使得BIM应用的红利得不到完全的释放。所以可以预见，随着国内设计人员对BIM技术的日趋熟悉，以及各种BIM应用的价值召唤，大部分设计人员也必将亲身跨入BIM时代。