程可, 戴成元,2*, 梁邦勛, 鄒敏, 劉其舟

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 桂林 541004; 2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室, 桂林 541004)

智能建造的研究和應(yīng)用是當前建筑領(lǐng)域發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一,是提高工程建設(shè)質(zhì)量、項目管理效率的迫切需求[1]。數(shù)字化是智能建造的必要條件和重要基礎(chǔ),數(shù)字承載著工程建設(shè)產(chǎn)生的信息,即說明信息化是其發(fā)展的實質(zhì)[1-2]。而建筑信息模型(building information modeling,BIM)是建筑業(yè)信息化的基礎(chǔ),BIM以三維模型為載體,實現(xiàn)建筑全生命周期的工程信息集成、共享和交互[3]。然而在整個工程建設(shè)過程中,因建造階段不同、參與方不同、設(shè)計劃分專業(yè)不同等,所采用的BIM軟件也不盡相同,如Revit、SketchUp、Tekla Structures等。因此,需要建立數(shù)據(jù)標準來支持信息有效傳遞。

為此,buildingSMART提出工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation classes,IFC)作為BIM信息交換的數(shù)據(jù)標準[4]。IFC是一個開放和標準化的數(shù)據(jù)模型,旨在實現(xiàn)AEC/FM行業(yè)中建筑信息建模軟件應(yīng)用程序之間的互操作性[5]。但由于IFC標準文件儲存BIM信息存在自身局限性,如:數(shù)據(jù)交互導致信息丟失、文件過大占用空間及安全性差等。而數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來系統(tǒng)地組織、存儲、管理數(shù)據(jù)信息,在保證信息傳輸完整的基礎(chǔ)上能夠提高訪問效率、維護信息安全,故通常進一步將IFC數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫中。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于成本較低、相關(guān)技術(shù)更成熟、應(yīng)用范圍更廣泛[6],顯然,將IFC標準文件通過解析再映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中更有益于實現(xiàn)BIM信息的傳遞、共享。

目前,國內(nèi)外針對IFC標準文件的解析均有一定的研究,并開發(fā)了相關(guān)的應(yīng)用。Xu等[7]通過設(shè)計IFC-OBJ數(shù)據(jù)接口,將IFC格式轉(zhuǎn)換為OBJ文件,實現(xiàn)BIM模型的幾何信息和OBJ文件信息的交互;Xu等[8]利用IFCEngine將模型拆分為包含幾何信息的IFC文件和包含語義屬性的JSON文件,采用IfcOpenShell提供的IfcConvert將IFC文件轉(zhuǎn)換為OBJ文件,再使用工具obj2gltf將OBJ文件轉(zhuǎn)換為GLTF文件,用于在Web端大規(guī)模集成數(shù)據(jù);劉聰?shù)萚9]以Revit模型的dwg格式為出發(fā)點,通過多種格式解析與轉(zhuǎn)換,利用數(shù)據(jù)互操作性實現(xiàn)Revit模型與GIS模型的融合;陳蔚韜[10]構(gòu)造IFC-GLTF轉(zhuǎn)換框架,將重構(gòu)的IFC文件轉(zhuǎn)換為GLTF文件,并在轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)IFC幾何空間信息和JSON語義屬性到GLTF的雙重映射;劉驚灝等[11]針對GLTF、OBJ、FBX、DRACO 4種文件格式分別在轉(zhuǎn)換大小、加載效果及文件加載過程信息完整性方面進行了對比,認為GLTF格式更適用于將BIM模型在Web端重構(gòu)?？梢?BIM模型數(shù)據(jù)之間的互操作性一直是建筑領(lǐng)域的關(guān)注點,大多數(shù)學者通常采用商業(yè)軟件或插件進行各種格式轉(zhuǎn)換的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。但模型經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換,在解析、映射到數(shù)據(jù)庫或開發(fā)平臺將模型可視化過程中會造成很多信息丟失,且有些格式文件兼容的BIM軟件較為單一,操作步驟煩瑣,利用效率低。

此外,關(guān)于IFC標準文件的開發(fā)及應(yīng)用, Ruiz-Zafra等[12]使用IFC+作為IFC的擴展架構(gòu),用于在BIM流程設(shè)計早期階段將物聯(lián)網(wǎng)集成到設(shè)備和相關(guān)元素中;Kouhestani等[13]開發(fā)一種基于設(shè)計階段IFC格式文件的創(chuàng)建日志的算法,使用流程挖掘分析事件日志,以識別發(fā)生流程并從中得出措施;張曉菲等[14]總結(jié)IFC標準引入BIM中的應(yīng)用前景,認為其可實現(xiàn)建筑業(yè)各設(shè)計專業(yè)之間的協(xié)同以及不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換;郭紅領(lǐng)等[15]提出一種IFC數(shù)據(jù)模型自動映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的方法,并開發(fā)自動生成構(gòu)件級進度計劃、自動吊裝對象智能識別兩種應(yīng)用。但關(guān)于IFC標準的研究應(yīng)用主要集中在設(shè)計階段,較少有學者探索施工階段的應(yīng)用,且大多局限在學術(shù)用途,未落實到實際建設(shè)中。

綜上所述,雖然現(xiàn)有研究對于IFC標準文件的開發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)取得一定的進展,但仍存在以下問題。一是IFC標準文件解析步驟繁雜,需轉(zhuǎn)換為其他格式,導致信息丟失;二是利用多種軟件工具解析IFC文件,占用空間大;三是IFC的開發(fā)應(yīng)用局限于工程項目設(shè)計階段。因此,現(xiàn)基于JavaScript語言、Web框架和數(shù)據(jù)庫技術(shù)提出一種IFC標準文件快速解析、BIM模型在Web端加載渲染和信息在線可視化分析的通用實施方法,無須轉(zhuǎn)換文件格式、安裝各種軟件、搭建各種環(huán)境,在保證IFC標準文件解析完整性和高效性的基礎(chǔ)上,進一步開發(fā)該方法針對建筑全生命周期的應(yīng)用。

1 BIM模型數(shù)據(jù)交互應(yīng)用框架搭建

建筑信息模型(BIM)為建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級提供重要支撐,而工業(yè)類基礎(chǔ)(IFC)作為國際上接受度最廣的數(shù)據(jù)交換標準與共享標準為BIM的研究與應(yīng)用提供有效支持。基于Web框架和數(shù)據(jù)庫技術(shù)探討一種IFC標準文件高效解析、儲存及信息可視化分析的實施方法,旨在實現(xiàn)IFC標準文件完整解析、數(shù)據(jù)安全有效存取、信息高效檢索與可視化分析。

圖1 研究方法與流程圖Fig.1 Research methods and processes

2 BIM模型數(shù)據(jù)交互方法研究

2.1 IFC標準文件概述

IFC標準采用面向?qū)ο蟆⒁?guī)范化的EXPRESS語言定義建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù),EXPRESS是一種表達產(chǎn)品數(shù)據(jù)的標準化數(shù)據(jù)建模語言,它提供了對建筑信息模型和建筑工程數(shù)據(jù)的詳細描述,同時也提供了與這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)有關(guān)的信息和約束的描述。這表明IFC標準既可通過信息描述來表達物理對象的真實信息,如構(gòu)件屬性等,也可體現(xiàn)各實體之間的組織關(guān)系和信息流動的方式,如施工工序等。

IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)采用分層和模塊化的形式定義了4個概念層,如圖2所示。該層級自下而上分為資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)?該架構(gòu)遵循“重力原則”,即每層只能引用同層或者下層的信息資源,而無法引用上層資源,這種方式保證了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和擴展性。每個概念層都包含若干信息描述模塊,每個模塊集中表達相關(guān)的工程信息,模塊分別由實體(Entities)、類型(Types)、函數(shù)(Functions)、規(guī)則(Rules)、屬性集(Property Sets)和數(shù)量集(Quantities Sets)集成描述。實體是IFC標準的核心部分,由公共屬性和約束定義的信息集,僅描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);類型包括定義類型、枚舉類型和選擇類型3種數(shù)據(jù)類型,是IFC標準的主要組成部分;函數(shù)通過遍歷實體屬性等方式,檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性;規(guī)則定義用于約束實體的屬性;屬性集是屬性的集合,由名稱、值、單位三元組定義;數(shù)量集是一個容器類,用于保存數(shù)量樹中的各個數(shù)量。

圖2 IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)圖Fig.2 IFC data architecture

2.2 IFC標準文件的開發(fā)與應(yīng)用

2.2.1 IFC標準文件的讀取與解析

采用Browser/Server架構(gòu)模式,在JavaScript開發(fā)環(huán)境下,利用JavaScript語言對IFC標準文件深度解析,結(jié)合WebGL和數(shù)據(jù)庫對BIM數(shù)據(jù)可視化集成管理,為實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)動態(tài)交互與協(xié)同共享創(chuàng)造環(huán)境。

B/S架構(gòu)通常以Web瀏覽器為客戶端,在服務(wù)器端集中進行數(shù)據(jù)運算,對前端軟硬件要求較低,同時具有較強的開發(fā)性和兼容性。此架構(gòu)下,JavaScript作為一種輕量級的解釋型腳本語言,其運行環(huán)境主要依賴于主流瀏覽器,無需安裝各種軟件、搭建各種環(huán)境,有利于Web程序開發(fā)應(yīng)用,同時可保證IFC標準文件解析的完整性和高效性。

IFC標準文件解析流程如圖3所示,以IFC標準文件中的實體解析過程為核心,通過遞歸方式訪問IFC結(jié)構(gòu)樹中的節(jié)點,獲取所有實體屬性信息,獲取的屬性信息從上至下仍以結(jié)構(gòu)樹形式分布,依次嵌套GlobalId、ObjectPlacement、ObjectType等全部屬性信息,與原始IFC結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)。為了精確獲取IFC標準文件中的詳細信息,通過遍歷實體類別和條件篩選解析對象,進一步獲取所需的屬性信息,并將其轉(zhuǎn)換為Object對象。

圖3 IFC標準文件解析流程圖Fig.3 IFC standard file parsing process

例如,IFC標準文件中實體的唯一標識符GlobalId,數(shù)據(jù)類型為IfcGloballyUniqueId,解析得到對應(yīng)屬性名稱GlobalId,數(shù)據(jù)類型為Object;實體的定位信息由ObjectPlacement描述,數(shù)據(jù)類型為IfcObjectPlacement,解析得到對應(yīng)屬性O(shè)bjectPlacement,數(shù)據(jù)類型為Object;其他屬性同理。解析得到的屬性信息可分別封裝成獨立的JSON格式文件,將所需的屬性信息傳送后臺,應(yīng)用于下一步到數(shù)據(jù)庫的映射。

2.2.2 IFC數(shù)據(jù)至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的映射

為實現(xiàn)IFC數(shù)據(jù)安全儲存以及相關(guān)應(yīng)用的二次開發(fā),在前端利用JavaScript將IFC標準文件解析為JSON文件,并在后端建立JSON文件到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的映射規(guī)則,采用Python和開源的對象關(guān)系映射(Object Relational Mapping,ORM)框架,將IFC數(shù)據(jù)儲存到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,利用關(guān)系模型中的二維表及其之間的關(guān)系實現(xiàn)系統(tǒng)管理IFC數(shù)據(jù)。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)電視臺是我國廣播傳播媒體體系中的重要組成元素，是廣播電視節(jié)目中不可或缺的關(guān)鍵要素，同時也是推動地區(qū)市場經(jīng)濟發(fā)展、提高人民生活水平的一股巨大力量。

IFC數(shù)據(jù)到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的映射規(guī)則如表1所示,與IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)相對應(yīng),分別從實體、類型、函數(shù)、規(guī)則、屬性集和數(shù)量集建立到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的映射規(guī)則。對于實體的映射,IFC數(shù)據(jù)中的實體指擁有特定屬性和行為的對象,Python的類可用來定義實體對象的結(jié)構(gòu)和行為,并且可實現(xiàn)繼承和多態(tài);關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的表可用來表示實體對象的屬性及組織關(guān)系,即IFC數(shù)據(jù)中的實體利用JavaScript語言解析為Object對象,再映射到Python類和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的表中。IFC數(shù)據(jù)中的定義類型轉(zhuǎn)換為JavaScript中的基本數(shù)據(jù)類型或引用數(shù)據(jù)類型,再映射到Python類和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表中對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型;枚舉類型是一種特殊的數(shù)據(jù)類型,可用于限制變量的取值范圍,對應(yīng)JavaScript中的Symbol類型、Python類中的string類型,在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中儲存為varchar類型;選擇類型表示具有多種可能形態(tài)的實體,并且可以對變量的取值進行檢查,同樣對應(yīng)Python類中的string類型及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的varchar類型。在IFC數(shù)據(jù)中,函數(shù)用于計算實體屬性值、檢驗?zāi)Ｐ驼_性,對應(yīng)Python類中的函數(shù)名;規(guī)則是用于約束數(shù)據(jù)模型的規(guī)范、條件或約定,對應(yīng)Python類中的邏輯過程,通常是字符串類型,但函數(shù)和規(guī)則并不在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中儲存。屬性集和數(shù)量集表示實體的多組屬性和數(shù)量信息,映射到Python類中的string類型,因此在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中以varchar類型儲存。

表1 IFC數(shù)據(jù)到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的映射規(guī)則表Table 1 Mapping rules of IFC data to MySQL

2.2.3 數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)器的交互

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為存儲數(shù)據(jù)表的載體,一方面可用于存儲IFC數(shù)據(jù),另一方面可用于存儲工程建設(shè)全生命周期產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)。例如,IFC數(shù)據(jù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中可分為IfcColumn表、IfcBeam表、IfcSlab表等各個構(gòu)件類別的信息表;實際建造產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可分為構(gòu)件設(shè)計表、生產(chǎn)表、施工進度表等各個階段的信息表。通過建立索引提升關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)檢索的效率,實現(xiàn)表與表之間一對一、一對多或多對多的聯(lián)系,從而建立IFC數(shù)據(jù)與實際建造的關(guān)聯(lián)。

數(shù)據(jù)庫作為信息交互的載體儲存著所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),后端根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),通過對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的篩選、切片、轉(zhuǎn)換等邏輯處理,進一步將數(shù)據(jù)反序列化為JSON對象傳遞至前端。在Web端,IFC標準文件可作為支持WebGL直接進行三維模型可視化的格式文件,無須轉(zhuǎn)換為其他格式,運用Three.js(基于WebGL封裝的JavaScript包)可將IFC模型重構(gòu)渲染,并實現(xiàn)全景漫游、縮放等功能。與此同時完成IFC模型和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的交互關(guān)聯(lián),如圖4所示。在此基礎(chǔ)上二次開發(fā)專業(yè)應(yīng)用,如利用JavaScript語言完成在客戶端通過點擊IFC模型中的任一構(gòu)件,顯示該構(gòu)件的相關(guān)信息,或通過給構(gòu)件添加不同的顏色展示項目的施工進度等,支持開發(fā)更多應(yīng)用,實現(xiàn)在Web端信息集成管理和可視化分析。

圖4 數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)器交互流程圖Fig.4 Process of interaction between the database and the Web server

3 應(yīng)用案例分析

提出基于Web框架的IFC模型數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫和信息在線可視化分析的方法,一方面保證了IFC數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫映射的完整性,另一方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的智能分析、處理與展示。以開發(fā)IFC標準文件在某實際項目中的應(yīng)用為例,使用Revit軟件,并導出IFC模型,如圖5所示,開發(fā)該框架的實際應(yīng)用。

圖5 結(jié)構(gòu)模型圖(Revit)Fig.5 Structural model(Revit)

3.1 裝配式建筑信息在Web端集成管理

IFC標準作為國際上接受范圍最廣的數(shù)據(jù)交換格式,有利于建造信息化的發(fā)展,使建筑工程在不同階段,讓不同參與方、不同設(shè)計專業(yè)跨地域快速實現(xiàn)協(xié)同交流;且其作為文檔層面格式支持WebGL進行模型可視化,無須轉(zhuǎn)換為其他格式。實例運用3D引擎Three.js將IFC模型在Web端重構(gòu),基于開源解析引擎IFC.js直接讀取、解析IFC標準文件。結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù),將IFC模型數(shù)據(jù)和建筑全生命周期有效信息儲存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,并建立IFC模型數(shù)據(jù)與實際建設(shè)中產(chǎn)生的信息之間的索引。通過點擊事件,實現(xiàn)鼠標點擊某梁構(gòu)件,如圖6所示,在Web端右上方顯示該構(gòu)件的屬性信息與建造信息。該方法提升了針對建筑全生命周期二次開發(fā)的能力,打通了各個階段的數(shù)據(jù)流動。

在地上二層結(jié)構(gòu)的施工計劃內(nèi),綠色代表按計劃進度完成施工區(qū)域,黃色代表正在施工但未完成區(qū)域,紅色代表施工延誤區(qū)域,透明代表未施工區(qū)域圖6 施工進度可視化分析圖Fig.6 Visual analysis of construction progress

3.2 裝配式建筑構(gòu)件級進度可視化平臺開發(fā)

IFC標準具有面向?qū)ο蟮奶刭|(zhì),可實現(xiàn)構(gòu)件級實時更新施工進度,通過施工進度可視化分析案例,驗證研究提出的數(shù)據(jù)交互和可視化分析的有效性。在IFC數(shù)據(jù)映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,利用傳感器等智能采集裝備,全面感知現(xiàn)場施工狀態(tài),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。通過Web端服務(wù)器與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的交互,服務(wù)器后端對事務(wù)進行邏輯處理,分析、處理并及時反饋當前施工進度狀態(tài),根據(jù)顏色變化可反映構(gòu)件的施工進度,輔助決策者做出判斷。

此外,可根據(jù)IFC建筑施工管理信息模型創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,建立施工現(xiàn)場進度、成本、質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)庫的連接,在此基礎(chǔ)上,搭建施工管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理框架,實現(xiàn)施工現(xiàn)場全流程動態(tài)管理。

4 結(jié)論

針對BIM模型在建筑工程管理中存在文件格式轉(zhuǎn)換繁雜、信息流通不暢及有效利用率低問題,研究基于IFC標準和Web框架的BIM模型數(shù)據(jù)交互的方法及應(yīng)用,得到以下結(jié)論。

(1)在JavaScript開發(fā)環(huán)境下,提出無須轉(zhuǎn)換文件格式、安裝商業(yè)軟件、搭建各種環(huán)境即可直接解析IFC標準文件的實現(xiàn)方法。該方法在保證IFC數(shù)據(jù)解析完整性的同時,節(jié)省了服務(wù)器后端算力,支持開發(fā)更多相關(guān)的應(yīng)用。

(2)基于Three.js引擎搭建BIM模型數(shù)據(jù)輕量化交互平臺,將模型實體與數(shù)據(jù)庫信息關(guān)聯(lián),實現(xiàn)在Web端數(shù)據(jù)集成展示與分析。

(3)結(jié)合Web框架,搭建了IFC模型數(shù)據(jù)與建筑全生命周期信息儲存至數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用框架,研究了工程建設(shè)中數(shù)據(jù)存儲、信息集成管理及可視化分析的全流程。

面對建筑業(yè)日益增長的BIM模型及數(shù)據(jù)體量,后續(xù)工作將進一步研究其輕量化集成、信息高效可視化管理的方法,為建筑業(yè)全生命周期的智能建造提供更有價值的拓展應(yīng)用。