探索人工智能在施工圖審查的應(yīng)用

馮川川 聶永明 馮川 雷蕾 顧宏曄 吳自成

(1.北京構(gòu)力科技有限公司，2.中建研科技股份有限公司)

2018 年5 月國務(wù)院辦公廳《關(guān)于開展工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度改革試點(diǎn)的通知》，對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度進(jìn)行全流程、全覆蓋改革，努力構(gòu)建科學(xué)、便捷、高效的工程建設(shè)項(xiàng)目審批和管理體系，確立北京市、天津市、上海市、重慶市、沈陽市、大連市、南京市、廈門市、武漢市、廣州市、深圳市、成都市、貴陽市、渭南市、延安市和浙江省為試點(diǎn)地區(qū)。2020年6月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于開展城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)意見》，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、工信部、中央網(wǎng)信辦聯(lián)合推進(jìn)部省市三級(jí)CIM 基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)應(yīng)用與自主可控BIM 等軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展互促共進(jìn)，支撐工程建設(shè)項(xiàng)目BIM報(bào)建及計(jì)算機(jī)輔助審批，建立完備的信息安全和數(shù)據(jù)保密管理體系，實(shí)現(xiàn)CIM 基礎(chǔ)平臺(tái)與各信息平臺(tái)數(shù)據(jù)融合。

1.行業(yè)背景

2022 年1 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中明確提出：“強(qiáng)化施工圖審查作用，全面推廣數(shù)字化審查，探索推進(jìn) BIM 審查和人工智能審查”。率先在廣州、廈門、南京、雄安新區(qū)、北京城市副中心開展運(yùn)用BIM 系統(tǒng)進(jìn)行工程建設(shè)項(xiàng)目審查審批和城市信息模型平臺(tái)建設(shè)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、審批流程和管理規(guī)范，完成電子化工程建設(shè)項(xiàng)目的報(bào)建和審查，初步實(shí)現(xiàn)BIM 模型數(shù)據(jù)的智能審查。

2.工程項(xiàng)目審查狀況

全國各級(jí)政府都在積極推進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目審批制度的改革，主要原因在于現(xiàn)階段建設(shè)項(xiàng)目審批各參與方存在各類問題。

政府主管部門和審查單位面臨審查任務(wù)量大、時(shí)間緊、引入BIM 技術(shù)后人工審查困難；各專業(yè)審查指標(biāo)眾多、計(jì)算復(fù)雜、工作量大；各地審查人員尺度不一、規(guī)范理解不同，導(dǎo)致政府統(tǒng)一監(jiān)管困難；BIM 模型交付標(biāo)準(zhǔn)和審查平臺(tái)不完善，導(dǎo)致BIM 成果數(shù)據(jù)孤島。

設(shè)計(jì)單位同樣面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，隨著項(xiàng)目任務(wù)量加重、設(shè)計(jì)周期一再縮短，作圖時(shí)間緊張，常規(guī)校審流程無法保證，項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果難免忙中出錯(cuò)，甚至留下安全隱患（如圖1）。

圖1 行業(yè)各參與方工程審查痛點(diǎn)

3.解決方案

智能審查有著高效、精準(zhǔn)、全面等先進(jìn)優(yōu)勢，利用AI智能識(shí)別圖紙模型進(jìn)行全面審查，實(shí)現(xiàn)問題精準(zhǔn)定位，支持國家強(qiáng)條智能審查，審圖結(jié)果在線校驗(yàn)，自動(dòng)生成審圖結(jié)果。突破經(jīng)驗(yàn)限制，解放審圖人力，大幅降低圖紙審查成本，助力設(shè)計(jì)質(zhì)量提升。

實(shí)現(xiàn)智能審查需要兩個(gè)基本能力，教會(huì)機(jī)器“識(shí)圖”和“懂規(guī)則”。一方面計(jì)算機(jī)可以從圖紙和模型中識(shí)別和提取到設(shè)計(jì)信息；另一方面計(jì)算機(jī)對(duì)規(guī)范條文進(jìn)行語義分析和訓(xùn)練人工智能，建立審查程序，利用程序?qū)δＰ托畔⑦M(jìn)行檢查，對(duì)成果可以三維可視化展示（如圖2）。

圖2 智能審查技術(shù)路線

智能審圖和人工審圖相比有巨大優(yōu)勢。機(jī)器擅長識(shí)別，“審圖”的基礎(chǔ)是“識(shí)圖”，能準(zhǔn)確識(shí)別各種各樣的圖紙模型、提取其中的設(shè)計(jì)信息，是智能審圖的前提。機(jī)器強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，把多年來沉淀下來的設(shè)計(jì)缺陷案例算法和圖紙審查數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器中，讓它“持續(xù)學(xué)習(xí)”，AI 就能在審圖時(shí)發(fā)現(xiàn)到這些問題。在AI 審圖的背后，是對(duì)大數(shù)據(jù)有著極大“饑餓感”的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，數(shù)據(jù)就像養(yǎng)料，可以讓算法越來越聰明。

通過人工智能語言將規(guī)范進(jìn)行標(biāo)注與解析，結(jié)合智能決策算法，通過合理的定義規(guī)則關(guān)系，抽取同類規(guī)則，結(jié)合范式方法和學(xué)習(xí)方法，對(duì)定量和定性規(guī)則采取不同的處理方案，兼顧效率和準(zhǔn)確性。遵循以下的設(shè)計(jì)邏輯：通過模塊化編程，實(shí)現(xiàn)邏輯抽取；通過對(duì)邏輯關(guān)系的抽象定義，開發(fā)不同的功能模塊函數(shù)庫；通過函數(shù)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系的理解（如圖3）。

圖3 規(guī)范條文解析成機(jī)器語言

通過圖形算法可部分實(shí)現(xiàn)規(guī)范條文的智能審查，機(jī)器不可審條文通過人工審查協(xié)同完成，綜合提高審查效率。如：建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中的疏散門間距、疏散距離、樓梯間屬性等條文，在人工審查時(shí)需要逐層逐個(gè)房間、疏散門進(jìn)行審查，耗費(fèi)時(shí)間長。通過計(jì)算機(jī)智能審查，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)每層每個(gè)房間每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行疏散距離審查、疏散門間距進(jìn)行審查等，審查更加精細(xì)化，同類問題實(shí)現(xiàn)一次告知（如圖4）。

圖4 三維模型的疏散距離智能審查

對(duì)于具體的某項(xiàng)內(nèi)容的規(guī)定，智能審查可以將各類特殊情況窮舉，做到極致，如走道凈寬的審查，各種復(fù)雜圖形可以精確計(jì)算（如圖5）。

圖5 各種情況復(fù)雜圖形凈寬算法

（1）面與面：兩個(gè)墻面之間距離(P1)。

（2）端點(diǎn)到面：柱子到墻面(P2)。

（3）端點(diǎn)到端點(diǎn)：柱子棱角到墻角距離(P3；P4)。

（4）輪廓到面：柱子輪廓到墻面距離(P5)。

（5）輪廓到端：圓形柱子到墻角距離(P6)。

（6）復(fù)合空間：P 字形走道、走道與空間直連(P7；P8)。

4.BIM 智能審查建設(shè)情況

中國建筑科學(xué)研究院自1988 年創(chuàng)立PKPM 軟件品牌，發(fā)展為擁有關(guān)鍵核心技術(shù)，我國建筑設(shè)計(jì)行業(yè)龍頭軟件企業(yè)，積極拓展新加坡等國外市場。始終把服務(wù)公益事業(yè)、推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步作為己任，致力于解決我國工程建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，真正成為中國建筑業(yè)科技發(fā)展的引領(lǐng)者。

構(gòu)力科技秉承中國建研院使命愿景，聚焦“綠色化”“工業(yè)化”“信息化”“數(shù)字化”“智慧化”方向，打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件產(chǎn)品和整體解決方案，致力于成為建設(shè)行業(yè)軟件與信息化發(fā)展的引領(lǐng)者。

積極承擔(dān)解決建筑行業(yè)“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)“BIM 平臺(tái)”的自主研發(fā)，打造自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PKPM-BIM 平臺(tái)，成為建筑行業(yè)國產(chǎn)BIM 二次開發(fā)平臺(tái)，建立我國自主BIM 的軟件生態(tài)?；谧灾鰾IM 平臺(tái)推出PKPM-BIM 全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、裝配式建筑全流程集成應(yīng)用系統(tǒng)、BIM 報(bào)建審批系統(tǒng)、智慧城區(qū)管理系統(tǒng)等BIM 全產(chǎn)業(yè)鏈整體解決方案，助力我國建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

近三年在全國十幾個(gè)地市參與建設(shè)BIM 智能審查平臺(tái)，累計(jì)已有3000 多個(gè)工程項(xiàng)目完成了BIM 審查。通過BIM模型規(guī)范的智能審查，提升建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少返工的次數(shù)，縮短審批時(shí)間。同時(shí)提升了建筑行業(yè)的BIM 應(yīng)用（如圖6）。

圖6 全國BIM 報(bào)建智能審查建設(shè)情況

5.二維智能審查應(yīng)用案例

考慮CAD 圖紙依然是當(dāng)前設(shè)計(jì)行業(yè)法定有效設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)師在圖紙中表達(dá)所有設(shè)計(jì)信息，保證項(xiàng)目圖紙文件的數(shù)據(jù)完整。而BIM 模型由于缺乏法律依據(jù)，且當(dāng)前圖模不一致的問題難以解決，模型審出問題的有效性低，推廣落地BIM 模型審查難度較大。在此背景下，研究人工智能技術(shù)基于CAD 二維施工圖審查應(yīng)用，具備更高的可行性和行業(yè)效益。

中國建研院基于BIM 審查的技術(shù)積累和應(yīng)用實(shí)踐，以及PKPM 結(jié)構(gòu)軟件多年的市場打磨和人工智能等新技術(shù)的引進(jìn)，開發(fā)的PKPM-AIChecker 軟件，基于CAD 實(shí)現(xiàn)全專業(yè)施工圖智能審查。產(chǎn)品為CAD 端插件，主要面向設(shè)計(jì)企業(yè)與審圖單位?？煽焖賹彶槭┕D圖紙是否滿足規(guī)范中高頻、核心審查條文，約10 分鐘內(nèi)完成一棟單體圖紙審查。目前已實(shí)現(xiàn)智能審查的條文有建筑87 條、結(jié)構(gòu)99 條、給排水20 條。推出以來，已有近百個(gè)項(xiàng)目利用軟件進(jìn)行了智能審查，提高了設(shè)計(jì)校審質(zhì)量。

以下列舉各專業(yè)核心條文的審查案例：

5.1 受力鋼筋配筋率——《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》GB 55008-2021 4.4.8

規(guī)范4.4.8 第2 款規(guī)定：建筑混凝土框架梁的縱向受拉鋼筋的最小配筋率不應(yīng)小于規(guī)定的最小值。

某框架二層梁配筋圖：對(duì)數(shù)百道框架梁的配筋進(jìn)行智能審查，檢查出KL25 第2 跨，KL35 第2 跨，KL47 第2 跨受拉鋼筋配筋率不滿足最小配筋率要求，點(diǎn)擊審查結(jié)果可以快速定位，并實(shí)時(shí)修改。

審查結(jié)果同時(shí)給出不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010（2015 年版）第9.2.1 條縱筋凈距要求、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010（2016 年版）6.3.1 條框架梁截面規(guī)定、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010（2016 年版）6.3.4 條箍筋加密區(qū)肢距規(guī)定（如圖7）。

圖7 混凝土結(jié)構(gòu)配筋審查實(shí)例

5.2 鋼結(jié)構(gòu)截面校對(duì)——《鋼結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》GB55006-2021

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和平面施工圖，通過智能審查軟件，可快速對(duì)比圖紙上構(gòu)件截面與模型中對(duì)應(yīng)截面是否一致，雙擊意見可定位具體構(gòu)件，方便查看。當(dāng)前圖紙修改后，可實(shí)時(shí)點(diǎn)擊一鍵校審再次審查，保證鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算與施工圖實(shí)際設(shè)計(jì)截面的統(tǒng)一（如圖8）。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)截面審查實(shí)例

5.3 前室尺寸——《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018 年版）7.3.5

規(guī)范7.3.5 第2 款規(guī)定：“前室的使用面積不應(yīng)小于6.0m2，前室的短邊不應(yīng)小于2.4m?！?/p>

浙江某住宅項(xiàng)目：對(duì)消防電梯前室的使用面積和短邊尺寸進(jìn)行智能審查，圖紙共審查8 個(gè)對(duì)象，通過5 個(gè)，不通過3 個(gè)。其中3 層、4 層、5 層消防電梯前室短邊尺寸為2.3m，不滿足應(yīng)不小于2.4m 的要求（如圖9）。

圖9 建筑消防對(duì)前室尺寸審查實(shí)例

5.4 防火門屬性——《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018 年版）6.4.3

規(guī)范6.4.3 第2 款規(guī)定：“疏散走道通向前室以及前室通向樓梯間的門應(yīng)采用乙級(jí)防火門?！?/p>

上海某住宅項(xiàng)目：對(duì)疏散走道、前室、樓梯間的門進(jìn)行了審查，圖紙共審查210 個(gè)對(duì)象，通過184 個(gè)，不通過26 個(gè)。其中2～27 層公共走道通向前室的門未采用乙級(jí)防火門，不滿足規(guī)范要求（如圖10）。

圖10 建筑消防對(duì)防火門屬性審查實(shí)例

5.5 安全出口——《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018 年版）5.5.25

規(guī)范5.5.25 第2 款規(guī)定：“建筑高度大于27m、不大于54m 的建筑，當(dāng)每個(gè)單元任一層的建筑面積大于650m2，或任一戶門至最近安全出口的距離大于10m 時(shí)，每個(gè)單元每層的安全出口不應(yīng)少于2 個(gè)?！?/p>

河北某住宅項(xiàng)目：對(duì)每層的安全出口進(jìn)行了審查，圖紙共審查64 個(gè)對(duì)象，通過62 個(gè)，不通過2 個(gè)。其中首層每個(gè)單元有戶門至最近安全出口距離大于10m，未按要求設(shè)置2 個(gè)安全出口，不滿足規(guī)范要求（如圖11）。

圖11 建筑消防對(duì)安全出口審查實(shí)例

5.6 防火間距——《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018 年版）6.2.5

規(guī)范6.2.5 規(guī)定：住宅建筑外墻上相鄰戶開口之間的墻體寬度不應(yīng)小于1.0m；小于1.0m 時(shí)，應(yīng)在開口之間設(shè)置突出外墻不小于0.6m 的隔板。

北京某住宅項(xiàng)目，對(duì)每層平面圖中相鄰戶型窗間墻寬度進(jìn)行了審查，圖紙共審查24 個(gè)對(duì)象，通過12 個(gè)，不通過12 個(gè)。其中每層A2 戶型與A3 戶型相鄰戶開口之間的墻體寬度為0.2m，不滿足規(guī)范要求的1.0m，且未設(shè)置隔板（如圖12）。

圖12 建筑消防對(duì)防火間距審查實(shí)例

5.7 消火栓布置審查——《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB 50974-2014 7.4.6

該項(xiàng)目中，審查出戶型中存在最不利點(diǎn)未被2 股充實(shí)水柱保護(hù)到，不符合規(guī)范要求（如圖13）。

圖13 建筑消防對(duì)消火栓布置審查實(shí)例

5.8 疏散距離審查——《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018 年版）5.5.17 和5.5.29

該項(xiàng)目中，審查每個(gè)房間的疏散距離并顯示疏散路徑，提示不滿足的房間（如圖14）。

圖14 建筑消防對(duì)疏散距離審查實(shí)例

6.價(jià)值和展望

傳統(tǒng)的施工圖審查工作中存在很多諸如檢查數(shù)量、尺寸等重復(fù)量性勞動(dòng)，這部分工作技術(shù)含量低、耗時(shí)多，直接影響審查效率和質(zhì)量。智能審圖系統(tǒng)有助于將審查專家精力放在技術(shù)含量更高的審查工作中，從而降低人力資源成本、緩解企業(yè)和政府的經(jīng)濟(jì)壓力，避免因設(shè)計(jì)疏漏帶來的工程質(zhì)量問題。

長遠(yuǎn)來看，機(jī)器在智能審圖過程中積累下來的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為項(xiàng)目數(shù)據(jù)的自動(dòng)錄入、圖紙模型的自動(dòng)管理等延展應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，備案后的成果可納入CIM 平臺(tái)，構(gòu)建智慧園區(qū)、數(shù)字孿生體等城市公共數(shù)據(jù)底座，完成由BIM 到CIM 的周期循環(huán)。同時(shí)，智能審查系統(tǒng)積累的設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步為建筑項(xiàng)目的節(jié)能設(shè)計(jì)、綠色建筑群設(shè)計(jì)、建筑材料需求控制和比例分析，引領(lǐng)我國城市化建設(shè)發(fā)展更具現(xiàn)代化、多元化和科技化。