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摘要:bim技術因其可視性、模擬性、協同性等優勢，在建筑施工安全智能管理領域得到廣泛應用。本文在本質安全的原則指導下，基于專家系統，提出了基于BIM的建筑施工危險源自動辨識(aihs)系統的建設概念。其中充分發掘BIM模型識別和數據信息分析和提取，實現了危險源的自動辨識和防護措施匹配，并且以良好的可視化形式展現。AIHS系統開發和應用成本低，能夠有效地提高施工安全管理水平，降低施工事故的發生概率。

關鍵詞:危險源辨識;專家系統;BIM

基于BIM的建筑施工危險源自動辨識(AIHS)系統，是實現BIM環境下危險源辨識自動化的工具。利用該系統，能夠對BIM建筑與安全控制措施設計方案進行智能分析診斷。它通過專家系統在BIM環境中進行模擬風險分析，實現BIM模型識別、信息提取、工程反演、危險源辨識和防護措施匹配等功能，極大地提高了施工中安全設計的科學性和全面性。

1建筑施工AIHS系統模型分析

建筑施工AIHS系統是基于BIM二次開發使用的輔助性工具，系統功能主要有BIM建筑模型數據分析和提取、危險源辨識、防護措施設計。針對種類繁多的危險源，AIHS需要對其進行有效整合和分類，才能夠提高使用效率和數據利用率。本文對整個建筑施工AIHS系統的層次結構、專家系統和系統功能進行了設計和分析。

1．1AIHS系統層次結構

AIHS系統從BIM建筑設計模型出發，通過BIM二次開發技術實現相關信息的提取，并在專家系統內部完成基于語義網的施工危險源辨識和防護措施匹配，最終將結果同步反饋至BIM平臺。利用BIM的族類建設，實現基于施工階段的防護措施可視化定位展示，落實施工安全設計與建筑設計同步進行的要求。AIHS系統的層次結構主要包括數據層、功能層、應用層和輸出層。AIHS的數據層為系統的執行和功能實現提供必要數據，按照數據功能分類可以分為系統建設依據庫和系統運行原始數據庫，系統建設依據庫包括施工安全防護庫、建筑工程庫和事故樹(FTA)分析庫。其中:(1)施工安全防護庫主要支持系統防護措施匹配功能的實現。通過對危險源風險性質進行分類，實現系統的措施管理，提高系統防護措施匹配的效率。(2)建筑工程庫為系統提供了結構與工程的基本關系，在此基礎上實現對模型的工程反演推導，施工安全設計的4D化(3D+時間)建設和建筑施工全空間、全時間的風險管理。(3)FTA分析庫根據FTA分析的結果為專家系統語義網建設提供知識支持并作為危險源辨識功能的理論依據。系統運行原始數據庫主要指BIM模型庫，通過BIM二次開發功能提取建筑信息，作為原始數據保存到專家系統中。AIHS系統的功能層主要指專家系統內部結構，根據系統功能，專家系統內部主要分為BIM信息處理模塊、建筑信息分析模塊、危險源辨識模塊、防護措施匹配模塊和信息轉換輸出模塊:(1)BIM信息處理模塊對BIM模型庫所提供的初步信息進行處理，提取和保留所需的基本數據，并根據需求計算得出二級數據，即由原始數據計算得出該系統使用的數據。(2)建筑分析模塊基于BIM信息處理模塊結果，對建筑的信息如樓層信息、建筑高度、建筑工程等進行計算和推理。(3)危險源辨識模型基于FTA-SN(事故樹—語義網)模型，利用建筑分析信息和BIM模型處理信息，根據事故樹—語義網的推理機理，識別危險源，確定其風險、工程時間段、3D位置和尺寸。(4)防護措施匹配模塊在風險分類的基礎上，根據措施失效的原則展開FTA-SN分析，計算尺寸，實現防護措施匹配。(5)信息轉換輸出模塊是將專家系統最終得到的風險管理結果轉換至適用于BIM平臺的功能，確定信息輸出和數據，實現可視化。AIHS的應用層是指各模塊內部的具體功能子系統，這些子系統作為專家系統事實庫、知識庫、推理庫的具體表現，支持著功能實際執行。輸出層主要為BIM平臺的可視化，其功能包括防護措施族類建設、措施定位和尺寸確定、施工階段匹配4D實現設計。

1．2基于FTA-SN的專家系統模型

專家系統作為AIHS系統的核心，利用語義的手段代替了實時監測技術，從語義網的角度模擬和推理了施工過程中危險源的產生和識別。在傳統的現場安全檢查中，危險源一般以實體結構呈現，在BIM環境中實現施工各階段的建模成本較大。而在語義網中，通過建立結構與工程時間節點、危險源與工程時間節點之間的關系，可實現理論上的4D建模。于該4D環境中通過專家系統模擬專家的安全檢查工作，可實現基于BIM的建筑施工危險源辨識。AIHS專家系統執行模型以FTA-SN模型作為理論基礎。將事故類型作為FTA的頂事件，基于風險模式研究中間事件，并將人的行為模式整合入風險中。根據整合后的風險類型，進行相關風險消減措施匹配，即危險源安全防護措施匹配，并做尺寸分析。專家系統的事實庫由建筑信息、結構信息和施工工程階段信息動態組成，在推理機的作用下，通過知識庫進行整合及表達，為知識庫規則的執行提供有力的支撐。

1．3AIHS系統功能分析

建筑施工AIHS系統的主要功能包括:(1)BIM溝通:AIHS在核心系統和BIM平臺之間通過BIM的二次開發，實現BIM的數據提取和系統結果反饋以及基于工程反演結果的階段性可視化報告。(2)數據處理分析:通過在建設階段的知識BIM化處理，專家系統具有在BIM環境下執行和分析的能力，能夠對插件輸入的BIM數據進行處理和分析。(3)工程反演:基于施工工程—結構—危險源的關系，實現理論化4D模型。(4)風險管理:利用FTA-SN模型，實現危險源識別和防護措施匹配，做到風險再整合，從而提高系統的效率。(5)安全防護信息顯示:通過輸出模塊實現防護措施基于BIM平臺的可視化，確定防護措施的3D位置、尺寸，并將工程反演根據工程時間軸形成4D展示模型。

2專家系統關鍵模塊的建設

AIHS的專家系統關鍵模塊主要包括建筑分析模塊、危險源辨識模塊和防護措施匹配模塊。各模塊的建設包括創建階段、推理階段、優化階段和修改階段，主要是利用語義網的相關技術手段對知識表示分規則塊進行程序設計，再根據模塊功能和特點利用推理機確定模塊內部運行機制。各模塊要保留修改空隙，即系統執行后，可以根據運行的結果分析和知識的更新對系統進行優化和修改，以延長系統壽命。

2．1建筑分析模塊

建筑分析模塊的功能是將BIM環境中的建筑信息轉換為語義環境中的建筑信息，對信息的價值進行判斷，篩選系統可匹配信息，并進行初步的信息處理，為后續功能模塊提供語義環境適用的信息數據。建筑分析模塊的理論基礎包括工程反演理論和風險分析需求數據推算。其中工程反演理論是基于建筑施工專家知識和傳統實際建筑施工計劃案例總結確定的結構—工程節點關系，推算公式則是基于FTA-SN模型并總結和整合系統風險分析中需要的數據所確定的，能夠為數據計算推理模塊提供規則依據。建筑分析模塊在獲取BIM信息后，通過信息初步整理模塊、數據計算推理模塊、工程反演匹配模塊的推理，保存最終分析結果于建筑施工信息庫中，等待系統其余模塊的激活。

2．2危險源辨識模塊

危險源辨識模塊的功能主要為根據BIM環境中的建筑模型，識別建筑施工工程所有階段由建筑結構自身原因所導致產生的危險源。危險源辨識模塊的建設支撐包括基于FTA分析的風險再分類研究、結構—危險源—工程節點關系研究以及信息庫BIM化處理研究。在這些支撐研究和知識信息的基礎上構建FTA-SN語義網，依據語義網進行專家系統建設。危險源辨識模塊在接受建筑分析模塊的建筑信息后，根據結構—危險源—工程節點關系規則，確定BIM圖元在某施工工程階段的危險源類別。同時基于FTA分析結果確定風險類型，根據不同類型的風險進行重新分類。

2．3防護措施匹配模塊

防護措施匹配模塊的功能是智能的對危險源提出風險管理方案，確定防護措施在BIM環境中的位置和具體要求尺寸。AIHS的防護措施匹配是基于風險的再分類實現的。依據防護措施消緩風險的功能特點，對防護措施與風險進行匹配，實現更高效地本質風險管理。防護措施匹配模塊的建設支撐包含基于FTA分析的風險防護規則研究、BIM化處理信息庫研究及危險源相關圖元與防護措施路徑關系算法研究。基于這些支撐研究和知識信息建立FTA-SN語義網。防護措施匹配模塊根據風險類型匹配措施。由于部分結構需要特殊防護，對這類結構則需要優先進行措施匹配。排除特殊要求防護措施的匹配后，根據風險和防護措施匹配關系匹配一般防護措施，再根據路徑關系算法確定防護措施的定位以及特殊尺寸，并將最終結果保存到危險源信息庫中。

3BIM可視化安全設計

BIM的可視化優勢，為AIHS的結果展示提供了更好的平臺。將執行結果反饋到BIM，實現基于工程反演的防護措施可視化、同步施工安全設計與建筑設計、簡化圖紙的閱讀難度并方便二次設計。要實現AIHS基于BIM的結果可視化，需要在BIM平臺完成防護措施族類的建設、構件定位和尺寸設置，

3．1防護措施族類建設

在BIM環境中，模型的基本繪圖單元是圖元。圖元根據種類組成類別，即BIM族，也稱為構件族。BIM族通常分為常規構件族和特定構件族。在AutodeskRevit中(以下簡稱Revit)，可以直接利用的族均有分類。在通過體量假設族時，需要根據設計圖元類型選擇公制模板。不同類型的族在項目模型使用中，可選擇修改的尺寸不同，因此防護措施族類的建設首先需要根據防護措施的基本結構類型進行分類。通過對防護措施基于基本結構進行分類，與Revit系統內認可的族類別進行匹配確認，確定該防護措施的圖元的具體建設方法。由于Revit中BIM圖元的尺寸設置并不相同，不同的族類的所需輸入的尺寸類型不同，因此，在防護措施族類建設完成后，統計所有防護措施的尺寸設置模板，根據尺寸設置模板的類型對措施進行再分類，以便實現在結果輸出時的批量性和匹配性。

3．2BIM構件的定位和尺寸設置

Revit中圖元的構建是通過繪制路徑和設置立面來實現的。在AIHS中，ID具有十分重要的意義，它是AIHS能在BIM環境外處理信息并反饋結果的橋梁。在Revit中，每一個圖元、路徑、點都有自己的ID，這為防護措施的路徑繪制提供了可能性:AIHS的專家系統將分析結果通過插件將危險源相關圖元ID和防護措施類型提供給Revit，根據圖元的ID號，插件分析識別其路徑ID，利用防護措施路徑和圖元路徑關系算法，確定最終的位置和尺寸。防護措施路徑和圖元路徑關系算法是指兩者之間的映射原則。插件通過該算法，根據提取的圖元路徑自動選擇防護措施的路徑。利用BIM平臺自身的繪制功能，降低專家系統內部對不同形狀、不同尺寸的危險源進行處理的難度。立面在Revit中的具體尺寸條件名稱有:底部標高、底部限制、底部偏移、頂部標高、頂部限制、頂部偏移。立面尺寸是決定3D模型Z軸的數值。由于軟件內的名稱存在名異義同的情況，例如底/頂部標高和底/頂部限制都是表達圖元最底部或最頂部參考的標高，而專家系統內部為了提高效率只做整合，不做分類，因此需要插件在數據輸入BIM時實現尺寸名稱還原。由上述得到AIHS系統中BIM構件的定位和尺寸設置進行模型建設，確定防護措施BIM族、圖原路徑ID，并基于路徑關系算法確定措施路徑ID，最終將需要建設的防護措施的數據信息反饋給BIM平臺，實現可視化功能。

3．3基于工程反演的4D模型建設

4D模型是BIM應用的一個重要方向，它將施工進度管理作為時間軸與BIM3D模型形成四維空間。AIHS系統的4D模型主要實現工程反演結果的可視化。通過工程反演對BIM模型進行自動工程分析得到的時間類結果有如下兩類:(1)建筑各結構的產生工程階段;(2)建筑施工中危險源的產生工程階段。鑒于建筑結構的施工與危險源的防護是基于同一工程時間軸的3D模型，因此AIHS系統的4D模型能夠同時實現施工進度管理和施工風險管理。AIHS實現了將整個施工進度及安全管理流程預先化，即在實際施工過程之前，完成預設計，系統地把控整個施工過程中可能的風險，并且通過4D模型的計算機模擬，能夠提前檢查施工中存在的問題，對計劃進行全面優化。結語建筑施工危險源自動辨識(AIHS)系統是集可視化設計平臺、插件和專家系統的集合，滿足建筑設計與施工安全設計同步進行的要求。本文從層次結構、專家系統核心模塊和系統功能等方面出發，對AIHS系統做系統化設計，并針對專家系統的建筑分析模塊、危險源辨識模塊、防護措施匹配模塊提出了構成模型及建設模型。最終，在系統結果展示模塊的建設中，提出4D模型的建設理論，指明建設關鍵。該系統使用語義的方法進行建筑分析和風險分析，降低了BIM輸出建設模型多方面信息的技術難度;利用強化專家系統的功能，提升了系統整體的智能化水平。該過程從風險分析的本質性知識入手，探索危險源辨識和防護措施匹配的本質原理，使系統更高效。從應用層面上看，本系統優化了施工安全管理的傳統流程，有效提高建筑施工安全管理信息化、智能化水平。

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作者:梁津源 王麗 楊雪韻 單位:中國地質大學(武漢)工程學院 蓬渤安全環保服務有限公司