基于國產化BIM 平臺的發電工程數據標準與國際數據標準的交互協議研究

田景奇 方志寧 石成 肖慶

(1.國電電力發展股份有限公司，北京 100101；2.北京構力科技有限公司，北京 100013)

引言

目前，國內外的BIM 應用種類繁多，不同BIM 應用之間信息的共享和交換既是重點也是難點。建設同一個工程項目可能使用不同BIM 軟件進行設計或施工模擬，不同BIM 軟件也有各自的數據格式。在沒有通用的數據交換標準時，各個BIM 應用成果之間無法交互[1]，數據資產缺乏延續性。因此，創建統一的數據標準，實現不同BIM 應用之間的信息交互顯得尤為重要。如果數據標準統一，BIM 技術和相關專業應用軟件可以在行業內大力推廣和使用，促進行業各領域的信息交流，從而提高建筑行業的信息化水平。

1 研究背景

為了保障發電工程領域數字化數據生產安全，提高生產效率，解決數據風險，國家能源集團開展了智慧電廠、數字化新能源等數字化轉型工作，但由于數字化轉型高度依賴基礎軟件和數據標準，這些基礎軟件和標準體系均受制于國外廠商，存在核心技術“卡脖子”“斷供”“基礎設施數據泄露”等風險。同時，由于BIM 設計平臺和規則的不統一，造成在設計、施工和運行環節的數字化工作內容存在協同配合不夠等問題，各階段不同平臺主要的數據接口難以打通，極大降低了生產效率。

本文通過對比國外IFC、STEP、OBJ 和國內PModel數據標準，旨在研究常用BIM 設計軟件的建模方式及數據輸出方式，梳理軟件數據格式、結構層次、屬性設置及模型輸出等方面內容，以數據標準為基礎，提出各專業模型數據的融合需求，明確數據融合技術方案。研究不同應用場景下的數據關聯關系和展現形式，規范數據管理流程，提升數據交互效率。

2 國外標準數據交換格式

2.1 基于IFC 格式的數據交互

IFC 是buildingSMART 為幫助工程建筑行業的數據互用而開發的，基于數據模型面向對象的文件格式[2]。IFC 標準作為許多國家和地區實施BIM 的數據標準，具有很高的研究價值。

IFC 不僅可以描述幾何形狀，還可以記錄構件的屬性信息。該格式可以有效地將構件的幾何信息與構件屬性聯系起來，貫穿于建筑項目的整個生命周期，適用于各階段的信息交互和共享[3]，極大地提高了信息的準確性和互用效率。

IFC 模型體系結構由四個層次構成，從下到上依次是資源層、核心層、共享層和領域層[4]。現階段，IFC在數據交換的過程中存在如下問題：

（1）IFC 標準目前還不夠成熟和完善，有些信息無法完整表達，面對復雜的建筑工程，IFC 信息模型中的數據仍然難以滿足實際工程的需要；

（2）一些BIM 軟件依然使用封閉獨立的系統，數據以特定格式存儲，只能由創建數據的應用程序訪問；

（3）國外數據標準在國內應用的還不夠深入。BIM應用軟件若需要基于IFC 數據標準進行接口開發，還需要結合工程項目的具體特點來完成。

2.2 基于STEP 格式的數據交互

STEP 作為三維CAD 通用中間的格式，不僅支持幾何數據信息，其中還能包含大量屬性和行業標準。STEP 標準是一個通用的數字化信息標準，作為一個開放擴展的標準，也頗具研究價值。

STEP 標準的幾何信息所攜帶的數據與工程領域無關，是模型顯示的基礎。其分為以下三部分：

（1）幾何模型,定義了點、線、面等；

（2）拓撲模型，描述了幾何元素的結構和相鄰關系；

（3）幾何形狀，可以提供完整的外形表達，包含幾何與拓撲[5]。

STEP 標準的應用極大地降低了產品生命周期內的信息交換成本，提高了產品研發效率[6]。但是，受限制于STEP 的數據結構，不同信息以索引的方式關聯起來，只有將全部信息讀完才能進行信息的重建，解析大模型的STEP 文件將會非常耗時。為了兼容各種信息犧牲了敏捷性和靈活性，STEP 在并發、效率和性能上已經落后于現代軟硬件的發展速度，在很多場合已無法滿足實際工業應用的需求。

2.3 基于OBJ 格式的數據交互

OBJ 文件是一種標準的3D 模型文件格式。由于該格式應用十分廣泛，許多知名的3D 軟件都支持OBJ文件的讀寫[7]，所以OBJ 格式非常具有研究的意義。

OBJ 格式支持直線、表面、多邊形和自由形態曲線[8]，具有以下特點：

（1）不包含材質特性、動畫、貼圖路徑、粒子、動力學等信息；

（2）主要支持多邊形模型,也支持曲線、表面、點組材質；

（3）支持三個點以上的面；

（4）支持法線和貼圖坐標[9]。

由于這種格式只能描述三維物體表面的幾何信息，無法支持對物體表面特征顏色和材料屬性的描述[10]，因此OBJ 格式在很多場合也不滿足實際工業應用的需求。

3 國產化BIM 軟件數據交互

項目組基于輕量化數據格式PModel 文件，研究了一種中間數據協議，用以存儲設計端軟件的層級、幾何以及業務數據信息，然后在國產BIM 平臺上解析。

3.1 關于PModel

PModel 為后綴名為.pmodel 的輕量化數據文件，不僅可以用于輕量化瀏覽，還可以用于BIMBase 軟件與其他BIM 軟件，如Revit(Autodesk)，ABD(Bentley)等之間的數據交換，達到數據互通的目的。

3.2 PModel 信息傳遞方式

為了高保真的還原幾何形狀，項目組為PDMS 所有基本幾何體類型制定了數據交換協議，PModel 文件在此基礎上進行信息的傳遞。

（1）基本幾何體數據協議

PDMS 能構造的基本幾何體類型有：BOX、C Y L I N D E R、C O N E、S N O U T、P Y R A M I D、CTORUS、DISH、SLCYLINDER、EXTRUSION、REVOLUTION，本文以BOX 為例，介紹基本幾何體數據協議的定義方式，如圖1 和表1 所示。

表1 基本幾何體數據協議-BOX

圖1 BOX

（2）PModel 信息傳遞步驟

PModel 信息傳遞過程主要有以下幾步，整體示意流程如圖2 所示。

圖2 流程圖

第一步：抽取PDMS 的項目層級等信息，按照模型樹的數據格式組織設計端軟件的層級信息內容；

第二步：抽取PDMS 的幾何數據，離散為以三角面片為基礎的的幾何數據；

《綜合教程》第一冊第11單元包括Text 1和Text 2兩大教學模塊，現以Text 1課程設計為例。

第三步：根據幾何數據，檢索到對應的幾何體對應的業務屬性數據，記錄在PModel 的模型樹節點上；

第四步：根據國產平臺的業務數據，按BIM 常用構件區分，形成Json 格式，壓縮存儲在PModel 格式中；

第五步：創建項目瀏覽器。國產BIMBase 平臺集成PModel 時，通過樹節點中存儲的標識信息，判斷當前節點類型；

第六步：根據項目瀏覽器的層次組織結構，組裝樓層、Model 空間，通過鏈接參照的機制，組裝空間、樓層之間的相對位置關系；

第七步：創建BIMBase 的幾何圖形信息。創建幾何信息有兩種處理方式。第一種，根據規定的數據協議，如果為可用Solid 類型表達（盒體、圓柱體、圓臺體、圓環體、圓錐體等），通過數據協議記錄的實體數據類型，轉換為具體的幾何形狀；第二種，如果為三角面片表達類型，通過在PModel 格式中記錄的三角面信息，擬合形成幾何體。同時，創建BIMBase 的基礎數據對象關聯上幾何形體；

第八步：讀取模型樹上的業務數據數據，掛載在第七步上最終創建的基礎數據對象上，完成最終的工程項目展示。

3.3 工程案例

3.3.1 案例背景

發電工程領域在數字化發展過程中積累了大量的業務數據，但由于不同發電類型（火電、水電、新能源）的項目工程導致在造成在設計、施工、運行環節的數字化環節中存在協同配合不夠等問題，數據接口難以打通，極大影響了生產效率。具體原因如下：

（1）設計階段使用的設計軟件不同，如PDMS、Catia、Revit、Microstation；

（2）不同發電類型關注的數據信息不同；

（3）發電工程缺乏統一數據標準。

不同設計軟件支持導出的中間文件格式各不相同。在傳統方式下，需要針對不同數據源輸出的不同文件格式做解析插件，如圖3(a)所示。在新方式下，基于發電工程的建模特點及設計軟件的數據結構，PModel插件可以從不同設計端軟件抽取關鍵信息，導出基于PModel 數據交換協議的中間文件，以達到發電工程的統一解析建模，如圖3(b)所示。

圖3 插件方案對比圖

通過對不同設計軟件的數據結構調研，項目組基于PModel 格式的數據交換協議，在PDMS、Catia、Revit、Microstation 等國外設計軟件上開發了插件，可直接抽取各設計端軟件的模型層級、幾何及屬性信息，輸出中間文件PModel。下面將以PDMS-BIMBase 數據交換場景為例，簡要介紹基于PModel 格式的數據交換過程。

3.3.2 PDMS 導出PModel

在安裝了PModel 插件的前提下，用戶通過導出PModel 功能，可將PDMS 中的模型構件導出為PModel 格式。步驟如下：

（1）點擊PDMS 工具欄中“圖模大師”按鈕，在下拉列表中點擊“輕量化模型”；

（2）彈出輕量化模型界面后，勾選需要導出的節點及包含構件屬性按鈕，如圖4 所示，確認即可將PDMS 項目文件導出為*.pmodel。

圖4 輕量化模型界面

3.3.3 BIMBase 導入PModel

用戶通過導入PModel-PDMS 功能，可將PDMS中建立的多層級模型在BIMBase 中重新構建，并提供組件屬性修改的功能。

（1）打開模型集成選項卡，在功能欄中點擊導入PMODEL-PDMS 按鈕，如圖5 所示；

圖5 模型集成選項卡

（2）選擇要導入的*.pmodel 文件后，勾選保留場景結構導入選項，將會在工程項目節點下生成PDMS層級。點擊確定后即可在BIMBase 中重新構建PDMS模型。

3.3.4 成果與討論

傳統的信息交互模式存在效率低、準確度差等問題。本工程案例中，使用了PModel 格式進行PDMS與BIMBase 間的數據交換。經驗證，PDMS 中建立的模型能夠完整、準確地導入到BIMBase 中,并且保留了PDMS 模型特有的層級結構，節點屬性等信息。因此，基于PModel 格式的數據交互完全能夠實現不同設計軟件的數據集成到國產BIMBase 平臺。目前，針對PDMS 發電工程的項目需求，PModel 中保留了PDMS的項目層級結構，根據PDMS 中節點TYPE 值，在BIMBase 的視圖瀏覽器中生成場景節點、嵌套組件或基本幾何體。具體對應關系如圖6 所示。

圖6 視圖瀏覽器對應節點類型

4 結語

要使建筑行業的信息交互變得更加準確、高效，需要統一國內的BIM 標準及數據交互標準，然后通過標準化的數據接口及交互協議，實現數據互通與共享，最大程度地體現BIM 的價值。BIM 作為建筑行業未來的發展趨勢，不是任何一個軟件平臺可以獨立完成的。實現建筑項目全生命周期中跨圖形內核、跨平臺、跨階段的在各軟件之間準確、高效的數據流通，需要整個行業的努力及政府的大力支持，共同研究創造適合國產化BIM 軟件的數據交換標準。