面向 BIM 中自动化 IFC 模型验证及闭环质量管理的人机协同框架

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Human-in-the-loop framework for automated IFC model validation and closed-loop quality management in BIM

　　

•人机循环闭环 IFC 验证，连接自动检查、问题跟踪和重新验证。
•标准化 IFC 准备和基于 BEP 的规则矩阵，用于可追溯、可重复的验证。
•使用开源、以 IFC 为核心的技术实施供应商中立的 IFC QA/QC。
•合规率已操作化，另有四个质量绩效指标在方法论上已定义。
•真实基础设施 IFC 模型展示了跨站点质量评估和数据质量变化。

Introduction
建筑信息模型（BIM）已成为建筑、工程和施工（AEC）行业的核心，通过在项目生命周期中实现协作和丰富数据的过程。工业基础类（IFC）标准是这一转型的关键，提供中性、开放的数据模型，支持跨不同工具和学科的信息交换。然而，尽管经过了数十年的发展，基于 IFC 的模型仍然面临数据不完整、属性映射不一致和语义不一致等挑战，这些挑战降低了它们在下层任务（如合规检查、成本估算和设施管理）中的可靠性 [[1], [2], [3]]。
除了设计和协调，BIM 已扩展到生命周期监测和数据管理应用。Valinejadshoubi 等人 [4] 调查了基于 BIM 的结构健康监测（SHM）数据管理，而 Valinejadshoubi 等人 [5] 考察了 BIM 集成结构健康监测信息的潜力。在一个相关应用中，Valinejadshoubi 等人 [6] 展示了使用 BIM 识别有风险的建筑物非结构部件，Valinjadshoubi 等人 [7] 开发了用于模块化建筑结构健康监测的基于 BIM 的数据管理系统。随后的研究通过将 BIM 和 IoT 结合用于自动热舒适度监测 [8] 以及将 BIM 与基于传感器的设施管理操作相结合 [9]，将这种集成扩展到了运营应用。这些研究展示了 BIM 作为超出设计和协调的信息集成平台的渐进式使用，为本研究采用的结构化数据管理和质量控制视角提供了相关基础。
尽管取得了这些进展，实践中的基于 IFC 的工作流程仍然经常以碎片化的模型处理 [10]、手动或临时的质量检查（QC）[11,12] 以及设计团队与下游用户之间有限的反馈循环 [13] 为特征。在实践中，验证通常基于临时情况进行，参数覆盖部分，修正的可追溯性有限，并且对模型质量随时间变化的定量洞察很少。因此，IFC 设想的许多能力，如稳健的基于模型的合规检查、可靠的工程量清单和值得信赖的运营维护移交，在项目规模上仍然难以一致地实现。这些实际局限性突出需要更结构化、自动化和可扩展的验证方法，不仅检测错误，而且在单一连续过程中连接标准化数据准备、需求驱动检查、问题解决和质量报告。
在过去十年中，研究人员探索了各种方法来解决这些不足，包括基于规则的检查 [14]、语义和基于图的方法 [15]、法规合规框架 [16]、数据驱动的识别技术 [12] 以及云或数字孪生平台 [17]。虽然这些努力显著推进了自动化和互操作性，但现有研究通常解决验证问题的不同组件，而不是集成的闭环质量管理流程。Sobhkhiz 等人 [18] 通过案例研究应用展示了基于 IFC 的自动规则检查，而 Wu 等人 [19] 调查了 BIM 模型检查的自动化方法。Ma 等人 [20] 和 Dai 等人 [21] 进一步推进了用于模型质量和合规评估的结构化和自动化验证方法。最近，Juszczyk 等人 [22] 扩展了自动 BIM QC 能力；然而，需求定义、验证、问题修正和随后重新验证的系统集成仍然有限。因此，尽管基于 IFC 的工作流程采用日益增长，当前的验证方法仍然碎片化、依赖工具，并且主要限于孤立的规则检查过程，而不是集成的 QC 环境。现有的 BIM/IFC 验证解决方案通常缺乏 (i) 跨学科的系统数据标准化，(ii) 项目需求（如 BIM 执行计划）与可执行验证规则之间的结构化链接，(iii) 迭代模型改进和问题解决的可追溯反馈机制，以及 (iv) 支持连续质量监测和基准测试的可测量绩效指标。虽然目前可用的 BIM QA/QC 工具和基于 IDS 的工作流程提供了宝贵的规则检查和需求形式化能力，但它们本身不足以解决本研究解决的实际集成问题。在许多实际项目设置中，可用工具支持孤立验证任务，而 IDS 主要形式化预期信息需求，而不是管理 IFC 准备、可执行验证、问题可追溯性、修正和重复重新验证的完整周期。因此，项目团队可能仍然依赖碎片化流程，其中需求来源、规则执行、报告和修正反馈仍然只有部分连接。因此，本研究解决的问题不是检查工具的缺失，而是缺乏将这些功能链接到单一运营 QA/QC 流程的统一且可追溯的工作流程。
更具体地说，在常规顺序工作流程中组合现有组件，如 Solibri、IDS/IFC Tester 和 usBIM.checker，本身并不解决这种方法论问题。虽然这些组件有效支持模型检查、需求规范和合规测试，但它们的顺序使用并不会自动建立一个共同且持久的验证状态，连接源自需求和规则集版本、IFC 提交和导出上下文、元素级验证结果、关联问题及修正状态，以及随后重新验证运行的结果。在传统工具链中，这些关系可能继续依赖手动交接、重复映射、单独管理的报告或项目特定约定，使得修正和闭合的证难难以在模型版本间重现。因此，拟议的贡献不在于引入另一个独立检查工具，而在于通过一致输入、版本化规则、可追溯验证记录、问题状态连续性和可重复重新验证输出来形式化现有验证组件的集成。因此，拟议的方法论保持工具无关性，并旨在将现有检查应用程序作为执行组件集成，而不是取代它们。
与许多主要使用简化示例、孤立验证规则或原型实现来演示概念的现有 IFC 验证研究不同，本研究使用来自正在进行的基础设施项目的多个 IFC 模型开发和评估拟议框架。因此，该框架在现实的 BIM 创作实践、特定项目信息需求和运营 QC 工作流程下进行评估，为其在活跃基础设施交付环境中的适用性提供了实际证据。
为解决这些局限性，本研究的目标是开发和实施一种用于自动 IFC 验证和迭代质量管理的人机循环闭环方法。拟议的方法论旨在将标准化模型准备、需求驱动检查、可追溯问题管理、必要时由人工主导的修正，以及统一且可重现的自动化重新验证整合在一个过程中。具体来说，本研究旨在：
1.建立多学科 IFC 属性协调的标准化方法；
2.开发与项目规范一致的基于需求规则的验证引擎；
3.在可追溯的闭环工作流程中自动化基于 IFC 的检查、问题生成、报告、跟踪和重新验证，同时保留设计者或建模者对需要创作判断的修正的责任；以及
4.通过验证指标引入结构化绩效测量方法。
拟议的框架作为模块化系统实现，并使用来自正在进行的基础设施项目的多个真实世界 IFC 模型进行评估，展示了其在现实 BIM 创作条件下的实际适用性，以及在提高模型一致性、透明度和整体质量管理方面的有效性。拟议的框架定义了五个互补的质量绩效指标；然而，在当前实现中，只有合规率指标被操作化和评估，而剩余指标作为方法论框架的一部分建立以供未来实现。在本研究中，“闭环”一词特指可追溯的、人机循环的验证 - 修正 - 重新验证过程，其中需求定义、规则执行、问题生成、修正状态和随后的重新验证明确链接。它不表示完全自动化的反馈和修正系统，因为需要创作或设计判断的修正仍然是设计者或建模者的责任。
本研究的主要贡献是一种工具无关的方法论控制结构，将标准化 IFC 准备、版本控制的需求和规则定义、确定性验证、可追溯问题解决和重新验证证据整合到单一可审计的质量管理流程中。方法论贡献不在于提出新一类的检查规则，也不仅仅组装现有 QA/QC 功能。相反，它形式化了需求、规则版本、模型提交、验证运行、问题、修正状态和随后重新验证结果之间所需的关系和连续性。IFC QAQC Pro 原型代表了这种方法论的一种实际实现，而底层过程可以应用于其他兼容的 IFC 检查和问题管理技术。

Section snippets
Literature review
本节批判性地回顾了 IFC 模型验证、检查和 QC 研究的主要线索，以确定驱动拟议框架的未解决的概念和方法论差距。与其提供 IFC 验证的广泛历史调查，不如回顾重点聚焦于现有方法如何解决或未能解决需求形式化、数据一致性、可追溯性、修正管理和迭代重新验证的挑战。
Initial investigations
Research methodology
本研究开发并实施了针对基于 IFC 的 BIM 模型自动验证的综合方法。拟议的框架旨在通过结构化且迭代的过程最大限度地减少人工干预，增强互操作性，并确保模型可靠性。拟议的框架侧重于验证可靠下游使用所需的与开发等级（LOD）/ 信息等级（LOI）相关的 IFC 属性，而不是全面的碰撞检测或高级
Case study project
本研究在加拿大蒙特利尔的一个城市交通车站项目上评估拟议框架。验证集包括从共同的 Autodesk Revit 创作模型导出的三个建筑 IFC 模型。文件从受控存储库（ACC 和 SharePoint）检索，并通过 Speckle 进行版本控制以确保可追溯性和单一真相源。每个 IFC 包含数千个代表典型建筑实体的元素，包括 IfcWall, IfcSlab, IfcCovering,
System architecture
IFC QAQC Pro 原型开发为一个模块化平台，以支持基于 IFC 的 BIM 模型的自动 QC 和报告。它通过将属性提取、验证、修正、调度和报告组合在单一集成环境中，支持闭环 IFC 模型验证工作流程。该平台结构为五个核心模块：数据、验证、IFC 修正、规划和报告模块，每个提供不同的功能但在统一
System implementation
本节描述了拟议方法在 IFC QAQC Pro 中的实现，并解释了三个工作流程在运行时如何执行。应用程序摄取通过工作流程 1 产生的标准化 IFC 文件，包括版本控制导出和 Speckle 提交，并加载通过工作流程 2 定义的需求规则表。它随后执行多层验证、适用的纠正措施、计划重新验证和报告生成。每个
Results and validation metrics
本节呈现的详细结果主要指研究中使用的三个建筑 IFC 模型之一，而来自第二个模型的选定比较结果在第 7.8 节中呈现。结果来源于连接到 IFC QAQC Pro 原型的 Power BI 仪表盘。分析首先呈现模型范围质量指标，随后是墙壁、门、地板、天花板和屋顶的类别级发现，并得出不一致性和跨模型
Discussion
案例研究和跨站点比较表明，拟议的人机循环框架可以为这个正在进行的基础设施项目中检查的建筑 IFC 模型产生系统、可重复和可解释的验证输出。通过链接 IFC 数据准备、需求提取、基于规则的验证和基于指标的报告，该框架将这些活动组织在持续质量保证的结构化过程中，而不是将模型
Conclusions
本文提出了一种闭环 IFC 验证框架，旨在解决 BIM 模型 QC 流程中的持续挑战，包括碎片化工作流程、参数使用不一致以及可测量质量绩效指标集成有限。拟议的方法集成了三个相互关联的工作流程：标准化导出并确保版本控制、可追溯输入的 IFC 数据准备和协作工作流程；需求提取和规则定义
CRediT authorship contribution statement
Mojtaba Valinejadshoubi：可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。Oscar Mannarella：验证，软件，资源。Fernando Valdivieso：资源，项目管理。
Declaration of competing interest
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。
Mojtaba Valinejadshoubi | Oscar Mannarella | Fernando Valdivieso | Charles Corneau-Gauvin