基于國產(chǎn)化BIM 平臺的發(fā)電工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與國際數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的交互協(xié)議研究

田景奇 方志寧 石成 肖慶

(1.國電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101；2.北京構(gòu)力科技有限公司，北京 100013)

引言

目前，國內(nèi)外的BIM 應(yīng)用種類繁多，不同BIM 應(yīng)用之間信息的共享和交換既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。建設(shè)同一個工程項(xiàng)目可能使用不同BIM 軟件進(jìn)行設(shè)計或施工模擬，不同BIM 軟件也有各自的數(shù)據(jù)格式。在沒有通用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)時，各個BIM 應(yīng)用成果之間無法交互[1]，數(shù)據(jù)資產(chǎn)缺乏延續(xù)性。因此，創(chuàng)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同BIM 應(yīng)用之間的信息交互顯得尤為重要。如果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，BIM 技術(shù)和相關(guān)專業(yè)應(yīng)用軟件可以在行業(yè)內(nèi)大力推廣和使用，促進(jìn)行業(yè)各領(lǐng)域的信息交流，從而提高建筑行業(yè)的信息化水平。

1 研究背景

為了保障發(fā)電工程領(lǐng)域數(shù)字化數(shù)據(jù)生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，解決數(shù)據(jù)風(fēng)險，國家能源集團(tuán)開展了智慧電廠、數(shù)字化新能源等數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作，但由于數(shù)字化轉(zhuǎn)型高度依賴基礎(chǔ)軟件和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這些基礎(chǔ)軟件和標(biāo)準(zhǔn)體系均受制于國外廠商，存在核心技術(shù)“卡脖子”“斷供”“基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)泄露”等風(fēng)險。同時，由于BIM 設(shè)計平臺和規(guī)則的不統(tǒng)一，造成在設(shè)計、施工和運(yùn)行環(huán)節(jié)的數(shù)字化工作內(nèi)容存在協(xié)同配合不夠等問題，各階段不同平臺主要的數(shù)據(jù)接口難以打通，極大降低了生產(chǎn)效率。

本文通過對比國外IFC、STEP、OBJ 和國內(nèi)PModel數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，旨在研究常用BIM 設(shè)計軟件的建模方式及數(shù)據(jù)輸出方式，梳理軟件數(shù)據(jù)格式、結(jié)構(gòu)層次、屬性設(shè)置及模型輸出等方面內(nèi)容，以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提出各專業(yè)模型數(shù)據(jù)的融合需求，明確數(shù)據(jù)融合技術(shù)方案。研究不同應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和展現(xiàn)形式，規(guī)范數(shù)據(jù)管理流程，提升數(shù)據(jù)交互效率。

2 國外標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式

2.1 基于IFC 格式的數(shù)據(jù)交互

IFC 是buildingSMART 為幫助工程建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)互用而開發(fā)的，基于數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο蟮奈募袷絒2]。IFC 標(biāo)準(zhǔn)作為許多國家和地區(qū)實(shí)施BIM 的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的研究價值。

IFC 不僅可以描述幾何形狀，還可以記錄構(gòu)件的屬性信息。該格式可以有效地將構(gòu)件的幾何信息與構(gòu)件屬性聯(lián)系起來，貫穿于建筑項(xiàng)目的整個生命周期，適用于各階段的信息交互和共享[3]，極大地提高了信息的準(zhǔn)確性和互用效率。

IFC 模型體系結(jié)構(gòu)由四個層次構(gòu)成，從下到上依次是資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)覽4]。現(xiàn)階段，IFC在數(shù)據(jù)交換的過程中存在如下問題：

（1）IFC 標(biāo)準(zhǔn)目前還不夠成熟和完善，有些信息無法完整表達(dá)，面對復(fù)雜的建筑工程，IFC 信息模型中的數(shù)據(jù)仍然難以滿足實(shí)際工程的需要；

（2）一些BIM 軟件依然使用封閉獨(dú)立的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)以特定格式存儲，只能由創(chuàng)建數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序訪問；

（3）國外數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)應(yīng)用的還不夠深入。BIM應(yīng)用軟件若需要基于IFC 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接口開發(fā)，還需要結(jié)合工程項(xiàng)目的具體特點(diǎn)來完成。

2.2 基于STEP 格式的數(shù)據(jù)交互

STEP 作為三維CAD 通用中間的格式，不僅支持幾何數(shù)據(jù)信息，其中還能包含大量屬性和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。STEP 標(biāo)準(zhǔn)是一個通用的數(shù)字化信息標(biāo)準(zhǔn)，作為一個開放擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)，也頗具研究價值。

STEP 標(biāo)準(zhǔn)的幾何信息所攜帶的數(shù)據(jù)與工程領(lǐng)域無關(guān)，是模型顯示的基礎(chǔ)。其分為以下三部分：

（1）幾何模型,定義了點(diǎn)、線、面等；

（2）拓?fù)淠Ｐ停枋隽藥缀卧氐慕Y(jié)構(gòu)和相鄰關(guān)系；

（3）幾何形狀，可以提供完整的外形表達(dá)，包含幾何與拓?fù)鋄5]。

STEP 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用極大地降低了產(chǎn)品生命周期內(nèi)的信息交換成本，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率[6]。但是，受限制于STEP 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不同信息以索引的方式關(guān)聯(lián)起來，只有將全部信息讀完才能進(jìn)行信息的重建，解析大模型的STEP 文件將會非常耗時。為了兼容各種信息犧牲了敏捷性和靈活性，STEP 在并發(fā)、效率和性能上已經(jīng)落后于現(xiàn)代軟硬件的發(fā)展速度，在很多場合已無法滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的需求。

2.3 基于OBJ 格式的數(shù)據(jù)交互

OBJ 文件是一種標(biāo)準(zhǔn)的3D 模型文件格式。由于該格式應(yīng)用十分廣泛，許多知名的3D 軟件都支持OBJ文件的讀寫[7]，所以O(shè)BJ 格式非常具有研究的意義。

OBJ 格式支持直線、表面、多邊形和自由形態(tài)曲線[8]，具有以下特點(diǎn)：

（1）不包含材質(zhì)特性、動畫、貼圖路徑、粒子、動力學(xué)等信息；

（2）主要支持多邊形模型,也支持曲線、表面、點(diǎn)組材質(zhì)；

（3）支持三個點(diǎn)以上的面；

（4）支持法線和貼圖坐標(biāo)[9]。

由于這種格式只能描述三維物體表面的幾何信息，無法支持對物體表面特征顏色和材料屬性的描述[10]，因此OBJ 格式在很多場合也不滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的需求。

3 國產(chǎn)化BIM 軟件數(shù)據(jù)交互

項(xiàng)目組基于輕量化數(shù)據(jù)格式PModel 文件，研究了一種中間數(shù)據(jù)協(xié)議，用以存儲設(shè)計端軟件的層級、幾何以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息，然后在國產(chǎn)BIM 平臺上解析。

3.1 關(guān)于PModel

PModel 為后綴名為.pmodel 的輕量化數(shù)據(jù)文件，不僅可以用于輕量化瀏覽，還可以用于BIMBase 軟件與其他BIM 軟件，如Revit(Autodesk)，ABD(Bentley)等之間的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到數(shù)據(jù)互通的目的。

3.2 PModel 信息傳遞方式

為了高保真的還原幾何形狀，項(xiàng)目組為PDMS 所有基本幾何體類型制定了數(shù)據(jù)交換協(xié)議，PModel 文件在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信息的傳遞。

（1）基本幾何體數(shù)據(jù)協(xié)議

PDMS 能構(gòu)造的基本幾何體類型有：BOX、C Y L I N D E R、C O N E、S N O U T、P Y R A M I D、CTORUS、DISH、SLCYLINDER、EXTRUSION、REVOLUTION，本文以BOX 為例，介紹基本幾何體數(shù)據(jù)協(xié)議的定義方式，如圖1 和表1 所示。

表1 基本幾何體數(shù)據(jù)協(xié)議-BOX

圖1 BOX

（2）PModel 信息傳遞步驟

PModel 信息傳遞過程主要有以下幾步，整體示意流程如圖2 所示。

圖2 流程圖

第一步：抽取PDMS 的項(xiàng)目層級等信息，按照模型樹的數(shù)據(jù)格式組織設(shè)計端軟件的層級信息內(nèi)容；

第二步：抽取PDMS 的幾何數(shù)據(jù)，離散為以三角面片為基礎(chǔ)的的幾何數(shù)據(jù)；

《綜合教程》第一冊第11單元包括Text 1和Text 2兩大教學(xué)模塊，現(xiàn)以Text 1課程設(shè)計為例。

第三步：根據(jù)幾何數(shù)據(jù)，檢索到對應(yīng)的幾何體對應(yīng)的業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)，記錄在PModel 的模型樹節(jié)點(diǎn)上；

第四步：根據(jù)國產(chǎn)平臺的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，按BIM 常用構(gòu)件區(qū)分，形成Json 格式，壓縮存儲在PModel 格式中；

第五步：創(chuàng)建項(xiàng)目瀏覽器。國產(chǎn)BIMBase 平臺集成PModel 時，通過樹節(jié)點(diǎn)中存儲的標(biāo)識信息，判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)類型；

第六步：根據(jù)項(xiàng)目瀏覽器的層次組織結(jié)構(gòu)，組裝樓層、Model 空間，通過鏈接參照的機(jī)制，組裝空間、樓層之間的相對位置關(guān)系；

第七步：創(chuàng)建BIMBase 的幾何圖形信息。創(chuàng)建幾何信息有兩種處理方式。第一種，根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)協(xié)議，如果為可用Solid 類型表達(dá)（盒體、圓柱體、圓臺體、圓環(huán)體、圓錐體等），通過數(shù)據(jù)協(xié)議記錄的實(shí)體數(shù)據(jù)類型，轉(zhuǎn)換為具體的幾何形狀；第二種，如果為三角面片表達(dá)類型，通過在PModel 格式中記錄的三角面信息，擬合形成幾何體。同時，創(chuàng)建BIMBase 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對象關(guān)聯(lián)上幾何形體；

第八步：讀取模型樹上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，掛載在第七步上最終創(chuàng)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對象上，完成最終的工程項(xiàng)目展示。

3.3 工程案例

3.3.1 案例背景

發(fā)電工程領(lǐng)域在數(shù)字化發(fā)展過程中積累了大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，但由于不同發(fā)電類型（火電、水電、新能源）的項(xiàng)目工程導(dǎo)致在造成在設(shè)計、施工、運(yùn)行環(huán)節(jié)的數(shù)字化環(huán)節(jié)中存在協(xié)同配合不夠等問題，數(shù)據(jù)接口難以打通，極大影響了生產(chǎn)效率。具體原因如下：

（1）設(shè)計階段使用的設(shè)計軟件不同，如PDMS、Catia、Revit、Microstation；

（2）不同發(fā)電類型關(guān)注的數(shù)據(jù)信息不同；

（3）發(fā)電工程缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

不同設(shè)計軟件支持導(dǎo)出的中間文件格式各不相同。在傳統(tǒng)方式下，需要針對不同數(shù)據(jù)源輸出的不同文件格式做解析插件，如圖3(a)所示。在新方式下，基于發(fā)電工程的建模特點(diǎn)及設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，PModel插件可以從不同設(shè)計端軟件抽取關(guān)鍵信息，導(dǎo)出基于PModel 數(shù)據(jù)交換協(xié)議的中間文件，以達(dá)到發(fā)電工程的統(tǒng)一解析建模，如圖3(b)所示。

圖3 插件方案對比圖

通過對不同設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)研，項(xiàng)目組基于PModel 格式的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，在PDMS、Catia、Revit、Microstation 等國外設(shè)計軟件上開發(fā)了插件，可直接抽取各設(shè)計端軟件的模型層級、幾何及屬性信息，輸出中間文件PModel。下面將以PDMS-BIMBase 數(shù)據(jù)交換場景為例，簡要介紹基于PModel 格式的數(shù)據(jù)交換過程。

3.3.2 PDMS 導(dǎo)出PModel

在安裝了PModel 插件的前提下，用戶通過導(dǎo)出PModel 功能，可將PDMS 中的模型構(gòu)件導(dǎo)出為PModel 格式。步驟如下：

（1）點(diǎn)擊PDMS 工具欄中“圖模大師”按鈕，在下拉列表中點(diǎn)擊“輕量化模型”；

（2）彈出輕量化模型界面后，勾選需要導(dǎo)出的節(jié)點(diǎn)及包含構(gòu)件屬性按鈕，如圖4 所示，確認(rèn)即可將PDMS 項(xiàng)目文件導(dǎo)出為*.pmodel。

圖4 輕量化模型界面

3.3.3 BIMBase 導(dǎo)入PModel

用戶通過導(dǎo)入PModel-PDMS 功能，可將PDMS中建立的多層級模型在BIMBase 中重新構(gòu)建，并提供組件屬性修改的功能。

（1）打開模型集成選項(xiàng)卡，在功能欄中點(diǎn)擊導(dǎo)入PMODEL-PDMS 按鈕，如圖5 所示；

圖5 模型集成選項(xiàng)卡

（2）選擇要導(dǎo)入的*.pmodel 文件后，勾選保留場景結(jié)構(gòu)導(dǎo)入選項(xiàng)，將會在工程項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)下生成PDMS層級。點(diǎn)擊確定后即可在BIMBase 中重新構(gòu)建PDMS模型。

3.3.4 成果與討論

傳統(tǒng)的信息交互模式存在效率低、準(zhǔn)確度差等問題。本工程案例中，使用了PModel 格式進(jìn)行PDMS與BIMBase 間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)驗(yàn)證，PDMS 中建立的模型能夠完整、準(zhǔn)確地導(dǎo)入到BIMBase 中,并且保留了PDMS 模型特有的層級結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)屬性等信息。因此，基于PModel 格式的數(shù)據(jù)交互完全能夠?qū)崿F(xiàn)不同設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)集成到國產(chǎn)BIMBase 平臺。目前，針對PDMS 發(fā)電工程的項(xiàng)目需求，PModel 中保留了PDMS的項(xiàng)目層級結(jié)構(gòu)，根據(jù)PDMS 中節(jié)點(diǎn)TYPE 值，在BIMBase 的視圖瀏覽器中生成場景節(jié)點(diǎn)、嵌套組件或基本幾何體。具體對應(yīng)關(guān)系如圖6 所示。

圖6 視圖瀏覽器對應(yīng)節(jié)點(diǎn)類型

4 結(jié)語

要使建筑行業(yè)的信息交互變得更加準(zhǔn)確、高效，需要統(tǒng)一國內(nèi)的BIM 標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口及交互協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通與共享，最大程度地體現(xiàn)BIM 的價值。BIM 作為建筑行業(yè)未來的發(fā)展趨勢，不是任何一個軟件平臺可以獨(dú)立完成的。實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目全生命周期中跨圖形內(nèi)核、跨平臺、跨階段的在各軟件之間準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)流通，需要整個行業(yè)的努力及政府的大力支持，共同研究創(chuàng)造適合國產(chǎn)化BIM 軟件的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。