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        BIM支持的施工安全規(guī)范合規(guī)檢查研究綜述

        2018-02-23 02:29:16吳松飛鄧逸川申琪玉羅德煥
        圖學學報 2018年6期
        關鍵詞:安全檢查本體規(guī)則

        吳松飛,鄧逸川,申琪玉,羅德煥

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        BIM支持的施工安全規(guī)范合規(guī)檢查研究綜述

        吳松飛,鄧逸川,申琪玉,羅德煥

        (華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640)

        結合BIM的自動化安全規(guī)范檢查可以提高安全管理效率,預防安全事故的出現(xiàn),減少安全事故的發(fā)生。目前,我國的建筑安全事故頻發(fā)的現(xiàn)象仍未得到有效改善,建筑安全事故嚴重危害了人民的人身和財產(chǎn)安全。近年來,安全管理的研究熱度不斷增高,但目前國內(nèi)還未有總結BIM支持安全檢查的綜述類文章。為此調研了近10年的相關文獻,從相關技術和應用層面對國內(nèi)外BIM支持的安全檢查的研究和平臺進行了綜述,重點歸納了規(guī)則翻譯、模型準備、執(zhí)行檢查和結果呈現(xiàn)的相關技術,并總結了安全規(guī)范檢查的平臺和應用領域。討論了目前安全檢查過程中存在的問題,提出相應的解決辦法,為安全檢查進一步自動化的研究提供思路。

        BIM;安全規(guī)范檢查;技術研究;應用研究

        1 概 述

        1.1 背景

        傳統(tǒng)的安全合規(guī)檢查(safety code/rule checking)是安全管理人員依據(jù)紙質或電子檔安全相關規(guī)范對施工現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境、機械設備等進行檢查或安全規(guī)劃,以減少或預防由物的不安全狀態(tài)所造成的事故[1]。面對規(guī)模和功能日趨復雜的建筑形式,依靠靜態(tài)冗雜的安全規(guī)范條例和管理人員經(jīng)驗來完成安全檢查的方式,已然無法解決動態(tài)復雜的施工現(xiàn)場安全問題。由于建筑信息模型(building information model,BIM)具有參數(shù)化建模、模擬施工和可視化等優(yōu)點,許多學者提出在利用計算機技術將規(guī)范轉換為動態(tài)可計算形式的基礎上,結合BIM模型實現(xiàn)自動化合規(guī)檢查[2]。基于BIM技術的自動化合規(guī)檢查不僅可以節(jié)省檢查過程的時間,而且可以提高檢查結果準確性,從而實現(xiàn)安全隱患的提前消除和實時解決。

        目前,國外有關合規(guī)檢查的研究和應用非常豐富,但是綜述類文章[2-4]較少,NAWARI[2]全面歸納了建筑設計自動化規(guī)范檢查的過程、實施平臺和使用者反饋等內(nèi)容,但是其關注的是設計的規(guī)范檢查,并未針對安全規(guī)范特點和問題進行具體討論。ISMAIL等[4]則主要討論了安全檢查過程中規(guī)則翻譯(rule interpretation),僅是規(guī)范檢查的一個部分。相比之下,雖然國內(nèi)有較多規(guī)范檢查的研究和應用,例如孫澄宇和柯勛[5]總結了基于Revit平臺的不同類型規(guī)范條款自動檢查實現(xiàn)的過程,但是鮮有綜述類研究關注安全規(guī)范自動化檢查。因此,本文總結了目前基于BIM的安全規(guī)范檢查的研究和應用文獻,歸納了目前安全規(guī)范合規(guī)性檢查的現(xiàn)狀和問題。

        1.2 文獻來源

        本文以英文關鍵詞“safety code checking”、 “safety rule checking”和“building information model”等在國外知名數(shù)據(jù)庫engineering village 數(shù)據(jù)庫(EV)、Web of Science數(shù)據(jù)庫(WoS)和ASCE Library數(shù)據(jù)庫中查找了近10年基于BIM的安全合規(guī)檢查相關的文獻,并以中文關鍵詞“安全規(guī)則”、“規(guī)范檢查”和“BIM”等在中國知網(wǎng)(CNKI)中查找相同時間段的基于BIM的安全合規(guī)檢查相關文獻,檢索結果如圖1所示。圖1按照年份展示2008–2017年每年相關的研究文獻數(shù),根據(jù)趨勢可知國內(nèi)外在安全規(guī)則檢查方面的研究呈增長趨勢,在近3年的增長速度加快。

        1.3 綜述內(nèi)容

        本文收集了國內(nèi)外總共68篇文章進行技術和應用分析。其中在規(guī)范檢查所用技術方面,EASTMAN等[3]將規(guī)范檢查分為4個步驟:規(guī)則翻譯、模型準備(BIM model preparation)、規(guī)則執(zhí)行(rule execution)和檢查報告(rule check reporting)。而近年來,以規(guī)范檢查為主題的研究多以此作為實現(xiàn)規(guī)范檢查的步驟[4,6]。因此,本文也依據(jù)規(guī)范檢查的4個步驟對其過程所應用的關鍵技術進行總結。在應用方面,本文從目前安全檢查所應用的領域和階段的研究進行了梳理,概括目前安全檢查技術的應用水平,并在目前研究的水平上討論文獻現(xiàn)存的問題和未來安全檢查的發(fā)展方向。

        圖1 中外數(shù)據(jù)庫中相關文獻數(shù)量

        2 相關技術

        2.1 規(guī)則翻譯

        規(guī)則翻譯是指將以人類語言形式所定義的安全規(guī)范、條款、公式、表格等轉換為電腦可以理解或處理的形式[3]。作為規(guī)則檢查中最重要的部分,目前已有大量的研究關注規(guī)則的翻譯,大致可以分為4個方向:基于邏輯的方法、基于本體(ontology)的方法、基于語言開發(fā)的方法和其他方法(如規(guī)則引擎),相關技術和研究文獻見表1。

        表1 規(guī)則翻譯相關技術

        2.1.1 基于邏輯的方法

        存在于規(guī)范中的規(guī)則一般是以自然語言處理的形式存在,而最直接的方式是將組成規(guī)則的條件和結果以邏輯形式編程為電腦可識別的形式。這種規(guī)則翻譯方法需要較高的專業(yè)性。最早基于邏輯的規(guī)則編譯方法,是由FENVES等[26]所提出的決策表格,該方法使用簡單的參數(shù)表格形式表達復雜規(guī)范條款。TAN等[8]利用這種方法定義了圍護結構熱工性能的相關規(guī)范,定義的表格包括表頭、條件列和決策列,每行代表一個條規(guī)則。國內(nèi)有較多研究利用此方式建立參數(shù)化的安全檢查表格[27-29]。在決策表格的基礎上,更為先進的一階謂詞邏輯方法被用來替代決策表。一階謂詞邏輯表示的規(guī)則考慮了與建筑元素的連接,并依據(jù)規(guī)范上下文實現(xiàn)嵌套的規(guī)則表達,從而實現(xiàn)一條規(guī)則對一類元素的自動化檢查,目前應用較為廣泛。比如ZHANG等[6-7]利用IF-Then的形式編輯了不同現(xiàn)場條件或背景(IF)下高處墜落安全事故(Then)的檢查參數(shù),并定義相應的解決措施。以上兩種方法仍然需要大量編輯工作來確定規(guī)則的各個組成,只能為規(guī)則檢查的后3個階段實現(xiàn)自動化。隨著近年來人工智能技術的快速發(fā)展,有學者開始研究完全自動化的規(guī)則翻譯方法,如自然語言處理、機器學習等。自然語言處理是結合語言學理論和計算機科學的一種技術[30],包括信息檢索(information retrieval,IR)和信息提取(information extraction,IE)。SALAMA和EI-GOHARY[9,12]分別利用道義邏輯、本體技術和機器學習(machine learning,ML)的方法從規(guī)范文檔和文件條款的角度實現(xiàn)自動化規(guī)則分類和翻譯。從文檔的角度,實現(xiàn)基于語義的規(guī)范文檔分類(Text classification,TC),形成訓練得到的文檔分類器有著100%和96%的召回率和準確率。從文件條款角度,根據(jù)語言的組織特點和道義模型(deontic model)自動完成包含規(guī)范概念、概念之間關系和道義邏輯公理的規(guī)范條款提取。類似的工作還包括ZHANG和EI-GOHARY[10,13]利用語義自然語言方法實現(xiàn)對于2009國際建筑規(guī)范(2009 International Building Code)規(guī)范條款的句法特征和語義特征的提取和分析,該方法取得很高的查全率和查準率,大大節(jié)約人工查找和編輯規(guī)范中規(guī)則的時間。然而,自然語言處理技術對專業(yè)性要求很高,因此有學者(SOLIHIN和EASTMAN[15])考慮了規(guī)則編輯的專業(yè)性和人的可讀性,提出基于概念圖(conceptual graphic)的規(guī)則編輯方式。概念圖首先識別規(guī)則的概念,其次分析相互獨立的子規(guī)則,再次歸納子規(guī)則的約束和屬性,最后實現(xiàn)相互的連接[4]。MARTINS和MONTEIRO[14]利用這一方法結合SQL語言實現(xiàn)了建筑給水管網(wǎng)設計的規(guī)則翻譯。

        2.1.2 基于本體的方法

        本體是某個領域形式化的概念知識的集合[31]。本體是由概念、屬性、以及概念之間的關系所組成,通過概念定義和層級關系可以從語義上呈現(xiàn)領域知識。語義網(wǎng)則是由元數(shù)據(jù)(metadata)、資源描述框架(resource description framework,RDF)和本體所組成,本體的知識描述和繼承為語義網(wǎng)的推理創(chuàng)造了條件。 ZARLI等[16]和WANG和BOUKAMP[17]分別利用基于語義網(wǎng)的本體技術構建了施工過程、風險、解決措施等概念類和關系,并以概念和關系構建起用于一致性檢查的安全規(guī)則。為了通用性和便捷性,關于規(guī)范概念和屬性的語義詞典被開發(fā)出來用于規(guī)則構建、模型的映射機制的建立,如國際能源保護法規(guī)(IECC)詞典[32]和國際詞典框架[33]。豐富的語義詞典所提供的概念及屬性關系不僅使得規(guī)則建立變得方便,也使得與規(guī)則相對應的被檢查對象的信息可以被提取,有利于提高規(guī)則檢查的準確率和效率。概念全面、結構清晰的本體構建將會使安全檢查的規(guī)則編譯方法更加通用。正如?LAL和GüNAYDIN[19]指出,目前的規(guī)范翻譯模型存在4個缺陷:①不夠全面,無法呈現(xiàn)條款中所有信息;②對規(guī)范進行硬編碼,缺乏靈活性和可維護性;③建筑模型和規(guī)范不存在直接的映射機制;④未考慮整體規(guī)范之間各條款的矛盾之處。因此,該文獻提出基于語義的4層級模型用于建筑規(guī)范的整體規(guī)則呈現(xiàn),以適應未來的自動化規(guī)則檢查系統(tǒng)。四層級規(guī)則構建模型從領域層、規(guī)則層、規(guī)則集層和管理層梳理整個規(guī)范的概念、層次和屬性,并利用RASE (requirement,application,selection,exception)方法構建系統(tǒng)的規(guī)則。

        2.1.3 基于語言開發(fā)的方法

        不同國家和領域建立了不同的規(guī)則檢查系統(tǒng),而所用的規(guī)范翻譯方法各不相同,故遷移應用是規(guī)則檢查的另一個挑戰(zhàn)。LEE等[20,34]開發(fā)了建筑環(huán)境和分析語言 (building environment rule and analysis,BERA)以實現(xiàn)更加復雜的規(guī)范編碼和對于建筑流通和空間規(guī)劃的規(guī)范檢查。EASTMAN等[3]提出要開發(fā)不受平臺環(huán)境限制的規(guī)則翻譯語言,即類似JAVA,SQL的便攜式語言,使編輯規(guī)則在不同工具或服務器上均能使用。盡管目前還沒出現(xiàn)這樣的成熟成果,但是有學者從其他的語言開發(fā)角度來促進規(guī)范翻譯的通用性和便利。PREIDEL和BORRMANN[21]提出可視化規(guī)范檢查語言(visual code checking language,VCCL)以降低規(guī)則翻譯的專業(yè)門檻,使得規(guī)則翻譯的過程更加靈活獨立。

        2.1.4 其他

        目前存在許多基于本體推理機的規(guī)則檢查機制的研究,比如SWRL (semantic web rule language)規(guī)則。DING等[22]和LU等[25]分別構建地下風險本體和建筑施工風險本體,利用本體中自帶插件SWRL規(guī)則編輯器直接利用本體概念和屬性構建檢查規(guī)則。安全檢查的規(guī)則和本體實例能自動轉換為JESS推理規(guī)則和事實,并利用JESS推理機完成規(guī)則推理。焦海霞[35]利用這一方法實現(xiàn)了對于地鐵施工安全的風險檢查。此外還有利用成熟的規(guī)則檢查器,比如SMC (solibri model checker)[36],CORNET[37]等進行安全規(guī)范檢查,其內(nèi)容將會在應用研究中進行進一步闡述。

        2.2 模型準備

        2.2.1 模型視圖

        在規(guī)則翻譯之前,模型與規(guī)則的映射是一個必須被考慮的問題。BIM作為建筑模型的數(shù)據(jù)載體,包含檢查所需要的構件對象、屬性參數(shù)信息和關系[20]。不同檢查主題的對象所需要準備的信息偏向有所不同,如臨時設施的結構安全檢查需要荷載信息,而建筑設計中的空間合理性檢查只需要幾何信息等。HAN等[38]提出了獨立的模型視圖,即每個單獨的模型視圖包含一種主題的相關信息,而這些模型視圖所包含的信息則是總信息的子集。目前已有較多研究采用這一思路進行模型信息的處理,如國外的International Code Council[39]和BuildingSMART[40]等。張偉勝[1]利用BIM、結構信息模型和臨時設施信息模型來分別完成空間安全因素和結構穩(wěn)定的安全性檢查的檢查方式。

        不同視圖可以解決不同主題的問題,然而針對同一主題,信息的提取則需要根據(jù)建立的映射機制來進行目標構件或信息“定位”。對于顯性信息,比如對于洞口檢測,只需要提取構件信息的幾何信息即可,而對于隱性信息需要經(jīng)過計算和推理后方可得知,比如空間的連通、相對標高等。目前存在幾種模型與規(guī)則的映射機制:①基于規(guī)則為導向的方式,GUO等[41]根據(jù)條款在規(guī)范中的主題和編號對安全規(guī)則進行編碼,編碼組分別為規(guī)則類型、事故主體、屬性、規(guī)則編號、規(guī)范編號和條款編號幾個部分,根據(jù)這一組成來進行構件建模信息準備。構件ID,直接參數(shù)和間接參數(shù)分別于安全規(guī)則事故主體和參數(shù)對應。②基于現(xiàn)成框架的信息準備,比如IFC框架[42]。③基于本體技術,如ZHANG等[24]構建了包括施工產(chǎn)品模型、施工過程模型和施工安全模型3個組成的施工安全本體模型,通過本體文件和進度文件生成待檢測的本體實例并利用JESS推理引擎完成實例的檢查。

        2.2.2 模型層次與維度

        模型層次(level of detail,LOD)[39]是用于描述BIM的層次細節(jié)的水平,層次越高,信息量越大。LOD分為LOD100-LOD600 6個層次,LOD300包括具體的對象、構件的數(shù)量、尺寸、形狀、位置和附屬的非圖形信息[43]。項目不同層次和不同階段對模型的細節(jié)有不同的要求。文獻[44]認為目前的規(guī)范檢查所需要模型的細度只需達到LOD300或LOD350即可。2011年以來,出現(xiàn)較多研究模擬動態(tài)的規(guī)范檢查,即4D的建造過程中模擬[7,45-46]安全檢查。隨著動態(tài)檢查的精細化,對裝飾裝修階段,機械設備自身的檢查需要融入更多信息才能實現(xiàn)這些目前還未達到的細節(jié)模擬。

        2.3 檢查執(zhí)行

        規(guī)則執(zhí)行階段是利用定義好的安全規(guī)則檢查準備好的信息模型,通過規(guī)則與模型中具體的構件或場景的連接,提取需要檢查的參數(shù)進行檢查的一個過程。檢查執(zhí)行的任務包括兩個:①能識別出不安全的條件或參數(shù);②能提供備選的問題解決辦法來糾正不合規(guī)問題[20]。為判斷執(zhí)行的效果,評價機制是有必要的。文獻[47]提出在檢查之前進行預檢查,以確保模型中所包含信息是足夠的。由于規(guī)則和問題類別的多樣性,檢查過程中對于不合規(guī)的參數(shù)檢查結果可能會因為不同規(guī)則的應用而導致矛盾,因此對不合規(guī)問題的結果呈現(xiàn)必須包含對應規(guī)則的相關信息。

        2.4 檢查結果呈現(xiàn)

        檢查結果的呈現(xiàn)的形式目前常見的包括Excel或PDF的電子文檔形式、可視化的呈現(xiàn)方式等。文獻[7, 24-45]在高處墜落安全檢查和臨時腳手架的安全檢查結果以Excel形式呈現(xiàn)每條檢查結果。Excel檢查結果表中包含檢查構件的ID、相關屬性和參數(shù)以及建議的預防方法。但是存在的問題是構件或問題的所在的位置信息、超限的參數(shù)等并未呈現(xiàn)。文獻[45]則包含了類似信息,比如施工工序、危險所在區(qū)位以及工序的相關信息,但是未包含相應的解決或預防方法。相比于Excel表格,可視化的呈現(xiàn)方式更能直觀呈現(xiàn)危險所在位置和時間等信息,文獻[24]還提出自動化安全措施建模來自動優(yōu)化模型。可視化的方式對于呈現(xiàn)局部問題有著較好優(yōu)勢,而信息充足的Excel表和可視化呈現(xiàn)二者結合的方式將更為合適。

        3 應用研究

        3.1 應用平臺

        國內(nèi)外涌現(xiàn)了大量優(yōu)秀的規(guī)范檢查平臺,主要可以分為商業(yè)軟件和基于商業(yè)軟件的二次開發(fā)應用,但只有較少的研究針對具體的檢查目標進行了檢查原型的開發(fā)。目前主要的商業(yè)平臺和應用插件介紹如下。

        3.1.1 商業(yè)軟件

        目前應用較為廣泛的合規(guī)檢查系統(tǒng)軟件有芬蘭Solibri Model Checker (SMC)、挪威Jotne EDModelChecker、新加坡CORENET e-PlanCheck、國際規(guī)范委員會(ICC)開發(fā)的SMARTcodes,國內(nèi)只有廣聯(lián)達BIM審圖軟件。而這些軟件在規(guī)則檢查的實施過程中存在著不同的特點和應用要求,因此本文將從基本功能、檢查規(guī)則、實際應用幾個方面總結以上軟件的優(yōu)勢和不足。

        芬蘭SMC[48]是基于Java的BIM軟件應用平臺,能夠檢查施工之前和之中的設計問題,比如缺失的模型構件或模型空間的流通問題。其包括諸多內(nèi)置功能:類似形狀重疊、構件命名等的模型預檢查、火災疏散路徑寬度檢查、自動查看檢查問題及輸出報告,包括PDF、XML以及可視化等方式[3],而這些檢查的對象是以IFC形式表達的模型。實施檢查的規(guī)則是將參數(shù)化表格硬編碼(hard-coded)為電腦可以處理的形式來實現(xiàn)自動化檢查,這需要耗費較多人力去實現(xiàn)。由于SMC不支持非開發(fā)人員的規(guī)則擴展,因此檢查的主題只能限于開發(fā)人員所提供的規(guī)則。但是由于其豐富的功能,SMC平臺已經(jīng)得到廣泛應用,比如美國總務管理局項目(GSA project)[49]和挪威國家管理的項目(HITOS project)[3]的模型空間一致性檢查。

        挪威Jotne EDModelChecker(EDM)[50]提供對象數(shù)據(jù)庫,并支持開源的EXPRESS語言的規(guī)范檢查開發(fā)和復雜擴展,能一次對大型建筑項目或多個主題實現(xiàn)檢查。由于EXPRESS語言是IFC框架的基礎語言,所以可以基于EDM服務器靈活地開發(fā)并建立規(guī)則,而建立的規(guī)則可以被其他能識別EXPRESS語言的軟件所使用[28],但是對規(guī)則建立者有一定的編程基礎要求。目前這一平臺在挪威的一些項目得到了應用[3]。

        新加坡CORENET e-PlanCheck是由政府主導的建筑規(guī)范檢查平臺,使用了挪威的EDM模型服務器,目前已經(jīng)實現(xiàn)了在建筑規(guī)劃(如建筑控制、無障礙接入等)和建筑服務(如火災預警、管線排水系統(tǒng)等)兩大類的諸多規(guī)范檢查。相比于前兩種檢查器,其在檢查規(guī)則的翻譯方面具有自動化程度高、擴展方便的優(yōu)勢。開發(fā)人員在檢查器中開發(fā)了名為FORNAX的對象庫,通過檢索或擴展IFC模型來創(chuàng)建具體對象獲取具體的規(guī)則語義,從而實現(xiàn)規(guī)則的自動翻譯,避免了再度編程的工作。但是調用Fornax對象需要擁有C++編程技術和領域專業(yè)知識才能實現(xiàn),限制了其應用擴展。新加坡政府規(guī)定2014年之后,所有新加坡建筑面積大于20 000 m2的項目必須通過這一平臺的審查,在2015年將此標準提高到50 000 m2[51]。

        國際規(guī)范委員會(ICC)開發(fā)的SMARTcodes[3]規(guī)則檢查平臺,目前主要用于住宅和商業(yè)相關建筑的規(guī)范檢查。ICC開發(fā)的SMARTcodes builders可以通過事先建立的包含領域概念的領域詞典來快速翻譯自然語言表達的規(guī)則。其檢查過程實現(xiàn)所需要的被檢對象(IFC模型)也可以利用領域詞典形成與規(guī)則對應的形式,從而實現(xiàn)安全的檢查。所以此平臺應用的范圍和深度取決于領域詞典的豐富性。其以網(wǎng)站形式發(fā)出,用戶可以登錄網(wǎng)站進行使用,應用方式十分便捷。但是由于國家地域的原因,領域詞典的全面性將會是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前這一檢查平臺利用國際節(jié)能規(guī)范[37]進行了測試。

        國內(nèi)廣聯(lián)達BIM審圖軟件能進行針對三維建筑信息模型的空間碰撞、門窗開啟、樓梯凈高、管線沖突等檢查,能支持Revit、Tekla和Magicad等主流BIM軟件的格式。但其所支持檢查的規(guī)則為內(nèi)置,檢查的問題還處于初級水平,與國外類似平臺還有很大的差距[28]。

        3.1.2 軟件插件

        國內(nèi)外有許多研究利用以上相關商業(yè)軟件進行二次開發(fā)應用,大部分二次開發(fā)集中在利用SMC和SMARTcodes兩款商用軟件上(表2)。由于SMC提供了豐富的參數(shù)配置模板和多樣的結果呈現(xiàn)方式,SMARTcodes提供了豐富概念和定義的詞典,提高規(guī)范代碼訪問能力[18],故兩款軟件較為常用。而國內(nèi)在這方面的應用較少,只有簡單的測試應用。

        表2 檢查軟件插件檢查應用

        3.2 應用領域

        規(guī)范檢查經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)在建筑施工行業(yè)得到廣泛的應用,具體總結見表3?,F(xiàn)在規(guī)范依據(jù)從民用建筑的設計施工安全向基礎設施、地下工程安全發(fā)展,從靜態(tài)安全規(guī)范檢查向動態(tài)檢查發(fā)展,此外對建筑性能的檢查也有一定的研究。其中CLAYTON[55]和DIMYADI等[56]分別對醫(yī)院火災人員疏散和防火墻設計進行安全檢查,以實現(xiàn)建筑防火參數(shù)的優(yōu)化。在施工規(guī)劃中,高處墜落中臨邊和洞口的規(guī)范檢查[6,7,24,57]得到了大量的關注,對于起重事故[58]和模板安全[46]的安全檢查較少。HU和ZHANG[46]開發(fā)了一套完整的4D模擬系統(tǒng)檢查施工臨時設施-模板的結構安全,對于安全檢查的深度實施具有重要意義。除了建筑領域安全檢查之外,基礎設施和復雜的地下安全也出現(xiàn)了一些嘗試,MARTINS和MONTEIRO[14]利用空間推理算法和自然語言處理對地下管網(wǎng)施工進行安全檢查,從而面對復雜的地下基坑或基礎等安全風險[23,35,59],在此領域語義網(wǎng)和本體是目前主要采取的技術手段。隨著檢查技術的提升,對于更加細節(jié)、復雜的安全問題的規(guī)范檢查,如墻體熱工性能[8]、聲學性能[60]、動態(tài)施工檢查[45,54]將會得到進一步的實現(xiàn)。

        表3 插件應用領域

        4 討論與展望

        4.1 相關技術方面難點討論

        規(guī)范檢查已經(jīng)在多年的發(fā)展下,出現(xiàn)了大量的研究成果和應用案例。安全檢查的過程已經(jīng)逐步由耗時費力的人工檢查轉為半自動、自動檢查;在技術上不斷得到更新,BIM技術、語義本體和自然語言處理、數(shù)據(jù)挖掘等信息技術已經(jīng)開始被用于助力安全檢查的過程;在范圍上從普通民用建筑設計和施工向基礎設施、地下工程等進行擴展;結合3D BIM模型和時間、成本等的動態(tài)安全規(guī)范檢查也有一定的發(fā)展和應用,這些成果對安全管理效率提升具有重要意義。在文獻研究和應用的調研基礎上,還存在如下問題:

        (1) 規(guī)范檢查停留在規(guī)劃設計階段。預防是安全管理的目標,良好的安全規(guī)劃可以減少很多不必要的安全問題。但安全規(guī)劃也不能完全應對施工現(xiàn)場的動態(tài)性和復雜性,而目前大部分的研究都是集中在設計階段,只有較少的研究開始進行動態(tài)安全識別規(guī)則的開發(fā)。

        (2) 規(guī)則翻譯自動化和復用程度低。目前已經(jīng)存在多種規(guī)則翻譯技術,而由于規(guī)則條款以自然語言形式存在,翻譯的過程仍然需要大量人工工作來完成。盡管有學者開始利用自然語言處理技術進行自動化規(guī)則分類與提取,但對于專業(yè)性要求高,并且對規(guī)范類別有一定依賴性。國內(nèi)外存在各種研究翻譯了不同類別的安全規(guī)則,但是由于地區(qū)不同,復用的可能比較低,導致大量重復工作,洞口和臨邊的檢測就是很好的證明。

        (3) 模型與規(guī)則的連接問題?,F(xiàn)在大部分研究都是針對某一特定主題的安全檢查,因此規(guī)則的檢測對象的連接只具有局部適用性,而尚未出現(xiàn)能對安全問題的各個方面檢查的連接方法。該問題的原因在于安全問題的檢查不僅僅包括對模型構件信息的獲取,還包括隱形動態(tài)的場景信息的獲取。

        (4) 檢查結果的呈現(xiàn)形式。安全檢查的目的在于找到問題,并處理或消除。不同項目的參與方只關注各自專業(yè)內(nèi)的相關問題,而規(guī)范檢查的結果需要分類呈現(xiàn)給不同專業(yè),不同管理層次的相關人員以便采取措施。這一問題目前只有較少研究關注,可視化方式或Excel檢查報告是目前的主要呈現(xiàn)的方式,但是隨著建筑規(guī)模、功能的復雜化,安全檢查問題的數(shù)據(jù)量將會增多,如何有效獲取并呈現(xiàn)安全管理人員關注的內(nèi)容是仍是需要解決的問題。

        (5) 國內(nèi)技術水平需要提升。國外已經(jīng)存在大量的商用規(guī)范檢查的軟件和研究,但是國內(nèi)關于安全檢查的研究深度和應用相對來說非常少,國內(nèi)有必要開發(fā)出基于本國的安全檢查系統(tǒng)以提升安全管理的效率。

        4.2 未來研究方向

        針對以上問題,本文展望了未來的研究方向:

        (1) 建立全生命周期的安全檢查系統(tǒng)。安全檢查的目的是使得建筑在建造之前和之中的風險能被提前識別并消除。安全檢查的過程貫穿在整個建筑全生命周期內(nèi),融合BIM技術的自動化安全規(guī)范檢查能為設計規(guī)劃的安全優(yōu)化(如人員疏散)、施工階段和運維階段的實時安全識別與預防提供決策和建議。三維激光掃描、傳感器技術、計算機視覺、GIS等新興技術為施工現(xiàn)場和運維階段的信息實時獲取和BIM模型更新提供支撐,從而實現(xiàn)規(guī)劃設計之后的其他階段動態(tài)建造安全的風險識別和預防。

        (2) 開發(fā)規(guī)則翻譯技術或框架。目前規(guī)則翻譯技術或方法的專業(yè)性和不可復用性阻礙了自動化安全技術的應用普及。以語義本體和語義詞典為主的安全規(guī)則編譯方法可以幫助規(guī)則概念和關系的復用,為破除地域障礙,減少重復工作,增加規(guī)則翻譯準確性提供途徑;結合語義的自然語言處理技術可以提供完全自動化的規(guī)則建立;可視化編程技術降低了規(guī)則翻譯門檻,這些技術的深度開發(fā)將會提高安全規(guī)則編譯過程的自動化程度,并使得規(guī)則編譯的準確度和應用廣度得到提升。

        (3) 模型與規(guī)則的連接框架。面對建筑全生命周期的安全檢查,建立起基于本體技術或國際標準的概念詞典(如IFD)的連接框架,以實現(xiàn)規(guī)則在不同階段應用時的目標對象或場景的識別和相關信息提取。本體網(wǎng)絡或語義詞典所提供的語義概念和邏輯關系為模型與規(guī)則的智能映射提供了解決思路。

        (4) 智能安全檢查報告呈現(xiàn)。語義自然語言檢索技術可以從語義上理解用戶自然語言表達的查詢需求,從而進行信息提取與呈現(xiàn)。而面對不同的安全管理職能或范圍的的工作人員的查詢需求,利用檢索技術完成查詢和呈現(xiàn),可以提高安全管理的效率和節(jié)約時間。

        5 結 論

        本文通過調研近10年來關于安全規(guī)范檢查的相關文獻,從發(fā)展趨勢,安全檢查過程的相關技術和應用進行了梳理和總結,列舉了目前規(guī)則翻譯、模型準備、規(guī)則執(zhí)行和結果呈現(xiàn)所用的技術和方法,并概括了安全檢查技術的應用平臺和插件應用。新技術、新主題以及不斷完善的檢查平臺將會使得安全規(guī)范完全自動化檢查成為可能。此外,本文討論了目前安全規(guī)范檢查所存在的問題,并提出了一些解決思路。

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        A Review on Research and Applications of BIM-Based Construction Safety Compliance Checking

        WU Songfei, DENG Yichuan, SHENQiyu, LUODehuan

        (School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640, China)

        Automatic safety compliance checking integrated with BIM can significantly enhance management efficiency and reduce the occurrence of safety accidents. Currently, the high frequency of construction accidents are not alleviated, which has seriously affected the life and property security of our people. Although research on safety management has been increasing in recent years, there is no review for the current research on safety compliance checking. This paper reviews the related literature in ten years. Domestic and foreign researches and safety checking platforms based on BIM are reviewed on rules translation, BIM model preparation, rule execution and checking results from the perspective of relevant technology and application. The application domain and platform of safety compliance checking were introduced. Finally, the existing problems in the process of safety compliance checking were discussed and the corresponding solutions proposed for facilitating further automation of safety compliance checking.

        BIM; safety compliance checking; technology research; application research

        TP 391

        10.11996/JG.j.2095-302X.2018061156

        A

        2095-302X(2018)06-1156-09

        2018-04-09;

        2018-05-17

        廣東省自然科學基金項目(2017A030313393);亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主課題(2017KB12)

        吳松飛(1993-),男,湖北荊州人,碩士研究生。主要研究方向為建筑信息模型、安全管理等。E-mail:201520105774@scut.edu.cn

        鄧逸川(1989-),男,廣東河源人,助理教授,博士。主要研究方向為建筑信息模型、計算機視覺。E-mail:ctycdeng@scut.edu.cn

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