基于 IFC的建筑协同设计标准研究初探

李楚舒 崔 路

(中国建筑标准设计研究院,北京 100048)

基于 IFC的建筑协同设计标准研究初探

李楚舒 崔 路

(中国建筑标准设计研究院,北京 100048)

本文介绍了基于工业基础类 IFC(Industry Foundation Class)的协同设计标准研究。初步研究指出:作为建筑行业中协同设计数据标准应该是开放的标准,IFC是满足该要求的建筑行业数据标准。进一步的研究实践表明,IFC数据格式标准只是协同设计的必要条件,但不是充要条件。设计中各专业之间信息交互的流程也必须要明确定义,否则作为建筑信息模型的通用数据结构 IFC格式无法保证专业之间信息交互的正确性和高效性。本文介绍了基于“用例”(use case)分析的方法——信息提交手册 I DM(Infor mation DeliveryManual),来定义设计工作流程的信息交互标准,以及在 I DM基础上的计算机软件实现的模型视图定义MVD(ModelV ie w Definition)。本文指出,基于 IFC的协同设计标准框架应该包括三个层次,即 I FC数据结构、信息提交手册,以及模型视图定义。

工业基础类 IFC;建筑协同设计;信息提交手册;模型视图定义

1 概述

建筑行业从纸质的图纸转到 CAD制图大大提高了工作效率,但是不同制图软件支持不同的内部数据格式,比如:AutoDesk公司产品 AutoCAD的dwg格式,Bentley公司产品 MicroStation的 dgn格式,Graphisoft公司产品的 ArchiCAD的 gsm格式。为了实现软件与软件之间数据交互,提出了一些基于文件的数据交互标准格式,比如 DXF, IGES等。这些数据标准包括了点、直线、弧线、平面、曲面、实体等等基本几何数据。软件之间数据交互往往仅限于对于基本几何数据的交互。比如标准数据的输出是将软件内部的几何实体从内部格式转化为标准格式并输出,标准数据的输入是将外部的几何形体按照标准数据格式和内部数据格式的对应关系转化为软件可以识别的内部数据格式。对于CAD发展初期,大部分数据只是几何信息的数据时,这种类型的简单的数据转换基本满足要求。但是随着 CAD软件系统越来越复杂,这种简单的转换方式已经不能满足需求。目前 CAD软件中的信息不仅仅有几何信息,也包含了大量的参数化信息,比如材料,限制规则等等。在这些已有的基于文件的标准数据格式中,并没有包含这些参数化信息。

CAD在制造业中的应用比在建筑业中的应用更早也更加成熟,在上世纪 80年代末期,随着大型机械制造的需求,比如飞机制造,造船,制造业发展了基于产品模型的数据交互标准,即 STEP(Standard for Exchange of ProductModelData),ISO-10303标准系列。该标准系列包含了EXPRESS语言标准,以及应用该语言来描述的模型数据标准[1]。基于标准发展了 20多种针对制造业的数据标准格式。

在 2004年的美国国家建筑科学院(National Institute of Building Science-NIBS)的一份报告[2]中公布,由于信息交互不良在美国建筑行业中产生的浪费大概为 150亿美元。建筑行业也急需一套类似于ISO-10303制造业的标准来优化提高数据交换的准确性和效率。

和建筑行业不同,制造业中的标准是由制造业中的几个主要的制造公司以及与其长期配合的合作伙伴来推动的。建筑业中的合作往往是基于具体的工程项目,选择采用招投标方式,这使得合作对象经常发生变化。合作时间也是根据项目的时间而定,历时往往仅有 2～3年左右。这使得建筑行业的标准很难单单按照某几个大公司的意愿来推动。建筑行业更适于采用类似于开源标准的模式,采用公开的数据格式来推行建筑信息交互的标准[3]。

2 建筑模型数据格式——工业基础类 IFC(Industry Foundation Class)

上世纪90年代,国际协同联盟(InternationalA-l liance of Interoperability-I AI)开始逐步提出基于 EXPRESS语言的建筑行业产品交互模型:工业基础类(Industry Foundation Class-IFC)。IFC数据模型提供了建筑全生命周期中对象和过程等的一系列定义。它不仅仅定义了建筑构件的几何信息,也定义了建筑构件的非几何属性,以及构件之间的联系。IFC目的是能够描述建筑物整个生命周期中所涉及的数据结构,从初始设计阶段,详图设计阶段,施工图设计阶段,施工阶段,物业管理阶段,以及建筑达到使用寿命之后的拆除阶段所需要的所有相关的数据格式[4]。

IFC的数据模型架构包括四个层次:核心层、交互层、领域层以及资源层[5]。

核心层:核心层定义了 IFC对象模型的基本架构,定义了最抽象的概念,这些概念将在交互层和领域层中使用。比如:IFCROOT。

交互层:定义了在两个或者两个以上领域中所使用的概念或者对象实体。比如:IFC WALL。该层中定义的对象可以在领域层中引用。

领域层:定义了某个领域内专用的一些概念或者对象实体。比如,领域层包括建筑设计、HVAC、FM、结构工程等等建筑业不同领域。领域层是最高的一个层次,其中的对象可以引用核心层,交互层以及资源层中定义的对象,但是不能被其他层中的对象所引用。

资源层:资源层是 IFC数据模型中最低的层次。可以被其他层次的对象所引用,但是不能引用其他层次中的对象。资源对象为那些不依赖于模型中其他对象的存在而存在的低层次概念。比如和成本相关的概念被集合在 IfcCostResource中,所有需要成本信息的核心层,交互层或者领域层的对象都可以引用 IfcCos tResouces中的对象。

IFC数据模型结构可以如图 1所示。

尽管 IFC数据结构的目的是覆盖建筑生命周期中所有的对象,这一目标在 IFC2X4中已经大部分实现了,但是在实际应用过程中发现如果仅仅依靠 IFC模型数据结构,并不能完全解决建筑协同设计中信息交互问题。原因是在 IFC数据模型中并没有针对使用 IFC数据结构交互过程进行定义。这使得用 IFC数据结构来定义的交互信息,不同的软件虽然在“技术上”都可以“读取”信息,但是同样信息在 IFC数据结构的可以用表述却是可以不同,这造成了虽然软件可以“读取” IFC中的信息,但是却无法正确理解信息的含义,使得信息交互出现错误或者不全面。

解决该问题的方法就是要对信息交互进行清晰的定义,包括交互需求的定义,以及交互数据模型定义。

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

基于用例来定义信息交互需求成为 IFC发展的一个新方向,即信息提交手册[6](Infor mation DeliveryManua-l IDM)。通过对信息交换用例的定义和分析,可以明确每类信息交换的目的,从而可以定义每类信息交互种所需要包含的内容。在实际过程中可能有上百种信息交换的用例,每个用例都需要清晰的定义用户在该交换中所期待可以接收或者要求发送的信息。

通过用例分析,信息提交手册定义了信息交换过程中的关键点,明确交换中数据提供方所必须提供的数据,以及使用方所能够期待的数据,并且定义了不同的应用程序应该如何传递这些数据。通过对于信息交互过程的清晰定义提高了交互信息的质量。

在信息提交手册中,每个信息交互过程都被单独定义,每个 IDM的定义都包含三个部分:流程图、交互需求、功能部件。

流程图——给出了该流程的文字概述。说明了流程的目的,以及该流程在什么情况下才发生,并描述了该流程的子流程。

交互需求——进一步对该流程的非技术性描述。包括了该流程所需要的信息输入,提供输入信息的源,以及该流程所生成的信息。

功能部件——对于该流程的技术性描述,主要是针对软件开发人员。从技术角度定义了流程所包含各个步骤的细节。

流程图,交互需求以及功能部件的关系如图 2所示。

图1 IFC数据模型结构图

图 2 信息提交手册三部分组成的关系

对于用户和软件开发商,信息提交手册有如下优点。

· 定义了流程中参与者所交互的信息内容。

· 通过标准化,提高了流程中的交互信息的质量,从而更高效率的使用基于 IFC的建筑信息模型。

· 对于软件开发提供了明确的需求分析。

4 模型视图定义——Model View Defin-i tions(MVD)

IDM是从用户角度对信息交互需求进行的定义,MVD[7]则是从软件开发人员的角度对于软件如何实现用户需求而进行的定义。模型视图定义MVD是为了满足信息提交手册中所定义的某一或者多个特定流程中的数据交换所需的信息模型,该信息模型是协同设计数据模型的一个子集。

模型视图定义将数据提交手册中的定义和软件中可实现的数据交换对应起来,定义了软件为了完成数据提交手册中的流程所需要交互的数据集合。所以协同设计信息模型视图是针对软件开发厂商,使得不同厂家的不同软件之间可以进行数据交互。数据信息模型视图是不同软件实现之间兼容性的保障。

5 IFC,信息提交手册(IDM)以及模型视图定义(MVD)关系

在建筑协同设计标准中 IFC数据结构的定义是标准基础,在其基础上对于流程中每个具体的交互单元过程进行逐个分析定义,形成信息提交手册(IDM),模型视图定义又是信息提交手册的中的具体交互流程的集合。三者之间的关系如图3所示:

图 3 IFC,信息提交手册(IDM)以及模型视图定义(MVD)关系

6 结论

本文提出了基于 IFC的协同设计标准的基本框架,指出如果仅有 IFC数据结构标准并不能满足建筑行业专业内部以及专业之间信息交互需求,基于 IFC的建筑协同设计标准应该包含下三个层次的标准:

1.IFC数据结构标准:该标准对建筑生命周期中的各对象以及关系做出定义。

2.信息提交手册标准-IDM:从用户角度对于设计流程中交互的信息定义。

3.模型视图定义标准-MVD:软件开发所使用的信息交换标准。将信息模型提交手册中所定义需求按照逻辑关系整合到一个软件开发角度的模型视图中。该模型视图是 IFC建筑数据模型的一个子集。

[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]建筑对象数字化定义,中华人民共和国建筑工业行业标准,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

【支撑项目】“十一五”国家科技支撑计划资助课题(2007BAF23B03)

李楚舒(1970-),男,博士,教授级高级工程师。主要从事工程软件、信息化、建筑信息模型等方面的研究与开发工作。