摘要：人工消防設(shè)計(jì)審查方式耗時(shí)長(zhǎng)、審查尺度難把控、效率較低，近幾年國(guó)內(nèi)推行的建筑信息模型(BIM)審查系統(tǒng)仍以二維施工圖人工審查為主、BIM審查為輔，在消防設(shè)計(jì)審查方面僅實(shí)現(xiàn)了局部自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)基于BIM的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查，提高消防設(shè)計(jì)審查效率，本文對(duì)基于BIM的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。介紹了合規(guī)性自動(dòng)審查系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查的關(guān)鍵技術(shù)，也就是消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的信息抽取技術(shù)和基于BIM模型的消防設(shè)計(jì)信息提取技術(shù)，進(jìn)行了研究現(xiàn)狀和不足之處的綜述。討論了關(guān)鍵技術(shù)的具體方法選擇原則及思路，并建議加強(qiáng)BIM相關(guān)規(guī)范的頂層設(shè)計(jì)。本文能夠?yàn)橄涝O(shè)計(jì)自動(dòng)審查體系的完善、消防設(shè)計(jì)審查主管部門審查工作的順利開展以及工程建設(shè)審批實(shí)現(xiàn)的縮短和政府―放管服‖改革的縱深推進(jìn)提供決策支持，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。
關(guān)鍵詞：建筑信息模型;消防設(shè)計(jì);合規(guī)性自動(dòng)審查;標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范信息抽取;BIM消防設(shè)計(jì)信息提取
引言
建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)審查制度作為我國(guó)施工圖設(shè)計(jì)文件聯(lián)合審查[1]的重要組成部分，是保證建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，杜絕先天性火災(zāi)隱患的重要手段[1,2]，也是世界上許多國(guó)家政府監(jiān)管工程消防設(shè)計(jì)質(zhì)量的一項(xiàng)重要制度。在各行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息化的今天，以人工審查消防設(shè)計(jì)為主的方式工作量巨大，有誤審、錯(cuò)審的風(fēng)險(xiǎn)[3]。
由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范細(xì)則數(shù)量龐大[4]、自然語(yǔ)言編寫的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文本自帶歧義性[5]、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之間要求不一致等問(wèn)題，在審查過(guò)程中經(jīng)常需要邀請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行規(guī)范解讀，各種原因綜合導(dǎo)致審查周期增加、建設(shè)工期延緩[6];審查過(guò)程中一旦出現(xiàn)誤審、錯(cuò)審，也會(huì)對(duì)已建成建筑的消防功能產(chǎn)生負(fù)面影響，而糾正這些錯(cuò)誤會(huì)帶來(lái)高昂成本[6]。因此，實(shí)現(xiàn)消防設(shè)計(jì)的全面、高效和準(zhǔn)確審查是各類建設(shè)工程尤其是大型商業(yè)綜合體、醫(yī)療建筑等復(fù)雜建設(shè)項(xiàng)目[7]乃至整個(gè)社會(huì)發(fā)展的迫切需求。
近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理、知識(shí)圖譜等人工智能方法的快速發(fā)展[8]，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)審查方法奠定理論基礎(chǔ);建筑信息模型(BIM)經(jīng)歷了十幾年的快速發(fā)展[9]，使得消防設(shè)計(jì)信息通過(guò)計(jì)算機(jī)高效集成與提取成為現(xiàn)實(shí)。因此，將BIM與消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查相結(jié)合，既能利用計(jì)算機(jī)全面高效提取BIM消防設(shè)計(jì)信息，解決了獲取消防設(shè)計(jì)信息效率低下難題[10]，又提高了消防設(shè)計(jì)審查效率和準(zhǔn)確性[11]。
本文對(duì)基于BIM的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，首先介紹了合規(guī)性自動(dòng)審查系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀;梳理了該系統(tǒng)中的消防設(shè)計(jì)審查關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀;最后對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了討論與展望。以期為消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查系統(tǒng)的建設(shè)提供理論支撐，進(jìn)而促進(jìn)消防設(shè)計(jì)審查主管部門審查工作的順利開展，也為工程建設(shè)審批實(shí)現(xiàn)的縮短和政府―放管服‖改革的縱深推進(jìn)提供決策支持。
1合規(guī)性自動(dòng)審查系統(tǒng)概述
1.1概述
合規(guī)性自動(dòng)審查是指在不修改建筑設(shè)計(jì)的前提下，通過(guò)將建筑物的構(gòu)造、內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系或?qū)傩耘c所設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行對(duì)比[12]，以評(píng)估設(shè)計(jì)方案是否合規(guī)。目前，最為成熟的合規(guī)性自動(dòng)審查方法體系由Eastman教授[12]于2009年提出，分為規(guī)范解讀、模型準(zhǔn)備、審查階段以及結(jié)果報(bào)告四個(gè)階段。在建筑、工程和施工行業(yè)(AEC)中，合規(guī)性自動(dòng)審查系統(tǒng)需要審查的內(nèi)容包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通和電器五大專業(yè)，以及消防、人防、節(jié)能和裝配式四大專項(xiàng)。本文所涉及的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查屬于合規(guī)性自動(dòng)審查體系的一部分，如圖所示。
1.2發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)際上已對(duì)合規(guī)性自動(dòng)審查進(jìn)行了數(shù)十年的研究，其目的是在提高效率和節(jié)省成本的前提下，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所限定的范圍內(nèi)，為建設(shè)工程的全面、高效和準(zhǔn)確審查提供計(jì)算支持[6]。郭榮欽等[13]在Dimyadi等[14]繪制的合規(guī)性自動(dòng)審查發(fā)展時(shí)間軸基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正，本文在此基礎(chǔ)上又增加了人工智能和國(guó)內(nèi)合規(guī)性自動(dòng)審查系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程，重繪如圖所示，其中圖上半部為合規(guī)性自動(dòng)審查的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，圖下半部為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、人工智能等發(fā)展進(jìn)程作為參考。
可以看到，國(guó)外在推廣使用BIM審查系統(tǒng)、推動(dòng)設(shè)計(jì)單位建立BIM建模標(biāo)準(zhǔn)、達(dá)到BIM正向設(shè)計(jì)方面的研究較為成熟，比如挪威EXPRESSDataManager(EDM)[15]、芬蘭SolibriModelChecker(SMC)[16]、新加坡CORENETePlanCheck[17]等都是持續(xù)研發(fā)多年的合規(guī)性自動(dòng)審查系統(tǒng)，還有美國(guó)SMARTcodes[18、新加坡FORNAX系統(tǒng)平臺(tái)[19]、韓國(guó)KBimCode軟件[20,21]等。
雖然國(guó)外針對(duì)合規(guī)性審查的插件、模塊或獨(dú)立應(yīng)用程序的研發(fā)較為成熟，但存在可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，并且由于內(nèi)置規(guī)則集格式不同、所用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言不同，導(dǎo)致軟件之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)研究成果的共享，同時(shí)還要求使用者同時(shí)掌握建設(shè)工程領(lǐng)域及計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，難度較高[22,23]。
由于中文與外文的文本特征差異較大，國(guó)外相關(guān)研究成果無(wú)法直接將應(yīng)用于中文標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此國(guó)內(nèi)BIM自動(dòng)審查系統(tǒng)的發(fā)展相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)最早的BIM自動(dòng)審查系統(tǒng)軟件是廣聯(lián)達(dá)BIM審圖軟件[24]，主要用于分樓層、分專業(yè)的管線碰撞檢查，其功能無(wú)法滿足消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查的需求[2]。清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM課題組[3]研發(fā)了基于IFC格式的BIMChecker工具以實(shí)現(xiàn)IFC模型完整性的自動(dòng)檢查，支持多種業(yè)務(wù)規(guī)范和不同的BIM模型表示。程嗣睿[25]開發(fā)了建設(shè)工程BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化智能審查原型系統(tǒng)，通過(guò)將IFC格式的某住宅樓BIM模型上傳至原型系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了審查屬性提取算法的可行性。
穆磊[26]設(shè)計(jì)開發(fā)了基于BIM的建筑消防自動(dòng)審圖系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建建筑消防知識(shí)圖譜，對(duì)IFC格式建筑模型進(jìn)行消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查。湖南省于2020年月日上線BIM數(shù)字化審查系統(tǒng)[27]，已具備建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電、人防、消防、節(jié)能及裝配式等專業(yè)的三維輔助審查和結(jié)構(gòu)、建筑消防專業(yè)部分條款的智能審查功能。廣州市BIM審查系統(tǒng)計(jì)劃于2020年10月日試運(yùn)行[28]，該系統(tǒng)是基于BIM三維模型的線上自動(dòng)審查系統(tǒng)，審查范圍包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣個(gè)專業(yè)和消防、人防、節(jié)能個(gè)專項(xiàng)中可量化的部分條文。
綜上所述，國(guó)內(nèi)的各類BIM審查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文本的信息抽取及局部自動(dòng)化，存在的問(wèn)題是審查范圍局限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)審查，部分審查單位仍依靠三維瀏覽BIM模型或者內(nèi)部漫游人工檢查方式，當(dāng)模型體量較大時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)漏檢問(wèn)題[29]。因此，消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查作為合規(guī)性自動(dòng)審查的研究分支，分析其關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀、總結(jié)當(dāng)前存在的問(wèn)題，對(duì)于提高審查的完整性、高效性和準(zhǔn)確性具有重要意義。
2消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀
消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查的研究主要集中在規(guī)范解讀、模型準(zhǔn)備和審查階段三個(gè)領(lǐng)域，其中規(guī)范解讀和模型準(zhǔn)備對(duì)自動(dòng)審查結(jié)果起著決定性作用。為實(shí)現(xiàn)完整、高效和準(zhǔn)確的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查，本文從消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的信息抽取(規(guī)范解讀)和基于BIM模型的消防設(shè)計(jì)信息提取方面(模型準(zhǔn)備)進(jìn)行綜述，分析其研究現(xiàn)狀、總結(jié)存在的問(wèn)題，以便選擇合適、高效的方法或技術(shù)路線。
傳統(tǒng)基于規(guī)則和概率的信息抽取方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但嚴(yán)重依賴于人工提取的特征，還會(huì)出現(xiàn)維度災(zāi)難現(xiàn)象[32]，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本高，所提取特征有限。自2006年深度學(xué)習(xí)提出后，人工智能領(lǐng)域的最新進(jìn)展使得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文本的信息抽取技術(shù)水平得到大幅提升[33]，通過(guò)深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠完成對(duì)特征的自動(dòng)提取和表示，研究表明在對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行信息抽取時(shí)，基于深度學(xué)習(xí)的信息抽取效果優(yōu)于傳統(tǒng)的信息抽取方法[32]，在性能、精度和召回率方面有明顯提升[34]。
自然語(yǔ)言處理技術(shù)(NLP)的迅速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)提取和解釋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文本的功能[35，但是這種方法還不夠成熟，不能在實(shí)際審查應(yīng)用中得到充分利用。Ismail等[36]指出目前信息抽取的兩種通用方法，一種是由程序員將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范翻譯成計(jì)算機(jī)代碼，Luo等[37]引入決策表和產(chǎn)品表示對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行信息抽取，并采用基于綜合評(píng)價(jià)的方法簡(jiǎn)化規(guī)則，該方法在使用參數(shù)輸入表和腳本語(yǔ)言方面也取得了進(jìn)展[31]，缺點(diǎn)是要求使用者具有高水平的專業(yè)知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息抽取的定義、翻譯和維護(hù)。
Lee、Park等[20,21]提出將韓文轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行代碼(KBimCode)的機(jī)制(KBimLogic)，并將代碼導(dǎo)入合規(guī)性審查軟件(KBimAssess)中，針對(duì)《韓國(guó)建筑法》進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用。CORENETePlanCheck項(xiàng)目[38]中采用了臨時(shí)自由格式文檔或使用概念圖并通過(guò)更正式的文本形式來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的信息抽取。Dimyadi等[33]為實(shí)現(xiàn)法律條文的信息抽取，通過(guò)LegalDocML[39]和LegalRuleML[40]來(lái)表示標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的文字內(nèi)容和邏輯內(nèi)容。
另一種是基于人類語(yǔ)言的邏輯使用計(jì)算機(jī)代碼對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行翻譯，該方法的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣，對(duì)沒(méi)有編程背景的建筑專家較為友好，具體有基于語(yǔ)義、規(guī)則、自然語(yǔ)言處理(NLP)、一階邏輯表示、本體論等信息抽取方法。Zhang等對(duì)合規(guī)性自動(dòng)審查進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分別使用基于語(yǔ)義[41]、基于混合句法(語(yǔ)法相關(guān))和語(yǔ)義(上下文相關(guān))的自然語(yǔ)言處理[42]、基于本體論的語(yǔ)義文本特征(概念和關(guān)系)識(shí)別[43,44]、基于封閉和開放世界假設(shè)的一階邏輯表示[4]、基于語(yǔ)義和邏輯的自然語(yǔ)言處理[45]，并在《國(guó)際防火規(guī)范》(2009年版)第12章、《國(guó)際建筑規(guī)范》(2009年版)第19章中進(jìn)行了信息抽取測(cè)試。
3討論與展望
3.1消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的信息抽取發(fā)展方向
針對(duì)消防規(guī)范的信息抽取方法選擇，要綜合根據(jù)以下幾個(gè)方面來(lái)決定，一是要適合中文的文本特點(diǎn)，因?yàn)樵谥形恼Z(yǔ)境下，漢字的筆畫和拼音同樣具有語(yǔ)義信息[85];二是適應(yīng)消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的體例格式;三是要適應(yīng)消防規(guī)范的經(jīng)常性修改，也就是信息抽取方法能夠根據(jù)消防規(guī)范的修改內(nèi)容實(shí)現(xiàn)快速更新;四是信息抽取的準(zhǔn)確率、召回率和值要達(dá)到一定水平。
為了實(shí)現(xiàn)更好的消防標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的信息抽取，是否可以將不同方法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行整合來(lái)實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的信息抽取。比如采用基于規(guī)則的方法，其優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間復(fù)雜度非常低，識(shí)別準(zhǔn)確率比較高，其識(shí)別結(jié)果是―有‖和―無(wú)‖的集合[81];采用深度學(xué)習(xí)的方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以主動(dòng)學(xué)習(xí)文本的句法語(yǔ)義特征，進(jìn)而學(xué)習(xí)到所抽取信息的深度特征，降低人工特征的制定難度，并有較好的客觀性[86]。將基于規(guī)則和基于深度學(xué)習(xí)的信息抽取方法進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是可行的消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范信息抽取的發(fā)展方向。
3.2基于BIM模型的消防設(shè)計(jì)信息提取發(fā)展方向
為解決當(dāng)前基于BIM模型的消防設(shè)計(jì)信息提取方法存在的問(wèn)題，在方法選擇方面一般要滿足以下原則：①盡量簡(jiǎn)化資料提交方的操作流程復(fù)雜程度;②保證BIM模型相關(guān)消防設(shè)計(jì)深度滿足自動(dòng)審查的需求。由于第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)的正式商用，輕量化的基于WEB的審查平臺(tái)與專用審查軟件相比優(yōu)勢(shì)巨大，其使用靈活、占用資源少的特點(diǎn)既滿足了審查方需求，也減少了資料提交方的審查資料格式轉(zhuǎn)換負(fù)擔(dān);與此同時(shí)，由于5G上傳速率的巨大提升，直接向基于WEB的審查平臺(tái)提交完整BIM模型文件的方法完全可行，無(wú)需將BIM模型轉(zhuǎn)換為專用于審查的特定格式(如IFC、XDB或GDB格式等)，避免了映射導(dǎo)致的大量屬性丟失問(wèn)題。
解決了審查平臺(tái)的問(wèn)題之后，需要處理BIM模型的消防設(shè)計(jì)深度問(wèn)題，其目的在于保證審查所需的消防設(shè)計(jì)信息完整，有兩種實(shí)現(xiàn)思路，一種是提高消防設(shè)計(jì)深度的標(biāo)準(zhǔn)要求;另一種是不改變?cè)邢涝O(shè)計(jì)深度，同時(shí)在基于WEB的審查平臺(tái)中添加簡(jiǎn)單二維、復(fù)雜三維的幾何信息計(jì)算法和邏輯推理獲取屬性法等方法，實(shí)現(xiàn)BIM模型中直接和間接消防設(shè)計(jì)信息的自動(dòng)提取。
3.3BIM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的頂層設(shè)計(jì)
推行基于BIM的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查，不僅要在關(guān)鍵技術(shù)如消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的信息抽取、基于BIM模型的消防設(shè)計(jì)信息提取技術(shù)中進(jìn)行深入研究，還需要制定有關(guān)BIM的相關(guān)規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)基于BIM的消防設(shè)計(jì)自動(dòng)審查各個(gè)環(huán)節(jié)的無(wú)縫對(duì)接。目前來(lái)看，一方面是甲方(建設(shè)單位)針對(duì)BIM應(yīng)用進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)編制，比如2020年月發(fā)布的由融創(chuàng)萬(wàn)達(dá)攜手主編的《文化旅游工程建筑信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)[87]，該標(biāo)準(zhǔn)提煉了多個(gè)國(guó)內(nèi)標(biāo)桿文旅項(xiàng)目的BIM應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是有關(guān)消防設(shè)計(jì)的內(nèi)容非常少，僅涉及了消防救援窗、消防車道、防火隔離幕等內(nèi)容。
另一方面，設(shè)計(jì)方也針對(duì)BIM應(yīng)用進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)編制，比如2020年月中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布的《城市道路工程設(shè)計(jì)建筑信息模型應(yīng)用規(guī)程》[88]，2020年月湖南省住建廳發(fā)布的《湖南省裝配式建筑信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》[89]，以及2020年月廣州市住建局發(fā)布的《施工圖三維數(shù)字化審查技術(shù)手冊(cè)》、《施工圖三維數(shù)字化設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》和《施工圖三維數(shù)字化交付數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[28]。以上標(biāo)準(zhǔn)中雖然在消防設(shè)計(jì)方面涉及內(nèi)容較多，但與其他專業(yè)相比，BIM模型內(nèi)的消防設(shè)計(jì)深度仍然不足，導(dǎo)致消防設(shè)計(jì)信息本身不完整，并且在設(shè)計(jì)交付的標(biāo)準(zhǔn)方面采用了不同的數(shù)據(jù)格式，比如XDB或GDB格式，導(dǎo)致各省、市之間的BIM設(shè)計(jì)信息交付數(shù)據(jù)兼容性差，嚴(yán)重影響消防設(shè)計(jì)審核效率。
參考文獻(xiàn)
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作者：馬一飛吳海洋趙利宏衛(wèi)文彬孟天暢
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