周 成 鄧雪原

(上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)正深刻影響著建筑行業(yè)，為行業(yè)帶來一次新的變革。BIM是建筑信息技術(shù)從基于點線面的二維表達向基于對象的三維形體與屬性信息表達的轉(zhuǎn)變。BIM的核心在于信息(Information)，除了對工程對象進行3D幾何信息和拓撲關(guān)系的描述，還包括完整的工程信息描述，是建筑全生命過程中各部門、各專業(yè)共同創(chuàng)建、共享、維護、可持續(xù)利用的信息數(shù)據(jù)庫。

促進AEC項目中不同專業(yè)間的協(xié)同是BIM的焦點之一［1］。土木工程具有多部門、多專業(yè)、多變更的特點，整個建筑生命周期中不斷創(chuàng)建、積累、變更的數(shù)據(jù)無法進行流暢的傳遞與共享，將造成行業(yè)龐大的資源浪費與效率問題。而BIM的一個主要發(fā)展目標(biāo)就是通過交互式(Interoperable)的信息交換，轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈以改善信息技術(shù)在AEC領(lǐng)域的應(yīng)用［2］。

由于建筑工程的復(fù)雜性，不可能建立一個完全覆蓋建筑物全生命周期的應(yīng)用系統(tǒng)，每一款工程應(yīng)用軟件都只是基于特定目的，支持特定階段。而要以BIM為中心，實現(xiàn)不同工程軟件的數(shù)據(jù)交互必須依賴統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。在AEC領(lǐng)域，IFC(Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎(chǔ)類)架構(gòu)是最為全面的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型［3］，涵蓋了工程設(shè)計領(lǐng)域各個階段滿足全部商業(yè)需求的數(shù)據(jù)定義。IFC標(biāo)準(zhǔn)的第一個版本于1997年1月由IAI組織(Industry Alliance for Interoperability，現(xiàn)為BuildingSMART International)發(fā)布。此后在各方努力下，IFC信息模型的覆蓋范圍與模型框架都有了很大的改進，并正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/PAS 16739［4］，目前最新的發(fā)布版本為 IFC2x4。IFC 作為建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達的標(biāo)準(zhǔn)，在橫向上支持各應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，在縱向上解決了建筑全生命周期過程中的數(shù)據(jù)管理［5］。

然而，在實際的應(yīng)用中，基于IFC的信息分享工具需要能夠安全可靠地交互數(shù)據(jù)信息，但IFC標(biāo)準(zhǔn)并未定義不同的項目階段，不同的項目角色和軟件之間特定的信息需求，兼容IFC的軟件解決方案的執(zhí)行因缺乏特定的信息需求定義而遭遇瓶頸，軟件系統(tǒng)無法保證交互數(shù)據(jù)的完整性與協(xié)調(diào)性［1］。針對這個問題的一個解決方案，就是制定一套標(biāo)準(zhǔn)，將實際的工作流程和所需交互的信息定義清晰，而這個標(biāo)準(zhǔn)就是IDM標(biāo)準(zhǔn)(Information delivery Manual，信息交付手冊)。它的目標(biāo)在于使得針對全生命周期某一特定階段的信息需求標(biāo)準(zhǔn)化，并將需求提供給軟件商，與公開的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(IFC)映射，最終形成解決方案［6］。IDM標(biāo)準(zhǔn)的制定，將使IFC標(biāo)準(zhǔn)真正得到落實，并使得交互性真正能夠?qū)崿F(xiàn)并創(chuàng)造價值。本文正是在對IDM相關(guān)文獻進行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對IDM的架構(gòu)、國際上的研究現(xiàn)狀以及研究方法做全面的介紹，以便對BIM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有更加清晰的認(rèn)識，為國家BIM標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 信息交換框架

圖1 信息交換框架

IDM是用于驗證IFC軟件的信息交換框架(Information Exchange Framework)的組成部分，另外的部分是模型視圖定義(Model View Definition，MVD)以及信息模型(Information Model)。交換框架始于一個已經(jīng)開發(fā)并能夠完全滿足特定工業(yè)領(lǐng)域集成信息集的信息模型。在AEC領(lǐng)域，就是IFC模型。

視圖定義(View Definition)則是基于特定目的，從IFC模型中派生出來。MVD定義IFC數(shù)據(jù)信息如何應(yīng)用于不同的應(yīng)用軟件間進行數(shù)據(jù)交換，從軟件實現(xiàn)的角度，由某一軟件支撐的基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息集合，是IFC數(shù)據(jù)模型的子集。IDM從用戶的角度定義信息的交換需求(Exchange Requirement)，描述的信息是項目指定時間和地點的基于特定目的的信息集合。信息的交換由IDM定義，最終由MVD將數(shù)據(jù)交付手冊中的定義和軟件中可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換對應(yīng)起來，定義軟件為完成數(shù)據(jù)交付手冊中的流程所需要交換的數(shù)據(jù)集合。

實際應(yīng)用中，一個軟件應(yīng)用程序總是用以支持用戶在項目基于指定時間和地點的基于某個特定目的的需求，比如REVIT Architecture軟件用于建筑設(shè)計階段BIM模型的搭建，此時該過程信息需求中定義的信息子集即由MVD信息子集派生。類似的，為了支撐項目某一過程的用戶需求，若干個信息集從IFC信息模型中派生而每一個信息需求由特定的一種或一類軟件支撐，那么此時模型視圖定義的信息集合即由若干個信息需求子集加以集成。

2 IDM的組成部件

IDM的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，每一個組成部件都作為架構(gòu)中的一層。各部件的組織形式是基于以下兩個相關(guān)的準(zhǔn)則:

圖2 IDM架構(gòu)圖

1)與流程定義及描述相關(guān)的組成部件位于頂層，對數(shù)據(jù)詳細描述的位于中間層，包含應(yīng)用軟件元素的位于底層;

2)類似地，與行業(yè)從業(yè)者相關(guān)的位于架構(gòu)的頂層，而與信息通信技術(shù)領(lǐng)域的分析人員及程序員相關(guān)的位于底層。

2．1 流程圖(Process Map)

信息的需求與利用總是基于特定的任務(wù)和過程。流程圖定義了針對某一特定主題(如從建筑設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計)的活動流，所涉及的人員角色，以及整個過程中需要信息交換的節(jié)點。同時對于各流程及相應(yīng)的子流程有詳盡的文字描述。

2．2 交換需求(Exchange Requirements，ER)

交換需求是對流程圖中的特定活動所需交換的一組信息的完整描述。而這種描述采用的是非技術(shù)性方式，即從建筑師，工程師，建造師等BIM用戶的角度，對信息進行文字性的敘述。

2．3 功能部件(Functional Parts，F(xiàn)P)

功能部件是IDM中數(shù)據(jù)信息的基本單元。每一個交換需求都是由若干個功能部件組成，一個功能部件也可能與多個交換需求關(guān)聯(lián)。交換需求中文字性描述的信息被轉(zhuǎn)述為各個功能部件中以技術(shù)性語言，即一定數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)和格式描述的數(shù)據(jù)信息，最終提供給軟件商使用，形成解決方案，通過軟件支持模型交換需求。而目前建筑信息模型領(lǐng)域最為成熟，得到廣泛認(rèn)可和采納的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)是IFC標(biāo)準(zhǔn)，因此現(xiàn)在制定的IDM，功能部件的建立都是基于IFC數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)。一個功能部件完全可以描述為一個獨立的信息模型，作為IFC數(shù)據(jù)模型的子集。

2．4 商業(yè)規(guī)則(Business Rules，BR)

需要交換怎樣的信息已經(jīng)在ER中定義，而信息的詳略程度以及精確度則需要通過商業(yè)規(guī)則來控制。商業(yè)規(guī)則是用來描述特定過程或者活動中交換的數(shù)據(jù)、屬性的限制條件。這種限制條件可以基于一個項目，也可以基于當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)。通過商業(yè)規(guī)則，可以改變使用信息模型的結(jié)果而無需對信息模型本身做出改變。這使得IDM在使用中更加靈活。

需要特別指出的是，佐治亞理工的Eastman教授在IDM的研究中提出不一樣的架構(gòu)形式［1-7］。在上述架構(gòu)中，F(xiàn)P將IDM與IFC綁定，在一定程度上與MVD之間存在著交疊的地方，使得IDM與MVD的界限模糊。而另外一些IFC部署的指南則考慮兩者之間的差別，純粹將IDM作為基于特定目的不同過程信息需求定義的方法，而將需求信息與IFC標(biāo)準(zhǔn)相映射的過程放到MVD的發(fā)展階段。這種觀點使IDM與MVD之間的關(guān)系更加明晰，提供了更加有效的方式使得行業(yè)內(nèi)的專家能夠在IDM層面做出努力，而軟件工程師專注于MVD領(lǐng)域。Eastman教授在此基礎(chǔ)上提出交換模型(Exchange Model，EM)與交換對象(Exchange Object，EO)的概念，EM取代了上述架構(gòu)的ER，兩者的作用類似，描述用戶間的信息交換的內(nèi)容，EO取代了FP，采用獨立于IFC的非技術(shù)語言的形式，同樣作為可重復(fù)利用的基本信息單元，組合成EM。

3 IDM的研究現(xiàn)狀

作為致力于推動建筑全生命周期OPEN-BIM的機構(gòu)，Building SMART International(BSI)組織引領(lǐng)IDM標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。2007年，BSI發(fā)布第一版本的IDM指南，由Jeff Wix撰寫［8］。指南中詳細闡述了IDM的任務(wù)目標(biāo)，組成部件及開發(fā)方法，為IDM的研究提供參考，并使得標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)范化。之后指南進行了兩次修訂，最新版本是2010年發(fā)布的1．2版本，由Jan Karlshoj編寫。2010年，一個特定版本的buildingSMART IDM方法指南提交給ISO組織，并最終正式成為ISO標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 29481-1:2010建筑信息模型-信息交付手冊-第一部分:方法與格式［9］?？梢灶A(yù)期的是，更多的材料將逐步添加到標(biāo)準(zhǔn)中，以使得關(guān)于交互方案的記錄與描述更加清晰，同時針對各方之間的交流過程的階段性定義更加明確。IDM項目也隨著IDM方法的完善與發(fā)展逐步展開。

2011年BuildingSMART正式發(fā)布了IDM發(fā)展路線圖。路線圖以矩陣的形式呈現(xiàn)(見表1)，水平方向為ISO 29481-1:2010定義的項目全生命周期的各個階段，而ISO的定義采用的是英國Salford大學(xué)制定的通用設(shè)計與建造過程協(xié)議(Generic Design and Construction Process Protocol)［10］。協(xié)議將整個的項目過程劃分為十個不同的項目階段，而這十個階段又可以歸為四個大組:Pre-Project，Pre-Construction，Construction and Post-Construction。這個項目階段定義能夠與美國建筑分類體系Omni-Class［11］的表31項目階段分類相互映射。豎直方向為定義了十個服務(wù)類型，包含建模、性能分析、建造、運營等，它與 OmniClass中的表32也能夠映射。

表1 IDM路線圖的矩陣形式

BuildingSMART確立了建筑全生命周期中對應(yīng)的某一階段某一服務(wù)類型共44項當(dāng)前需要發(fā)展的IDM項目，其中優(yōu)先項目9項(如表2所示)，次優(yōu)先項目5項，目前已有所發(fā)展的IDM項目約20項。BuildingSMART希望以此明確建筑全生命周期中需要由IDM標(biāo)準(zhǔn)支持的最為重要的交流場景，促進優(yōu)先項目的發(fā)展并吸引贊助商支持IDM標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。在MVD領(lǐng)域，一項名為BLIS(Build-ing Lifecycle Interoperable Software)的計劃一直致力于協(xié)調(diào)軟件對IFC的執(zhí)行。BLIS計劃中MVD項目的基本信息和進展情況通過基于Web的工具“IFC方案工廠”進行描述與發(fā)布(http://www．blis-project．org/IAI-MVD/)。這樣，通過知識的整合提供了一個有用的平臺使得分散的IFC交互項目更加靈活。除了BSI組織外，來自挪威、芬蘭、丹麥、美國、韓國等多個國家的政府部門及研究機構(gòu)，如美國的總務(wù)管理局(US General Services Administration)，挪威公共建筑機構(gòu)(Statsbygg)，丹麥科技大學(xué)(Technical University of Denmark)，韓國延世大學(xué)(Yonsei University)等，正獨立或與Autodesk、Bentley、Graphisoft等各大軟件商聯(lián)合，在IDM/MVD某一個或多個課題領(lǐng)域展開研究。其中幾個IDM/MVD已經(jīng)在實際的建設(shè)項目進行測試，并得到認(rèn)可。2012年發(fā)布的美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)第二版［12］正式寫入了4項 IDM/MVD內(nèi)容，即施工運營建筑信息交換(COBie)、設(shè)計到空間規(guī)劃審定、設(shè)計到建筑能量分析、設(shè)計到工料預(yù)估，成為行業(yè)信息交換的推薦性標(biāo)準(zhǔn)。在研究文獻中，IDM已經(jīng)應(yīng)用于預(yù)制混凝土領(lǐng)域，同時Eastman教授針對IDM標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和發(fā)展方法給出建議［13-14］。Jan Karlshoej以設(shè)計施工統(tǒng)包項目中的招標(biāo)過程為案例，評估IDM表達某一過程的任務(wù)序列，信息需求，組織交互以及邏輯關(guān)系四個方面的能力，驗證IDM的協(xié)同方法能否促進過程的標(biāo)準(zhǔn)化以及IDM中的商業(yè)規(guī)則能否支撐作為信息載體的BIM對象的發(fā)展，并對基于項目的IDM執(zhí)行給出意見［15］。德國雷根斯堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)將IDM引入巖土基建工程領(lǐng)域，描述流程圖及交換需求［16］。佛羅里達大學(xué)的Nawari針對結(jié)構(gòu)工程的IDM進行分析［17-18］。賓夕法尼亞州立大學(xué)的 BIM執(zhí)行計劃(BIM Execution Planning)致力于多項IDM的制定，其中在暖通工程中已有一定的成果［19］。

4 IDM中的研究方法

4．1 業(yè)務(wù)流程建模標(biāo)注(BPMN)

IDM中的流程圖繪制采用的是業(yè)務(wù)流程建模標(biāo)注方法(Business Process Modeling Notation，BPMN)。BPMN是對象管理組織(Object Management Group，OMG)開發(fā)，于2006年正式被采納為用于表達流程圖的標(biāo)準(zhǔn)，最新版本是2011年發(fā)布的2．0版本。BPMN整合了早期模型標(biāo)注方法的理念，IDEF0((Integration Definition for Function Modeling)中一些有用的概念和UML(Unified Modeling Language)中的活動圖表部件都涵蓋在其中［20］。

表2 BuildingSMART確立的優(yōu)先發(fā)展的IDM項目

圖3 BPMN流程圖示例

BPMN過程模型(如圖所示)的主要組成部分包括:(1)泳池(Swimming Pool)，代表所要描述的流程;(2)泳道(Swimming Lane)，一個泳池可以劃分為多個泳道，泳道用于將不同功能性目標(biāo)的任務(wù)歸類，一般可以以角色活動來劃分泳道，另外，信息模型作為單獨的角色類型擁有專屬的泳道，而交換需求作為數(shù)據(jù)對象放置于信息模型泳道;(3)流對象，包含任務(wù)(Tasks)，BPMN中的基本單位，用于描述需要完成的工作類型，一個任務(wù)可能包含多個子任務(wù)，用“+”加以標(biāo)記，另外任務(wù)有可能是需要重復(fù)進行的過程，添加循環(huán)符號，事件(Events)用于區(qū)別不同的起始事情或者結(jié)果，網(wǎng)關(guān)(Gateways)用于做決策;(4)連接對象，包含順序流和消息流。

流程圖的繪制工作可以使用Microsoft VISIO軟件，其中內(nèi)置了BPMN的各種組成部件。流程圖中的每一個任務(wù)都有特定的序號，作為索引，與表4的活動定義表相鏈接，以表格形式對于該活動進行簡單的文字性描述。表中的內(nèi)容包含活動類型(任務(wù)/子任務(wù))、名稱、項目階段(對應(yīng)于OmniClass或者ISO的項目階段定義)以及描述信息。

表4 程圖中的活動定義表

4．2 模板

為了IDM標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)范化，BuildingSMART定制了流程圖、交換需求以及功能部件的word模版，模板中羅列了一份標(biāo)準(zhǔn)定義所需包含的全部信息，使用者只需填入相應(yīng)的內(nèi)容。當(dāng)然，用戶也可以根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。另外，為了互聯(lián)網(wǎng)的交換方便，一份XML格式的模板也被提供。這樣，在標(biāo)準(zhǔn)的方法和體系下，用戶就能夠著手制定IDM標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

IFC標(biāo)準(zhǔn)為實現(xiàn)全生命周期不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享與交換奠定了基礎(chǔ)。但在實際應(yīng)用中，基于特定階段，特定目的開發(fā)的軟件在執(zhí)行IFC標(biāo)準(zhǔn)時因缺少針對性的信息需求定義而無法保證數(shù)據(jù)的完備與協(xié)調(diào)性。因此需要IDM標(biāo)準(zhǔn)對過程以及信息需求進行清晰的定義。相比于IFC標(biāo)準(zhǔn)，IDM標(biāo)準(zhǔn)還處于發(fā)展的初級階段，但相關(guān)的理論與研究方法已經(jīng)成熟，國外的研究機構(gòu)在IDM/MVD領(lǐng)域展開了卓有成效的研究。而國內(nèi)幾乎沒有對IDM標(biāo)準(zhǔn)的針對性研究。在著力制定國家BIM標(biāo)準(zhǔn)的背景下，需要有更多的研究機構(gòu)投入到IDM標(biāo)準(zhǔn)的研究當(dāng)中。而制定IDM標(biāo)準(zhǔn)是一項龐大的工程，信息交換涉及項目全生命周期的各個階段，需要在每一個領(lǐng)域內(nèi)做出努力。另外，IDM的發(fā)展與軟件的發(fā)展相互依賴，標(biāo)準(zhǔn)的制定需要工程人員與軟件人員的共同協(xié)作。最終，只有IFC和IDM標(biāo)準(zhǔn)得到完善，才能從深層次挖掘BIM帶來的價值。

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