王昌盛 鄧雪原 吳祎菲 張家春

（上海交通大學(xué)土木系，200240，上?！蔚谝蛔髡?，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(jì)過(guò)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(xiàng)目的各參與方帶來(lái)了不同的應(yīng)用價(jià)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(jì)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(jì)規(guī)范都會(huì)對(duì)樓梯踏步高、踏步寬、踏步級(jí)數(shù)和樓梯凈寬等進(jìn)行規(guī)定。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑樓梯的智能化檢查方法研究較少。本文基于對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范檢查的研究進(jìn)展和對(duì)國(guó)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(duì)樓梯規(guī)范的自動(dòng)化檢查方法，并用案例驗(yàn)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(guó)內(nèi)建筑行業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工模式已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)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(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的工作效率。麥肯錫研究院的研究報(bào)告指出“采用BIM 技術(shù)的單位中有75%報(bào)告其投資回報(bào)率為正，并且縮短了項(xiàng)目周期，節(jié)省了文書(shū)工作和材料成本［2］。”

IFC 標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際協(xié)作聯(lián)盟組織IAI（現(xiàn)名Building SMART）提出，是一個(gè)公開(kāi)的、結(jié)構(gòu)化的、基于對(duì)象的信息交換格式，定義描述BIM 的標(biāo)準(zhǔn)格式［3］，確保項(xiàng)目全生命周期中各個(gè)階段的數(shù)據(jù)能夠交換和共享。通過(guò)對(duì)IFC 標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)拥臄U(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(zhǎng)、范圍廣的特征，對(duì)管理者的考驗(yàn)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(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)城市軌道交通的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、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(guó)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(dòng)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(dòng)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B(niǎo)IM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(duì)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(tái)，企業(yè)版）實(shí)現(xiàn)，展示了在分布式環(huán)境中構(gòu)建設(shè)計(jì)一致性檢查的方法和系統(tǒng)的有效性；隨后文獻(xiàn)［6］通過(guò)測(cè)試5 個(gè)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(dòng)語(yǔ)義標(biāo)注方法，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為BIMSeek 的原型語(yǔ)義搜索引擎。迄今為止，國(guó)外的FORNAX、Solibri、EDModelchecker、SMARTcodes 等多款軟件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)國(guó)外規(guī)范的自動(dòng)化檢查。但是，受制于規(guī)范的書(shū)面條款與計(jì)算機(jī)可識(shí)別計(jì)算語(yǔ)言的差異，規(guī)范中的參數(shù)并不能直接被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，加上國(guó)內(nèi)外規(guī)范本身存在較大差異，故而國(guó)外規(guī)范自動(dòng)化檢查手段尚未在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)BIM 的規(guī)范自動(dòng)化檢查起步較晚，大多數(shù)中小設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)BIM 的概念尚處于二維圖紙翻模階段，因而對(duì)于規(guī)范檢查的應(yīng)用還停留在二維CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）審圖階段。但近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)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(shí)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(tái)上BIM 模型的建筑專業(yè)規(guī)范條款的自動(dòng)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(kāi)發(fā)庫(kù)、Revit API 二次開(kāi)發(fā)接口對(duì)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(duì)應(yīng)的邏輯表達(dá)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證；文獻(xiàn)［12］用預(yù)定義的標(biāo)記方法對(duì)文本進(jìn)行處理，并且構(gòu)建規(guī)范本體，生成計(jì)算機(jī)可讀的規(guī)則。但是上述研究還是大多停留在對(duì)Solibri軟件規(guī)范檢查功能的國(guó)內(nèi)化分析和對(duì)Revit 二次開(kāi)發(fā)的研究，缺乏BIM 語(yǔ)義的基礎(chǔ)研究。樓梯的踏步高、踏步寬、踏步級(jí)數(shù)和樓梯寬度在IFC 標(biāo)準(zhǔn)的文件中均有語(yǔ)義表達(dá)，通過(guò)對(duì)其IFC 屬性提取并進(jìn)行研究即可實(shí)現(xiàn)樓梯規(guī)范的自動(dòng)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(guó)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(shí)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(duì)應(yīng)的屬性信息提取出來(lái)與現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行校對(duì)，就能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)范的自動(dòng)化檢查。雖然IFC4 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，但是國(guó)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。基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)規(guī)范研究主要包含以下三個(gè)步驟：

1）IFC 對(duì)象屬性提?。和ㄟ^(guò)對(duì)buildingSMART官網(wǎng)上發(fā)布的IFC 標(biāo)準(zhǔn)［13］進(jìn)行實(shí)體語(yǔ)義研究，通過(guò)實(shí)體包含的直接屬性、導(dǎo)出屬性和反屬性及實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行深入解讀，實(shí)現(xiàn)實(shí)體屬性的提取。

2）規(guī)范轉(zhuǎn)譯：將規(guī)范條款轉(zhuǎn)譯成計(jì)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(jì)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(duì)，并導(dǎo)出校驗(yàn)報(bào)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(tái)研究是在文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［15］的研究基礎(chǔ)上對(duì)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(shí)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(yàn)和特殊屬性規(guī)范檢查兩個(gè)部分。

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

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

樓梯的踏步寬度、踏步高度、樓梯級(jí)數(shù)和樓梯寬度屬性在對(duì)應(yīng)的IFC 語(yǔ)句中均有表達(dá)。踏步寬度和踏步高度在IfcStair 實(shí)體中表達(dá)，樓梯寬度和樓梯級(jí)數(shù)在IfcStairFlight 實(shí)體中表達(dá)。所以通過(guò)對(duì)對(duì)應(yīng)實(shí)體中的屬性值與規(guī)范值進(jìn)行校驗(yàn)，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(yàn)?zāi)０宓膶?duì)象名稱作為關(guān)鍵字在IFC 文件內(nèi)進(jìn)行搜索。定位目標(biāo)對(duì)象后，將其屬性名稱、屬性值的有效值域與標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)?zāi)０宓膬?nèi)容進(jìn)行對(duì)比。具體步驟如下：

1）遍歷需要檢查的對(duì)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(duì)象才能被檢索到。如所有的現(xiàn)場(chǎng)澆筑樓梯統(tǒng)一命名為“現(xiàn)場(chǎng)澆筑樓梯”，不允許部分現(xiàn)場(chǎng)澆筑樓梯命名為“現(xiàn)場(chǎng)澆筑樓梯”、部分命名為“樓梯”的情況，于此同時(shí)不同的樓梯也不能采用同一種名稱命名。對(duì)象名稱屬性保存在對(duì)應(yīng)IFC 實(shí)體的“Name”屬性中。

2）解析需要檢查對(duì)象的IFC 語(yǔ)義。對(duì)象實(shí)體的幾何屬性信息在IFC 文件中使用實(shí)體IfcPropertySingleValue 表達(dá)，但在IFC 文件中IfcPropertySingle－Value 實(shí)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(shí)體IfcPropertySet，然后通過(guò)IfcPropertySet 的“HasProperties”屬性找到IfcPropertySingleValue，最后提取實(shí)體IfcPropertySingleValue中包含的屬性值與規(guī)范值進(jìn)行校對(duì)。屬性提取算法如圖1 所示。

圖1 樓梯屬性值校驗(yàn)算法

基于本研究的規(guī)范檢查平臺(tái)如圖2 所示。在左方菜單欄中選擇“數(shù)據(jù)校驗(yàn)”模式，界面上方5 個(gè)按鈕依次表示“載入實(shí)體文件”“載入屬性文件”“打開(kāi)IFC 文件”“開(kāi)始校驗(yàn)”和“保存校驗(yàn)報(bào)告”。右下角為校驗(yàn)結(jié)果欄。標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)?zāi)０宀捎门渲帽淼母袷?。配置表具體格式在以下案例驗(yàn)證中進(jìn)行說(shuō)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(shí)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(jí)數(shù)和樓梯寬度屬性都可以通過(guò)以上算法提取并與規(guī)范值進(jìn)行校驗(yàn)。但是，現(xiàn)實(shí)規(guī)范中很多條文轉(zhuǎn)譯的信息是不能直接通過(guò)某一個(gè)實(shí)體表達(dá)的。如樓梯休息平臺(tái)的寬度，需要通過(guò)對(duì)IFC 實(shí)體語(yǔ)義和關(guān)聯(lián)性的研究提取屬性，并經(jīng)過(guò)幾何計(jì)算和算數(shù)計(jì)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(duì)每一條特定的規(guī)范都需要一個(gè)特定的算法與之對(duì)應(yīng)。具體檢查步驟如下：

圖2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)范檢查平臺(tái)實(shí)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(duì)應(yīng)的樓梯實(shí)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(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)實(shí)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(duì)應(yīng)樓梯平臺(tái)實(shí)體IfcSlab；

4）通過(guò)IfcSlab 的“Representation”屬性，定位形狀描述實(shí)體IfcProductDefinitionShape；

5）通過(guò)實(shí)體IfcProductDefinitionShape 的“Representation”屬性，定位特定幾何描述實(shí)體Ifc－ShapeRepresentation；

6）通過(guò)IfcShapeRepresentation 的“Item”屬性，定位拉伸實(shí)體IfcExtrudedAreaSolid；

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

8）通過(guò)實(shí)體IfcArbitraryClosedProfileDef 的“OuterCurve”屬性，定位描述有界曲線的實(shí)體IfcPolyLine；

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

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

樓梯平臺(tái)截面如圖4 所示。由圖4 可知樓梯平臺(tái)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(diǎn)順序連成的線段長(zhǎng)度進(jìn)行比較，得到線段最大長(zhǎng)度，即為樓梯平臺(tái)寬度值。

圖3 樓梯休息平臺(tái)寬度檢查算法

圖4 樓梯平臺(tái)截面示意圖

2.4 本研究與既有規(guī)范檢查方法對(duì)比

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

基于本研究的規(guī)范自動(dòng)化檢查平臺(tái)從IFC 基礎(chǔ)語(yǔ)義出發(fā)，通過(guò)IFC 屬性研究，實(shí)現(xiàn)IFC 文件的規(guī)范自動(dòng)化檢查。當(dāng)前，國(guó)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(tái)中導(dǎo)入IFC 文件就能自動(dòng)生成檢查報(bào)告。本研究針對(duì)國(guó)內(nèi)具體規(guī)范條文的應(yīng)用程度高，能夠完美實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通建筑物樓梯規(guī)范的檢查。

3 案例驗(yàn)證

3.1 案例模型

本研究的案例為上海軌道交通14 號(hào)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(hào)線錦繡東路站Revit 模型

圖6 上海軌道交通14 號(hào)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(jì)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(jí)數(shù)、寬度和休息平臺(tái)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(jí)數(shù)3～18；④單向樓梯寬度≥1 800 mm；⑤樓梯休息平臺(tái)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(yàn)，對(duì)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(duì)象的名稱；列2 為對(duì)象的IFC 實(shí)體名稱（只有同時(shí)滿足前2列名稱相同的實(shí)體才可以進(jìn)行屬性值校驗(yàn)）；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(hào)“；”分隔，區(qū)間型以連接號(hào)“-”“≥”和“≤”作為區(qū)間識(shí)別符。

表1 基于設(shè)計(jì)規(guī)范的正確性校驗(yàn)屬性信息配置表

3.4 驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)于可以直接從IFC 實(shí)體中提取的屬性值校驗(yàn)，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(tái)，并自動(dòng)生成檢查報(bào)告。檢查報(bào)告分為兩種，即樓梯屬性校驗(yàn)結(jié)果和屬性有誤的樓梯校驗(yàn)結(jié)果。部分檢驗(yàn)結(jié)果分別如表2 和表3 所示。部分樓梯休息平臺(tái)寬度檢查報(bào)告如表4 所示。

對(duì)于不能直接從IFC 實(shí)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(tái)，并勾選樓梯休息平臺(tái)寬度檢查。只有初始名稱校驗(yàn)結(jié)果為“是”的實(shí)體才會(huì)出現(xiàn)在報(bào)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(yàn)結(jié)果

表3 屬性有誤的樓梯校驗(yàn)結(jié)果

表4 樓梯休息平臺(tái)寬度校驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)城市軌道交通項(xiàng)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(guò)IFC 實(shí)體屬性關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通樓梯規(guī)范的自動(dòng)化檢查方法，并通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)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(dòng)化檢查。樓梯只是建筑物中的一個(gè)典型構(gòu)件，對(duì)于其它構(gòu)件，可在IFC 文件中找到對(duì)應(yīng)的屬性信息，通過(guò)算法同樣能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢查?；诒狙芯康囊?guī)范自動(dòng)化檢查平臺(tái)也將朝著實(shí)現(xiàn)多元化規(guī)范自動(dòng)檢查的目標(biāo)邁進(jìn)。自動(dòng)化檢查的實(shí)現(xiàn)能夠大大提高設(shè)計(jì)人員的效率，降低人力成本。另一方面，城市軌道交通項(xiàng)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(guò)簡(jiǎn)單的屬性提取計(jì)算尚不能夠完成自動(dòng)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(diǎn)。