姜韶華 張 博

(大連理工大學(xué) 建設(shè)管理系，大連 116024)

1 概述

1.1 背景

隨著建筑信息模型(Building Information Modeling， BIM)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到建設(shè)項(xiàng)目的各個(gè)階段，推動(dòng)了土木建筑工程領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。BIM模型中的構(gòu)件是具有幾何和語(yǔ)義特征的完整對(duì)象，而不僅僅是像CAD模型中由點(diǎn)和線所定義的幾何圖形[1]。當(dāng)BIM包含的語(yǔ)義信息匱乏時(shí)，其應(yīng)用范圍和價(jià)值將受到限制。因此，隨著B(niǎo)IM的蓬勃發(fā)展及其應(yīng)用的延伸，需要越來(lái)越多的語(yǔ)義信息以便充分表達(dá)建筑模型[2]。

在上述背景下，BIM語(yǔ)義豐富在業(yè)內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，并逐漸成為研究熱點(diǎn)。促使BIM語(yǔ)義豐富研究蓬勃發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：第一，豐富BIM模型的語(yǔ)義有助于緩解互操作性問(wèn)題； 第二，語(yǔ)義豐富是在3D重建過(guò)程中實(shí)現(xiàn)將3D幾何模型轉(zhuǎn)換為BIM的關(guān)鍵。Belsky等人將建筑模型的語(yǔ)義豐富定義為：專(zhuān)家系統(tǒng)推理規(guī)則引擎應(yīng)用特定領(lǐng)域的規(guī)則集來(lái)識(shí)別有關(guān)輸入建筑模型中建筑對(duì)象和關(guān)系的新事實(shí)，并將其添加到模型中的過(guò)程[3]。然而，隨著B(niǎo)IM語(yǔ)義豐富研究的深入，其方法不僅限于基于規(guī)則的推理，因此，本文將BIM語(yǔ)義豐富定義為通過(guò)半自動(dòng)或自動(dòng)方式向BIM中添加有意義的語(yǔ)義信息的過(guò)程。

1.2 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析

由于目前尚未看到國(guó)內(nèi)在BIM語(yǔ)義豐富領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，因此本文選擇了在建筑領(lǐng)域覆蓋范圍廣且在跨學(xué)科研究領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)的Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源[4]。BIM語(yǔ)義豐富作為新興研究領(lǐng)域，目前只有極少數(shù)側(cè)重于BIM語(yǔ)義豐富方法的文獻(xiàn)在標(biāo)題、摘要及關(guān)鍵詞中明確提及“BIM語(yǔ)義豐富”，其他多數(shù)文獻(xiàn)雖未明確提及，但其全文本質(zhì)上仍與該主題相關(guān)，因此，截至2020年7月，本文在Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)中按照以下檢索式進(jìn)行文獻(xiàn)檢索：((TITLE-ABS-KEY((“semantic enrichment”)OR(“semantically rich”)OR(“semantically enriched”)OR(“rich semantic”))OR TITLE-ABS-KEY((“three-dimensional reconstruction”)OR(“three dimensional reconstruction”)OR(“3-d reconstruction”)OR(“3d reconstruction”)))AND TITLE-ABS-KEY(“BIM”))。在上述檢索式中，“TITLE-ABS-KEY”是指“標(biāo)題—摘要—關(guān)鍵詞”。

針對(duì)按照以上檢索式初步得到的159篇文獻(xiàn)，本文采用了以下篩選標(biāo)準(zhǔn)：

(1)將主題范圍限制在：計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程；

(2)將文獻(xiàn)類(lèi)型限制在：會(huì)議論文、期刊研究性論文、綜述、書(shū)籍章節(jié)。

經(jīng)過(guò)(1)(2)兩步后，文獻(xiàn)數(shù)量下降至136篇，之后通過(guò)閱讀標(biāo)題、摘要及關(guān)鍵詞進(jìn)行人工篩選，進(jìn)一步剔除無(wú)關(guān)文獻(xiàn)，最終得到89篇與BIM語(yǔ)義豐富主題相關(guān)的文獻(xiàn)。上述89篇文獻(xiàn)中各類(lèi)型占比如表1所示，按照年份的分布如圖1所示。圖1中2020年文獻(xiàn)數(shù)量為8篇，這是截止2020年7月的檢索結(jié)果，并非2020年全年的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量，因此，總體而言，BIM語(yǔ)義豐富相關(guān)研究在近年來(lái)呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是在2014年以后呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。表2列出了出版3篇及以上相關(guān)文獻(xiàn)的主要來(lái)源。表3總結(jié)出了上述89篇文獻(xiàn)中出現(xiàn)超過(guò)10次的高頻關(guān)鍵詞。

表1 相關(guān)文獻(xiàn)的各類(lèi)型占比

表2 所選文獻(xiàn)的主要來(lái)源

表3 所選文獻(xiàn)中的高頻關(guān)鍵詞

圖1 相關(guān)文獻(xiàn)在2008～2020年的數(shù)量分布

2 BIM語(yǔ)義豐富方法

BIM語(yǔ)義豐富具有較強(qiáng)的需求導(dǎo)向性，對(duì)于重建BIM和既有BIM兩種情況而言，BIM語(yǔ)義豐富的范圍及內(nèi)容存在一定差異，如圖2所示，因此目前尚無(wú)方法能夠保障實(shí)現(xiàn)BIM模型的全面語(yǔ)義豐富[5]。雖然目前多數(shù)BIM語(yǔ)義豐富過(guò)程仍是依賴(lài)專(zhuān)業(yè)人員手動(dòng)添加語(yǔ)義信息，但已有一些研究提出了一些相對(duì)成體系且高效的BIM語(yǔ)義豐富方法。本節(jié)梳理了現(xiàn)有研究中的五種有代表性的BIM語(yǔ)義豐富方法及其涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并分析和總結(jié)了每種方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 BIM語(yǔ)義豐富的范圍界定

2.1 語(yǔ)義Web

語(yǔ)義Web技術(shù)能夠以結(jié)構(gòu)化的圖形表示信息，有效集成不同性質(zhì)的建筑信息[6]，并能夠通過(guò)推理工具從現(xiàn)有數(shù)據(jù)源中推斷出新信息。BIM在整合來(lái)自不同參與者的異構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)面臨挑戰(zhàn)，因此，語(yǔ)義Web被用于BIM語(yǔ)義豐富以改善交互問(wèn)題，例如工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)(Industry Foundation Classes， IFC)中語(yǔ)義連接的丟失、語(yǔ)義丟失和映射錯(cuò)誤等。Farias等人受IFC標(biāo)準(zhǔn)啟發(fā)定義了本體來(lái)表示建筑信息，以便提高數(shù)據(jù)模型的表達(dá)能力[7]，該方法適用于解決IFC內(nèi)部語(yǔ)義不足的問(wèn)題，例如通過(guò)推理獲得IFC的隱式語(yǔ)義后進(jìn)行補(bǔ)充，但是它不能根據(jù)用戶(hù)的需求添加或修改信息。Pauwels等人將IFC與語(yǔ)義Web相結(jié)合用于豐富BIM語(yǔ)義并實(shí)現(xiàn)建筑性能檢查[8]。上述基于語(yǔ)義Web方法的局限性在于手工構(gòu)建本體的過(guò)程相對(duì)耗時(shí)且低效。

2.2 基于規(guī)則的推理

基于規(guī)則的推理是一類(lèi)廣泛使用的BIM語(yǔ)義豐富方法，其中，BIM語(yǔ)義豐富引擎(Semantic Enrichment Engine for BIM， SeeBIM)和橋梁語(yǔ)義豐富引擎(Semantic Enrichment Engine for Bridges， SeeBridge)具有較強(qiáng)的代表性。二者的共同點(diǎn)是基于專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行BIM語(yǔ)義豐富，即使用規(guī)則集來(lái)推斷和添加模型中未明確表示的信息[9]，但是二者所面向的對(duì)象不同，SeeBIM主要面向建筑BIM模型，它利用前向鏈接來(lái)推斷有關(guān)模型的新事實(shí)[3]，而SeeBridge則專(zhuān)注于橋梁BIM的構(gòu)件分類(lèi)問(wèn)題，旨在快速、智能地測(cè)量和評(píng)估橋梁[10]。

上述方法的局限性包括：

(1)多數(shù)規(guī)則集是基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)編寫(xiě)的，推理結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性依賴(lài)于規(guī)則集的準(zhǔn)確性；

(2)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(例如彎曲形狀)無(wú)法用規(guī)則正確表示等。

盡管Wu等人提出的用于IFC對(duì)象分類(lèi)的基于規(guī)則的算法可以盡量避免專(zhuān)家知識(shí)中嵌入的主觀性錯(cuò)誤[11]。但是上述第(2)點(diǎn)局限性仍然未得到合理的解決。因此，此類(lèi)方法僅適合處理具有簡(jiǎn)化的對(duì)象幾何形狀的模型。

2.3 機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)在BIM語(yǔ)義豐富中主要用來(lái)解決的是對(duì)象分類(lèi)問(wèn)題和語(yǔ)義完整性問(wèn)題，其中對(duì)象分類(lèi)問(wèn)題包括構(gòu)件分類(lèi)和房間分類(lèi)等。目前已有一些研究探索了基于機(jī)器學(xué)習(xí)解決對(duì)象分類(lèi)問(wèn)題的可能性。例如，Bloch等人測(cè)試了使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行語(yǔ)義豐富的可能性，用于解決房間分類(lèi)問(wèn)題[9]。Song等人利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)BIM模型中的空間實(shí)例進(jìn)行了自動(dòng)空間類(lèi)別分類(lèi)[12]。使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行對(duì)象分類(lèi)包括兩個(gè)主要步驟：訓(xùn)練和預(yù)測(cè)。在語(yǔ)義完整性方面，Koo等人應(yīng)用支持向量機(jī)檢查BIM元素和IFC類(lèi)之間的映射的語(yǔ)義完整性[13]，從而有效地添加特定領(lǐng)域所需的語(yǔ)義。Ferguson等人提出的擴(kuò)展對(duì)象R-CNN也可用于豐富BIM模型的語(yǔ)義[14]。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法克服了基于規(guī)則的推理的一些局限性，如編譯規(guī)則的復(fù)雜性和主觀性，但在對(duì)象分類(lèi)時(shí)仍然面臨著獲取適當(dāng)?shù)那易銐虼蟮臄?shù)據(jù)集以及提取最相關(guān)和最有意義的特征的挑戰(zhàn)[9]。

2.4 基于云的BIM平臺(tái)

基于云的BIM平臺(tái)采用NoSQL的云數(shù)據(jù)庫(kù)從而以協(xié)作的方式豐富和共享BIM模型，這種基于云的工作模式使得用戶(hù)可以自由查詢(xún)和豐富模型對(duì)象[15]，該方法可以與其他BIM語(yǔ)義豐富方法結(jié)合使用，例如將云平臺(tái)用作SeeBIM的存儲(chǔ)庫(kù)。

雖然該方法表現(xiàn)出了較高的可協(xié)作性，但其自動(dòng)化程度相對(duì)一般，因此，必要時(shí)可以將其與其他BIM語(yǔ)義豐富方法結(jié)合使用，從而實(shí)現(xiàn)多種BIM語(yǔ)義豐富方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高語(yǔ)義豐富效率。

2.5 BIM-Annotator

BIM-Annotator是一種基于Web的注釋工具，可用于改進(jìn)BIM模型的語(yǔ)義質(zhì)量并鏈接來(lái)自各個(gè)域的特定域信息[16]，它為任何3D幾何模型(例如從CAD模型轉(zhuǎn)換或通過(guò)激光掃描技術(shù)生成的3D幾何模型)的語(yǔ)義豐富提供了可能性，而不僅限于IFC模型。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以鏈接不同域之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，以用戶(hù)友好的標(biāo)準(zhǔn)方式分析信息并實(shí)現(xiàn)在線協(xié)作，但缺點(diǎn)是尚不允許用戶(hù)將非BIM數(shù)據(jù)(如文檔和照片)鏈接到模型元素。

3 典型應(yīng)用

BIM語(yǔ)義豐富作為研究熱點(diǎn)，已經(jīng)在建設(shè)項(xiàng)目的全生命期中有了初步的應(yīng)用，包括設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段[17]，如表4所示。

表4 BIM語(yǔ)義豐富在不同階段的應(yīng)用點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)階段

BIM語(yǔ)義豐富在設(shè)計(jì)階段主要應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)計(jì)審查、消防安全設(shè)計(jì)等方面。設(shè)計(jì)審查通常要求用戶(hù)在使用一些商業(yè)模型檢查系統(tǒng)前對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化，并且檢查范圍僅限于可以用IF-THEN規(guī)則集表示的條款[18]。BIM語(yǔ)義豐富在上述過(guò)程中被應(yīng)用于提高對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化過(guò)程的自動(dòng)化程度，便于滿(mǎn)足特定檢查工具的信息需求。Santos等人開(kāi)發(fā)的基于BIM的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)生命期評(píng)估(BIM-based Environmental and Economic Life Cycle Assessment， BIMEELCA)工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIM進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的語(yǔ)義信息豐富[19]。在消防安全設(shè)計(jì)方面，Atyabi等人通過(guò)語(yǔ)義豐富向BIM模型中添加了有關(guān)應(yīng)急設(shè)施的信息和語(yǔ)義信息[20]，提高了仿真用的模型質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了建筑火災(zāi)緊急疏散仿真效果的優(yōu)化。

3.2 施工階段

BIM語(yǔ)義豐富在施工階段主要應(yīng)用于質(zhì)量、進(jìn)度和安全等方面的監(jiān)控和管理。BIM被用于共享和更新在施工過(guò)程中生成的信息[21]，雖然基于IFC的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但尚未實(shí)現(xiàn)完全有效的互操作性[22]。目前已有研究在建筑模型的預(yù)制混凝土構(gòu)件中用語(yǔ)義上有用的概念補(bǔ)充IFC交換文件[3]，該研究利用SeeBIM從包含在建筑模型中的顯式和隱式信息中推斷出有用的語(yǔ)義概念。此外，Hamledari等人基于對(duì)已檢查的建筑元素的現(xiàn)場(chǎng)觀察，豐富IFC數(shù)據(jù)模型的語(yǔ)義從而自動(dòng)更新BIM模型[23]。在進(jìn)度監(jiān)控方面，BIM語(yǔ)義豐富被用于自動(dòng)更新在建建筑的BIM模型，便于準(zhǔn)確有效地跟蹤、分析和可視化在建建筑物的實(shí)際施工狀態(tài)[24]。例如，Hamledari等人將進(jìn)度計(jì)劃和實(shí)際施工進(jìn)度合并到設(shè)計(jì)BIM模型中，更新已完成進(jìn)度的百分比，并根據(jù)其實(shí)際和預(yù)期進(jìn)度對(duì)3D對(duì)象進(jìn)行顏色編碼[25]。此外，BIM語(yǔ)義豐富也被應(yīng)用于基于3D重建的施工進(jìn)度監(jiān)控中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)3D重建獲得的初始模型沒(méi)有語(yǔ)義信息，這阻礙了進(jìn)度監(jiān)控的實(shí)施。在安全監(jiān)控方面，BIM數(shù)據(jù)需要根據(jù)建筑環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)不斷更新，尤其是施工現(xiàn)場(chǎng)工人的時(shí)空軌跡信息，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全決策具有重要意義[26]。例如，Arslan等人將時(shí)空軌跡整合到BIM模型中[27]，豐富了BIM模型的語(yǔ)義信息后從建筑環(huán)境的角度可視化入侵，使得安全管理人員可以主動(dòng)執(zhí)行必要的操作從而避免建筑物中的不安全情況[28]。

3.3 運(yùn)維階段

BIM語(yǔ)義豐富在運(yùn)維階段主要應(yīng)用于建筑能耗性能評(píng)估、歷史建筑維護(hù)、缺陷檢測(cè)等方面。對(duì)于能耗性能評(píng)估而言，BIM語(yǔ)義豐富是在能耗仿真前進(jìn)行的，主要體現(xiàn)在建筑對(duì)象識(shí)別和語(yǔ)義信息添加以滿(mǎn)足特定能耗仿真平臺(tái)的語(yǔ)義需求，提高互操作性。此外，由于既有建筑物中多數(shù)沒(méi)有可用的BIM模型，因此在進(jìn)行能耗仿真前需要先進(jìn)行三維重建來(lái)獲得BIM模型。Bortoluzzi等人提出了使用2D平面圖和立面圖來(lái)自動(dòng)生成滿(mǎn)足能耗仿真所需的語(yǔ)義需求的BIM的方法[29]。O′Donnell等人提出了一個(gè)半自動(dòng)化的過(guò)程，將TLS捕獲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為EnergyPlus可用的幾何格式[30]，并進(jìn)行了手動(dòng)的BIM語(yǔ)義豐富，即添加了給定建筑物的基本語(yǔ)義信息。在歷史建筑維護(hù)方面，歷史建筑信息模型(Historic Building Information Modelling， HBIM)被用于支持文化遺產(chǎn)建筑、建筑群及其相關(guān)信息的語(yǔ)義知識(shí)存儲(chǔ)[31]。應(yīng)用BIM語(yǔ)義豐富是為了將獲取到的多源語(yǔ)義信息(例如建筑材料的顏色和紋理，當(dāng)?shù)貧夂驐l件等)整合到HBIM中，并不斷進(jìn)行更新和改進(jìn)[32]，使其滿(mǎn)足歷史建筑語(yǔ)義表示的要求[33]，并促進(jìn)歷史建筑生命期中的信息和知識(shí)管理[34]。在缺陷檢測(cè)方面，BIM語(yǔ)義豐富已經(jīng)被應(yīng)用于非接觸式缺陷檢測(cè)所涉及的對(duì)象識(shí)別中[10，35]。

4 結(jié)論

近十年來(lái)，BIM語(yǔ)義豐富逐漸成為研究熱點(diǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)。本文在廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)有關(guān)BIM語(yǔ)義豐富的研究進(jìn)行了深入的綜述，闡明了最新的研究進(jìn)展，并從方法和應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，梳理出了BIM語(yǔ)義豐富涉及的關(guān)鍵技術(shù)及其在建設(shè)項(xiàng)目生命期各個(gè)階段中的應(yīng)用狀況。

目前，BIM語(yǔ)義豐富是國(guó)際上土木建筑工程領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)目前在該領(lǐng)域的相關(guān)研究較少，整體來(lái)看，BIM語(yǔ)義豐富的研究和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，多數(shù)BIM語(yǔ)義豐富方法的自動(dòng)化水平不高且應(yīng)用場(chǎng)景有限，仍然存在一些技術(shù)瓶頸及挑戰(zhàn)。盡管如此，未來(lái)BIM語(yǔ)義豐富具有巨大的發(fā)展?jié)摿η矣写罅繚撛趹?yīng)用場(chǎng)景亟待探索，在提高BIM語(yǔ)義豐富方法的自動(dòng)化水平和效率后將進(jìn)一步推動(dòng)建設(shè)項(xiàng)目管理向智能化、高效化發(fā)展。此外，BIM語(yǔ)義豐富既可以與其他新興技術(shù)結(jié)合以拓展應(yīng)用范圍，也可以進(jìn)一步擴(kuò)展到城市信息模型(City Information Modeling， CIM)級(jí)別的語(yǔ)義豐富以促進(jìn)智慧城市的發(fā)展和升級(jí)。