基于 IFC的建筑協同設計標準研究初探

李楚舒 崔 路

(中國建筑標準設計研究院,北京 100048)

基于 IFC的建筑協同設計標準研究初探

李楚舒 崔 路

(中國建筑標準設計研究院,北京 100048)

本文介紹了基于工業基礎類 IFC(Industry Foundation Class)的協同設計標準研究。初步研究指出:作為建筑行業中協同設計數據標準應該是開放的標準,IFC是滿足該要求的建筑行業數據標準。進一步的研究實踐表明,IFC數據格式標準只是協同設計的必要條件,但不是充要條件。設計中各專業之間信息交互的流程也必須要明確定義,否則作為建筑信息模型的通用數據結構 IFC格式無法保證專業之間信息交互的正確性和高效性。本文介紹了基于“用例”(use case)分析的方法——信息提交手冊 I DM(Infor mation DeliveryManual),來定義設計工作流程的信息交互標準,以及在 I DM基礎上的計算機軟件實現的模型視圖定義MVD(ModelV ie w Definition)。本文指出,基于 IFC的協同設計標準框架應該包括三個層次,即 I FC數據結構、信息提交手冊,以及模型視圖定義。

工業基礎類 IFC;建筑協同設計;信息提交手冊;模型視圖定義

1 概述

建筑行業從紙質的圖紙轉到 CAD制圖大大提高了工作效率,但是不同制圖軟件支持不同的內部數據格式,比如:AutoDesk公司產品 AutoCAD的dwg格式,Bentley公司產品 MicroStation的 dgn格式,Graphisoft公司產品的 ArchiCAD的 gsm格式。為了實現軟件與軟件之間數據交互,提出了一些基于文件的數據交互標準格式,比如 DXF, IGES等。這些數據標準包括了點、直線、弧線、平面、曲面、實體等等基本幾何數據。軟件之間數據交互往往僅限于對于基本幾何數據的交互。比如標準數據的輸出是將軟件內部的幾何實體從內部格式轉化為標準格式并輸出,標準數據的輸入是將外部的幾何形體按照標準數據格式和內部數據格式的對應關系轉化為軟件可以識別的內部數據格式。對于CAD發展初期,大部分數據只是幾何信息的數據時,這種類型的簡單的數據轉換基本滿足要求。但是隨著 CAD軟件系統越來越復雜,這種簡單的轉換方式已經不能滿足需求。目前 CAD軟件中的信息不僅僅有幾何信息,也包含了大量的參數化信息,比如材料,限制規則等等。在這些已有的基于文件的標準數據格式中,并沒有包含這些參數化信息。

CAD在制造業中的應用比在建筑業中的應用更早也更加成熟,在上世紀 80年代末期,隨著大型機械制造的需求,比如飛機制造,造船,制造業發展了基于產品模型的數據交互標準,即 STEP(Standard for Exchange of ProductModelData),ISO-10303標準系列。該標準系列包含了EXPRESS語言標準,以及應用該語言來描述的模型數據標準[1]?；跇藴拾l展了 20多種針對制造業的數據標準格式。

在 2004年的美國國家建筑科學院(National Institute of Building Science-NIBS)的一份報告[2]中公布,由于信息交互不良在美國建筑行業中產生的浪費大概為 150億美元。建筑行業也急需一套類似于ISO-10303制造業的標準來優化提高數據交換的準確性和效率。

和建筑行業不同,制造業中的標準是由制造業中的幾個主要的制造公司以及與其長期配合的合作伙伴來推動的。建筑業中的合作往往是基于具體的工程項目,選擇采用招投標方式,這使得合作對象經常發生變化。合作時間也是根據項目的時間而定,歷時往往僅有 2～3年左右。這使得建筑行業的標準很難單單按照某幾個大公司的意愿來推動。建筑行業更適于采用類似于開源標準的模式,采用公開的數據格式來推行建筑信息交互的標準[3]。

2 建筑模型數據格式——工業基礎類 IFC(Industry Foundation Class)

上世紀90年代,國際協同聯盟(InternationalA-l liance of Interoperability-I AI)開始逐步提出基于 EXPRESS語言的建筑行業產品交互模型:工業基礎類(Industry Foundation Class-IFC)。IFC數據模型提供了建筑全生命周期中對象和過程等的一系列定義。它不僅僅定義了建筑構件的幾何信息,也定義了建筑構件的非幾何屬性,以及構件之間的聯系。IFC目的是能夠描述建筑物整個生命周期中所涉及的數據結構,從初始設計階段,詳圖設計階段,施工圖設計階段,施工階段,物業管理階段,以及建筑達到使用壽命之后的拆除階段所需要的所有相關的數據格式[4]。

IFC的數據模型架構包括四個層次:核心層、交互層、領域層以及資源層[5]。

核心層:核心層定義了 IFC對象模型的基本架構,定義了最抽象的概念,這些概念將在交互層和領域層中使用。比如:IFCROOT。

交互層:定義了在兩個或者兩個以上領域中所使用的概念或者對象實體。比如:IFC WALL。該層中定義的對象可以在領域層中引用。

領域層:定義了某個領域內專用的一些概念或者對象實體。比如,領域層包括建筑設計、HVAC、FM、結構工程等等建筑業不同領域。領域層是最高的一個層次,其中的對象可以引用核心層,交互層以及資源層中定義的對象,但是不能被其他層中的對象所引用。

資源層:資源層是 IFC數據模型中最低的層次?？梢员黄渌麑哟蔚膶ο笏?但是不能引用其他層次中的對象。資源對象為那些不依賴于模型中其他對象的存在而存在的低層次概念。比如和成本相關的概念被集合在 IfcCostResource中,所有需要成本信息的核心層,交互層或者領域層的對象都可以引用 IfcCos tResouces中的對象。

IFC數據模型結構可以如圖 1所示。

盡管 IFC數據結構的目的是覆蓋建筑生命周期中所有的對象,這一目標在 IFC2X4中已經大部分實現了,但是在實際應用過程中發現如果僅僅依靠 IFC模型數據結構,并不能完全解決建筑協同設計中信息交互問題。原因是在 IFC數據模型中并沒有針對使用 IFC數據結構交互過程進行定義。這使得用 IFC數據結構來定義的交互信息,不同的軟件雖然在“技術上”都可以“讀取”信息,但是同樣信息在 IFC數據結構的可以用表述卻是可以不同,這造成了雖然軟件可以“讀取” IFC中的信息,但是卻無法正確理解信息的含義,使得信息交互出現錯誤或者不全面。

解決該問題的方法就是要對信息交互進行清晰的定義,包括交互需求的定義,以及交互數據模型定義。

3 信息提交手冊——Information Delivery Manual(IDM)

基于用例來定義信息交互需求成為 IFC發展的一個新方向,即信息提交手冊[6](Infor mation DeliveryManua-l IDM)。通過對信息交換用例的定義和分析,可以明確每類信息交換的目的,從而可以定義每類信息交互種所需要包含的內容。在實際過程中可能有上百種信息交換的用例,每個用例都需要清晰的定義用戶在該交換中所期待可以接收或者要求發送的信息。

通過用例分析,信息提交手冊定義了信息交換過程中的關鍵點,明確交換中數據提供方所必須提供的數據,以及使用方所能夠期待的數據,并且定義了不同的應用程序應該如何傳遞這些數據。通過對于信息交互過程的清晰定義提高了交互信息的質量。

在信息提交手冊中,每個信息交互過程都被單獨定義,每個 IDM的定義都包含三個部分:流程圖、交互需求、功能部件。

流程圖——給出了該流程的文字概述。說明了流程的目的,以及該流程在什么情況下才發生,并描述了該流程的子流程。

交互需求——進一步對該流程的非技術性描述。包括了該流程所需要的信息輸入,提供輸入信息的源,以及該流程所生成的信息。

功能部件——對于該流程的技術性描述,主要是針對軟件開發人員。從技術角度定義了流程所包含各個步驟的細節。

流程圖,交互需求以及功能部件的關系如圖 2所示。

圖1 IFC數據模型結構圖

圖 2 信息提交手冊三部分組成的關系

對于用戶和軟件開發商,信息提交手冊有如下優點。

· 定義了流程中參與者所交互的信息內容。

· 通過標準化,提高了流程中的交互信息的質量,從而更高效率的使用基于 IFC的建筑信息模型。

· 對于軟件開發提供了明確的需求分析。

4 模型視圖定義——Model View Defin-i tions(MVD)

IDM是從用戶角度對信息交互需求進行的定義,MVD[7]則是從軟件開發人員的角度對于軟件如何實現用戶需求而進行的定義。模型視圖定義MVD是為了滿足信息提交手冊中所定義的某一或者多個特定流程中的數據交換所需的信息模型,該信息模型是協同設計數據模型的一個子集。

模型視圖定義將數據提交手冊中的定義和軟件中可實現的數據交換對應起來,定義了軟件為了完成數據提交手冊中的流程所需要交互的數據集合。所以協同設計信息模型視圖是針對軟件開發廠商,使得不同廠家的不同軟件之間可以進行數據交互。數據信息模型視圖是不同軟件實現之間兼容性的保障。

5 IFC,信息提交手冊(IDM)以及模型視圖定義(MVD)關系

在建筑協同設計標準中 IFC數據結構的定義是標準基礎,在其基礎上對于流程中每個具體的交互單元過程進行逐個分析定義,形成信息提交手冊(IDM),模型視圖定義又是信息提交手冊的中的具體交互流程的集合。三者之間的關系如圖3所示:

圖 3 IFC,信息提交手冊(IDM)以及模型視圖定義(MVD)關系

6 結論

本文提出了基于 IFC的協同設計標準的基本框架,指出如果僅有 IFC數據結構標準并不能滿足建筑行業專業內部以及專業之間信息交互需求,基于 IFC的建筑協同設計標準應該包含下三個層次的標準:

1.IFC數據結構標準:該標準對建筑生命周期中的各對象以及關系做出定義。

2.信息提交手冊標準-IDM:從用戶角度對于設計流程中交互的信息定義。

3.模型視圖定義標準-MVD:軟件開發所使用的信息交換標準。將信息模型提交手冊中所定義需求按照邏輯關系整合到一個軟件開發角度的模型視圖中。該模型視圖是 IFC建筑數據模型的一個子集。

[1]Schenck,D.A. and Wilson,P.R. (1994)Infor mation Modeling the EXPRESSWay,OxfordU.Press,N.Y.

[2]Gallaher,M.P.,O'Connor,A.C.,John,L.mDettban,J.and G ilday,L.T. (2004) “CostAnalysis of Inadequate Interoperability in the U.S.Capital Facilities Industry”.N IST GCR 04-867,National Institute of Standards and Technology.

[3]To lman,F.(1999(Product modling standards for the building and construction industry past,present and future,Auto mation in Construction,Vo.l 8,No. 3, pp.227-235.

[4]Bjok,B-C, (1995)Requirements and infor mation structures for building productmodels,TechnicalReport,Publication 245,VTT TechnicalResearch Centre of Finland.

[5]建筑對象數字化定義,中華人民共和國建筑工業行業標準,JG/T 198-2007.

[6]Hietanen,J,(2006)Infor mationDeliveryManualGuiding to Co mponents and Development Methods,BuildingSMART,Norway,28March,2006.

[7]H ietanen,J.(2006)I FC ModelV ie w Definition For mat,InternationalA lliance for Interoperability.

Research on Collaborative Design Standard Based on IFC

LiChushu,CuiLu

(China Institute of Building Standard Design&Research,Beijing100048,China)

The paper discussed the collaborative design standard based on Industry FoundationC lass(IFC).It was found that the collaborative design standard should be based on an open industrial standard instead of any pr-i vate standard. IFC is the available open standard for the building industry.H owever the IFC open data standard is a necessary condition for the collaborative design standard but not a sufficient condition.It was pointed out in the paper that the process of the collaborative design need also clearly defined in the standard.The paper also introduced the Infor mation Delivery Manua,la use case based m ethodology to analyze the design process,andModel V iew Definition,a progra mmer view of the data exchangew ithin the process.This article points ou,t based on the I FC data standard fra mework,the collaborative design standard should include three aspect,na m ely,IFC data structure, information delivery manua,l andmodel vie w definition.

Industry Foundation Class;Building Collaborative Design;Info rmation Delivery Manua;l Model V iew Definition

T-652.6;TU17

A

1674-7461(2011)02-0001-04

【支撐項目】“十一五”國家科技支撐計劃資助課題(2007BAF23B03)

李楚舒(1970-),男,博士,教授級高級工程師。主要從事工程軟件、信息化、建筑信息模型等方面的研究與開發工作。