模型視圖定義在結構分析模型中的研究

明 鑫

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

引言

建筑信息模型是當前建筑行業的熱點，其最大特點在于共享信息從而提高工作效率。從整個建筑生命周期來看，不同階段需要模型中的不同信息。在設計階段，建筑、結構、風水電等專業需在同一BIM模型中協同工作才能實現BIM真正的價值。當前軟件技術和行業標準都不夠成熟，信息傳遞存在缺陷，阻礙了BIM在設計院內的推廣應用。IFC數據標準的產生，能夠最大程度保證BIM數據標準的完整傳遞。國際協同工作聯盟(buildingSMART International，bSI)頒布的IFC標準，是當前應用最廣的公開的國際性通用數據標準，它采用EXPRESS語言描述，旨在解決全生命周期內的建筑工程領域異構系統間的數據傳遞。

在IFC標準的實施過程中，建筑行業的用戶、軟件公司和研究學者們一致認為，BIM在建筑全生命周期內的應用，應當分不同階段建立基于特定流程和目的進行數據傳遞。在這種背景下，模型視圖定義(MVD)誕生了。MVD在數據端進行準確且可重復利用的模型視圖定義，將用戶信息轉化為IFC數據文件，在軟件中實現不同專業BIM用戶之間的信息交換需求。由于MVD是IFC標準的體現形式，它也是公開的，任何人都可以定義。如果同一種MVD擁有多種不同的表達方式，會導致軟件公司產生不同的理解，從而導致IFC標準實施遇阻，因此，MVD應當有一種標準化定義方式來避免產生歧義。

美國、韓國和北歐等國家和地區對MVD的研究較多。在美國佐治亞理工大學，Charles M. Eastman教授做了較多MVD理論研究工作，他建立了一套MVD研究方法論[1-2]，研究利用“Concept”這種核心概念進行數據交換[3]，同時定義了預制混凝土領域的MVD并在計算機程序中予以測試研究[4]。在美國工程研究與發展中心，研究員E. William East建立了 BIM平臺，創建了通用模型屬性集，定義了設備管理領域的MVD[5]。在韓國延世大學，李剛(音譯)教授建立算法，成功地從IFC軟件模型中獲取構件[6]，盡管這并非利用標準的MVD方式定義，但邁出了模型轉換研究的重要一步。

在芬蘭坦佩雷理工大學，Jiri Hietanen教授經過多年研究，發布了《IFC Model View Definition Format V.1.0》，并被bSI官方采納。在此以后， MVD均按此指南進行表達，當MVD被提交至bSI后，它會委托相關軟件公司進行程序測試，當測試成功后bSI會將其收錄至官方認證的數據庫內，軟件公司也會取得相應的認證證書。與此同時，bSI將所有定義中的MVD發布到網絡平臺IFC Solutions Factory，供大家研究查看。當前已有的MVD主要集中在規劃設計領域，包含建筑規劃、結構計算、道路設計、景觀設計和工程量統計，同時也有施工領域的預制混凝土，以及運維建設領域的設備管理等。

圖1 MVD構成模塊總覽

在國內，上海交通大學的鄧雪原教授對IFC標準有過較深入研究，建立了有限元模型的結構通用格式，在C++程序里表達了XML格式的數據結構，實現了模型導入和導出[7-8]。上海交通大學的李犁、林良帆在BIM平臺與數據方面做了大量基礎研究[9-10]。上海交通大學的周成深入研究了IDM(Information Delivery Manual，信息交付手冊)標準[11]，并深入到建筑設計院實際設計項目中，針對建筑、結構、風水電等各專業的工作流程，定義了一套適用于設計院的IDM工作流程圖和互提資料列表[12]。作者本人在結合IFC標準、IDM標準和建筑結構模型轉換方面也開展了MVD相關研究[13]。上海交通大學的張俊毅等人首次將IFC標準應用于鐵路站房信息模型中，進行了相關擴展研究[14]。

近年來，國內MVD研究論文仍較少，中國建筑科學研究院的孟曉曄在鋼筋混凝土剪力墻結構深化設計中嘗試結合MVD進行研究與應用[15]。

1 MVD構成模塊

總的來講，MVD主要有三大模塊，即Concept(概念)、Diagram(圖表)和Document(文檔)。其中，Concept是最基本的組成單元，多個Concept通過一定的關系組合形成一個完整的Diagram，多個Diagram完整表達一個有效的MVD。其中，圖中的每一個Concept都有相應的Document描述其基本屬性、組織架構、使用功能和目標等信息。

為了區分普通用戶和專業軟件公司查看方式，MVD通常都有兩種表達方式，一種是通用表達方式，另一種是綁定了IFC數據的專業表達方式。限于篇幅，下文僅介紹綁定了 IFC數據的專業表達方式。在這種專業表達中，IFC標準中的相關實體被賦予到了通用Concept中，信息傳遞都是以IFC數據為基準，這樣就形成了標準化的可靠傳遞方式，同時在MVD和Concept的文檔中補充必要的信息要點加以解釋說明。

如圖1所示，整個Diagram的基本單元是Concept，如C#1～7，不同的Concept采用定義的流程進行連接組合，需注意的是，這些Concept是通用的，它們可在不同視圖中重復利用。Document描述了MVD的整體信息，同時每個Concept都有相應Document進一步解釋與之具有繼承關系的其他Concept。

下面將對Concept和Diagram進行介紹。

1.1 Concept

如表1所示， Concept分為三類：Variable Concept(可變概念)、Adapter Concept(中間概念)和Static Concept(靜態概念)。Variable Concept作為初始部分，在通用和專業表達方式中名稱相同，但在專業表達方式中其被賦予了IFC實體對象。Adapter Concept作為中間部分，起到承上啟下的連接作用，由于其可重復利用的特性，在程序代碼中往往可以作為模塊化結構。Static Concept在流程末端，其Document詳細描述對IFC實體對象的綁定關系。

表1 IFC綁定 Concept

1.2 Diagram

Diagram采用XML Schema Definition標準格式定義，可使用Microsoft Visio進行繪制。Diagram的主要內容應包括： 1)基本單元Concept的定義； 2)Concept的說明，即開關狀態和注釋說明(用符號“！”表示)； 3)Concept的相對位置關系、是否可見(不可見的灰顯)等。

一般來講，可以按從左至右的順序依次繪制Variable、Adapter和Static Concept，若圖表太大，也可適當調整各個Concept間的左右關系，但不允許圓形閉合流程。除了Variable Concept占據首位，其余的Concept都由唯一上層Concept繼承下去。

圖2 Diagram舉例說明

如圖2所示，由于最下面一行的Single Segment灰顯，表示缺失，它會導致后續Concept均失效，因此這一層級的Concept注釋“必需”。例如，在結構計算分析中，若缺少約束定義那么后續工作是無法進行的，因此約束定義應標記“必需”。程序應實現所有注釋為“必需”的Concept，否則不能通過該模型視圖的認證。

2 結構分析模型的視圖定義

2.1 結構分析模型視圖整體描述

在結構分析模型中，最關鍵的組成部分是各類受力構件單元、連接節點以及荷載作用。圖3中可以看出，豎向受力構件柱指定為線單元(Curve Member)，梁也應指定為線單元(圖中未示例)，水平向的板和豎向的墻指定為面單元(Surface Member)。線單元和線單元、線單元和面單元的連接是一個點(Point Connection)，而面單元和面單元的連接是一條線(Curve Connection)，從數學上可以理解為線線相交、線面相交是一個點，面面相交是一條線。荷載作用，分為點荷載(Point Action)、線荷載(Linear Action)和面荷載(Planar Action)，從結構分析上講，集中力可以作為點荷載加載到梁、柱等線單元上，填充墻自重等可以折算為線荷載加載到梁等線單元，而面荷載包含樓屋面裝修面層、活荷載以及風雪荷載，作用到板、墻等面單元上。

圖3 結構分析模型

表2 IFC結構分析模型視圖描述文檔

表3 結構分析模型Diagram

表2從總體上概述了在結構分析模型視圖定義中， IFC實體對象如何與各類模型中的元素建立指定關系。該文檔闡述了結構分析模型的強制性和非強制性具體內容，與IFC標準的數據對象有著一一對應關系，這樣建筑和結構模型在IFC標準里實現了共享和互通。

2.2 視圖Diagram

結構分析模型MVD有12個Diagram，分別是Project、Site、Building、Building Storey、Structural Analysis Model、Structural Point Connection、Structural Curve Connection、Structural Curve Member、Structural Surface Member、Structural Point Action、Structural Linear Action、Structural Planar Action。該視圖[13]包含了項目、場地、樓棟、樓層等基礎信息，結構分析模型，構件連接方式(點和線)，構件單元(線和面)，荷載(點、線、面)。限于篇幅，下面僅闡述Structural Analysis Model(結構分析模型)Diagram。

在表3中，Diagram的基本信息在表頭中表達，Concept分成四級描述。Concept包括左上角的索引號和正中的名稱兩部分。索引號的編排規則如下：“SJTUBIM-XXX-IFC4”，SJTUBIM為編制機構； 最后的IFC4是IFC標準的版本號； 中間XXX是三位數字，第一位數字取值0、1、2、3，分別代表“Variable Concept”和一級、二級、三級“Adapter/Static Concept”； 第二、三位數字取值從01開始往后編寫，代表同一級Concept的順序。其中，Adapter/Static Concept是標準化模塊，可用于不同的Diagram。

該Diagram包含了結構分析模型的作者及狀態信息、屬性(ID號、名稱、預定義類型)、荷載類型、計算結果、樓層組裝、模型分塔等計算分析模型所需的各類主要Concept，然后在各級Concept中進行詳細描述。

3 結論

Jiri Hietanen定義了標準的MVD格式，并被bSI采納成為官方表達， 當前的MVD都按此官方格式進行定義。在網絡平臺IFC Solutions Factory中，有建筑設計領域的多個MVD供測試使用。當前國內外MVD的相關研究仍處于探索階段，定義和認證過程相對緩慢，現有的MVD類型集中在規劃設計等相對單一領域，內容還需要不斷完善和補充。

在標準格式的模型視圖定義中，具體的交互信息被賦予了IFC標準中的實體和關系對象，然后通過一定關系組織起來表達相應的功能需求，形成完整的模型視圖定義。結構分析模型視圖定義MVD包含多個Diagram和相應的Document描述，詳細表達了建筑結構進行計算分析所需的5類主要信息： 1)項目、場地、樓棟、樓層等基礎信息； 2)結構分析模型； 3)構件連接方式(點連接和線連接)； 4)構件單元(線單元和面單元)； 5)荷載作用(點荷載、線荷載和面荷載)。文中對結構分析模型Diagram詳細闡述了結構屬性等基本信息、所有構件單元、連接方式、荷載作用以及分析結果。