1、基于建筑信息模型自動生成施工質量檢查點的算法馬智亮收稿日期：2015-06-12馬智亮（1963），教授，博士生導生，工學博士，主要研究方向為信息技術在土木工程中的應用。Email：，毛娜2（清華大學，土木工程系 北京 100084）摘要：依據國家標準，提出基于建筑信息模型（BIM）自動生成建筑工程施工質量檢查點的算法。首先闡述國家標準在傳統施工質量驗收過程中的作用，接著深入分析IFC（Industry Foundation Classes）數據，提出結合BIM技術改善這一過程的可能性，然后將國家標準與IFC數據關聯，建立基于BIM自動生成施工質量驗收檢查點的算法，最后分析實現這一算法的平臺和

2、技術，并就其典型界面和應用情形進行簡單說明。關鍵詞： 建筑信息模型；國家標準；施工質量驗收；自動生成檢查點中圖分類號：TU712+.3 An algorithm for automatic generation of construction quality inspection points based on BIM Ma Zhiliang, Mao Na(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing ,100084)Abstract：An algorithm was proposed to automatical

3、ly generate construction quality inspection points in the building information model (BIM) in accordance with national standards. First, by analyzing the national standards role in the process of construction quality inspection and IFC data, the possibility to improve inspection process combined wit

4、h BIM technology was justified. Then an algorithm was established to automatically generate construction quality inspection points based on BIM. Finally the algorithm was implemented through appropriate platforms and technologies, and its typical interface and application situation were simply expla

5、ined. The algorithm lays a solid foundation for the research and development of corresponding system.Key words: building information model, national standards, construction quality inspection, automatic generation of inspection points 近年來頻發的建筑質量問題不斷引起公眾的關注，一些著名房地產公司也陷入“質量門”事件1，改善和提高建筑質量已成為當前迫切需求。施工過

6、程作為建筑實現的重要過程，是決定建筑質量的關鍵環節，故而在我國當前制度下，建筑從開始施工到交付，需經過嚴格的監管，以保證施工質量。然而由于檢查條目繁多，再加上技術人員的專業水準參差不齊，驗收工作的遺漏和疏忽及由此導致的弄虛作假時有發生，為施工質量埋下較深隱患。另一方面，建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術的出現，提供了一種新的信息管理模式2。BIM技術的基礎是帶有屬性信息的三維建筑模型，可支持不同專業間的信息共享和人員之間的協同工作，為提高施工質量監管水平提供了可能。國內外近幾年涌現出不少關于增強施工質量管理能力的研究，其中包含基于BIM技

7、術的研究。Park C S等3提出基于本體論和增強現實技術的施工缺陷管理概念框架，將大量施工缺陷識別和修復數據存入數據庫，以便為新建工程提供借鑒，主動預防施工缺陷發生；Kwon O S等4提出利用BIM技術、圖像匹配技術和增強現實技術改善施工缺陷檢測功能，開發基于PC端的圖像匹配系統和基于移動端的施工缺陷管理APP以預防施工缺陷反復發生；Tsai Y H等5研制并開發了基于BIM的施工質量檢查系統，基于PC端生成檢查內容并用于移動端的數據收集，以減少檢查人員的負擔；宋偉等6開發了基于Android平臺的施工質量監管系統，利用拍照和定位等技術改善鋼筋見證取樣和混凝土初凝時間控制等過程。但總的來說

8、，當前研究很少結合我國相關標準。本研究目的在于研制基于BIM技術的、滿足我國相關標準建筑工程施工質量監管系統7。在該系統中，基于BIM生成滿足我國相關標準的施工質量驗收檢查點至關重要，因為它可顯著提高質量驗收計劃的工作效率和工作質量。本文將首先分析現有的施工質量監管標準，在此基礎上，針對用IFC數據表達的BIM建立施工質量驗收檢查點生成算法，并給出一些應用示例。1 施工質量監管標準分析我國針對建筑工程施工質量監管的標準可分為相關的國家標準、行業標準、地方標準和企業標準共4類。一般來說，國家標準是行業準標、地方標準和企業標準的基礎，因而本研究主要結合相關的國家標準，包括建筑工程施工質量驗收統一標

9、準及與其配套使用的混凝土結構工程施工質量驗收規范、建筑裝飾裝修工程質量驗收規范、建筑地面工程施工質量驗收規范等。這里針對這些標準關于施工質量監管過程中的監管對象和監管內容的規范進行分析。1.1 施工質量監管對象建筑工程施工質量驗收統一標準將建筑工程施工質量驗收逐層劃分為單位工程、分部工程、分項工程和檢驗批。其中，單位工程、分部工程、分項工程的劃分已在標準中明確規定，而檢驗批則需結合工程實際，依據施工及質量控制和專業驗收需要按樓層、施工段（一般用軸線位置表示）等進行劃分。檢驗批是施工質量驗收的最小單位，是施工質量監管的基礎，也是建筑質量控制的關鍵。只有檢驗批驗收全部合格，且驗收資料齊全，分項工程

10、才能判定為合格。組成檢驗批的樣本，根據規范需進行全數檢查或按抽查方案抽查，形成檢查點，因此檢查點是實際監管過程中可測的最小對象。傳統施工質量驗收過程中，檢查批的劃分往往依靠施工方的經驗，檢查點則是在施工現場隨機確定，且多依靠檢查人員的專業素質，因此常常導致施工質量監管不到位。本研究主要關注監管對象中的檢驗批及檢查點。1.2 施工質量監管內容建筑工程施工質量驗收統一標準規定，對于每道工序均需按施工技術標準進行質量控制。每道施工工序完成后，經施工單位自檢符合規定后，才能進行下道工序施工。在各類專業規范中，規定了對每道工序的檢查內容，這也構成了每個檢驗批中的檢查項目。例如，對于鋼筋安裝的檢驗批，其檢

11、查項目包括受力鋼筋的品種、級別和規格，受力鋼筋的間距、排距、保護層厚度，鋼筋彎起點位置等。對于不同的檢查項目，需要按不同抽樣規則進行檢查，以上受力鋼筋的品種、級別和規格需全數檢查，而其他則需在同一檢驗批內，梁構件抽查10%且不小于3件，板抽查有代表性的自然間3間也不少于3面。由此可見，針對不同工序通過檢驗批進行質量控制，而每個檢驗批又通過不同的檢查項目控制，且不同的檢查項目索要抽查的數量不盡相同。傳統的施工質量監管要求工作人員熟悉相關施工質量驗收標準，并應用于每道工序的驗收過程中，形成紙質的驗收資料。驗收資料是反應工程施工質量狀況的重要依據，是建筑工程可靠性的憑證，也是追究施工質量事故和有關責

12、任人的依據。其中，現場檢查原始記錄表和檢驗批施工質量驗收記錄表分別是對檢查點和檢驗批監管內容的記錄，也是最重要的驗收資料。2 施工質量驗收檢查點自動生成2.1用于施工質量驗收的BIM分析IFC 8是關于BIM數據交換的國際標準。雖然不同的BIM應用軟件采用不同的數據格式，但目前很多BIM應用軟件支持以IFC格式導出BIM數據，因此本研究基于以IFC數據形式存在的BIM，并結合國家標準，建立施工質量驗收檢查點自動生成的方法。IFC將BIM數據分為4個層次，即資源層、核心層、交互層和領域層9，該標準以面向對象方法表示BIM數據。其中在核心層中IFC標準定義了一個根類（IfcRoot），由此根類派生

13、出三個抽象類（IfcObject， IfcPropertyDefinition和IfcRelationship），分別提供了一系列對象類型和對象屬性的聲明以及對象之間的關系定義。每個抽象類還可派生出更多的子類，例如建筑工程中，柱等實體元素一般通過IfcObject的子類IfcProduct定義，其類型和屬性則通過IfcPropertyDefinition的子類IfcTypeObect和IfcPropertySetDefinition以及這兩個子類派生的更多子類聲明，而描述柱與空間層的關系則通過IfcRelationship派生的IfcRelConnects的子類IfcRelContainedI

14、nSpatialStructure聲明。圖1 基于BIM的施工質量驗收模型Fig 1 Construction quality inspection model based on BIM將IFC數據與施工質量驗收信息相關聯，即將施工質量驗收屬性關聯到三維實體元素上，如圖1所示。在BIM上自動生成檢驗批并針對抽查方案自動生成檢查點，即可支持相關工作人員在施工質量驗收時持移動設備查看并點擊帶有驗收屬性的待檢查點，并進行驗收資料的錄入，從而實現基于BIM組織和管理施工質量驗收資料。2.2 自動生成檢查點的算法經過對IFC數據的分析可知，BIM不僅包括實體元素（如柱、梁、板等），也包含了抽象概念（樓如

15、層、軸線等），結合本文第1章分析的檢驗批劃分原則，本研究建立了基于IFC數據按照標準實現自動生成檢查點的算法，如圖3所示。按照該算法，首先遍歷IFC數據，通過IfcRelationship及其子類獲取構件與劃分檢驗批所需的層、施工段、軸線等抽象屬性的關系，并返回不同層、軸線下的IfcProduct集；通過IfcObjectType（構件類型）重新組織數據后，返回檢驗批集合，并為每個檢驗批分配規范中的檢查項目；再次遍歷檢驗批集，根據不同的檢查項目，按照按施工質量驗收規范中的檢查數量規則進行抽樣，返回檢查點集，并在BIM上以球狀體顯示。例如，依據建筑工程施工質量驗收統一標準，對于現澆結構外觀及尺寸

16、偏差的驗收，可按樓層劃分檢驗批，又根據工程實際可知，每層柱和梁板分屬不同批次，因此可按該算法，首先返回按樓層和構件類型劃分的檢驗批，如一層柱即可作為一個檢驗批。再由混凝土結構工程施工質量驗收規范可知，對于外觀質量應全數檢查，而對于軸線偏差、垂直度等檢查項目，則在同一檢驗批內，應抽查構件數量的10%，且不少于3件。由此規則返回不同檢查項目下的檢查點，并在模型上插入球狀體形成檢查點。圖3 自動生成檢查點算法Fig 3 Automatic generation algorithm of inspection points自動生成檢驗批、檢查項目和檢查點后，BIM中各實體元素即被賦予檢驗批、檢查項目及

17、檢查部位的屬性，用戶可點擊任意檢查批列表的檢查項目，在BIM上顯示當前檢查點。已生成的檢驗批、檢查項目和檢查點被保存至數據庫，可支持施工質量驗收相關人員在移動端提前查看檢驗批列表、檢查項目以及待檢查的檢查點，并根據智能提示填寫檢查點的原始記錄表以及檢驗批質量驗收表等驗收資料。與傳統的施工質量監管過程相比（監管人員在施工現場憑經驗隨機抽取檢查點，并針對檢查結果填寫紙質驗收資料），該算法的建立，可以幫助缺少經驗的監管人員在施工前直觀地查看待驗收的檢查點，并能智能提示檢查項目，實現驗收資料的無紙化，從而提高整個施工質量監管的工作質量和工作效率。2.3 算法功能實現為研制基于BIM的建筑工程施工質量監

18、管系統，首先搭建BIM平臺，再依據國家標準，實現上述從BIM自動生成檢查點的算法，并在此基礎上，擴展施工質量驗收的其他功能。該系統采用B/S（Browser/Server）架構，可同時運行于桌面瀏覽器端和移動瀏覽器端。在這一技術的實現過程中，良好BIM平臺的支撐至關重要。BIM平臺是BIM數據的存儲載體，用于BIM數據以及施工質量驗收信息的集成與管理，選取良好的BIM平臺可以大大減小系統開發工作量，而目前這方面的研究少有報道。在本研究中，選取（The Building Information Model Server） 10作為BIM平臺，是尚處于開發階段的基于IFC標準的開源服務器軟件。它使

19、用模型驅動架構，能夠支持建筑項目的集中管理和模型的查詢、合并和過濾，使用11瀏覽器插件實現三維模型的網頁瀏覽，并支持其它插件開發12。由于目前尚處在開發階段，其功能并不齊全，但利用其開源特性，能進行符合本研究功能需求的相關開發。具體來說，開發安裝在中的BimInspectQueryEngine插件，實現查詢符合規范的構件的功能，即生成檢查點的功能，并開發安裝在的腳本程序，用于調用downloadQueryEngine接口，下載生成的檢查點數據并顯示于瀏覽器上。系統可以作為服務器端開發及運行環境，使用java編程；以作為瀏覽器端開發及運行環境，使用Javascript、jQuery及HTML5編

20、程；使用PHPnow搭建PHP環境，實現跨桌面及移動平臺的開發，以支持相關人員在PC端和移動端查看并操作已生成的檢驗批和檢查點。3. 應用上述基于BIM自動生成檢查點的算法已經在本研究室開發的BIM-Inspect建筑工程施工質量監管原型系統中編程實現，以下就其典型界面進行簡單說明。3.1 操作PC端讀取和瀏覽IFC數據該系統支持IFC2x3和IFC4格式的施工模型，用戶可選擇本地IFC文件進行上傳，上傳文件后，系統將自動解析IFC文件，生成幾何形狀并顯示于3D瀏覽區域。界面中間面板表示上述3D模型瀏覽區域，模型可進行放大、縮小和旋轉，被點擊的構件將被高亮顯示，用戶還可查看其在IFC文件中定義

21、的相關屬性，包括建筑構件的尺寸、位置、制作方法等；右邊面板表示3D模型顯示控制區域，用戶可分層、分構件單獨顯示想要瀏覽的模型；左邊面板表示自動生成的檢驗批列表區域，檢驗批第一次生成前此面板被隱藏，生成后面板出現。如圖4所示。3.2 操作PC端從BIM自動生成檢查點 點擊目錄中的“InspectionPoints”，并點擊“Generate”后，系統將自動生成施工質量驗收檢查點，生成的結果如圖4中檢驗批列表區域所示。以混凝土施工檢驗批為例，該混凝土施工檢驗批逐層隸屬于混凝土分項工程、混凝土結構子分部工程和主體結構分部工程。依據規范和工程經驗，該混凝土檢驗批共包含8個檢驗批，分別以一層墻柱、二層梁

22、板、二層墻柱、三層梁板、三層墻柱、四層梁板、四層墻柱、五層梁板為一個檢驗批并按順序進行編號，編號規則符合建筑工程施工質量驗收統一標準（GB50300-2013）相關規定，根據混凝土結構施工質量驗收規范（GB50204-2002）可知，針對每項檢查項目，包括初凝時間的控制、施工縫的位置和處理、后澆帶的位置和澆筑、養護措施，均需對檢驗批中的構件進行全數檢查，因而檢驗批中的所有構件均為一個檢查點。點擊某一個檢驗批后，該檢驗批被高亮顯示，相應檢查點則以球狀體顯示，用戶還可結合模型操作區域的相關操作單獨顯示想要查看的檢驗批和檢查點，如只顯示第一個檢驗批的墻柱檢查點。 圖4 PC端從BIM自動生成檢查點

23、圖5 移動端查看待檢查的檢驗批列表Fig 4 View and operation BIM on PC Fig 5 View inspection list on mobile terminal3.3 操作移動端進行施工質量驗收生成的檢查點將被系統保存并可用于施工質量驗收過程。用戶持平板電腦可查看BIM施工模型及待查的檢查點。由于平板電腦尺寸較小，為方便用戶操作，將移動端設為以模型為主的界面，如圖5所示。點擊左右兩邊的半透明按鈕可分別顯示檢驗批列表和模型顯示控制列表，點擊叉號即可隱藏。選中某一個檢驗批（如檢驗批_）后，即可在移動端顯示待檢查的檢查點。用戶可點擊球狀的檢查點進行相關檢驗批表格的填

24、寫，或針對此檢查點進行拍照或錄制視頻，從而實現以BIM組織和管理驗收信息。4 結語本文依據建筑工程施工質量驗收相關國家標準及規范，以及對IFC數據的深入分析，建立了從BIM自動生成施工質量驗收檢查點的算法，從而實現了基于BIM組織和管理施工質量驗收信息，使施工質量驗收數據采集標準化，防止施工質量驗收數據遺漏，并為施工質量驗收資料在后續施工、維護階段的管理和查詢提供了工具。該算法已在BIM-Inspect建筑工程施工質量監管原型系統中得到驗證。因該算法的實現是系統開發中的一個重點和難點，本文的工作為該系統的開發奠定了堅實的基礎。目前，該系統其他功能尚處在進一步開發中，進一步的研究結果將在原型系統

25、開發完成后報告。參考文獻1 孫斌藝. 項目品牌與企業品牌的促進和隔離J. 中國房地產, 2009 (10): 43.SUN Binyi. Project brand and enterprise brand promotion and isolation J. China's Real Estate, 2009 (10) : 43.2 馬智亮. BIM技術及其在我國的應用問題和對策J. 中國建設信息, 2010 (4): 12.MA Zhiliang. BIM technology and its application problems and countermeasures in

26、our country J. China Construction Information, 2010 (4): 12.3 Park C S, Lee D Y, Kwon O S, et al. A framework for proactive construction defect management using BIM, augmented reality and ontology-based data collection template. J. Automation in Construction, 2013, 33: 61.4 Kwon O S, Park C S, Lim C

27、 R. A defect management system for reinforced concrete work utilizing BIM, image-matching and augmented reality J. Automation in Construction, 2014, 46: 74.5 Tsai Y H, Hsieh S H, Kang S C. A BIM-enabled approach for construction inspectionCComputing in Civil and Building Engineering. USA ASCE, 2014:721-728.6 宋偉, 郝建民, 趙