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基于 IFC 标准 BIM 数据库的构建与应用

2017-12-31 22:28| 查看: 1960| 评论: 0|作者: 李 犁,邓雪原|来自: 四川建筑科学研究

         当前 BIM 理念,即在建筑行业中各部门各专业之间协同工作的概念已越来越为国内外研究学者与工程技 术人员所关注。BIM 技术的核心是建筑全生命周期过程中的信息共享与转换。针对这一核心问题,本文介绍了现今国内外对 BIM 技术的研究、开发现状,并分析指出当前 BIM 技术发展所存在的问题有: 多个工程项目信息无法集 中存储; 大量 BIM 软件在 IFC 文件输入输出的过程中发生建筑信息的错误; BIM 应用软件的缺失等。文章指出 BIM 技术的实现,需要以基于 IFC 标准的 BIM 数据库为基础。然后,本文详细阐述了 BIM 数据库的构建,以及 BIM 数据库输入输出应用接口、基于 BIM 数据库简单工程概算功能的开发、结构模型转换功能至 BIM 数据库的移植等, 并通过实例演示了 BIM 数据库的存储、查询、工程概算、结构模型转换等功能的应用,验证了构建基于 IFC 标准 BIM 数据库的可靠性与应用开发的可行性,为 BIM 建筑协同平台的开发及数字城市的实现奠定了基础。
       自 1975 年,恰克伊士曼( Chuck Eastman) 提出 BIM 的概念,距今已有 37 年的时间。BIM 理念从 最初的提出,到标准的制定,软件的开发,已逐步被 建筑业所广泛认同。目前基于 BIM 理念所开发的 软件有: 匈牙利 Graphisoft 公司开发的 ArchiCAD 系 列,美国欧特克( Autodesk) 公司开发的 Revit 系列, 以及德国 Nemetschek 公司开发的 Nemetschek Architect 系列等,现都已被广泛使用。
       同时,对于 BIM 技术的研究,国外的一些学者, 如英国索尔福德大学的 Faraj 等人完成开发了基于 BIM 技术的 WISPER( Web-based IFC Share Project Environment) 平台,已实现了 IFC 文件在数据库中的 存储、工程的概预算、显示等功能; 加拿大基础设施研究中心( Centre for Sustainable Infrastructure Research) 的 Halfawy、Mahmoud M. R. 等人完成了基于 BIM 技术的建筑信息集成平台的研究,已完成了图 形编辑、建筑构件数量统计、工程概预算、工程管理 等功能的开发。
        我国对 BIM 技术的研究起步较晚。2003 年起, 我国的一些学者对 BIM 技术开始进行研究。其中, 清华大学的张建平等人在建筑施工管理领域开发完 成了基于 IFC 标准和工程信息模型的建筑施工 4D 管理系统,系统可以将 3D 建筑信息模型与施工过 程相结合,建立建筑工程信息模型以及利用 IFC 标 准在不同系统之间进行数据交换和信息共享; 清 华大学的马智亮等人也对 IFC 标准在我国建筑工程 成本预算应用中的基本问题进行了探究,提出了适 用于我国基于 BIM 技术的建筑工程预算软件的基 本框架; 上海交通大学的邓雪原等人完成了基于 IFC 标准建筑结构模型自动生成和结构模型转换的 研究,实现了 IFC 标准与结构分析软件如 ETABS、 SAP2000 之间的模型转换; 北京航空航天大学的 刁波等人与中国建筑科学研究院合作完成了 PKPM 和 IFC 模型之间数据交换的研究,已基本实现了 PKPM 与 IFC 文件之间的模型转换。然而,在国 内还很少有基于 IFC 标准以 BIM 数据库为平台的 更系统更全面的研究。
        虽然目前已有很多软件能够支持 IFC 文件的输 入和输出,但是,这些软件在 IFC 文件输入输出的过 程中,却存在着建筑信息缺失、错误等现象。
        同时,当前基于 BIM 技术开发的多种应用软件 仍然采用自定义的文件对建筑信息模型进行保存的 方式,无法实现对多个工程,多个文件以及大量建筑 信息进行集中存储; 另一方面,当对储存大量建筑模 型信息文件中的某个信息进行改动后,需要对几十 兆甚至上百兆字节或更大的项目文件进行保存和更 新,这样的做法无法满足 BIM 技术对于建筑信息共 享的要求。这样的问题在未来中国建筑行业全面使 用 BIM 技术、多部门多专业的大量工程师围绕工程 项目采用多种应用软件进行建筑全生命过程中的信 息共享和转换时会更加突出。
        本研究正是为了解决以上问题,通过构建符合 IFC 标准的建筑信息模型( BIM) 数据库,使数据的 保存形式完全符合 IFC 标准中每个对象所包含的属 性,从而保证建筑信息模型储存的正确性和完整性。 其次,该 BIM 数据库可以对多个工程项目信息进行 集中存储,从而实现多个工程项目信息的共享。同 时,为此 BIM 数据库开发相应的应用接口,如输入、 输出、查询等功能; 并基于此 BIM 数据库,对简单工程概算功能、结构模型转换功能进行研究开发,对未 来基于 BIM 技术建筑协同平台的开发进行初步的 探索。

       1 .基于 IFC 标准的 BIM 数据库的构 建
       1.1.BIM 数据库的构建 
       BIM 技术的核心在于建筑全生命周期过程中信 息模型的共享与转换,然而如上所述,目前的 BIM 软件在 IFC 文件的输入输出中会出现建筑信息的错 误与缺失。如果最基本的建筑信息的共享与传递都 无法满足,就无法实现 BIM 技术的真正意义。为了 解决此问题,需要构建基于 IFC 标准的建筑信息模 型( BIM) 数据库。BIM 数据库的开发基于 IFC 标准 的格式,可以正确、完整的存储 IFC 文件,并且无信 息缺失、错误的输出。进一步在 BIM 数据库的基础 上开发各种 BIM 应用软件从而真正实现建筑信息 模型的共享与转换,这也是 BIM 技术实现必不可少 的关键技术。BIM 数据库的开发,需要对 IFC 标准、 IFC 文件的格式进行深入的研究。IFC 文件由多条 IFC 语句组成,语句的书写格式完全遵照标准中建 筑对象的定义,并通过标准中对映射关系的定义,在 语句中引用其他语句的内容,与其他语句产生联系。
         并且,BIM 数据库可以对多个项目的多个 IFC 文件进行存储。鉴于以上分析,本研究中 BIM 数据 库的构建主要包含 4 张数据表,分别为: ①文件管理 表,保存 IFC 文件的项目信息; ②语句管理表,保存 IFC 文件的语句信息; ③属性管理表,保存每条语句 的属性信息; ④映射管理表,保存每条语句的映射信 息。
        由于此数据库支持存储多个项目的多个 IFC 文 件,为了使每条语句都可以被唯一识别,便于和其相 关的语句相映射,需定义 ID 来使数据库中每条语句 可以被唯一识别,以便于在各个表之间建立主键和 外键的关系。数据表内容和关系如图 1 所示。
        1.2. 构建方法的创新点 传统的建筑信息模型数据库,以建筑对象为单 位构建数据表。然而,IFC 标准中含有 600 多个对 象,且关系复杂,这样的构建方式会使数据库非常繁 杂。并且,IFC 标准不是一成不变的标准,当新版本 发布后,IFC 标准中的对象、对象的属性以及对象 与对象之间的关系发生变化,这就使传统方式构建 的数据库需要随之改动,增加了数据库维护的难度。
        而本研究所采用的方法,仅使用 4 张数据表,使 得数据结构简单,维护便捷,大大减少数据存储的难 度,当标准的内容发生改变时,仅需改动相应对象的程序,无需改动数据库本身,就可以满足新版本的要 求。

图 1 数据表关系 

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