《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Semantic naming convention-based automated BIM generation of precast concrete components from 2D CAD drawings
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预应力混凝土（PC）组件BIM模型自动生成效率低、错误多的问题，本文提出基于语义命名规范（SNC）的自动化框架，利用Dynamo环境实现从2D CAD到3D BIM的自动转换，显著提升建模效率（平均减少78.9%）、提高准确性（提升12.3%）并降低人为错误（超过90%），有效解决行业痛点。
郑恩貞（Eunbeen Jeong）| 鄭世榮（Seoyoung Jung）| 鄭仁秀（Insu Jung）| 高奎真（Kyujin Ko）| 張俊英（Junyoung Jang）
韩国土木工程与建筑技术研究院（KICT）建筑政策研究部，韩国果杨市10223
摘要
将2D CAD图纸手动转换为预制混凝土（PC）构件的3D BIM对象是一个耗时且容易出错的瓶颈，这阻碍了项目效率。现有的自动化研究在处理PC构件典型的复杂、非标准几何形状时遇到了困难。本文提出了一种框架，该框架利用语义命名规范（SNC）将设计信息编码到2D CAD属性中，从而实现BIM的自动生成。该系统在Dynamo可视化编程环境中开发，能够自动为PC柱、梁和板创建制造级别的BIM对象。通过对三家不同制造商的100%生产图纸进行处理，验证了该框架的通用性。Charrette测试显示，与手动方法相比，自动化方法平均减少了78.9%的建模时间，提高了12.3%的模型精度，并将人为错误减少了90%以上。这一框架为提高PC建筑行业的生产力和模型质量提供了实用的解决方案。
引言
预制混凝土（PC）施工的特点是在受控的工厂环境中制造混凝土构件，然后运输并在现场组装[1]，[2]，[3]，[4]，与传统的现场浇筑方法相比，PC施工有潜力将施工时间减少20-50%，同时保持更优质的控制[5]，[6]，[7]。
尽管在PC施工领域实施建筑信息模型（BIM）具有明显优势，包括通过计算机辅助制造（CAM）提高制造精度、基于3D模型的精确连接设计和施工前碰撞检测，以及通过安装顺序模拟优化物流和现场过程管理（4D），但工作流程中仍存在重大瓶颈[8]。这些瓶颈主要发生在将2D CAD图纸手动转换为3D BIM对象的过程中[9]，[10]，这一点得到了行业调查的证实。典型的住房与发展委员会（HDB）PC项目的车间图纸准备需要20到30周的时间，其中大约75%的时间属于非增值时间[11]。这成为整个设计过程效率低下的核心因素，同时也导致最终交付物的准确性和一致性因建模者的技能而存在显著差异[12]，[13]。对三个项目的分析表明，PC项目通常包含657到1721个独特构件，每个构件都需要手动建模复杂的特征，如高度变化的截面、复杂的钢筋布置以及包括凸起和凹陷在内的特殊几何形状[14]，[15]。
手动CAD到BIM的转换过程存在几个挑战，这些挑战阻碍了项目的有效执行。
- 首先，
将二维表示转换为三维模型需要深厚的领域专业知识，并且容易出现人为错误[16]，[17]。根据Wong等人的研究[18]，由于设计错误导致的手动CAD到BIM转换返工成本占原始合同价值的16%，其中62%的设计缺陷归因于工作人员的知识和信息不足。此外，BIM建模过程中人为错误的感知影响评分为3.92分（满分5分），表明质量变化显著，这与工作人员的能力有关。
- 其次，
不同设计公司和PC制造商之间缺乏标准化，使得建模者必须适应各种规范和表示方法，增加了复杂性。Kaner等人[19]指出BIM软件工具之间的互操作性不足以及需要开发新的工作流程和标准是主要障碍，而Li等人[20]报告称不同企业资源规划系统（LIIBDERPS）之间的信息互操作性不足是最关键的风险因素，导致平均进度延误42.4天。
- 第三，
设计的迭代性质要求频繁更新模型，依赖手动过程时所需的时间和努力成倍增加[21]。Kaner等人[19]报告称，频繁的设计变更降低了制作图纸的生产力，并延长了设计审查周期，而Li等人[20]发现设计师与制造商之间的设计信息差距（DIGDM）导致平均延误39.3天。
虽然一些生产设备可以直接使用2D CAD数据进行制造过程（CAM），但创建信息丰富的3D BIM模型对于更广泛的项目交付范围仍然是必不可少的。这些模型对于跨学科碰撞检测、施工过程规划的4D模拟以及精确的数量统计等任务至关重要，而这些任务仅靠2D数据无法支持[10]。特别是像Autodesk的Dynamo这样的可视化编程环境的进步，为自动化这些重复性和耗时的建模任务提供了新的可能性。Dynamo使没有编程经验的从业者也能通过直观的基于节点的界面实现复杂的自动化算法。
然而，现有的自动化研究并未充分考虑到PC构件的特殊性。Yang等人[22]开发了一种从CAD图纸自动生成结构BIM对象的半自动方法，但仅适用于一般结构构件，无法处理PC构件的复杂接头几何形状。Wang等人[8]展示了通过标准化组件库实现BIM自动化的可行性，但其应用范围仅限于标准化组件，难以扩展到特定项目的定制PC组件。Sacks等人[15]提出了基于参数的PC组件建模的潜力，但他们的方法仍然严重依赖手动输入。大多数这些研究都集中在简化的几何形状或标准化组件上，未能充分反映PC构件的独特特性，如制造和运输所需的特殊几何形状、接头处的复杂钢筋布置以及高度变化的截面。
为了解决这一差距，本研究提出了以下研究问题：
- •
基于语义命名规范（SNC）的方法能否可靠地为复杂的、非标准的PC构件自动生成制造级别的BIM对象？
- •
与传统手动方法相比，这种自动化方法在提高建模效率、精度和一致性方面效果如何？
本研究开发了算法，使用Dynamo自动为PC框架的主要构件（柱、梁和板）生成BIM对象。为此，我们定义了一种SNC，系统地组织CAD对象属性中的信息，并建立了一个逐步自动化流程，考虑了每种构件类型的特性，实现了从CAD信息提取到BIM对象生成的整个过程。开发的算法可以提取构件几何形状和钢筋信息，准确处理并自动建模具有复杂几何形状的PC构件，包括柱中的高度依赖性凸起、梁中的凹陷和穿透以及板中的厚度变化。这些算法通过使用三家国内主要PC制造商的实际2D生产图纸进行了通用性和实用性的验证，并通过Charrette测试对自动化和手动建模方法在建模时间和精度方面的改进进行了比较分析，涵盖了专家和非专家组。此外，本研究提供了一个基于Dynamo可视化编程环境的易用解决方案，没有编程经验的从业者也可以轻松理解和修改。
本研究的范围限于构成PC建筑主要承重系统的柱、梁和板，因为这些是算法开发和验证的代表性PC构件类型。墙壁和楼梯等特殊组件将留待未来研究。
本文的结构如下：第2节回顾了相关先前的研究；第3节描述了研究方法、框架配置、算法和验证计划；第4节展示了验证结果；第5节讨论了局限性和未来研究；第6节总结了本文。
部分摘录
研究起点
本节回顾了关于PC构件建模挑战、基于可视化编程平台的BIM自动化以及CAD到BIM结构化的现有文献。该回顾指出了本研究所要解决的研究空白。
方法论
本节详细介绍了PC构件自动化BIM模型生成的研究方法。本研究旨在解决PC行业数字化转型过程中的核心瓶颈，即手动将2D图纸转换为BIM对象的低效率问题。为此，我们提出了一种系统的方法，该方法能够算法化地解释CAD图纸中嵌入的设计意图，并自动将其转换为参数化BIM对象。
结果
本节展示了开发的PC构件BIM对象自动化生成算法的性能的定量和定性评估结果。验证分为两个阶段进行，以全面评估算法的通用性和实际应用性。
局限性和未来研究
尽管本研究提出了一个实用的PC构件自动化BIM生成框架，但仍需明确认识到几个局限性，并需要进一步的研究来扩展实际应用的范围。首先，由于该框架的效率依赖于预定义的SNC，公司必须修改现有的CAD图纸标准才能采用该系统。这一转变可能会因复杂命名结构的学习曲线而最初影响设计效率，尽管
结论
将2D CAD生产图纸手动转换为3D BIM对象是阻碍PC建筑领域BIM采用的关键瓶颈。这一手动过程消耗了大量时间，并导致设计师解释错误，从而降低了BIM模型的质量和一致性。为了解决这些问题，本文定义了一种SNC，将几何和物理信息编码到CAD图纸的图层名称中，并开发了一个框架，能够自动为柱、梁生成BIM对象，
CRediT作者贡献声明
郑恩貞（Eunbeen Jeong）：写作——审阅与编辑、初稿撰写、方法论研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。郑世榮（Seoyoung Jung）：方法论研究、数据管理。郑仁秀（Insu Jung）：写作——审阅与编辑、可视化处理、方法论研究、正式分析、数据管理、概念化。高奎真（Kyujin Ko）：方法论研究、数据管理。张俊英（Junyoung Jang）：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证工作、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
