《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：Hierarchical system decomposition and semantic enrichment of BIM for lifecycle support of MEP systems
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针对BIM模型与预制模块间存在的系统级语义缺失和数据混乱问题，本文提出基于混合拓扑-几何匹配的MEP系统分层分解框架，通过先拓扑搜索后几何验证的双阶段方法实现功能独立模块的自动识别与语义增强，实验验证其F1-score达0.98，支持大规模应用下的高效模块化管理和再利用。
张卓豪|陈伟娅|蔡建华|罗汉斌|斯基布涅夫斯基·米罗斯拉夫
华中科技大学土木与水利工程学院，武汉，430074，中国
摘要
模块化机械、电气和管道（MEP）系统的有效生命周期管理常常受到建筑信息模型（BIM）中的数字设计与预制组件实际建造状态之间巨大数据差距的阻碍。本文专门针对这一问题，提出了一种在缺乏明确系统级语义且数据混乱的复杂BIM模型中定义和构建功能独立组件组（或称为“块”）的方法。为此，我们提出了一种分层MEP系统分解和语义增强的框架，并通过一种混合拓扑-几何匹配方法实现该框架。该方法首先通过拓扑搜索识别所有结构相同的组件组合，然后通过比较它们的形态特征来验证这些候选组合。实验验证表明，该方法具有高精度和可扩展性，在大规模应用中实现了0.98的F1分数、接近线性的时间复杂度以及超过99%的精确度，这一结果得到了领域专家的认可。本研究提供了一种自下而上的方法，用于自动填充结构化的系统层次结构，从而弥合了设计模型与物理预制模块之间的关键数据差距。通过创建语义丰富且结构良好的模型，这项工作为自动化数量统计、模块化维护和生命周期管理（如组件重用）的未来发展奠定了基础。
引言
建筑信息模型（BIM）是一种数字技术，已成为现代建筑设计、施工以及运营和维护（O&M）的重要工具。BIM模型通过整合整个建筑生命周期中的各种信息，提高了项目管理和数据治理的效率[1]。随着BIM的广泛应用，管理复杂的机械、电气和管道（MEP）模型变得越来越具有挑战性。这些模型通常由十个以上的子系统组成，例如供暖、通风和空调、自动化以及排水系统，每个子系统又包含众多单独的组件[2]。
现代MEP系统越来越多地采用模块化设计和预制方式。典型的生命周期包括设计 finalize、组件预制[3]、现场安装[4]、业主主导的运营和维护[5]，以及由回收机构或新业主进行的生命周期管理[6]。
为了满足多样化的定制需求[7]，设计根据拓扑结构和性能等标准被划分为功能模块，以确保“全局一致性”[8]。同时，项目的独特性和物流需求要求即使对于连续的BIM管道也需要进行分割[9]、[10]。虽然这种分割提高了安全性并加速了施工过程[11]，但它导致了BIM模型与实际建造数据之间的脱节。这种差异阻碍了基于BIM的自动化数量统计方法的广泛应用[12]。
在运营和维护阶段，标准化信息对于维护至关重要，然而在隐蔽的MEP系统中定位和解决问题仍然具有挑战性[13]。在拆除阶段，组件重用是实现价值最大化的关键策略[14]。然而，由于缺乏既定的程序，拆卸和回收方法的整合受到阻碍，而且由于组件和子组件的信息不完整[15]、[16]、[17]，拆卸顺序的规划也受到影响。这些生命周期挑战突显了三个主要障碍，阻碍了BIM的有效应用：初始建模阶段经常缺乏系统级信息；系统连接性的随意中断导致数据混乱；以及无法自动形成用于生产、安装和维护的模块化块，这通常需要费力且效率低下的手动组件选择来进行语义增强。这些问题在图1中得到了全面说明。虽然这里是在BIM的背景下讨论的，但这代表了众多工程领域中的一个常见计算挑战，即如何从大量数据集中高效地根据组件的连接性和物理形状检索组件组合。
为了解决这些挑战，本研究提出了一种分层MEP系统分解框架，该框架将系统结构化为功能“块”、空间“层次”和完整的连接网络。该框架通过两阶段混合拓扑-几何匹配方法实现，该方法结合了初始的拓扑图匹配搜索和后续的组件级几何验证。这种方法的主要优势在于它能够在建模阶段或之后按需定义块，从而直接支持组件量化，并解决了模型与实际建造数据之间的关键脱节问题。此外，这种结构良好的框架为预防性检查和模块化维护提供了指导，类似于航空行业的做法[18]，并为未来的改造、选择性拆除和组件重用奠定了坚实的数据基础。
本文的其余部分安排如下：第2节回顾了BIM语义增强和组件组检索的相关工作。第3节详细介绍了所提出的系统框架和方法。第4节展示了该框架的实验评估结果。第5节讨论了研究结果，第6节总结了本文并概述了未来的工作方向。
节选内容
BIM语义增强
Industry Foundation Classes (IFC) 标准是一种成熟的、供应商中立的数据模型，旨在通过促进语义丰富的3D BIM模型之间的交换来提高互操作性[19]、[20]。然而，在不同的BIM创建和处理工具之间进行数据交换时，经常会发生数据丢失，给项目相关方带来软件兼容性和互操作性方面的重大挑战[21]、[22]、[23]。这些问题激发了对语义增强的需求
MEP子系统的层次化定义
为了实现对复杂MEP系统的结构化、多维度分析和管理，本文首先建立了一个三级框架来定义子系统。该框架将庞大的MEP网络分解为三个不同粒度的层次——功能层、空间层和系统特定层，为后续的系统分解提供了明确的目标（见图2）。
第1层：块。 这代表系统内最小的、可重用的、功能独立的单元。
实验评估与结果
为了全面验证所提出方法的有效性和效率，进行了一系列实验。评估首先测试了检索算法的准确性、稳定性和计算效率。随后，评估了该方法在复杂场景中识别重复模式的鲁棒性。最后，验证了完整的“检索并分配”工作流程，以确认其能够高效准确地填充IfcSystem信息
讨论
本研究的核心贡献有两个方面：一是MEP系统分解和语义增强的框架，二是为其实现开发的一种新颖的混合拓扑-几何匹配方法。该算法本身具有领域通用性，适用于任何大规模图形的模式识别。在本研究中使用复杂的BIM数据集对其进行验证，证明了这种方法适用于其他工程领域的适应性。
实验结果
结论与未来工作
为了解决BIM在预制MEP系统生命周期应用中的信息丢失和管理效率低下的问题，成功开发并验证了一种基于混合拓扑-几何匹配方法的半自动化MEP系统分解和语义增强框架。通过创新的双重匹配和验证机制，该方法能够准确高效地识别BIM模型中的重复功能模块，并构建相应的结构
CRediT作者贡献声明
张卓豪：撰写——原始草案、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。陈伟娅：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。蔡建华：方法论、调查、概念化。罗汉斌：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。斯基布涅夫斯基·米罗斯拉夫：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3809700）和国家自然科学基金（项目编号：72001086）的支持。
