基于IFC的數(shù)據(jù)模型和幾何可視化解析

摘 要：建筑工程行業(yè)從業(yè)者期望出現(xiàn)一種可以將設(shè)計(jì)、建造、建筑物業(yè)主、經(jīng)營(yíng)者創(chuàng)建溝通并提供處理工程項(xiàng)目所需要的即時(shí)相關(guān)信息的新技術(shù)，即BIM技術(shù)。然而，由于信息模型集合的復(fù)雜性，在實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)建筑信息模型的使用中，很多商用軟件公司采用自行開發(fā)的建筑信息模型運(yùn)用規(guī)范和框架，并采用自己創(chuàng)建的軟件生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，使得每個(gè)公司開發(fā)出來的產(chǎn)品所描述的信息并不能被有效的互用。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn);信息共享

0引言

在橋梁工程領(lǐng)域，無論是在科研方面或?qū)嶋H應(yīng)用方面，BIM 技術(shù)的探索主要集中于橋梁工程的施工與管理階段，且各個(gè)環(huán)節(jié)仍是各自相互獨(dú)立運(yùn)作，大多數(shù)還是局限于單個(gè)過程中的某個(gè)環(huán)節(jié)，從設(shè)計(jì)到施工以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)之間的信息數(shù)據(jù)傳遞都需要大量人力介入對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)解析，這樣使得各個(gè)過程之間的信息傳遞效率相當(dāng)?shù)拖?，工作量陡增[1]。

為解決信息互用和共享困難的實(shí)際情況，本文以鋼板組合梁橋的IFC文件創(chuàng)建和幾何可視化展示為例，介紹基于IFC文件的信息描述和數(shù)據(jù)傳遞的流程。

1基于IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的幾何信息描述

1.1采用IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的必要性

IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際協(xié)同工作聯(lián)盟（International Alliance for Interoperability，IAI）制定，旨在解決建筑全生命周期中信息互用困難，信息數(shù)據(jù)交換低下的問題。通過定義用于描述工程項(xiàng)目中產(chǎn)品、人員、過程、資源等信息的公開、中立的數(shù)據(jù)模型，以此作為不同軟件應(yīng)用平臺(tái)之間的信息轉(zhuǎn)遞中介，來支持建筑行業(yè)內(nèi)不同軟件、信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享[2]。引入IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)之后的信息傳遞模式將發(fā)生如下圖所示的變化。

1.2 IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)

IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基本架構(gòu)是用來描述和處理工程項(xiàng)目各種信息的結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，將工程項(xiàng)目全生命周期中需要處理的實(shí)際信息分門別類，并將需要定義的數(shù)據(jù)規(guī)劃組織，通過創(chuàng)建一定的層級(jí)關(guān)系，更好的描述不同分類標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)據(jù)組成[3][4]。IFC的數(shù)據(jù)架構(gòu)定義了共4個(gè)層級(jí)，分別為資源層，核心層，互用層和領(lǐng)域?qū)樱c常見的軟件框架一樣，四個(gè)層級(jí)由下往上逐層給上一層級(jí)提供服務(wù)，每個(gè)層級(jí)之間不能相互調(diào)用。只能往下引用對(duì)應(yīng)的層級(jí)。

1.3 IFC實(shí)體語義描述及映射

IFC數(shù)據(jù)實(shí)體采用EXPRESS語言描述，EXPRESS語言是STEP標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο蟮男问交臄?shù)據(jù)建模語言，EXPRESS不是計(jì)算機(jī)編程語言，而是一種規(guī)范化、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)描述語言。因此首先需要采用EXPRESS描述文件對(duì)實(shí)體進(jìn)行描述，之后與對(duì)應(yīng)的編程語言建立映射關(guān)系，最后通過預(yù)編譯系統(tǒng)將語義索引的地址開放供編程語言調(diào)用來獲取對(duì)應(yīng)的實(shí)體描述信息[5]。IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)體均需要對(duì)應(yīng)的語義描述和映射關(guān)系確定，下面以簡(jiǎn)單的實(shí)例來介紹實(shí)體對(duì)應(yīng)信息的描述，如對(duì)IfcObject實(shí)體的EXPRESS語言描述，在相關(guān)的技術(shù)文檔中采用如圖2所示的EXPRESS描述語言。

可以看到，采用EXPRESS語言對(duì)IfcObject實(shí)體的信息描述相當(dāng)簡(jiǎn)單，即定義了IfcObject實(shí)體的屬性為抽象類型，作為IfcObjectcDefination實(shí)體的子類，并定義了反屬性，條件屬性等，定義的屬性類型均用黑體關(guān)鍵字給出。根據(jù)對(duì)應(yīng)的EXPRESS描述的信息，可以對(duì)IFC文件中包含實(shí)體的類型進(jìn)行寫入和語義解析，這與對(duì)應(yīng)的IfcObject實(shí)體定義一致。

由IfcObject實(shí)體屬性示意圖看到，對(duì)于EXPRESS語言描述的語義，在數(shù)據(jù)文件中可以找到對(duì)應(yīng)的實(shí)體屬性。該實(shí)體屬性可以被編程語言使用，并通過文件索引反向找到EXPRESS語義描述。

這里以IfcObject實(shí)體為例簡(jiǎn)單介紹了IFC文件實(shí)體語義描述和對(duì)應(yīng)映射關(guān)系確定，對(duì)于IFC文件中的700多個(gè)不同的實(shí)體的語義關(guān)系的建立采取同樣的模式。即定義對(duì)應(yīng)的EXPRESS描述文件，并定義相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過編譯器預(yù)編譯開放語義關(guān)系文件索引，最后通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)體語義的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)IFC數(shù)據(jù)實(shí)體的描述。在建立語義映射關(guān)系之后，使用編程語言調(diào)用對(duì)應(yīng)的文件索引地址去調(diào)取對(duì)應(yīng)的EXPRESS描述，來實(shí)現(xiàn)IFC文件的讀寫，并存儲(chǔ)相關(guān)信息。

2簡(jiǎn)支鋼板梁橋各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)模型的創(chuàng)建

簡(jiǎn)支鋼板梁橋的模型創(chuàng)建需要對(duì)模型的各個(gè)組件進(jìn)行單獨(dú)描述并組裝，為了避免重復(fù)描述，本文以主梁為例，介紹數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建過程。

主梁在IFC技術(shù)文檔中有多種描述方式，為了更加準(zhǔn)確的表達(dá)并為后續(xù)加勁板的定位以及主梁的精細(xì)化程度，這里采用IfcElementAssembly作為主梁的表達(dá)實(shí)體，其中的IfcElementAssembly又以IfcPlate作為聚合的子實(shí)體。這樣主梁的幾何表達(dá)模型可以精細(xì)到單獨(dú)的板單元，從而可以保留對(duì)板單元之間連接關(guān)系信息描述的定義。為了適應(yīng)道路線型的變化，采用IfcSectionedSolidHorizontal實(shí)體對(duì)IfcPlate實(shí)體的幾何體特征進(jìn)行描述。以IfcElementAssembly作為主梁表達(dá)實(shí)體的最終幾何表達(dá)如圖4所示?？梢钥吹讲捎肐fcSectionedSolidHorizontal實(shí)體描述的縱梁板單元適應(yīng)線型走向。

3結(jié)語

BIM模型的幾何表達(dá)是這些信息傳遞的容器，它應(yīng)存放豐富的信息，并將這些分散獨(dú)立的信息通過可視化進(jìn)行直觀展示，從而給全生命周期中的決策行為提供可靠的信息支撐。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模中，工程人員首先需要依靠以往經(jīng)驗(yàn)擬定出大致的尺寸，并做相關(guān)的計(jì)算得出初步的方案，再將擬定方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模型的驗(yàn)證。最后將驗(yàn)證通過的數(shù)據(jù)作為三維建模的幾何尺寸，重新創(chuàng)建一個(gè)三維模型作為可視化表達(dá)。這一設(shè)計(jì)過程完全可以簡(jiǎn)化為生成一個(gè)IFC格式的文件，并將其鏈接到對(duì)應(yīng)的有限元模型和計(jì)算模型中，后續(xù)的設(shè)計(jì)變動(dòng)和主要結(jié)構(gòu)的變更通過修改IFC文件達(dá)到對(duì)應(yīng)模型和計(jì)算模型的變更，從而減少變更之后重復(fù)建模和重復(fù)計(jì)算的分析的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] Fuller S， Petersen S. LIFE-CYCLE COSTING MANUAL for the Federal Energy Management Program， NIST Handbook 135， 1995 Edition[R]. 1996.

[2] Wikipedia.Building Information Modeling[EB/OL].[2020-2-17]. https：//zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BB%BA%E7%AF%89%E4%BF%A1%E6%81%AF%E6%A8%A1%E5%9E%8B.

[3] Chipman T， Costin A， Eastman C， et al. Bridge Information Modeling Standardization--Report Introduction[G]//Rep. to National Institute of Building Sciences， April， Washington， DC. 2016.

[4] 陳家燁. 基于BIM與數(shù)據(jù)映射技術(shù)的結(jié)構(gòu)信息傳遞[D]. 大連理工大學(xué)， 2016.

[5] 呂凱垣，徐俊.基于IFC4×1的橋梁信息建模與結(jié)構(gòu)分析模型數(shù)據(jù)映射[D].上海.同濟(jì)大學(xué)，2019

作者簡(jiǎn)介：傅仲敏（1994—），男，浙江金華，碩士，主要研究方向?yàn)闃蛄涸O(shè)計(jì)。