IDM標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀與方法

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(diǎn)線面的二維表達(dá)向基于對(duì)象的三維形體與屬性信息表達(dá)的轉(zhuǎn)變。BIM的核心在于信息(Information)，除了對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行3D幾何信息和拓?fù)潢P(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(hù)、可持續(xù)利用的信息數(shù)據(jù)庫。

促進(jìn)AEC項(xiàng)目中不同專業(yè)間的協(xié)同是BIM的焦點(diǎn)之一［1］。土木工程具有多部門、多專業(yè)、多變更的特點(diǎn)，整個(gè)建筑生命周期中不斷創(chuàng)建、積累、變更的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行流暢的傳遞與共享，將造成行業(yè)龐大的資源浪費(fèi)與效率問題。而BIM的一個(gè)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(gè)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(shí)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(jì)領(lǐng)域各個(gè)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(gè)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(jìn)，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(dá)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(shí)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I(xiàn)FC標(biāo)準(zhǔn)并未定義不同的項(xiàng)目階段，不同的項(xiàng)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(duì)這個(gè)問題的一個(gè)解決方案，就是制定一套標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)際的工作流程和所需交互的信息定義清晰，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是IDM標(biāo)準(zhǔn)(Information delivery Manual，信息交付手冊(cè))。它的目標(biāo)在于使得針對(duì)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(shí)，并使得交互性真正能夠?qū)崿F(xiàn)并創(chuàng)造價(jià)值。本文正是在對(duì)IDM相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)BIM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有更加清晰的認(rèn)識(shí)，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(yàn)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(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從軟件實(shí)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(xiàng)目指定時(shí)間和地點(diǎn)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(cè)中的定義和軟件中可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換對(duì)應(yīng)起來，定義軟件為完成數(shù)據(jù)交付手冊(cè)中的流程所需要交換的數(shù)據(jù)集合。

實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)軟件應(yīng)用程序總是用以支持用戶在項(xiàng)目基于指定時(shí)間和地點(diǎn)的基于某個(gè)特定目的的需求，比如REVIT Architecture軟件用于建筑設(shè)計(jì)階段BIM模型的搭建，此時(shí)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(xiàng)目某一過程的用戶需求，若干個(gè)信息集從IFC信息模型中派生而每一個(gè)信息需求由特定的一種或一類軟件支撐，那么此時(shí)模型視圖定義的信息集合即由若干個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)數(shù)據(jù)詳細(xì)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(duì)某一特定主題(如從建筑設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))的活動(dòng)流，所涉及的人員角色，以及整個(gè)過程中需要信息交換的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)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(duì)流程圖中的特定活動(dòng)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(duì)信息進(jìn)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(gè)交換需求都是由若干個(gè)功能部件組成，一個(gè)功能部件也可能與多個(gè)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(gè)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(gè)功能部件完全可以描述為一個(gè)獨(dú)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(dòng)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(gè)項(xiàng)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(dú)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(dòng)建筑全生命周期OPEN-BIM的機(jī)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(xì)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(jìn)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(gè)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(cè)-第一部分:方法與格式［9］。可以預(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(shí)針對(duì)各方之間的交流過程的階段性定義更加明確。IDM項(xiàng)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?yàn)镮SO 29481-1:2010定義的項(xiàng)目全生命周期的各個(gè)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(jì)與建造過程協(xié)議(Generic Design and Construction Process Protocol)［10］。協(xié)議將整個(gè)的項(xiàng)目過程劃分為十個(gè)不同的項(xiàng)目階段，而這十個(gè)階段又可以歸為四個(gè)大組:Pre-Project，Pre-Construction，Construction and Post-Construction。這個(gè)項(xiàng)目階段定義能夠與美國建筑分類體系Omni-Class［11］的表31項(xiàng)目階段分類相互映射。豎直方向?yàn)槎x了十個(gè)服務(wù)類型，包含建模、性能分析、建造、運(yùn)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(duì)應(yīng)的某一階段某一服務(wù)類型共44項(xiàng)當(dāng)前需要發(fā)展的IDM項(xiàng)目，其中優(yōu)先項(xiàng)目9項(xiàng)(如表2所示)，次優(yōu)先項(xiàng)目5項(xiàng)，目前已有所發(fā)展的IDM項(xiàng)目約20項(xiàng)。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(jìn)優(yōu)先項(xiàng)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(xiàng)名為BLIS(Build-ing Lifecycle Interoperable Software)的計(jì)劃一直致力于協(xié)調(diào)軟件對(duì)IFC的執(zhí)行。BLIS計(jì)劃中MVD項(xiàng)目的基本信息和進(jìn)展情況通過基于Web的工具“IFC方案工廠”進(jìn)行描述與發(fā)布(http://www．blis-project．org/IAI-MVD/)。這樣，通過知識(shí)的整合提供了一個(gè)有用的平臺(tái)使得分散的IFC交互項(xiàng)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(gè)國家的政府部門及研究機(jī)構(gòu)，如美國的總務(wù)管理局(US General Services Administration)，挪威公共建筑機(jī)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(dú)立或與Autodesk、Bentley、Graphisoft等各大軟件商聯(lián)合，在IDM/MVD某一個(gè)或多個(gè)課題領(lǐng)域展開研究。其中幾個(gè)IDM/MVD已經(jīng)在實(shí)際的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)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(xiàng) IDM/MVD內(nèi)容，即施工運(yùn)營建筑信息交換(COBie)、設(shè)計(jì)到空間規(guī)劃審定、設(shè)計(jì)到建筑能量分析、設(shè)計(jì)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(xiàn)中，IDM已經(jīng)應(yīng)用于預(yù)制混凝土領(lǐng)域，同時(shí)Eastman教授針對(duì)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(jì)施工統(tǒng)包項(xiàng)目中的招標(biāo)過程為案例，評(píng)估IDM表達(dá)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(gè)方面的能力，驗(yàn)證IDM的協(xié)同方法能否促進(jìn)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(duì)象的發(fā)展，并對(duì)基于項(xiàng)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(dá)大學(xué)的Nawari針對(duì)結(jié)構(gòu)工程的IDM進(jìn)行分析［17-18］。賓夕法尼亞州立大學(xué)的 BIM執(zhí)行計(jì)劃(BIM Execution Planning)致力于多項(xiàng)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(duì)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(dá)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(dòng)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(xiàng)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(gè)泳池可以劃分為多個(gè)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(dòng)來劃分泳道，另外，信息模型作為單獨(dú)的角色類型擁有專屬的泳道，而交換需求作為數(shù)據(jù)對(duì)象放置于信息模型泳道;(3)流對(duì)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(gè)任務(wù)可能包含多個(gè)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(jìn)行的過程，添加循環(huán)符號(hào)，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(duì)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(gè)任務(wù)都有特定的序號(hào)，作為索引，與表4的活動(dòng)定義表相鏈接，以表格形式對(duì)于該活動(dòng)進(jìn)行簡單的文字性描述。表中的內(nèi)容包含活動(dòng)類型(任務(wù)/子任務(wù))、名稱、項(xiàng)目階段(對(duì)應(yīng)于OmniClass或者ISO的項(xiàng)目階段定義)以及描述信息。

表4 程圖中的活動(dòng)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(shí)際情況進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)因缺少針對(duì)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(duì)過程以及信息需求進(jìn)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(jí)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(jī)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(duì)IDM標(biāo)準(zhǔn)的針對(duì)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(jī)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(xiàng)龐大的工程，信息交換涉及項(xiàng)目全生命周期的各個(gè)階段，需要在每一個(gè)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(jià)值。

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