語(yǔ)義網(wǎng)賦能建筑信息交付及模型數(shù)據(jù)模式分析

劉吉明　段立平　林思偉　繆季　趙金城

摘要：針對(duì)以建筑信息模型（BIM）進(jìn)行交付的信息共享模式所依賴的工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)適用性不足且難以拓展的問(wèn)題，探討在IFC基礎(chǔ)上引入語(yǔ)義網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異源數(shù)據(jù)集成共享，并于語(yǔ)義層面實(shí)現(xiàn)信息交付。首先，通過(guò)算法解析和模型轉(zhuǎn)化介紹語(yǔ)義化建模方法，并以二層鋼框架廠房結(jié)構(gòu)為例對(duì)該方法進(jìn)行說(shuō)明；然后，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化案例進(jìn)行數(shù)據(jù)模式分析，以驗(yàn)證建筑信息交付的準(zhǔn)確性和建筑語(yǔ)義的可傳遞性。案例實(shí)踐論證基于IfcOWL本體的語(yǔ)義化建模方法的可實(shí)施性；通過(guò)分析該語(yǔ)義化模型單元實(shí)例的數(shù)據(jù)模式，探究制約該語(yǔ)義化建模方法賦能建筑信息交付的關(guān)鍵因素；針對(duì)語(yǔ)義化建模方法所面臨的問(wèn)題，提出冗余信息規(guī)避、領(lǐng)域本體開發(fā)和輕量化語(yǔ)義建模的初步解決思路。SPARQL查詢實(shí)例表明，所解析的數(shù)據(jù)模式對(duì)規(guī)避冗余信息有效。因此，該方法在共享和集成建筑多源異構(gòu)信息方面具有優(yōu)勢(shì)，能有效提升建筑信息管理的智能化水平。

關(guān)鍵詞：建筑信息交付；語(yǔ)義網(wǎng)；數(shù)據(jù)模式分析；工業(yè)基礎(chǔ)類；建筑信息模型

中圖分類號(hào)：TU205；TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：2096-6717（2024）01-0244-10

Building information delivery and model schema analysis empowered by Semantic Web

LIU Jiminga， DUAN Lipinga，b， LIN Siweia， MIAO Jia， ZHAO Jinchenga，b

（a. School of Naval Architecture， Ocean and Civil Engineering； b. Shanghai Key Laboratory for Digital Maintenance of Buildings and Infrastructure， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， P. R. China）

Abstract：? In the construction industry， information sharing by the building information modeling （BIM） generally relies on the industry foundation classes （IFC） schema， but the latter，s unsatisfactory adaptability and inextensibility restrain the former. To overcome the limitations， the Semantic Web was introduced based on the IFC schema to realize heterogeneous data integration and sharing and further achieve semantic-level information delivery. Firstly， the semantic modeling method was introduced through algorithm analysis and model transformation. Secondly， this method was used to create a semantic model for a two-story steel frame building. Finally， the schema of this model was verified for accuracy of the building information delivery and the transferability of the building semantics. The practicability of the semantic modeling method with IfcOWL ontology was supported by the modeling case. The key factors that restrain this semantic modeling method from empowering building information delivery was explored by analyzing the schema of the element of the semantic model. And introductory ideas about redundant information avoidance， domain ontology development， and lightweight semantic modeling were proposed to fill the gap. The SPARQL query case shows that the parsed schema is effective for avoiding redundant information. Consequently， this method has advantages in sharing and integrating multi-source heterogeneous building information and can effectively improve the intelligent level of building information management.

Keywords： building information delivery； Semantic Web； data schema analysis； industry foundation classes （IFC）； building information modeling （BIM）

在推行數(shù)字化建造的過(guò)程中，項(xiàng)目各方信息流通困難、專業(yè)軟件數(shù)據(jù)格式各異、建筑信息多源異構(gòu)及大數(shù)據(jù)特征等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。這些涉及信息集成、流通與管理的問(wèn)題可統(tǒng)稱為信息交付問(wèn)題，而傳統(tǒng)碎片化、分散式的交付方式已無(wú)法滿足數(shù)字化建造需求，因此亟需革新建筑信息交付方式以打破信息孤島壁壘。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)及其信息交付標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Class，IFC）的興起為上述問(wèn)題帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。IFC是由buildingSMART International（bSI）提出的開放且中立的數(shù)據(jù)交換格式，其通過(guò)描述建筑模型的幾何架構(gòu)、語(yǔ)義架構(gòu)以及二者的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑信息的完整描述。也正因如此，IFC被認(rèn)為適用于建筑全生命周期中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)交換場(chǎng)景。例如，劉照球等[1]基于BIM的模型集成框架、賴華輝等[2]基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息共享方法、馬智亮等[3]基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑能耗監(jiān)測(cè)靜態(tài)信息模型都有效提升了信息交付效率。然而，由于IFC標(biāo)準(zhǔn)存在編寫語(yǔ)言普及程度低和數(shù)據(jù)架構(gòu)復(fù)雜、難以拓展的問(wèn)題[4]，該技術(shù)仍無(wú)法解決信息交付難題。

此外，通過(guò)建立數(shù)學(xué)表達(dá)式或開發(fā)算法來(lái)建立數(shù)學(xué)模型的方法也是一種可行的數(shù)據(jù)集成方式，比如魏國(guó)海等[5]的火災(zāi)損傷多元信息融合模型、Liu等[6]基于數(shù)字孿生的信息融合框架，以及張立奎等[7]用于橋梁變形重構(gòu)的基于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多元信息融合方法。但現(xiàn)有的數(shù)學(xué)建模方法無(wú)法涵蓋所有相關(guān)因素，并且所建模型高度抽象，故而也難以在實(shí)踐中得到推廣。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者在IFC標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上引入語(yǔ)義網(wǎng)以克服其局限性。首先，介紹語(yǔ)義網(wǎng)核心技術(shù)架構(gòu)，并分析語(yǔ)義網(wǎng)拓展IFC功能的可行性。然后，利用Pauwels等[8]提出的轉(zhuǎn)化方法執(zhí)行建筑信息語(yǔ)義化建模，通過(guò)驗(yàn)證所建模型數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)明該方法的可行性。最后，分析所建模型的數(shù)據(jù)模式以探討制約該技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的關(guān)鍵因素，并基于分析的數(shù)據(jù)模式提出冗余信息規(guī)避的可行方法。

1 語(yǔ)義網(wǎng)核心技術(shù)與IFC功能拓展

語(yǔ)義網(wǎng)是萬(wàn)維網(wǎng)之父Berners-Lee等[9]于1998年提出的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在解決“傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僅作為給用戶提供文檔的媒介而無(wú)法直接處理數(shù)據(jù)信息”的問(wèn)題。該技術(shù)的主旨是通過(guò)機(jī)器可理解的統(tǒng)一信息描述來(lái)共享暫存信息，而這一功能特征恰與建筑業(yè)亟需解決的信息交付難題高度契合。正因如此，語(yǔ)義網(wǎng)賦能建筑信息交付得到學(xué)者廣泛探究。其中，專研建筑信息智能化的國(guó)際組織bSI不僅成立鏈接數(shù)據(jù)工作組（Linked Data Working Group，LDWG）來(lái)實(shí)現(xiàn)IfcOWL本體的標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)還將語(yǔ)義網(wǎng)納入其技術(shù)路線圖[10]。

1.1 語(yǔ)義網(wǎng)核心技術(shù)

Berners-Lee最早提出了語(yǔ)義網(wǎng)基本架構(gòu)，其逐步發(fā)展完善為現(xiàn)行的語(yǔ)義網(wǎng)堆棧[11]。該技術(shù)架構(gòu)下的資源描述框架（Resource Description Framework，RDF）、本體與網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（Web Ontology Language，OWL）以及SPARQL（SPARQL Protocol and RDF Query Language）三項(xiàng)核心技術(shù)為其數(shù)據(jù)表示、邏輯推理和知識(shí)查詢功能提供支持。

RDF是萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟（World Wide Web Consortium，W3C）提出的以相互關(guān)聯(lián)的有向標(biāo)記圖描述資源信息的標(biāo)準(zhǔn)框架。通過(guò)以主體-謂詞-客體的三元組表達(dá)式描述資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)，進(jìn)而為語(yǔ)義化建模和知識(shí)查詢推理奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本體和OWL是語(yǔ)義網(wǎng)體系中賦予模型高級(jí)知識(shí)邏輯的關(guān)鍵模塊。本體原為哲學(xué)領(lǐng)域概念，知識(shí)工程引入該術(shù)語(yǔ)以創(chuàng)建自動(dòng)推理信息模型。OWL特指W3C推行的OWL2網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言，是一種旨在表述事物、事物組及事物間關(guān)系所蘊(yùn)含知識(shí)的陳述性語(yǔ)言。在語(yǔ)義網(wǎng)架構(gòu)中，把基于OWL概念創(chuàng)建的RDF圖稱為OWL本體，用以彌補(bǔ)RDFS（Resource Description Framework Schema）語(yǔ)義豐富度不足的缺陷。圖1所示是W3C倡議的OWL2本體的分類架構(gòu)和主要配置文件[12]，其中OWL2 DL本體在知識(shí)推理工具中應(yīng)用最廣。其原因在于OWL2 DL可產(chǎn)生與SROIQ描述邏輯兼容的語(yǔ)義，且根據(jù)相似理論[13]，其推論足夠可信，故推理工具可參照描述邏輯的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)。

SPARQL是基于圖模式匹配的RDF查詢語(yǔ)言，可跨數(shù)據(jù)源作聯(lián)合查詢并返回RDF圖。SPARQL可對(duì)匹配圖模式作增刪查改，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)RDF數(shù)據(jù)集的動(dòng)態(tài)更新。除查詢外，知識(shí)推理也是語(yǔ)義網(wǎng)的重要功能。語(yǔ)義網(wǎng)不僅有源自RDFS和OWL的推理邏輯，還可借由SWRL、SPIN和SHACL規(guī)則語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)高級(jí)知識(shí)推理。此外，輔助本體開發(fā)的本體推理也是一種知識(shí)推理形式[14]。

1.2 語(yǔ)義網(wǎng)拓展IFC信息交付功能

在實(shí)際信息交付場(chǎng)景中，IFC標(biāo)準(zhǔn)所面臨的主要問(wèn)題是數(shù)據(jù)模式難以拓展和信息提取修改困難。通過(guò)分析各問(wèn)題致因以及語(yǔ)義網(wǎng)處理該問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，論證了語(yǔ)義網(wǎng)拓展IFC信息交付功能的可行性。

拓展性問(wèn)題是指難以擴(kuò)充既定的IFC數(shù)據(jù)模式來(lái)滿足個(gè)性化的信息表述需求，該問(wèn)題主要源于定義數(shù)據(jù)模式的EXPRESS語(yǔ)言。首先，這是一種不常用的聲明性語(yǔ)言，難以被建筑業(yè)用戶所掌握；其次，該語(yǔ)言可定義的信息類型繁雜（可同時(shí)定義實(shí)體、關(guān)系、規(guī)則及復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），故由其聲明的IFC數(shù)據(jù)模式復(fù)雜且難以擴(kuò)展。bSI針對(duì)該問(wèn)題提供了自定義屬性集和數(shù)據(jù)字典的解決方案，但前者難以實(shí)現(xiàn)術(shù)語(yǔ)對(duì)齊，后者缺乏靈活性而無(wú)法提供有效幫助。語(yǔ)義網(wǎng)能夠集成本體和描述邏輯對(duì)各領(lǐng)域信息進(jìn)行個(gè)性化知識(shí)表示，然后依托本體映射實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義層面的一致性匹配，進(jìn)而將IFC兼容信息與其他信息進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)。因此，語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)可有效解決IFC標(biāo)準(zhǔn)面臨的拓展性難題。

IFC標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)問(wèn)題是缺乏高效的信息查改方法。IFC-SPF文件是基于IFC數(shù)據(jù)模式編寫的純文本文件，該文件不僅可讀性差，而且難以對(duì)IFC語(yǔ)句進(jìn)行修改。Mazairac等[15]曾為此提出了一種檢索IFC信息的查詢語(yǔ)言BIMQL，但該方法不僅只能用于信息查詢，還難以被用戶掌握，故未得到廣泛應(yīng)用。在語(yǔ)義網(wǎng)被引入建筑領(lǐng)域后，Krijnen等[16]隨即提出利用SPARQL來(lái)彌補(bǔ)BIMQL存在的不足。其原因在于：首先，SPARQL用法與SQL語(yǔ)言類似，容易被用戶所掌握；其次，SPARQL可直接對(duì)RDF圖進(jìn)行增刪改查；并且用戶還能通過(guò)SPARQL對(duì)SPARQL端點(diǎn)中的RDF數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，有助于開發(fā)項(xiàng)目信息管理的云服務(wù)。

除以上優(yōu)勢(shì)外，語(yǔ)義網(wǎng)的知識(shí)推理功能有助于高效利用建筑信息。在項(xiàng)目管理過(guò)程中，所集成數(shù)據(jù)增多，隱含知識(shí)也隨即陡增。而挖掘隱含知識(shí)對(duì)于開發(fā)項(xiàng)目管理服務(wù)是有益的。如，Wu等[17]將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的人的施工行為信息與人和構(gòu)件空間關(guān)系信息集成，再引入從施工技術(shù)規(guī)范中轉(zhuǎn)化的SWRL規(guī)則，識(shí)別了危險(xiǎn)施工行為。因此，語(yǔ)義網(wǎng)有助于讓IFC表達(dá)的信息切實(shí)服務(wù)于實(shí)際工程。

2 IFC標(biāo)準(zhǔn)賦能BIM信息集成共享

鑒于在IFC模型基礎(chǔ)上進(jìn)行語(yǔ)義化建模，故對(duì)IFC模型的生成方式和信息轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行分析。

2.1 模型視圖定義

模型視圖定義（Model View Definition，MVD）是對(duì)BIM模型作數(shù)據(jù)篩選輸出IFC模型的過(guò)濾器。其興起的原因在于隨著BIM信息交付所涉及領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張，IFC標(biāo)準(zhǔn)面向不同專業(yè)的數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題愈發(fā)突出，因此，bSI推出MVD作為IFC標(biāo)準(zhǔn)的子集以適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

bSI在其MVD數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了MVD的所有可用版本，而在建筑業(yè)BIM軟件中得到應(yīng)用的分別是IFC 2×3協(xié)調(diào)視圖2.0（Coordination View 2.0，CV 2.0）、IFC4參照視圖及IFC4設(shè)計(jì)傳遞視圖。其中CV 2.0在各類軟件中兼容性最好，應(yīng)用也最為廣泛。但bSI正在積極推進(jìn)IFC4標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)MVD的研發(fā)與推廣，從視圖所涉范圍的廣度和更新速度來(lái)看，IFC4全面取代IFC 2×3標(biāo)準(zhǔn)是必然趨勢(shì)。

2.2 不同IFC模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

為對(duì)比經(jīng)不同MVD輸出IFC模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率，選取如圖2所示的雙層鋼框架廠房結(jié)構(gòu)作案例分析。利用集成式IFC解析器（https：//github.com/Autodesk/revit-IFC）從Revit中以CV 2.0、參照視圖和設(shè)計(jì)傳遞視圖分別輸出IFC模型，將其分別讀取并匯總信息，如表1所示。在所有輸出模型中，參照視圖（結(jié)構(gòu)）丟失信息最為嚴(yán)重，該視圖因忽略樓板的信息輸出，直接導(dǎo)致實(shí)體總數(shù)異常；CV2.0因?qū)α簩?shí)體的區(qū)分只考慮構(gòu)件截面類型而忽視建模方法與梁長(zhǎng)差異，故輸出的實(shí)體關(guān)系信息偏少；至于設(shè)計(jì)傳遞視圖，由于其材料關(guān)系定義采取實(shí)例與材性映射方式，因而此關(guān)系數(shù)目多于其他輸出結(jié)果，從語(yǔ)義化建模角度來(lái)看，這種表達(dá)形式能夠涵蓋更完備的構(gòu)件信息，有助于提高語(yǔ)義化建模精度。

針對(duì)該案例的樓板信息轉(zhuǎn)化結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)比各輸出模型轉(zhuǎn)化效率。樓板采用壓型鋼板-混凝土組合樓板，Revit建模時(shí)采用雙層組合形式。在樓板的信息轉(zhuǎn)化過(guò)程中，參照視圖與CV 2.0只能將其簡(jiǎn)化為單層混凝土構(gòu)件；并且前者還縮減了樓板的實(shí)體關(guān)系，尤其是材料關(guān)系的輸出，導(dǎo)致建筑信息嚴(yán)重丟失。而設(shè)計(jì)傳遞視圖對(duì)于組合樓板的信息轉(zhuǎn)化效果明顯優(yōu)于前述視圖，該視圖不僅有效保留了構(gòu)件應(yīng)有的實(shí)體關(guān)系，還能將組合樓板以雙層形式正常輸出。因此，設(shè)計(jì)傳遞視圖輸出模型在保真度和信息豐富度方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 建筑信息語(yǔ)義化建模及其轉(zhuǎn)化機(jī)制

語(yǔ)義化建模旨在以RDF對(duì)IFC實(shí)體信息作資源虛擬化。針對(duì)此轉(zhuǎn)化需求，Karan等[18]通過(guò)集成自定義BIM本體與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）本體來(lái)處理IFC屬性，進(jìn)而生成BIM與GIS集成的RDF模型；W3C則致力于研發(fā)以BOT（Building Topology Ontology）為代表的輕量化本體[19]，并且由Bonduel等[20]開發(fā)出的IFCtoLBD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了基于BOT本體的RDF建模；此外，Niknam等[21]也提出了一種可用于建筑信息共享的通用本體BIMSO。與上述3種方法相比，Pauwels等[8]倡議的基于IfcOWL本體的轉(zhuǎn)化方法能夠?qū)FC兼容的所有建筑信息執(zhí)行語(yǔ)義化建模，在適用性與技術(shù)成熟性方面更具優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用其開發(fā)的IFCtoRDF-0.4轉(zhuǎn)換器（https：//github. com/pipauwel/IFCtoRDF）作語(yǔ)義化建模。

對(duì)于已開發(fā)的IfcOWL本體而言，IFC4對(duì)應(yīng)本體相較于IFC 2×3對(duì)應(yīng)本體在類層次關(guān)系及公理數(shù)目上更具優(yōu)越性，再結(jié)合前文各IFC模型的轉(zhuǎn)化效果，最終選定設(shè)計(jì)傳遞視圖輸出模型進(jìn)行語(yǔ)義化建模。建模步驟分為IFC-SPF文件向Turtle文件轉(zhuǎn)化和引入IfcOWL本體實(shí)現(xiàn)高階語(yǔ)義賦能。在JDK17的編譯環(huán)境中啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器并執(zhí)行文件轉(zhuǎn)化，然后將初始RDF模型導(dǎo)入Protégé本體編輯器，最后用IfcOWL本體為該模型賦予建筑語(yǔ)義內(nèi)涵。

3.1 IFC to RDF轉(zhuǎn)化算法解析

為明晰轉(zhuǎn)換器的工作原理，通過(guò)IntelliJ IDEA將其運(yùn)行于maven項(xiàng)目，并對(duì)其轉(zhuǎn)化機(jī)制作源碼分析。如圖3所示，主程序涵蓋了IFC模型轉(zhuǎn)化從參數(shù)輸入到初始RDF模型輸出的全過(guò)程；程序根據(jù)命令行參數(shù)自動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)化模式，依次調(diào)用showFile（ ）、setup（ ）與convert（ ）方法執(zhí)行文件讀取、規(guī)范設(shè)置和格式轉(zhuǎn)化，并最終輸出初始RDF模型。其setup（ ）方法用于確定IFC標(biāo)準(zhǔn)的版本并導(dǎo)入為文件轉(zhuǎn)化提供規(guī)范參照的序列化文件；convert（ ）方法則實(shí)現(xiàn)了文件解析、本體注冊(cè)、資源創(chuàng)建以及三元組編寫。鑒于此二者在文件轉(zhuǎn)化中的重要作用，圖3也對(duì)其運(yùn)行流程予以展示。為提升所繪流程圖的可讀性，對(duì)某些不可能發(fā)生的條件分支進(jìn)行甄別。例如，在轉(zhuǎn)化模塊的紅框標(biāo)識(shí)步驟，參照合法IFC語(yǔ)句，不會(huì)將Type類型實(shí)體作為其實(shí)體聲明，把程序針對(duì)該情況對(duì)應(yīng)的條件分支予以省略。

轉(zhuǎn)換器執(zhí)行文件轉(zhuǎn)化的核心步驟包括參考標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入、IFC語(yǔ)句解析和三元組編寫。在設(shè)置模塊中，通過(guò)反序列化IFC標(biāo)準(zhǔn)的序列化文件導(dǎo)入?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)；在轉(zhuǎn)化模塊加粗藍(lán)框標(biāo)識(shí)步驟中，調(diào)用 parseIfcLineStatement（ ）解析IFC語(yǔ)句；三元組則在轉(zhuǎn)化模塊不同步驟中根據(jù)其類別調(diào)用特定方法予以編寫。為分析語(yǔ)句解析的基本邏輯，繪制如圖4（a）所示的算法偽代碼。圖示switch分支語(yǔ)句的前兩項(xiàng)分別完成語(yǔ)句編號(hào)和實(shí)體名稱的解析，后兩項(xiàng)則聯(lián)合完成括號(hào)內(nèi)各屬性值的解析。在該算法中，程序主要利用IFC語(yǔ)句的特定字符對(duì)控制條件state作調(diào)控，進(jìn)而執(zhí)行恰當(dāng)?shù)姆种дZ(yǔ)句以完成語(yǔ)句解析。另外，對(duì)于屬性值為數(shù)組甚至是多維數(shù)組的復(fù)雜情形，程序則利用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層解析。

IFC語(yǔ)句對(duì)應(yīng)三元組主要源于屬性信息的轉(zhuǎn)化，如圖3中屬性轉(zhuǎn)化子模塊所示，程序?qū)⒁罁?jù)屬性值所屬類型來(lái)執(zhí)行相應(yīng)分支語(yǔ)句，進(jìn)而編寫三元組。分析了字符串屬性值轉(zhuǎn)化分支的運(yùn)行邏輯，并將該分支調(diào)用的fillPropertiesHandleStringObject（ ）方法的算法偽代碼繪圖如圖4（b）所示。此算法的核心在于識(shí)別屬性類別以及創(chuàng)建并添加屬性資源集合鍵值對(duì)，主要遵循從字面值賦值到頂層屬性賦值這一自下而上的邏輯。對(duì)于轉(zhuǎn)化過(guò)程中遇到的非常規(guī)情況，將以不同級(jí)別示警在運(yùn)行日志中予以提示。其余轉(zhuǎn)化分支雖然具體流程與前述算法略有區(qū)別，但轉(zhuǎn)化邏輯類似，可參照理解。

利用此轉(zhuǎn)換器輸出雙層鋼框架廠房的初始RDF模型并導(dǎo)入Protégé應(yīng)用程序，由于轉(zhuǎn)化過(guò)程已基于Apache Jena框架實(shí)現(xiàn)本體類的注冊(cè)，故可引入IfcOWL完成建筑語(yǔ)義賦能。

4 語(yǔ)義化建筑信息模型數(shù)據(jù)模式分析

為探討基于IfcOWL語(yǔ)義化建模方法未得到有效使用的可能原因，對(duì)語(yǔ)義化模型單元實(shí)例的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行分析。鑒于RDF模型數(shù)據(jù)模式的通用性，此內(nèi)容也將為建筑信息的知識(shí)存取與邏輯推理研究提供技術(shù)參照。

4.1 建筑單元實(shí)例屬性分析

建筑單元實(shí)例是指具體構(gòu)件的實(shí)例對(duì)象。圖5所示為分析案例涉及到的梁、板、柱構(gòu)件的繼承關(guān)系；圖示層次關(guān)系采取了與IFC模式一致的類繼承方式，故而兩種信息表達(dá)方式在類層次關(guān)系上具有一致性。

在RDF模型中，建筑單元實(shí)例的語(yǔ)義化描述均由圖6所示語(yǔ)義層次關(guān)系表示。如圖6所示，單元實(shí)例所具有的屬性皆為對(duì)象屬性，各屬性所在三元組主體（定義域）皆為實(shí)例對(duì)象本身，三元組客體（值域）為字面值或RDF資源。其中賦值三元組直接闡述了建筑單元的名稱、標(biāo)簽和類型信息，3個(gè)RDF子圖涵蓋了業(yè)主歷史、對(duì)象布置和幾何表示的相關(guān)信息。此外，圖6所示圖例說(shuō)明了在執(zhí)行數(shù)據(jù)模式分析時(shí)使用的各節(jié)點(diǎn)符號(hào)的具體含義。

4.2 梁柱單元數(shù)據(jù)模式分析

梁柱單元是鋼框架結(jié)構(gòu)主要的構(gòu)件形式，因此，選取圖2中標(biāo)識(shí)的單元實(shí)例IfcBeam_4072和IfcColumn_421進(jìn)行數(shù)據(jù)模式分析，通過(guò)分析所選單元數(shù)據(jù)模式的建筑內(nèi)涵來(lái)驗(yàn)證信息傳遞的準(zhǔn)確性和語(yǔ)義可傳遞性。由于業(yè)主歷史屬性的層次關(guān)系簡(jiǎn)單，因此數(shù)據(jù)模式分析主要聚焦于對(duì)象布置和幾何表示屬性。

4.2.1 梁?jiǎn)卧獢?shù)據(jù)模式

圖7展示了IfcBeam_4072對(duì)象布置屬性的數(shù)據(jù)模式。該屬性主要用于聲明對(duì)象的局部坐標(biāo)系，進(jìn)而確定構(gòu)件單元的空間方位。單元實(shí)例通過(guò)objectPlacement屬性與自身局部坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)。然后，該局部坐標(biāo)系通過(guò)placementRelTo屬性依次建立起與其他局部坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，直至關(guān)聯(lián)到模型的全局坐標(biāo)系。圖示IfcAxis2Placement3D實(shí)體源自規(guī)范ISO 10303-42，用于以單個(gè)笛卡爾點(diǎn)和兩個(gè)正交軸來(lái)聲明空間方位或放置坐標(biāo)系。圖示該實(shí)體均用于放置三維坐標(biāo)系，其中笛卡爾點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，參考方向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系X方向，軸方向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系Z方向。此外，ISO 10303-42規(guī)定IfcAxis2Placement3D代表的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系一致時(shí)，參考方向和軸方向可以省略。正因如此，圖示inst：IfcAxis2Placement3D_171實(shí)體和inst：IfcAxis2Placement3D_32實(shí)體均只有l(wèi)ocation屬性。對(duì)笛卡爾坐標(biāo)和方向向量的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體形式可參見文獻(xiàn)[22]中圖4所示的鏈表結(jié)構(gòu)。依據(jù)圖7所示的對(duì)象布置屬性數(shù)據(jù)模式，IfcBeam_4072的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)為（5 600， 3 150， 5 960），局部坐標(biāo)X軸和Z軸的方向向量分別為（0， －1， 0）與（0， 0， 1）。

圖8為IfcBeam_4072的幾何表示屬性的數(shù)據(jù)模式。IfcShapeRepresentation實(shí)體是表達(dá)單元實(shí)例幾何形狀的關(guān)鍵，其representationType屬性聲明了單元形狀表示的幾何模型類型，representationIdentifier屬性聲明了單元的形狀表示形式。如圖8（a）所示，該構(gòu)件的模型類型為映射表示，即此單元實(shí)例是通過(guò)實(shí)體映射生成的。在映射表示中，MappingTarget屬性用于表述生成實(shí)體對(duì)映射實(shí)體執(zhí)行的空間變換。依據(jù)所選單元的縮放比例和轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系可知，該單元的創(chuàng)建形式采取了不包含笛卡爾變換的直接映射，這與該構(gòu)件在Revit中的建模方式契合。圖示Axis模塊描述了構(gòu)件在局部坐標(biāo)系下的方位信息。如圖8（b）所示，梁?jiǎn)卧瘘c(diǎn)為（－3 150， 0 ，200），終點(diǎn)為（3 150， 0， 200）。根據(jù)圖2所示構(gòu)件參數(shù)及構(gòu)件所屬局部坐標(biāo)系方位可知，該信息表述是準(zhǔn)確的。圖示Body模塊描述了單元實(shí)體建模的信息。如圖8（c）所示，梁?jiǎn)卧睦扉L(zhǎng)度為5 980.6 mm，在梁局部坐標(biāo)系下，拉伸起點(diǎn)為（－2 990.3， 0， 0），拉伸方向?yàn)椋?， 0， 0）。與初始Revit模型對(duì)比可知，該信息表述準(zhǔn)確無(wú)誤。圖示IfcProfileDef實(shí)體聲明了構(gòu)件的截面形狀，鑒于建筑構(gòu)件截面形式多樣，不對(duì)截面的語(yǔ)義層次關(guān)系進(jìn)行展開。

4.2.2 柱單元數(shù)據(jù)模式

在建立的鋼框架語(yǔ)義化模型中，柱單元的數(shù)據(jù)模式與梁?jiǎn)卧哂邢嗨菩?。柱單元?duì)象布置屬性數(shù)據(jù)模式的分析結(jié)果表明，IfcColumn_421的局部坐標(biāo)系與結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)系一致，原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)為（－16 800， 6 300， 0）。

圖9展示了IfcColumn_421幾何表示屬性的數(shù)據(jù)模式，所示層次關(guān)系僅保留與IfcBeam_4072幾何表示屬性數(shù)據(jù)模式不同的部分。相比于梁?jiǎn)卧獙?shí)例，IfcColumn_421的數(shù)據(jù)模式僅含有Body模塊。依據(jù)IfcExtrudedAreaSolid實(shí)體的信息可知，該構(gòu)件的拉伸長(zhǎng)度為3 300 mm。依據(jù)inst：IfcAxis2Placement3D_347的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系可得，在柱局部坐標(biāo)系下，構(gòu)件拉伸方向?yàn)椋?， 0， 1），拉伸起點(diǎn)為（0， 0， 0）。再根據(jù)圖2所示構(gòu)件參數(shù)和此構(gòu)件所屬局部坐標(biāo)系方位可知，該信息表述是準(zhǔn)確的。

4.2.3 數(shù)據(jù)模式冗余信息分析與規(guī)避

對(duì)于項(xiàng)目信息管理而言，幾何表示屬性中由IfcGeometricRepresentationContext及其子類實(shí)例描述的背景信息是冗余的。以圖10所示的inst：Ifc-GeometricRepresentationSubContext_118為例，它不但與每一個(gè)IfcShapeRepresentation實(shí)體重復(fù)關(guān)聯(lián)，同時(shí)所表示的信息也缺乏實(shí)際用途，故而導(dǎo)致所創(chuàng)建模型的信息冗余。此外，語(yǔ)義化模型中存在表達(dá)相同含義的冗余信息。如圖8所示，Axis模塊的OrientationDirection和Body模塊的Extruded-Direction均描述了梁?jiǎn)卧睦旆较颉?/p>

為SPARQL語(yǔ)句設(shè)立精確圖模式可有效規(guī)避冗余信息。比如，可為梁柱單元及其拉伸長(zhǎng)度查詢?cè)O(shè)立如下SPARQL語(yǔ)句：

SELECT ？element ？depth WHERE{

？element （（（（（representation/ representation）/

hasContents）/ items）/ mappingSource）/ items）/

depth ？depth

}

上述語(yǔ)句對(duì)謂詞屬性進(jìn)行了簡(jiǎn)寫，即省略了謂詞的前綴與后綴。依據(jù)此精確圖模式匹配，便能有效規(guī)避冗余信息。此外，基于此精確圖模式編寫DELECT語(yǔ)句可移除用戶不需要的冗余信息。筆者將此技術(shù)應(yīng)用到所開發(fā)的SemBIMCURD-SJTU軟件中。

通過(guò)以上對(duì)單元實(shí)例的對(duì)象布置和幾何表示屬性數(shù)據(jù)模式的分析，語(yǔ)義化模型對(duì)于建筑信息交付的準(zhǔn)確性和建筑語(yǔ)義的可傳遞性得到驗(yàn)證。但不容忽視的是，采用的基于IfcOWL的語(yǔ)義化建模方法仍然存在弊端。具體來(lái)說(shuō)，IfcOWL完全復(fù)現(xiàn)了IFC標(biāo)準(zhǔn)，這使得所建立的語(yǔ)義化模型數(shù)據(jù)模式復(fù)雜，并且存在大量冗余信息。此外，引入IfcOWL本體作語(yǔ)義賦能后的語(yǔ)義化模型體量較大，難以發(fā)揮該模型在知識(shí)查詢與推理方面的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

通過(guò)案例分析驗(yàn)證了語(yǔ)義化模型進(jìn)行建筑信息交付的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和語(yǔ)義可傳遞性，進(jìn)而論證了該建模方法的可行性。此外，通過(guò)對(duì)所轉(zhuǎn)化模型數(shù)據(jù)模式進(jìn)行建筑內(nèi)涵分析發(fā)現(xiàn)，于IfcOWL的語(yǔ)義化建模方法尚未在建筑業(yè)全面推廣有如下原因：

1）建筑業(yè)通用本體不夠完善，IfcOWL本體數(shù)據(jù)模式完整繼承了IFC標(biāo)準(zhǔn)，這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)層次關(guān)系制約了模型知識(shí)查詢與推理功能的實(shí)踐。

2）IFC模型向RDF模型轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象突出，完全轉(zhuǎn)譯IFC模型信息的語(yǔ)義化建模手段信息傳遞效率較低。

3）建筑項(xiàng)目的信息管理具有大數(shù)據(jù)特征，對(duì)所有建筑信息執(zhí)行該語(yǔ)義化建模的經(jīng)濟(jì)性和可行性不足。

針對(duì)上述問(wèn)題，除本文提及的冗余信息規(guī)避方法外，還可以結(jié)合語(yǔ)義化模型各模塊的建筑信息內(nèi)涵，通過(guò)領(lǐng)域本體開發(fā)和輕量化語(yǔ)義建模來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的信息表達(dá)和交付，進(jìn)而將該技術(shù)推廣實(shí)踐于安全風(fēng)險(xiǎn)分析、建筑性能管理和數(shù)字孿生建模等涉及異源數(shù)據(jù)集成的應(yīng)用領(lǐng)域。

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（編輯? 胡英奎）

收稿日期：2023?03?02

基金項(xiàng)目：上海市科技創(chuàng)新項(xiàng)目（21DZ1204600）

作者簡(jiǎn)介：劉吉明（1998- ），男，博士生，主要從事建筑信息智能化研究，E-mail：jimingLiu@sjtu.edu.cn。

通信作者：趙金城（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：jczhao@sjtu.edu.cn。

Received： 2023?03?02

Foundation item： Scientific Research Project of Shanghai Science and Technology Commission （No. 21DZ1204600）

Author brief： LIU Jiming （1998- ）， PhD candidate， main research interest： intelligent building information management， E-mail： jimingLiu@sjtu.edu.cn.

corresponding author：ZHAO Jincheng （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： jczhao@sjtu.edu.cn.