王 勇 張建平 李久林

(1.北京城建集團(tuán)，北京 100088;2.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

目前，我國(guó)的建筑工程設(shè)計(jì)業(yè)仍面臨嚴(yán)峻的發(fā)展瓶頸:各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)之間缺乏信息共享和協(xié)同工作機(jī)制、設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)重復(fù)輸入工作量大等。尤其是無(wú)法實(shí)現(xiàn)與施工階段的信息共享。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵在于建立統(tǒng)一的工程信息模型，建筑信息模型(BIM，Building Information Model)技術(shù)正是基于這一理念的新的模型技術(shù)［1］，而B(niǎo)IM 創(chuàng)建的基本條件是對(duì)信息的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)，IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際上公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)BIM 的數(shù)據(jù)描述和交換標(biāo)準(zhǔn)［2-4］。IFC 涵蓋了建筑全生命期各個(gè)階段和領(lǐng)域的模型信息，還提供了可根據(jù)用戶需求對(duì)IFC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展的方法和機(jī)制。國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的模型描述方法進(jìn)行了相關(guān)研究［5-10］。

本文通過(guò)分析面向結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的信息模型描述需求，研究了基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)模型描述和擴(kuò)展機(jī)制，建立了面向結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的IFC 擴(kuò)展模型，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的施工圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)。并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證本文建立的IFC 擴(kuò)展模型的可行性。

1 結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的BIM 數(shù)據(jù)需求

建筑信息模型是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。該模型突出的特點(diǎn)表現(xiàn)在模型信息的完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性等［11］。面向建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的信息模型除包括基本結(jié)構(gòu)物理模型信息外，還包括模型屬性信息、模型關(guān)聯(lián)信息、模型管理信息等。結(jié)構(gòu)物理模型信息包括:構(gòu)件信息、節(jié)點(diǎn)信息、截面信息、軸網(wǎng)信息、約束信息等。屬性信息包括:荷載信息、材料信息、內(nèi)力信息、設(shè)計(jì)結(jié)果信息等。關(guān)聯(lián)關(guān)系信息包括:構(gòu)件關(guān)聯(lián)關(guān)系、模型關(guān)聯(lián)關(guān)系;管理信息包括:模型所有者信息、模型版本信息、用戶權(quán)限信息等。

2 基于IFC 的建筑結(jié)構(gòu)的BIM 描述

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，現(xiàn)行的IFC 標(biāo)準(zhǔn)可以對(duì)結(jié)構(gòu)信息模型中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、構(gòu)件屬性、構(gòu)件關(guān)聯(lián)關(guān)系等進(jìn)行完整的描述。

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)體定義

結(jié)構(gòu)構(gòu)件是結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)信息模型的核心內(nèi)容，其它的模型信息都是圍繞結(jié)構(gòu)構(gòu)?件模型進(jìn)行定義的。在IFC 模型中，已經(jīng)建立了比較完善的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件描述體系，可以描述柱、梁、板、墻、基礎(chǔ)、樓梯等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件均派生自建筑構(gòu)件實(shí)體(IfcBuildingElement)。下面以墻體構(gòu)件為例，介紹IFC 模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定義。

圖1 IFC 模型中墻體的定義實(shí)例

在IFC 模型中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定義之前，首先需要定義建筑實(shí)體(IfcBuilding);然后，通過(guò)集合關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcRelAggregates)建立建筑實(shí)體與樓層實(shí)體(Ifc-BuildingStory)的關(guān)聯(lián);最后，定義墻體實(shí)體(Ifc-Wall)，通過(guò)空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcRelContainedIn-SpatialStructure)建立墻體實(shí)體與樓層實(shí)體的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)墻體模型的定義。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屬性定義

結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有諸多的工程屬性，例如:幾何、材料、成本、力學(xué)性能、建造信息等?，F(xiàn)有的IFC 模型支持幾何、材料、配筋等屬性定義。

1)材料屬性

材料屬性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必需的物理屬性之一。在IFC 模型中，除了支持構(gòu)件單一的材料屬性外，還支持構(gòu)件多層材料屬性的定義。首先，通過(guò)材料實(shí)體(IfcMaterial)定義材料屬性;然后，可以通過(guò)材料分層實(shí)體(IfcMaterialLayer)、材料層集合實(shí)體(Ifc-MaterialLayerSet)和材料層集合使用實(shí)體(IfcMaterialLayerSetUsage)定義分層材料模型;最后，通過(guò)材料關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcAssosiatesMaterial)建立墻體與墻體材料的關(guān)聯(lián)。

2)截面屬性

截面信息是結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要的幾何屬性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件常見(jiàn)的截面形式包括:矩形、圓形、工字形、T形、環(huán)形、L 形等。在IFC 模型中，除支持上述常見(jiàn)的構(gòu)件截面類(lèi)型的定義外，還支持用戶自定義組合構(gòu)件、異型構(gòu)件等。構(gòu)件截面屬性的定義采用面向?qū)ο蟮臋C(jī)制，通過(guò)建筑構(gòu)件實(shí)體(IfcBuildingElement)的Representation 屬性建立與描述實(shí)體(IfcRepresentation)的關(guān)聯(lián);再通過(guò)描述實(shí)體的Items 屬性建立與參數(shù)化截面定義實(shí)體(IfcParameterizedProfileDef)的關(guān)聯(lián);最后通過(guò)參數(shù)化截面定義實(shí)體定義結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面信息。

3)鋼筋屬性

配筋信息是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。在現(xiàn)有的IFC 模型中提供了完整的鋼筋描述機(jī)制，主要通過(guò)鋼筋構(gòu)件實(shí)體(IfcReinforcingElement)及其派生的鋼筋實(shí)體(IfcReinforcingBar)、網(wǎng)狀板鋼筋實(shí)體(IfcReinforcingMesh)、預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)體(IfcTendon)、預(yù)應(yīng)力錨索實(shí)體(IfcTendonAnchor)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件配筋信息的描述。最后，通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcRelAggregates)建立建筑構(gòu)件與配筋信息的關(guān)聯(lián)。

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系定義

關(guān)聯(lián)關(guān)系作為建筑信息模型的基本特性，保證了信息模型修改后信息的一致性和完整性。以梁、柱構(gòu)件的關(guān)聯(lián)為例，介紹IFC 中結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的定義。在IFC 模型中，梁實(shí)體(IfcBeam)與柱實(shí)體(IfcColumn)通過(guò)構(gòu)件關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcRelConnectsElements)建立關(guān)聯(lián)(見(jiàn)圖2)。當(dāng)梁實(shí)體進(jìn)行調(diào)整時(shí)(如改變梁端的位置)，通過(guò)梁、柱公用節(jié)點(diǎn)的機(jī)制和構(gòu)件關(guān)聯(lián)實(shí)體，與梁實(shí)體關(guān)聯(lián)的兩個(gè)柱實(shí)體會(huì)更新實(shí)體的定義信息，實(shí)現(xiàn)柱的關(guān)聯(lián)修改。反之，柱的修改亦會(huì)引起關(guān)聯(lián)梁的修改。

圖2 對(duì)稱性關(guān)聯(lián)實(shí)例

3 面向結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的IFC 模型擴(kuò)展

3.1 IFC 的模型擴(kuò)展機(jī)制

IFC 標(biāo)準(zhǔn)自1997 年發(fā)布第一個(gè)版本以來(lái)，已經(jīng)歷6 次較大的版本更新［12］。在IFC 標(biāo)準(zhǔn)的每次版本的升級(jí)都會(huì)根據(jù)工程應(yīng)用的需要對(duì)IFC 模型實(shí)體進(jìn)行大量擴(kuò)充。例如在IFC2x3 版本標(biāo)準(zhǔn)中，共定義實(shí)體類(lèi)型數(shù)據(jù)653 個(gè)，預(yù)定義屬性集312 條;而在近期將正式發(fā)布的IFC2x4 版本標(biāo)準(zhǔn)中，實(shí)體類(lèi)型數(shù)據(jù)增加了159 個(gè)，并且對(duì)部分已有實(shí)體的屬性描述進(jìn)行了調(diào)整和擴(kuò)充［13］。由于建筑業(yè)本身具有的工程對(duì)象的多樣性、工程信息的復(fù)雜性等特征，IFC 模型無(wú)法涵蓋所有數(shù)據(jù)描述。因此，提供了IFC 實(shí)體擴(kuò)展、IFC 屬性集擴(kuò)展、基于IfcProxy 實(shí)體擴(kuò)展三種方式對(duì)IFC 模型進(jìn)行擴(kuò)展。

1)IFC 實(shí)體擴(kuò)展

IFC 實(shí)體擴(kuò)展方式是在原有IFC 模型框架上增加新的實(shí)體或?qū)嶓w屬性，是對(duì)IFC 標(biāo)準(zhǔn)的模型體系的擴(kuò)充。由于實(shí)體擴(kuò)展方式具有數(shù)據(jù)封裝性好、運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，IFC 標(biāo)準(zhǔn)的版本升級(jí)主要采用實(shí)體擴(kuò)展方式對(duì)模型實(shí)體進(jìn)行擴(kuò)展。IFC 實(shí)體擴(kuò)展又分為IFC 實(shí)體屬性的擴(kuò)展和IFC 實(shí)體的增加兩類(lèi)。

IFC 實(shí)體屬性的擴(kuò)展包括:增加屬性、修改屬性、刪除屬性。圖3 是通過(guò)對(duì)空間實(shí)體(Ifc-Space)改變實(shí)體屬性實(shí)現(xiàn)實(shí)體擴(kuò)展的實(shí)例。Ifc-Space 實(shí)體在IFC2x3 中包含LongName、CompositionType 兩個(gè)屬性，而在IFC2x4RC1 中新增了ElevationWithFlooring 屬性，取消了LongName 屬性，將CompositionType 屬性改為非強(qiáng)制性屬性，并且改名為PredefinedType。

圖3 實(shí)體屬性改變實(shí)例

增加IFC 實(shí)體是擴(kuò)展IFC 模型最直接的方法。如資源類(lèi)型實(shí)體(IfcTypeResource)是IFC2x4RC1 中新增的實(shí)體(見(jiàn)圖4)，通過(guò)增加該實(shí)體來(lái)描述資源類(lèi)型的信息。該實(shí)體通過(guò)資源關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcRelAssignsToResource)與資源實(shí)體(IfcResource)建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源信息的描述。

圖4 新增實(shí)體實(shí)例

采用IFC 實(shí)體擴(kuò)展方式需要注意的問(wèn)題是:新擴(kuò)展的實(shí)體需要建立與已有實(shí)體的派生和關(guān)聯(lián)關(guān)系，原有實(shí)體需增加與新增實(shí)體的派生或關(guān)聯(lián)屬性，避免由于新增實(shí)體引起模型體系的歧義和沖突。此外，通過(guò)增加實(shí)體的擴(kuò)展需要按照標(biāo)準(zhǔn)管理組織的相關(guān)規(guī)定和程序進(jìn)行。

2)IFC 屬性集擴(kuò)展

屬性集擴(kuò)展是IFC 標(biāo)準(zhǔn)的另一種重要的模型擴(kuò)展方式。圖5 所示為屬性集擴(kuò)展模型的實(shí)例。通過(guò)屬性關(guān)系實(shí)體(IfcRelDefinedByProperties)可以將門(mén)板、門(mén)洞、玻璃窗、門(mén)把手樣式等多個(gè)屬性集(IfcPropertySet)與多個(gè)門(mén)實(shí)體(IfcDoor)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。即可通過(guò)增加屬性集實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)實(shí)體屬性的擴(kuò)展。屬性集的擴(kuò)展具有不破壞原有的IFC 模型結(jié)構(gòu)，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 屬性集擴(kuò)展模型實(shí)例

3)基于IfcProxy 實(shí)體擴(kuò)展

圖6 面向建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的IFC 擴(kuò)展模型

基于IfcProxy 實(shí)體的擴(kuò)展方式是IFC 標(biāo)準(zhǔn)提供的一個(gè)用戶自定義模型接口［14］。IfcProxy實(shí)體位于IFC 模型的核心層，是一個(gè)可實(shí)例化的抽象實(shí)體類(lèi)型。通過(guò)該實(shí)體類(lèi)的實(shí)例化，設(shè)置其ProxyType 和Tag 屬性對(duì)新定義的實(shí)體信息進(jìn)行描述。其中，ProxyType為IfcObject-TypeEnum 枚舉類(lèi)型數(shù)據(jù)，可以定義幾何、過(guò)程、控制、資源、項(xiàng)目等類(lèi)型;Tag 屬性用于描述新定義實(shí)體的屬性值。

3.2 IFC 模型擴(kuò)展

本課題組在所承擔(dān)的國(guó)家“十一五”課題中，在IFC2x3 版本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立了面向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的IFC 擴(kuò)展模型，如圖6 所示。

該模型以建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型為核心，在IFC標(biāo)準(zhǔn)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件、截面信息、材料信息、配筋信息模型的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了施工圖設(shè)計(jì)模型和結(jié)構(gòu)內(nèi)力描述模型。

由于建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中模型信息需要大量地調(diào)用操作，所交付的是符合國(guó)家圖形標(biāo)準(zhǔn)的施工圖紙，本課題采用IFC 實(shí)體擴(kuò)展方式建立了施工圖設(shè)計(jì)模型。首先增加了二維結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)體(IfcBuildingElement2D)，并派生二維梁、板、柱、墻等子實(shí)體，通過(guò)標(biāo)注關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcAssociatesDimension)建立二維構(gòu)件與標(biāo)注信息的關(guān)聯(lián)。最后，通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體(IfcRelAggregates)建立二維構(gòu)件與對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。該部分的主要擴(kuò)展信息如表1 所示。

表1 施工圖設(shè)計(jì)模型主要擴(kuò)展實(shí)體列表

圖7 建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)IFC 擴(kuò)展模型的應(yīng)用

表2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力信息屬性集擴(kuò)展列表

3.3 應(yīng)用驗(yàn)證

在AutoCAD 平臺(tái)下，利用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了基于BIM 的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)BIM-SDDS(BIM-based Structural Drawing Design System)。該系統(tǒng)利用建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)IFC 擴(kuò)展模型進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，支持建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的IFC 文件導(dǎo)出，供相關(guān)應(yīng)用軟件系統(tǒng)使用。

應(yīng)用實(shí)例為3 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖7。在本系統(tǒng)的具體應(yīng)用流程如下:首先，利用BIMSDDS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入接口，將Etabs 軟件的結(jié)構(gòu)模型(構(gòu)件信、材料、工程信息等)、結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(內(nèi)力、配筋面積等)導(dǎo)入BIM-SDDS 系統(tǒng);然后，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計(jì)，形成完整的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)信息模型;最后，將建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)模型導(dǎo)出為IFC 文件模型，并利用廣聯(lián)達(dá)GGJ 2009 軟件導(dǎo)入IFC 文件，自動(dòng)生成工程算量模型，進(jìn)行工程算量分析。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的信息模型描述需求和IFC 數(shù)據(jù)描述及擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行研究，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)IFC 信息描述模型基礎(chǔ)上，利用實(shí)體擴(kuò)展和屬性集擴(kuò)展機(jī)制，建立了建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的IFC 擴(kuò)展模型，并基于該IFC 擴(kuò)展模型，開(kāi)發(fā)了建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)。通過(guò)應(yīng)用測(cè)試，結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)模型可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為工程算量模型，進(jìn)行工程算量計(jì)算和分析。研究表明，利用IFC 數(shù)據(jù)描述及擴(kuò)展機(jī)制建立建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)信息模型，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的無(wú)損交換與充分共享探索了可行的途徑和方法。本文主要針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)進(jìn)行信息模型研究，后續(xù)研究將進(jìn)一步擴(kuò)展、完善模型體系和構(gòu)建，使之適用于多種結(jié)構(gòu)形式，可面向不同應(yīng)用的模型轉(zhuǎn)換。

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