明 鑫

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

建筑信息模型是當(dāng)前建筑行業(yè)的熱點(diǎn)，其最大特點(diǎn)在于共享信息從而提高工作效率。從整個(gè)建筑生命周期來(lái)看，不同階段需要模型中的不同信息。在設(shè)計(jì)階段，建筑、結(jié)構(gòu)、風(fēng)水電等專業(yè)需在同一BIM模型中協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)BIM真正的價(jià)值。當(dāng)前軟件技術(shù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都不夠成熟，信息傳遞存在缺陷，阻礙了BIM在設(shè)計(jì)院內(nèi)的推廣應(yīng)用。IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生，能夠最大程度保證BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的完整傳遞。國(guó)際協(xié)同工作聯(lián)盟(buildingSMART International，bSI)頒布的IFC標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣的公開(kāi)的國(guó)際性通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，它采用EXPRESS語(yǔ)言描述，旨在解決全生命周期內(nèi)的建筑工程領(lǐng)域異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞。

在IFC標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過(guò)程中，建筑行業(yè)的用戶、軟件公司和研究學(xué)者們一致認(rèn)為，BIM在建筑全生命周期內(nèi)的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)分不同階段建立基于特定流程和目的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在這種背景下，模型視圖定義(MVD)誕生了。MVD在數(shù)據(jù)端進(jìn)行準(zhǔn)確且可重復(fù)利用的模型視圖定義，將用戶信息轉(zhuǎn)化為IFC數(shù)據(jù)文件，在軟件中實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)BIM用戶之間的信息交換需求。由于MVD是IFC標(biāo)準(zhǔn)的體現(xiàn)形式，它也是公開(kāi)的，任何人都可以定義。如果同一種MVD擁有多種不同的表達(dá)方式，會(huì)導(dǎo)致軟件公司產(chǎn)生不同的理解，從而導(dǎo)致IFC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施遇阻，因此，MVD應(yīng)當(dāng)有一種標(biāo)準(zhǔn)化定義方式來(lái)避免產(chǎn)生歧義。

美國(guó)、韓國(guó)和北歐等國(guó)家和地區(qū)對(duì)MVD的研究較多。在美國(guó)佐治亞理工大學(xué)，Charles M. Eastman教授做了較多MVD理論研究工作，他建立了一套MVD研究方法論[1-2]，研究利用“Concept”這種核心概念進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[3]，同時(shí)定義了預(yù)制混凝土領(lǐng)域的MVD并在計(jì)算機(jī)程序中予以測(cè)試研究[4]。在美國(guó)工程研究與發(fā)展中心，研究員E. William East建立了 BIM平臺(tái)，創(chuàng)建了通用模型屬性集，定義了設(shè)備管理領(lǐng)域的MVD[5]。在韓國(guó)延世大學(xué)，李剛(音譯)教授建立算法，成功地從IFC軟件模型中獲取構(gòu)件[6]，盡管這并非利用標(biāo)準(zhǔn)的MVD方式定義，但邁出了模型轉(zhuǎn)換研究的重要一步。

在芬蘭坦佩雷理工大學(xué)，Jiri Hietanen教授經(jīng)過(guò)多年研究，發(fā)布了《IFC Model View Definition Format V.1.0》，并被bSI官方采納。在此以后， MVD均按此指南進(jìn)行表達(dá)，當(dāng)MVD被提交至bSI后，它會(huì)委托相關(guān)軟件公司進(jìn)行程序測(cè)試，當(dāng)測(cè)試成功后bSI會(huì)將其收錄至官方認(rèn)證的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，軟件公司也會(huì)取得相應(yīng)的認(rèn)證證書(shū)。與此同時(shí)，bSI將所有定義中的MVD發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)IFC Solutions Factory，供大家研究查看。當(dāng)前已有的MVD主要集中在規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，包含建筑規(guī)劃、結(jié)構(gòu)計(jì)算、道路設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)和工程量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)也有施工領(lǐng)域的預(yù)制混凝土，以及運(yùn)維建設(shè)領(lǐng)域的設(shè)備管理等。

圖1 MVD構(gòu)成模塊總覽

在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)的鄧雪原教授對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)有過(guò)較深入研究，建立了有限元模型的結(jié)構(gòu)通用格式，在C++程序里表達(dá)了XML格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了模型導(dǎo)入和導(dǎo)出[7-8]。上海交通大學(xué)的李犁、林良帆在BIM平臺(tái)與數(shù)據(jù)方面做了大量基礎(chǔ)研究[9-10]。上海交通大學(xué)的周成深入研究了IDM(Information Delivery Manual，信息交付手冊(cè))標(biāo)準(zhǔn)[11]，并深入到建筑設(shè)計(jì)院實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，針對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)、風(fēng)水電等各專業(yè)的工作流程，定義了一套適用于設(shè)計(jì)院的IDM工作流程圖和互提資料列表[12]。作者本人在結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)、IDM標(biāo)準(zhǔn)和建筑結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換方面也開(kāi)展了MVD相關(guān)研究[13]。上海交通大學(xué)的張俊毅等人首次將IFC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于鐵路站房信息模型中，進(jìn)行了相關(guān)擴(kuò)展研究[14]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)MVD研究論文仍較少，中國(guó)建筑科學(xué)研究院的孟曉曄在鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中嘗試結(jié)合MVD進(jìn)行研究與應(yīng)用[15]。

1 MVD構(gòu)成模塊

總的來(lái)講，MVD主要有三大模塊，即Concept(概念)、Diagram(圖表)和Document(文檔)。其中，Concept是最基本的組成單元，多個(gè)Concept通過(guò)一定的關(guān)系組合形成一個(gè)完整的Diagram，多個(gè)Diagram完整表達(dá)一個(gè)有效的MVD。其中，圖中的每一個(gè)Concept都有相應(yīng)的Document描述其基本屬性、組織架構(gòu)、使用功能和目標(biāo)等信息。

為了區(qū)分普通用戶和專業(yè)軟件公司查看方式，MVD通常都有兩種表達(dá)方式，一種是通用表達(dá)方式，另一種是綁定了IFC數(shù)據(jù)的專業(yè)表達(dá)方式。限于篇幅，下文僅介紹綁定了 IFC數(shù)據(jù)的專業(yè)表達(dá)方式。在這種專業(yè)表達(dá)中，IFC標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)實(shí)體被賦予到了通用Concept中，信息傳遞都是以IFC數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，這樣就形成了標(biāo)準(zhǔn)化的可靠傳遞方式，同時(shí)在MVD和Concept的文檔中補(bǔ)充必要的信息要點(diǎn)加以解釋說(shuō)明。

如圖1所示，整個(gè)Diagram的基本單元是Concept，如C#1～7，不同的Concept采用定義的流程進(jìn)行連接組合，需注意的是，這些Concept是通用的，它們可在不同視圖中重復(fù)利用。Document描述了MVD的整體信息，同時(shí)每個(gè)Concept都有相應(yīng)Document進(jìn)一步解釋與之具有繼承關(guān)系的其他Concept。

下面將對(duì)Concept和Diagram進(jìn)行介紹。

1.1 Concept

如表1所示， Concept分為三類：Variable Concept(可變概念)、Adapter Concept(中間概念)和Static Concept(靜態(tài)概念)。Variable Concept作為初始部分，在通用和專業(yè)表達(dá)方式中名稱相同，但在專業(yè)表達(dá)方式中其被賦予了IFC實(shí)體對(duì)象。Adapter Concept作為中間部分，起到承上啟下的連接作用，由于其可重復(fù)利用的特性，在程序代碼中往往可以作為模塊化結(jié)構(gòu)。Static Concept在流程末端，其Document詳細(xì)描述對(duì)IFC實(shí)體對(duì)象的綁定關(guān)系。

表1 IFC綁定 Concept

1.2 Diagram

Diagram采用XML Schema Definition標(biāo)準(zhǔn)格式定義，可使用Microsoft Visio進(jìn)行繪制。Diagram的主要內(nèi)容應(yīng)包括： 1)基本單元Concept的定義； 2)Concept的說(shuō)明，即開(kāi)關(guān)狀態(tài)和注釋說(shuō)明(用符號(hào)“！”表示)； 3)Concept的相對(duì)位置關(guān)系、是否可見(jiàn)(不可見(jiàn)的灰顯)等。

一般來(lái)講，可以按從左至右的順序依次繪制Variable、Adapter和Static Concept，若圖表太大，也可適當(dāng)調(diào)整各個(gè)Concept間的左右關(guān)系，但不允許圓形閉合流程。除了Variable Concept占據(jù)首位，其余的Concept都由唯一上層Concept繼承下去。

圖2 Diagram舉例說(shuō)明

如圖2所示，由于最下面一行的Single Segment灰顯，表示缺失，它會(huì)導(dǎo)致后續(xù)Concept均失效，因此這一層級(jí)的Concept注釋“必需”。例如，在結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中，若缺少約束定義那么后續(xù)工作是無(wú)法進(jìn)行的，因此約束定義應(yīng)標(biāo)記“必需”。程序應(yīng)實(shí)現(xiàn)所有注釋為“必需”的Concept，否則不能通過(guò)該模型視圖的認(rèn)證。

2 結(jié)構(gòu)分析模型的視圖定義

2.1 結(jié)構(gòu)分析模型視圖整體描述

在結(jié)構(gòu)分析模型中，最關(guān)鍵的組成部分是各類受力構(gòu)件單元、連接節(jié)點(diǎn)以及荷載作用。圖3中可以看出，豎向受力構(gòu)件柱指定為線單元(Curve Member)，梁也應(yīng)指定為線單元(圖中未示例)，水平向的板和豎向的墻指定為面單元(Surface Member)。線單元和線單元、線單元和面單元的連接是一個(gè)點(diǎn)(Point Connection)，而面單元和面單元的連接是一條線(Curve Connection)，從數(shù)學(xué)上可以理解為線線相交、線面相交是一個(gè)點(diǎn)，面面相交是一條線。荷載作用，分為點(diǎn)荷載(Point Action)、線荷載(Linear Action)和面荷載(Planar Action)，從結(jié)構(gòu)分析上講，集中力可以作為點(diǎn)荷載加載到梁、柱等線單元上，填充墻自重等可以折算為線荷載加載到梁等線單元，而面荷載包含樓屋面裝修面層、活荷載以及風(fēng)雪荷載，作用到板、墻等面單元上。

圖3 結(jié)構(gòu)分析模型

表2 IFC結(jié)構(gòu)分析模型視圖描述文檔

表3 結(jié)構(gòu)分析模型Diagram

表2從總體上概述了在結(jié)構(gòu)分析模型視圖定義中， IFC實(shí)體對(duì)象如何與各類模型中的元素建立指定關(guān)系。該文檔闡述了結(jié)構(gòu)分析模型的強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性具體內(nèi)容，與IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對(duì)象有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣建筑和結(jié)構(gòu)模型在IFC標(biāo)準(zhǔn)里實(shí)現(xiàn)了共享和互通。

2.2 視圖Diagram

結(jié)構(gòu)分析模型MVD有12個(gè)Diagram，分別是Project、Site、Building、Building Storey、Structural Analysis Model、Structural Point Connection、Structural Curve Connection、Structural Curve Member、Structural Surface Member、Structural Point Action、Structural Linear Action、Structural Planar Action。該視圖[13]包含了項(xiàng)目、場(chǎng)地、樓棟、樓層等基礎(chǔ)信息，結(jié)構(gòu)分析模型，構(gòu)件連接方式(點(diǎn)和線)，構(gòu)件單元(線和面)，荷載(點(diǎn)、線、面)。限于篇幅，下面僅闡述Structural Analysis Model(結(jié)構(gòu)分析模型)Diagram。

在表3中，Diagram的基本信息在表頭中表達(dá)，Concept分成四級(jí)描述。Concept包括左上角的索引號(hào)和正中的名稱兩部分。索引號(hào)的編排規(guī)則如下：“SJTUBIM-XXX-IFC4”，SJTUBIM為編制機(jī)構(gòu)； 最后的IFC4是IFC標(biāo)準(zhǔn)的版本號(hào)； 中間XXX是三位數(shù)字，第一位數(shù)字取值0、1、2、3，分別代表“Variable Concept”和一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)“Adapter/Static Concept”； 第二、三位數(shù)字取值從01開(kāi)始往后編寫(xiě)，代表同一級(jí)Concept的順序。其中，Adapter/Static Concept是標(biāo)準(zhǔn)化模塊，可用于不同的Diagram。

該Diagram包含了結(jié)構(gòu)分析模型的作者及狀態(tài)信息、屬性(ID號(hào)、名稱、預(yù)定義類型)、荷載類型、計(jì)算結(jié)果、樓層組裝、模型分塔等計(jì)算分析模型所需的各類主要Concept，然后在各級(jí)Concept中進(jìn)行詳細(xì)描述。

3 結(jié)論

Jiri Hietanen定義了標(biāo)準(zhǔn)的MVD格式，并被bSI采納成為官方表達(dá)， 當(dāng)前的MVD都按此官方格式進(jìn)行定義。在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)IFC Solutions Factory中，有建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的多個(gè)MVD供測(cè)試使用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外MVD的相關(guān)研究仍處于探索階段，定義和認(rèn)證過(guò)程相對(duì)緩慢，現(xiàn)有的MVD類型集中在規(guī)劃設(shè)計(jì)等相對(duì)單一領(lǐng)域，內(nèi)容還需要不斷完善和補(bǔ)充。

在標(biāo)準(zhǔn)格式的模型視圖定義中，具體的交互信息被賦予了IFC標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)體和關(guān)系對(duì)象，然后通過(guò)一定關(guān)系組織起來(lái)表達(dá)相應(yīng)的功能需求，形成完整的模型視圖定義。結(jié)構(gòu)分析模型視圖定義MVD包含多個(gè)Diagram和相應(yīng)的Document描述，詳細(xì)表達(dá)了建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析所需的5類主要信息： 1)項(xiàng)目、場(chǎng)地、樓棟、樓層等基礎(chǔ)信息； 2)結(jié)構(gòu)分析模型； 3)構(gòu)件連接方式(點(diǎn)連接和線連接)； 4)構(gòu)件單元(線單元和面單元)； 5)荷載作用(點(diǎn)荷載、線荷載和面荷載)。文中對(duì)結(jié)構(gòu)分析模型Diagram詳細(xì)闡述了結(jié)構(gòu)屬性等基本信息、所有構(gòu)件單元、連接方式、荷載作用以及分析結(jié)果。