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用于自动化建筑设计审查系统的空间数据库开发
摘要：本文提出了一种用于自动化建筑设计审查系统的空间数据库的设计和实现方法。开发了四个模块软件，用于审查美国法院此类特定建筑物的不同方面。IFC（国际金融公司）提供了用于进行这些分析的通用建筑模型图示。像其他BIM构件类一样，空间也可形成携带其丰富信息的空间构件，并且在模型内部使用语义，同时改用外部空间数据库作为易于支持的信息基础。本文描述了一些关于空间数据库如何在BIM系统中基于其空间数据库自动地对空间构件进行组织和分类的问题，以及对从应用程序开发过程中学到的实际操作的反思。 本文提到的所有研究和开发功能都在一个软件插件模块中实现，该模块可构成其他预处理操作和设计审查系统的子集。
关键词：建筑信息模型（BIM）、空间数据库、空间语义、BIM预处理、建筑设计审查、设计规范检查、国际金融公司（IFC）
- 引言
1.1支持BIM的建筑设计审查自动化
随着建筑信息模型（BIM）技术的广泛接受，在AEC / FM领域（建筑，工程，施工和设施管理）许多学者报告了其众多优势 [3,5,13,14,23]。BIM的最新和最有希望的方向之一是实现各种建筑物的模拟，甚至在设计的早期阶段[10]。 按照惯例，设计评估是由多个特定领域的专家人工执行的，费时又昂贵。使用BIM，可以通过自动化界面更快，更可靠地提供这种模拟[7,10,12]。 例如，一个概念设计模型已经被应用于评估空间有效性，流通性和安全检查，能耗模拟以及早期成本估算[9]。
BIM支持对建筑设计进行自动评估，替代了对CAD图纸进行手动，迭代和耗时的评估。 然而，制作高效且健壮的界面涉及多种技术问题。其中包括实现在不同的分析结果，不同的材料特性和不同的命名习俗中使用不同几何构件的需求。本文使用指定空间对象语义的命名公约来解决其中一个问题。本文提出了一种由作者开发用于管理空间名称的方法，以实现对同一模型进行多样化自动设计审查[20]。
1.2构建特定类型的空间构件，属性和名称
在建筑项目中，尤其是在概念设计阶段，最为重要的建筑元素之一就是空间。空间是建筑物内的主要功能产品，通常是其建造的原因。最近，由于美国GSA（总务管理局）的强制性要求，所有主要的建筑BIM工具都要能明确展示出具有形状和属性的空间构件[10,11]。那时，CAD（计算机辅助设计和制图）和大多数3D建模系统还是仅通过墙壁，楼板，天花板和其他绑定它们的构件隐式表示空间。在2D模式下，空间是由用户定义和管理的平面图上的多边形用相关的空间名称定义的（见图1）。 现在，空间是一个与其边界区分开的物体，尽管它的边界仍然决定着它的形状。当然，形状属性可以独立于形状而存在。大多数建筑项目都包括一个空间项目，该空间项目指定了空间要求，例如学校或医院；它们通过名称及其所需的性能来定义一系列空间。之后才为空间分配位置和形状。
图1.通过与外部特定领域的空间数据库的映射，实现了从单纯的几何体到“ifcSpace”到信息丰富的空间数据库间的转换。
在大多数空间项目中，每个形状都具有不同的属性，取决于空间的目标和空间模型的意图[2,4]。 空间的最基本属性是名称和区域。根据建筑模型的预期用途，空间可以选择定义其可达点（出于可达性，防火通道和流通性考虑 [15]）。
出于人为因素考虑，空间中家具和设备计划子空间非常重要，例如区分医院急诊室中的不同区域[6]。出于声学考虑，空间内的声源，外部传导噪声源以及边界材料的吸声材料特性都是重要的属性。为了进行能量分析，将空间分为多个区域，并根据人员，设备和照明定义空间类型的内部荷载形成特征。空间类型和区域也用于初步成本估算。在这些若干应用中，空间名称是空间的最关键，最集中性的说明，无论它是具有子空间的高级空间还是低级子空间。空间名称描述其功能、居住者，以及它所容纳的家具和设备。
本项目开发基于由GSA定义的流程框架，该组织旨在促进建筑业向BIM的过渡[11]。GSA管理着全国范围内的联邦政府建筑资产组合。其管理的主要建筑类型之一是美国法院大楼。法院大楼提供执行美国法院职能所需的所有空间，包括大型陪审团活动，多种类型的法庭，陪审设施，美国法警的安全区以及支持法院活动所需的所有行政角色 [8,22]。 有几个因素可以区分建筑物的类型。 最显着的因素是空间的类型，这种空间类型通常由空间名称标识。 例如，如果一个建筑模型有一个“办公室”或“大厅”，则没有线索确定特定的建筑类型。 但是，如果在建筑模型中找到“法庭”或“法官室”，则明确地将其设计为法院。显然，这些特定于领域的空间名称具有特定建筑物类型的专家理解的结构良好的定义和功能。
但是，如果没有其他解释，计算机将无法识别那些特定于建筑物类型的空间语义。作者使用其自带的开发和/或连接的自动设计审查系统，审查了10多个实际建筑项目和20多个概念设计模型。自动审查这些项目时，由于空间对象缺乏语义，作者遇到了一些问题，这些问题阻碍了用建筑模型实现自动设计审查。本文介绍了如何基于空间数据库的开发解决这些问题，并论述了以美国法院这类复杂而专业的建筑类型为例的通用方法。
1.3空间名称中的计算问题
首先，正确使用空间名称并将其分配给空间似乎很简单。在建筑模型设计中，它一直是平面布置图中的一项基础设计活动。然而，我们已经明确了在分配指定时必须解决的几个问题：
分类问题：到目前为止，非正式的空间名称已在用户之间使用，这些用户可以发展自己的公约。 但是，像“拉里的办公室”等指定很难解释；计算机不知道拉里是要为其建造建筑物的公司的首席执行官。 尽管有些名称是通用名称（电梯，走廊，洗手间，办公室），还有许多名称是特定于建筑物类型的（休息室，放射室，登机口）。一些空间是其他空间的一部分。法官室包括文员的办公室，接待处，会议室和其他空间。放射室包括检查室，候诊室，接待室和调度办公室。还一些空间按其用途分类。 例如，地区法庭与破产法庭或上诉法庭的要求不同，但有时有必要涉及到“所有法庭”。 随着BIM的出现，用户已经意识到空间名称需要系统化。
空间复合分类问题：对空间进行了多种不同用途的分类：用于早期成本估算、室内家具匹配，暖通空调内部荷载分配，租赁分配等。目前，这些分类分配是通过不同群体人工设置。使用BIM，单个空间可能需要具有许多分类项匹配。在多个相同类型的项目中手动分配这些类会造成时间快速浪费和潜在的误差来源。
唯一性问题：有一些空间通常会被命名，但不会为其建立索引的。因此，可能有许多办公室，但没有办法定义与给定办公室实例相关的区域或其他属性。尽管某些空间通常具有房间号索引（第二间卧室），但在当前的实践中，走廊，电梯，机械空间和其他可能需要编号的空间通常不会唯一性命名。
词汇问题：甚至在同一项目中，目前用户分配的名称也涉及许多缩写、同义词、遗漏、勘误和歧义。即使使用“近似”和广泛的同义词列表进行的计算机解析也无法解析所有空间名称，人们往往也需要帮助，因为他们无法解析标记为“ M”的空间的意图，该通常表示“男厕所”或“受力”。
方法
2.1空间数据库
BIM建立含有空间构件的建筑模型用来存储丰富的属性数据。BIM模型包含一个空间构件，它不仅具有3D几何形状和关系，而且还具有人类和计算机均可读取的空间特性。 但是，实际的设计审查任务中还需要更多的空间信息，并且其中大多数具有高度领域特定性。图1简要说明了建筑模型表示形式在空间构件方面的发展。我们的重点是从“IfcSpace”构件到用于自动化建筑设计审查系统的信息丰富的空间构件的第二次转换。
在建筑物的全寿命周期中，处于“可行性研究”阶段的新建筑物项目的初始数据之一是描述空间类型（包括数量和面积）的空间规划的文档。空间需求文件因建筑项目类型、预算和其他外部因素而异。例如，GSA在其《 P-100设计指南》中为其公共建筑服务（PBS）阐明了定义非常明确的设计过程。它描述了PBS如何基于ANSI / BOMA [1,18]的修正解释以及实施来分配空间和计算面积。但是，它主要定义通用GSA空间类型，而不是特定的空间构件名称。此类建筑类型的特定空间编程数据由每个租户处理。 例如，美国法院为新的法院项目提供了一个指南，该指南反映了过去项目中的最佳措施，称为《美国法院设计指南》。 美国法院对新法院项目也有其自身的空间要求，称为lsquo;AnyCourtrsquo;要求[22]。 前者定义特定建筑类型（法院）的要求，而后者描述特定项目的要求。
基于这些文档以及外部特定域的空间数据集，本文描述了与空间构件相关的多个术语和信息，用于增强的BIM支持的自动设计审阅。我们称此问题为“空间数据库”，本文讨论了实际问题以及从实际应用程序开发中学到的最佳措施。空间数据库所面临的挑战是，语义根据空间的功能，可访问性，居住者数量，环境，电力、其他用途需求以及其他特定于功能的标准而变得广泛而多样。空间名称或代码用于确定早期区域成本属性，内部能量负荷，照明标准，通风要求和其他特定于空间的性能。 最初，所有这些数据似乎都是用户通过显式输入自然处理的。尽管这可能适用于小规模或简单的设施，但会导致大量的簿记，一致性要求和其他类型的开销。本文概述了作者团队在GSA赞助下开发的一种空间名称管理方法，该方法涉及对法院设计的建筑模型进行自动审查。
2.2信息丰富的空间构件
在这里，我们确定了建立信息丰富的空间构件的一般方法。
开发一个外部空间数据库，其中包含所有必需的外部空间信息，这些信息不能直接从建筑模型中导出，但是对于目标建筑类型的设计审查而言是必需的。该空间数据库可以由给定建筑物类型的领域专家定义。
可以基于一组名为主名称表的标准空间来实现此外部数据。数据库系统可以导出兼容的空间名称，以响应设计审阅的查询：为不同类型的视图命名数据集：空间验证视图，循环检查视图或与能量分析相关的视图等。文件格式通常是XML或电子表格。
使用给定建筑模型中的空间和基础属性映射此外部数据库。 这里存在许多技术映射问题，因此我们也关注相关问题。
外部空间数据库的内容具有高度的建筑类型和项目特定性。换句话说，只有各个领域的领域专家或相关方才知道最佳措施，因此本文引入了其他构建示例，但并未详细开展。 然而，基于我们为美国法院开发的实际空间数据库，本文介绍了一种适用于其他建筑类型和应用的建立空间数据库的通用方法。
就启用BIM的应用程序而言，图2给出了两个简化的主要数据集及其属性和它们之间的一对多关系。 “IFcSpace”实例忠实地交付了一组建筑师定义的空间信息；预定义的外部空间数据集将附加到空间实例，以提供信息丰富的空间数据集。它显示了所有应用程序的集成映射，但是不同的映射应该适用于不同的目的。 例如，仅将与能量计算相关的空间数据（如能量负荷系数和标准空间的占用率）附加到实际空间对象以进行能量审查。
2.3.在BIM模型上进行预处理
BIM模型预处理模块尝试从构建模型输入中消除空间构件中的歧义，并在外部空间数据库上附加特定于领域、建筑物类型和应用程序的数据库。换句话说，建立空间数据库意味着对来自BIM模型的基础输入数据进行处理并重新生成为各种应用程序的派生输入数据，在本例中为自动设计审查系统。这些设计预览系统已成功导入并计算了此模块的输出数据。与未经预处理的纯输入数据集相比，它似乎可以产生更合理的结果（请参见表2）。图3展示了针对每个自动设计审查应用程序的空间数据库及其预处理的概述。灰色的图超出了本文的范围。
图2外部空间数据集和ifcSpace实例之间的映射
空间数据库的定义
3.1给定建筑模型的定义
对于定义，让我们指定一个建筑模型B，然后指定一组空间对象S。来自B的所有给定空间构件都可以由一组生成式简单表示，如下所示：
S={si|1le;ile;n,n=给定建筑物B中的空间构件的数量}
其中S1，S2，S3，...，Sn为B中的空间构件实例。
用二进制命名集{集合名，空间名}表示元素Si。当然，空间集合可以是多个，而空间名称的数量为1。换句话说，集合名是多层的，但是我们假定它与其他层在同一层中，以便其集合名数量始终为一。令MC为一组空间聚合名称，让MS为一组空间名称。它们全部来自给定的建筑模型B。
MC={mci|1le;ile;n;n=给定建筑物B中的分类名称数}
MS={msi|1le;ile;n；n=给定建筑物B中空间名称数}
其中名称：sum; *，代表名称字母的一组字母或符号。
因此，Si可以通过MC和MS的有序对来定义，如下所示：
Si=(MCj；MSk)
其中MCj表示来自MC的任何元素，msk并且表示MS的元素。
3.2建筑类型定义及其主名称表
特定建筑物类型的主名称表也包含一对名称。与给定建筑模型名称集的主要区别在于，主名称表始终具有有限，静态和预定义了特定于建筑物类型的标准化名称。令T为特定的建筑物类型，并且由满足唯一名称要求的空间构件定义：所有空间构件都具有唯一性量化，以便它们与每个空间构件的空间特性匹配。
T={SSi|1le;ile;n；n=特定建筑物类型T中的n个空间构件}
其中，SS1、SS2，SS3，...，SSn是T中标准空间构件实例。
给定空间的对象集是不确定的有限集S，但是对于T，所有SSi应该具有唯一性量化。 标准空间SSi也可以由一对空间{集合名，空间名}表示。设TC为一组空间聚合名，而TS为一组空间名称。它们全部来自特定的建筑类型T。它们的元素可以用tci 和tsi如下表示：
TC={exist;!TCi|1le;ile;n，n=T中标准分类名称数}
TS={TSi|1le;
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