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、建造、建筑物業(yè)主、經(jīng)營者創(chuàng)建溝通并提供處理工程項目所需要的即時相關(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，在實際工程項目對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)進行信息共享，使得每個公司開發(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)標準;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，且各個環(huán)節(jié)仍是各自相互獨立運作，大多數(shù)還是局限于單個過程中的某個環(huán)節(jié)，從設(shè)計到施工以及后期運營維護之間的信息數(shù)據(jù)傳遞都需要大量人力介入對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行手動解析，這樣使得各個過程之間的信息傳遞效率相當?shù)拖拢ぷ髁慷冈鯷1]。

為解決信息互用和共享困難的實際情況，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)標準的幾何信息描述

1.1采用IFC數(shù)據(jù)標準的必要性

IFC數(shù)據(jù)標準由國際協(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)標準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)標準基本架構(gòu)是用來描述和處理工程項目各種信息的結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，將工程項目全生命周期中需要處理的實際信息分門別類，并將需要定義的數(shù)據(jù)規(guī)劃組織，通過創(chuàng)建一定的層級關(guān)系，更好的描述不同分類標準下的數(shù)據(jù)組成[3][4]。IFC的數(shù)據(jù)架構(gòu)定義了共4個層級，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，四個層級由下往上逐層給上一層級提供服務(wù)，每個層級之間不能相互調(diào)用。只能往下引用對應(yīng)的層級。

1.3 IFC實體語義描述及映射

IFC數(shù)據(jù)實體采用EXPRESS語言描述，EXPRESS語言是STEP標準面向?qū)ο蟮男问交臄?shù)據(jù)建模語言，EXPRESS不是計算機編程語言，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描述文件對實體進行描述，之后與對應(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)用來獲取對應(yīng)的實體描述信息[5]。IFC數(shù)據(jù)標準中的實體均需要對應(yīng)的語義描述和映射關(guān)系確定，下面以簡單的實例來介紹實體對應(yīng)信息的描述，如對IfcObject實體的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IfcObject實體的信息描述相當簡單，即定義了IfcObject實體的屬性為抽象類型，作為IfcObjectcDefination實體的子類，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)對應(yīng)的EXPRESS描述的信息，可以對IFC文件中包含實體的類型進行寫入和語義解析，這與對應(yīng)的IfcObject實體定義一致。

由IfcObject實體屬性示意圖看到，對于EXPRESS語言描述的語義，在數(shù)據(jù)文件中可以找到對應(yīng)的實體屬性。該實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實體為例簡單介紹了IFC文件實體語義描述和對應(yīng)映射關(guān)系確定，對于IFC文件中的700多個不同的實體的語義關(guān)系的建立采取同樣的模式。即定義對應(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)實現(xiàn)實體語義的調(diào)用來實現(xiàn)IFC數(shù)據(jù)實體的描述。在建立語義映射關(guān)系之后，使用編程語言調(diào)用對應(yīng)的文件索引地址去調(diào)取對應(yīng)的EXPRESS描述，來實現(xiàn)IFC文件的讀寫，并存儲相關(guān)信息。

2簡支鋼板梁橋各個部分數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建

簡支鋼板梁橋的模型創(chuàng)建需要對模型的各個組件進行單獨描述并組裝，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，為了更加準確的表達并為后續(xù)加勁板的定位以及主梁的精細化程度，這里采用IfcElementAssembly作為主梁的表達實體，其中的IfcElementAssembly又以IfcPlate作為聚合的子實體。這樣主梁的幾何表達模型可以精細到單獨的板單元，從而可以保留對板單元之間連接關(guān)系信息描述的定義。為了適應(yīng)道路線型的變化，采用IfcSectionedSolidHorizontal實體對IfcPlate實體的幾何體特征進行描述。以IfcElementAssembly作為主梁表達實體的最終幾何表達如圖4所示。可以看到采用IfcSectionedSolidHorizontal實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，并將這些分散獨立的信息通過可視化進行直觀展示，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)計和建模中，工程人員首先需要依靠以往經(jīng)驗擬定出大致的尺寸，并做相關(guān)的計算得出初步的方案，再將擬定方案的數(shù)據(jù)進行有限元模型的驗證。最后將驗證通過的數(shù)據(jù)作為三維建模的幾何尺寸，重新創(chuàng)建一個三維模型作為可視化表達。這一設(shè)計過程完全可以簡化為生成一個IFC格式的文件，并將其鏈接到對應(yīng)的有限元模型和計算模型中，后續(xù)的設(shè)計變動和主要結(jié)構(gòu)的變更通過修改IFC文件達到對應(yīng)模型和計算模型的變更，從而減少變更之后重復(fù)建模和重復(fù)計算的分析的工作。

參考文獻

[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.同濟大學(xué)，2019

作者簡介：傅仲敏（1994—），男，浙江金華，碩士，主要研究方向為橋梁設(shè)計。