OpenBIM綜述及其工程應(yīng)用

姜韶華，吳 崢，王 娜，姜麗萍，韓蕓蔚

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OpenBIM綜述及其工程應(yīng)用

姜韶華，吳 崢，王 娜，姜麗萍，韓蕓蔚

(大連理工大學(xué)建設(shè)管理系，遼寧 大連 116024)

建筑規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜性的增加對(duì)項(xiàng)目參與方之間的協(xié)作水平提出了更高的要求。如何更好地實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、不同軟件平臺(tái)之間的信息交互成為協(xié)作過(guò)程中的關(guān)鍵性問(wèn)題。OpenBIM作為信息交換的統(tǒng)一交換標(biāo)準(zhǔn)可以滿足不同軟件之間信息交互的需求，提高協(xié)作的效率和準(zhǔn)確性。目前，OpenBIM相關(guān)方面的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是尚缺乏關(guān)于OpenBIM的全面綜述。通過(guò)OpenBIM相關(guān)網(wǎng)站的分析及文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)OpenBIM的重要性、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及軟件進(jìn)行了綜述，并從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的角度闡述了其在工程中的應(yīng)用。最后，提出了OpenBIM在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的不足及其未來(lái)的發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)OpenBIM理論和實(shí)踐的系統(tǒng)分析，可為其進(jìn)一步的研究與應(yīng)用提供支持。

OpenBIM；交互性；軟件平臺(tái)；工程應(yīng)用

目前各類BIM軟件廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等項(xiàng)目全生命期中。不同軟件之間的數(shù)據(jù)異構(gòu)性導(dǎo)致軟件間的互用性較低，因而工程項(xiàng)目各參與方希望能夠更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交互共享。OpenBIM (building information model) 可以較好地解決這一問(wèn)題，減少協(xié)同錯(cuò)誤，提高軟件間的互操作性，保證多方協(xié)作的高效性和準(zhǔn)確性。OpenBIM相關(guān)方面的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是目前尚缺乏關(guān)于OpenBIM的全面綜述。因此，本文對(duì)OpenBIM相關(guān)網(wǎng)站及文獻(xiàn)進(jìn)行了分析歸納，旨在提供OpenBIM相關(guān)理論和實(shí)踐的系統(tǒng)綜述。

1 OpenBIM簡(jiǎn)介

1.1 OpenBIM定義

OpenBIM是基于開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)和工作流程從而協(xié)同完成建筑的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的一種通用的方法，其是由buildingSMART和一些使用開(kāi)放的buildingSMART數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的主要軟件供應(yīng)商提出的倡議[1]。BuildingSMART是一個(gè)通過(guò)創(chuàng)建和采用開(kāi)放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推動(dòng)建設(shè)資產(chǎn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的全球性的權(quán)威組織。

1.2 OpenBIM的重要性

OpenBIM代表了AEC (architecture，engineering and construction)行業(yè)所有項(xiàng)目成員跨學(xué)科合作的現(xiàn)代化方法[2]。目前，OpenBIM的核心內(nèi)容主要包括工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation classes，IFC)、信息交付手冊(cè)(information delivery manual，IDM)、國(guó)際字典框架(international framework for dictionaries，IFD)和模型視圖定義(model view definition，MVD)，在核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上衍生出其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和軟件。OpenBIM的重要性主要體現(xiàn)在：①支持透明、開(kāi)放的工作流，使項(xiàng)目相關(guān)者無(wú)論使用哪種軟件工具都能夠參與到項(xiàng)目中；②為不同軟件之間的協(xié)同和交互提供了通用的語(yǔ)言，使項(xiàng)目相關(guān)者能夠獲得優(yōu)質(zhì)服務(wù)和數(shù)據(jù)保障；③提供了項(xiàng)目生命期中持續(xù)使用的數(shù)據(jù)，避免了同一數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入以及因?yàn)檩斎攵霈F(xiàn)的錯(cuò)誤；④軟件供應(yīng)商可以參與其中，得到最佳解決方案；⑤鼓勵(lì)在線產(chǎn)品供應(yīng)方提供更加精確的用戶需求搜索，并將產(chǎn)品數(shù)據(jù)直接輸入到BIM中[1]。

截至2017年12月，在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)中對(duì)各類OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)檢索結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，從2003年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)對(duì)OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)的研究持續(xù)增長(zhǎng)，尤其在近年來(lái)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。由圖中指數(shù)趨勢(shì)線可預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)對(duì)OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)的研究仍會(huì)保持高速穩(wěn)健增長(zhǎng)。

圖1 知網(wǎng)OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

1.3 OpenBIM的意義

OpenBIM倡議將開(kāi)放式協(xié)作提升到戰(zhàn)略層面，以減少協(xié)同錯(cuò)誤，提高項(xiàng)目質(zhì)量，構(gòu)建多元化、易協(xié)調(diào)的建設(shè)項(xiàng)目。同時(shí)，項(xiàng)目相關(guān)者可以在各自負(fù)責(zé)的領(lǐng)域內(nèi)使用最佳解決方案來(lái)解決問(wèn)題，并根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的不同需求進(jìn)行各自負(fù)責(zé)領(lǐng)域內(nèi)的軟件更新[3]。

在建筑全生命期中OpenBIM使所有項(xiàng)目參與方都可以通過(guò)IFC開(kāi)放的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行信息共享，從而確保各參與方都能夠無(wú)錯(cuò)、高效地合作，減少協(xié)同錯(cuò)誤，降低成本，改善建筑業(yè)生產(chǎn)效率低下的現(xiàn)狀。

2 OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)

目前最具影響力的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際組織認(rèn)定的三大基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)：IFC、IDM和IFD。OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)主要分為3類：buildingSMART標(biāo)準(zhǔn)、buildingSMART候選標(biāo)準(zhǔn)和buildingSMART相關(guān)其他標(biāo)準(zhǔn)。BuildingSMART標(biāo)準(zhǔn)為已經(jīng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)投票的正式標(biāo)準(zhǔn)，buildingSMART候選標(biāo)準(zhǔn)為待標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)投票的標(biāo)準(zhǔn)，在buildingSMART標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充，形成符合實(shí)際需求的相關(guān)其他標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 BuildingSMART標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 IFC

IFC是用來(lái)描述BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式，旨在建立一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表達(dá)和存儲(chǔ)方法，使各類軟件都能導(dǎo)入、導(dǎo)出這種格式的數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)項(xiàng)目整個(gè)生命期中不同專業(yè)、不同軟件之間的數(shù)據(jù)共享。利用IFC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同類型軟件生成信息的格式進(jìn)行統(tǒng)一，可以實(shí)現(xiàn)建筑信息的自由轉(zhuǎn)換[4]。

IFC標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)一個(gè)分層和模塊化的框架來(lái)表示各種信息，自下而上分為資源層、框架層、共享層和領(lǐng)域?qū)?個(gè)層次[5]。這些層次各自又包含了許多模塊。每個(gè)層次只能引用同層次或該層次以下層次的信息資源而不能引用更高層次的資源。通過(guò)規(guī)定這一信息引用規(guī)則，下層資源不受上層資源變動(dòng)的影響，從而保證信息的穩(wěn)定性。

ifcXML作為派生于IFC EXPRESS模型的XML模式定義(XML schema definition，XSD)而發(fā)布。ifcXML包括ex.xsd和IFC2X2_FINAL.xsd：ex.xsd指所有已翻譯的EXPRESS模型的通用模式，包含數(shù)據(jù)源以及將EXPRESS數(shù)據(jù)類型翻譯后得到的一般數(shù)據(jù)類型的定義；IFC2X2_FINAL.xsd指IFC2x2特定的序列化單元，包含所有IFC特定類、關(guān)系、屬性和數(shù)據(jù)類型的XSD定義[6]。

屬性集定義(property set definition，PSD)模式旨在提供一個(gè)用于定義包括適用的IFC實(shí)體或類型等信息以及IFC規(guī)范之外的屬性和屬性集的可擴(kuò)展標(biāo)示語(yǔ)言(extensive markup language，XML)模式定義。此外，也可用于定義一個(gè)映射以便將IFC定義的屬性內(nèi)容轉(zhuǎn)變到其他應(yīng)用程序中[7]。

2.1.2 IDM

IDM是用于采集和規(guī)定建筑生命期全過(guò)程和信息流的方法，旨在確保相關(guān)數(shù)據(jù)以接收方軟件可以解釋的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在復(fù)雜的建設(shè)項(xiàng)目中，建筑的施工和維護(hù)涉及眾多參與方，各參與方之間的信息交流是至關(guān)重要的。IDM通過(guò)充分利用與交換相關(guān)的業(yè)務(wù)流程建模符號(hào)(business process modelling notation，BPMN)和模板來(lái)推進(jìn)項(xiàng)目參與方之間的交流[4]。

IDM標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)指定過(guò)程中的信息需求提供了一套合理的方法。該方法主要由流程圖(process map，PM)、交換需求(exchange requirements，ER)和功能部件(functional parts，F(xiàn)P)組成。流程圖規(guī)定了某個(gè)特定過(guò)程的活動(dòng)流；交換需求提供了對(duì)以上特定過(guò)程中所需傳遞的某組信息的完整表達(dá)；功能部件是IDM中數(shù)據(jù)信息的最小單元，通過(guò)若干個(gè)功能部件的組合來(lái)描述一個(gè)完整的交換需求，其中單個(gè)功能部件也可能對(duì)應(yīng)多個(gè)交換需求。在功能部件被定義后，基于各功能部件的模型視圖定義就可以被創(chuàng)建，同時(shí)把這些信息映射到IFC架構(gòu)中，使信息能夠被清晰的表達(dá)出來(lái)[4]。

2.1.3 IFD

IFD是面向術(shù)語(yǔ)庫(kù)或本體的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)建立不同語(yǔ)種、不同詞匯的信息表述與IFC之間的映射關(guān)系，規(guī)定對(duì)象的相關(guān)概念語(yǔ)義(如全稱、簡(jiǎn)稱、細(xì)節(jié)描述、關(guān)聯(lián)概念等)來(lái)保證BIM信息交換或共享的準(zhǔn)確性。IFD為BIM標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)概念和術(shù)語(yǔ)提供了唯一的標(biāo)識(shí)碼(global unique identifier，GUID)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的GUID實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的信息轉(zhuǎn)換與共享，任何項(xiàng)目參與方都能通過(guò)IFD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息的約束得到準(zhǔn)確的信息[4]。

2.1.4 bSDD

BuildingSMART數(shù)據(jù)字典(buildingSMART data dictionary，bsDD)是一組能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同工作的buildingSMART標(biāo)準(zhǔn)之一，提供了一個(gè)用于識(shí)別和驗(yàn)證BIM中使用的組件和屬性的名稱的共享系統(tǒng)[8]。

2.1.5 MVD

MVD定義了一個(gè)需要滿足AEC行業(yè)中一個(gè)或多個(gè)交換要求的IFC模式的子集。與該IFC模式子集一起還發(fā)布了一套稱為MVD Concepts的實(shí)現(xiàn)指令和驗(yàn)證規(guī)則，而發(fā)布概念和相關(guān)規(guī)則的方法是mvdXML[9]。

mvdXML是一種編碼格式，利用此格式可以對(duì)MVD進(jìn)行編碼，并在特定數(shù)據(jù)類型的特定屬性中定義允許值。軟件應(yīng)用程序可以靜態(tài)地使用mvdXML(旨在支持特定的模型視圖)，也可以動(dòng)態(tài)地使用mvdXML(旨在支持任何模型視圖)。在IFC4中使用mvdXML時(shí)，該格式并不依賴于IFC4，也可以與IFC2x3、較早的IFC版本或完全獨(dú)立的模式一起使用[9]。

2.1.6 BCF

BIM協(xié)作格式(BIM collabration format，BCF)是一個(gè)簡(jiǎn)化的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)XML格式，其可以對(duì)信息進(jìn)行編碼，以便能在不同的BIM軟件工具之間實(shí)現(xiàn)工作流通信[10]。BCF的開(kāi)發(fā)包括XML文件格式以及RESTful Web服務(wù)。開(kāi)放文件XML格式“bcfXML”可以支持BIM進(jìn)程中的工作流通信；RESTful Web服務(wù)“bcfAPI”，能夠使軟件應(yīng)用程序在BIM工作流中實(shí)現(xiàn)BCF數(shù)據(jù)的無(wú)縫交換[11]。

2.2 BuildingSMART候選標(biāo)準(zhǔn)

ifcOWL提供了IFC模式的Web本體語(yǔ)言(Web ontology language，OWL)表示。整個(gè)IFC EXPRESS模式(IFC實(shí)體、類型及屬性等)都可以在一個(gè)ifcOWL本體中使用。另外ifcOWL本體也可以使用一些在別處定義的OWL類和屬性[12]。

2.3 BuildingSMART相關(guān)其它標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 COBIE

施工運(yùn)營(yíng)建筑信息交換(construction operations building information exchange，COBIE)是一個(gè)用于采集和交付建筑生命期中設(shè)施管理者所需信息的信息交換規(guī)范。COBIE可以在設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)軟件以及簡(jiǎn)單的電子表格中查看。這種多功能性使得COBIE可以用于無(wú)論項(xiàng)目規(guī)模大小和技術(shù)復(fù)雜程度如何的所有項(xiàng)目中[13]。

2.3.2 LandXML

LandXML是一種能夠采集、驗(yàn)證并展現(xiàn)土木工程和調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù)的一種電子數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)[14]。

3 OpenBIM軟件平臺(tái)及工具

3.1 軟件平臺(tái)

開(kāi)源軟件是指源代碼開(kāi)放，軟件的使用、修改和發(fā)布不受許可證限制的軟件[15]。建設(shè)項(xiàng)目各參與方和利益相關(guān)者可以使用BIM進(jìn)行不同深度和層次的交流與合作，并借助BIM完成信息的插入、獲取和更新，實(shí)現(xiàn)不同軟件或平臺(tái)信息的及時(shí)共享[16]。目前應(yīng)用較多的BIM軟件主要包括Autodesk、Bentley和Trimble等系列，同一公司的軟件之間存在較高的兼容性，但是不同公司軟件之間的互操作性程度相對(duì)較低，導(dǎo)致軟件之間信息共享困難的問(wèn)題。盡管部分軟件有插件開(kāi)發(fā)的接口，但仍然不能完全滿足建筑業(yè)對(duì)BIM軟件定制化、模塊化的需求[17]。本節(jié)介紹兩個(gè)典型的、應(yīng)用較多的開(kāi)源軟件平臺(tái)。

3.1.1 BIMserver[18]

BIMserver是一個(gè)開(kāi)放的、穩(wěn)定的軟件核心，可以輕松構(gòu)建可靠的BIM軟件工具，適用于支持AEC領(lǐng)域用戶的動(dòng)態(tài)協(xié)作流程。BIMserver (BIMserver.org)平臺(tái)使用戶能夠創(chuàng)建自己的“BIM操作系統(tǒng)”。軟件核心基于開(kāi)放的IFC標(biāo)準(zhǔn)，因此能較好地處理IFC數(shù)據(jù)。在BIMserver中，智能核心對(duì)IFC數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，并以對(duì)象的形式存儲(chǔ)在底層數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以查詢、合并和過(guò)濾BIM數(shù)據(jù)。除了合并、模型檢查、融合、授權(quán)、認(rèn)證和比較等數(shù)據(jù)庫(kù)核心功能外，還包含許多其他功能，并可降低開(kāi)發(fā)人員的門(mén)檻。BIMserver有許多開(kāi)放接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如soap，PB，json)，使用開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，作為一個(gè)易于微調(diào)的插件框架，具有靈活的管理配置GUI，較好的開(kāi)發(fā)人員文檔和SDK。BIMserver常用插件介紹如下：

(1) IfcOpenShell[19]，是一個(gè)開(kāi)源軟件庫(kù)，可幫助用戶和軟件開(kāi)發(fā)人員解析IFC模型并開(kāi)展后續(xù)工作。IFC文件格式可用于存儲(chǔ)建筑和施工數(shù)據(jù)，通常用于建筑信息建模。IfcOpenShell內(nèi)部使用OpenCASCADE (OpenCASCADE Community Edition)將IFC文件中的隱式幾何信息轉(zhuǎn)換為任何CAD軟件或建模軟件包可以讀取的顯式幾何信息。IfcOpenShell是一項(xiàng)持續(xù)性的工作，目前只支持?jǐn)U展名為.ifc文件的解析，且后續(xù)版本將會(huì)增加對(duì)IFC-XML和IFC-ZIP格式的支持，但是IfcOpenShell還無(wú)法完全解析.ifc文件中存在的所有幾何信息。

IfcOpenShell作為插件與BIMserver一起發(fā)布，用于解析BIMserver中IFC文件中的幾何信息。該插件的開(kāi)發(fā)工作由BIMserver和IfcOpenShell團(tuán)隊(duì)共同完成。

(2) bimvie.ws[20]是一個(gè)用HTML和Javascript語(yǔ)言構(gòu)建的在線查看BIM模型的軟件工具，可兼容BIMSie API接口，并在云平臺(tái)中與BIM協(xié)同，用戶可以將bimvie.ws與任何兼容BIMSie的在線BIM服務(wù)一起使用。

BIMvie.ws版本是一個(gè)JAR文件。用戶可以輕松地將其添加為BIMserver插件，也可以將其安裝在任何網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，例如Apache，Nginx或IIS。

(3) BIMsurfer[21]是一個(gè)使用SceneJS和WebGL開(kāi)發(fā)的開(kāi)源IFC模型查看器，可用于解析IFC和glTF格式的BIM數(shù)據(jù)。

(4) BCFier[22]，BCF是由buildingSMART開(kāi)發(fā)的用于描述建筑模型問(wèn)題的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，BCFier是一個(gè)可以處理BCF文件的應(yīng)用程序，同時(shí)也可以直接作為插件與BIM軟件集成。通過(guò)BCFier可以在Autodesk Revit中創(chuàng)建和打開(kāi)BCF文件，為模型問(wèn)題添加多個(gè)視圖和評(píng)論，并輕松與其他團(tuán)隊(duì)成員共享。

3.1.2 xBIM

可擴(kuò)展建筑信息建模(extensible building information modelling，xBIM)是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，允許開(kāi)發(fā)人員為基于IFC的應(yīng)用程序創(chuàng)建定制的BIM中間件[23]。

xBIM為IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供了豐富的API，允許開(kāi)發(fā)人員通過(guò)代碼讀取、寫(xiě)入和更新IFC文件。xBIM是一個(gè).NET工具包，因此開(kāi)發(fā)人員既可以構(gòu)建簡(jiǎn)單的命令行應(yīng)用程序，又可以對(duì)Windows應(yīng)用程序和Web服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展。

xBIM具有完整的幾何信息引擎，可將IFC幾何數(shù)據(jù)對(duì)象(例如IfcSweptAreaSolid)轉(zhuǎn)換為功能齊全的邊界表示(boundary representation，Brep)幾何模型。這些模型支持所有布爾運(yùn)算、交集、并集等以及體積、面積、長(zhǎng)度等的計(jì)算。幾何信息引擎不僅為可視化提供了優(yōu)化的3D三角剖分和網(wǎng)格劃分，也為重復(fù)識(shí)別和地圖轉(zhuǎn)換提供了整體模型優(yōu)化。

3.2 工具

OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)支持工具較多，本文介紹目前使用較多的5種。

(1) IfcDoc，IFC文檔生成器(ifcDoc)是用于生成IFC文檔(從IFC4開(kāi)始)以及開(kāi)發(fā)MVD的軟件工具[24]。該工具基于mvdXML規(guī)范，可以應(yīng)用于所有IFC版本。

(2) BCF Manager，BCF管理器(BCF manager)使用戶能夠在BIM模型中創(chuàng)建、過(guò)濾和查找問(wèn)題。用戶可通過(guò)使用BCF文件保存、加載問(wèn)題或?qū)⑵渫降紹IMcollab上，來(lái)實(shí)現(xiàn)與使用不同BIM工具的項(xiàng)目成員之間的問(wèn)題共享，從而提高問(wèn)題管理的可靠性，縮小使用BIM工具之間的差距[25]。

(3) 建筑信息模型查詢語(yǔ)言(building information model query language，BIMQL)是用于BIM的開(kāi)放的特定領(lǐng)域查詢語(yǔ)言。該查詢語(yǔ)言可以選擇和更新存儲(chǔ)在IFC模型中的數(shù)據(jù)。目前其被用在開(kāi)放源代碼的模型服務(wù)器中，即BIMserver.org平臺(tái)上[26]。

(4) IFC Framework[27]提供了對(duì)基于IFC的BIM進(jìn)行訪問(wèn)和可視化的工具，方便軟件開(kāi)發(fā)人員將信息庫(kù)集成到產(chǎn)品中。終端用戶也可以進(jìn)行可視化操作和模型檢查。apstex IFC Framework是基于Java的面向?qū)ο蠊ぞ呦?，可以完全訪問(wèn)基于IFC的BIM模型，可用于讀取、編寫(xiě)、修改和創(chuàng)建IFC模型等。AWT和Swing組件可用于IFC模型的可視化，易于集成到Java應(yīng)用程序，且支持BIM協(xié)作格式。

(5) IFC Engine DLL[28]是一個(gè)STEP工具箱，可以為IFC的最新版本生成3D模型。該組件可以通過(guò)其自身的對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)加載、編輯和創(chuàng)建Step Physical Files及其架構(gòu)。這包括所有當(dāng)前可用的IFC版本。其具有高可擴(kuò)展性、支持多平臺(tái)的特點(diǎn)。

4 OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)的工程應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，不僅可以使用供應(yīng)商提供的BIM軟件建立簡(jiǎn)單模型，通過(guò)動(dòng)畫(huà)、渲染等方式展示設(shè)計(jì)成果，還可以通過(guò)對(duì)OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，將OpenBIM的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展應(yīng)用到設(shè)計(jì)階段的能耗分析、能源仿真、模型信息查詢和評(píng)估等領(lǐng)域。

在設(shè)計(jì)的能耗分析領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，能夠更好地進(jìn)行能耗分析仿真，提高分析效率。陳沖等[29]將IDM標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到了建筑能耗分析領(lǐng)域。首先利用IDM方法對(duì)建筑能耗分析的具體流程進(jìn)行定義，之后針對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用業(yè)務(wù)流程建模標(biāo)記方法(BPMN方法)構(gòu)建出了基于IDM標(biāo)準(zhǔn)的能耗分析流程圖。采用gbXML文件將Revit中的建筑模型與Ecotect軟件相鏈接，再通過(guò)Ecotect軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所建立的流程圖中部分活動(dòng)的仿真模擬，從而分析出建筑物的真實(shí)能耗情況。基于IDM標(biāo)準(zhǔn)的這一研究可在一定程度上減少建筑的能源消耗，有利于建筑師充分了解建筑物能耗具體情況，幫助其在設(shè)計(jì)階段更好地做出決策。PINHEIRO等[30]針對(duì)建筑能耗仿真(building energy performance simulation，BEPS)模型輸入過(guò)程中的重復(fù)的手動(dòng)操作而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤問(wèn)題，提出了一種基于IDM和MVD標(biāo)準(zhǔn)的、BIM與BEPS工具間信息交換的標(biāo)準(zhǔn)化方法。該方法通過(guò)用例集合啟動(dòng)BEPS工具對(duì)所需交換需求的識(shí)別，并通過(guò) IDM/MVD框架捕獲識(shí)別到的交換需求，同時(shí)將這些需求轉(zhuǎn)換為IFC模式。該方法通過(guò)開(kāi)發(fā)特定的MVD促進(jìn)了從基于IFC的BIM向常規(guī)或高級(jí)BEPS工具的信息傳輸。其中MVD定義了IFC的數(shù)據(jù)模型子集，可通過(guò)該子集對(duì)建筑能耗進(jìn)行模擬。KIM和YU[31]將ifcXML用于建筑能耗方面，提出基于ifcXML的數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入方法。該方法可通過(guò)使用ifcXML標(biāo)準(zhǔn)文件格式，自動(dòng)地輸入所需的數(shù)據(jù)，有助于提高建筑能耗分析的效率，減少成本和時(shí)間投入。

在能源仿真領(lǐng)域，GUPTA等[32]使用OpenBIM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)來(lái)支持太陽(yáng)能光伏模擬，提出了一種用于開(kāi)發(fā)基于IFC的可再生能源模擬工具的概念框架，該框架采用了一種多模型概念，其中IFC數(shù)據(jù)模型提供了所需部分?jǐn)?shù)據(jù)的輸入，該概念框架不僅適用于太陽(yáng)能光伏模擬，也適用于其他可再生能源仿真模型。

OpenBIM標(biāo)準(zhǔn)還可以應(yīng)用于模型信息查詢。KANG[33]使用LandXML和IFC模式，基于BIM聯(lián)動(dòng)模型的查詢，提出了一種有效的BIM集成對(duì)象查詢方法，并定義了其中的對(duì)象類型和對(duì)象查詢所需的簡(jiǎn)單查詢語(yǔ)言。該方法利用LandXML和IFC創(chuàng)建一個(gè)聯(lián)動(dòng)模型，利用屬性和空間操作來(lái)查詢所需信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)模型信息的集成查詢，解決了LandXML模式基于形狀信息以聯(lián)動(dòng)方式查詢BIM對(duì)象時(shí)獲取所需對(duì)象困難的問(wèn)題。

利用OpenBIM可以解決模型的信息查詢和評(píng)估問(wèn)題。BERLO和KRIJHEN[34]介紹了一種基于BCF工作流以及開(kāi)源BCF服務(wù)器軟件而開(kāi)發(fā)的BCF服務(wù)器，并與3D查看器和BIM服務(wù)器進(jìn)行集成。通過(guò)該BCF服務(wù)器項(xiàng)目各參與方不僅能找出模型中存在的問(wèn)題，還能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行在線管理并根據(jù)實(shí)際BIM模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估。

明星等[35]基于IDM對(duì)建筑工程的整個(gè)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了概述，對(duì)設(shè)計(jì)流程做了詳細(xì)的定義，為后續(xù)基于BIM的數(shù)據(jù)共享和交換的研究奠定了基礎(chǔ)。

4.2 施工階段

OpenBIM支持透明、開(kāi)放的工作流，有力促進(jìn)了不同軟件之間的協(xié)同、交互，使項(xiàng)目參與方無(wú)論使用哪種工具軟件均能參與到項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的全生命期中。OpenBIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于項(xiàng)目施工階段，可用于施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量檢查、施工成本估算等多個(gè)領(lǐng)域。

在施工進(jìn)度管理領(lǐng)域，需要根據(jù)合同規(guī)定的工期要求編制施工進(jìn)度計(jì)劃，并以此作為管理的目標(biāo)，對(duì)施工的全過(guò)程經(jīng)常進(jìn)行檢查、對(duì)比、分析，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)施中的偏差，并采取有效措施調(diào)整工程建設(shè)施工進(jìn)度計(jì)劃、排除干擾，從而保證工期目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)。王華興等[36]針對(duì)目前使用傳統(tǒng)的施工4D信息模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度信息的完整交互問(wèn)題，引入了IFC4標(biāo)準(zhǔn)，基于該標(biāo)準(zhǔn)中的流程管理實(shí)體、利用xBIM Toolkit工具包創(chuàng)建了全新的4D-BIM模型，并利用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、統(tǒng)一地描述了所建模型中的3D模型信息及進(jìn)度信息。該模型可在編制施工進(jìn)度計(jì)劃的同時(shí)同步實(shí)現(xiàn)具體作業(yè)與模型構(gòu)件的相互關(guān)聯(lián)，大大縮短建立4D-BIM模型的時(shí)間，提高建模人員的工作效率。除了加強(qiáng)施工進(jìn)度信息的交互性，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握施工進(jìn)度計(jì)劃也可加強(qiáng)對(duì)施工進(jìn)度的管理控制。 KIM等[37-38]基于ifcXML技術(shù)建立了一個(gè)可從BIM中自動(dòng)生成施工進(jìn)度計(jì)劃的框架，并用其開(kāi)發(fā)的原型系統(tǒng)對(duì)該框架進(jìn)行了驗(yàn)證，從構(gòu)建的BIM中解析了相關(guān)的空間單元和材料層數(shù)據(jù)，有助于更精確地掌握施工進(jìn)度，從而更好地管理施工過(guò)程。

對(duì)于全施工過(guò)程采取嚴(yán)格的質(zhì)量把控是保證工程質(zhì)量的有效措施。在對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行管理控制時(shí)常會(huì)出現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量檢查不及時(shí)、管理不到位等問(wèn)題。馬智亮和毛娜[39]針對(duì)目前我國(guó)施工質(zhì)量驗(yàn)收檢查中存在的諸多問(wèn)題，深入分析了我國(guó)施工質(zhì)量監(jiān)管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并深入研究了IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求及IFC數(shù)據(jù)提出了一種用于施工質(zhì)量驗(yàn)收檢查的新算法，通過(guò)該算法可基于IFC標(biāo)準(zhǔn)從BIM模型中自動(dòng)生成施工質(zhì)量檢查點(diǎn)。該算法的提出實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集，加強(qiáng)了對(duì)施工質(zhì)量的監(jiān)管控制。此外，也有學(xué)者基于IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)施工質(zhì)量檢查的實(shí)時(shí)性問(wèn)題進(jìn)行了研究。DING等[40]針對(duì)施工過(guò)程中難以對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查、控制的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于IFC的檢驗(yàn)過(guò)程模型IFC-IPM。在IFC-IPM模式中存在物理對(duì)象、進(jìn)度計(jì)劃和質(zhì)量管理模型，并通過(guò)定義動(dòng)態(tài)屬性集來(lái)對(duì)IFC-IPM進(jìn)行擴(kuò)展。開(kāi)發(fā)的IFC-IPM已應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的地鐵基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，且實(shí)踐證明IFC-IPM為質(zhì)量相關(guān)信息和其他IFC兼容應(yīng)用數(shù)據(jù)的共享交換提供了一個(gè)有效平臺(tái)。

施工成本估算是任何工程項(xiàng)目中的關(guān)鍵活動(dòng)之一，許多學(xué)者也將IFC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于解決施工成本估算的各項(xiàng)問(wèn)題。MA等[41]探討了將IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于中國(guó)招標(biāo)工程造價(jià)估算的可能性和方法?；谏钊氲难芯糠治鼋⒘酥袊?guó)招標(biāo)工程造價(jià)估算信息需求模型，該模型中的信息需求主要有7個(gè)方面，且可以利用IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其中的各方面信息進(jìn)行表達(dá)。此外，還討論了IFC標(biāo)準(zhǔn)在該模型表示中的應(yīng)用和推廣，最后建立了基于IFC的投標(biāo)成本估算信息模型。這一研究不僅為開(kāi)發(fā)基于BIM的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)招標(biāo)工程造價(jià)估算應(yīng)用軟件打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而且為擴(kuò)大IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供了一條可行的途徑。

4.3 運(yùn)維階段

OpenBIM廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工階段，同時(shí)為運(yùn)維階段的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理等操作提供了良好的交互性基礎(chǔ)，有利于解決工程運(yùn)維階段對(duì)多方面信息的需求，推動(dòng)工程運(yùn)維階段向信息化、智能化的方向發(fā)展。

BIM模型包含了豐富的建筑對(duì)象的基本信息，為信息搜集過(guò)程提供了方便。但BIM模型中的信息并未包含建筑運(yùn)維階段所需的全部信息，例如傳感器等信息，因此需要對(duì)既有的BIM模型進(jìn)行擴(kuò)展以更好地適應(yīng)各階段的不同需求。目前，對(duì)BIM模型的擴(kuò)展多為對(duì)IFC的擴(kuò)展。丁夢(mèng)莉等[42]提出在構(gòu)建面向運(yùn)維管理的BIM模型時(shí)需要用IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BIM模型中未定義的信息進(jìn)行擴(kuò)展，以更好地完成運(yùn)維管理系統(tǒng)的要求。王超[43]將IFC應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)對(duì)IFC進(jìn)行擴(kuò)展可將傳感器數(shù)據(jù)批量集成到IFC文件中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的快速、全面和準(zhǔn)確的表達(dá)。

IFC作為一種中間格式可以解決不同信息源之間數(shù)據(jù)傳遞的問(wèn)題。PASINI和DANIOTTI[44]將IFC應(yīng)用于建筑運(yùn)營(yíng)階段的可持續(xù)性方面，為了使用實(shí)時(shí)的信息豐富BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，提出基于IFC導(dǎo)出源代碼的數(shù)據(jù)獲取方法以便正確地在內(nèi)置參數(shù)、IFC屬性和傳感器之間建立映射。通過(guò)IFC將獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)連接到BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中模型可進(jìn)行持續(xù)更新。SUN 等[45]將IFC應(yīng)用于水電設(shè)施運(yùn)維階段，通過(guò)IFC Engine DLL和MOGRE圖形庫(kù)集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了IFC標(biāo)準(zhǔn)在水電設(shè)施管理工作中的應(yīng)用，更好地整合多方面的信息，避免數(shù)據(jù)異質(zhì)性問(wèn)題。DANKERS等[46]描述了將IFC與外界信息進(jìn)行有效連接的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可將機(jī)器與人類可讀數(shù)據(jù)連接起來(lái)，使非CAD用戶或建筑專家能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，為實(shí)際中基于IFC的Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了幫助。該平臺(tái)不僅適用于運(yùn)維階段，而且適用于建筑物的整個(gè)生命期。

OpenBIM在運(yùn)維階段的應(yīng)用還體現(xiàn)在知識(shí)管理方面，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的表示和查詢等。ZHU和MAO[47]提出用ifcOWL本體作為語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)和IFC標(biāo)準(zhǔn)之間的一個(gè)連接點(diǎn)，該本體允許使用已建立的IFC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表示建筑數(shù)據(jù)，并可利用語(yǔ)義Web技術(shù)的數(shù)據(jù)分布、數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展性、查詢和推理等工具，通用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、一致性檢查和知識(shí)推理。該方法可將建筑數(shù)據(jù)與材料數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、產(chǎn)品制造商數(shù)據(jù)等相互連接，形成建筑關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)間的互操作性，方便建筑行業(yè)及其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)管理和交換。PAUWELS和TERKAJ[48]將IFC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，提出基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM技術(shù)對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)信息的表達(dá)方法，通過(guò)對(duì)傳感器屬性信息的擴(kuò)展及IFC數(shù)據(jù)模型與監(jiān)測(cè)信息模型數(shù)據(jù)成員鏈接關(guān)系的建立，來(lái)解決橋梁健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中信息無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)的問(wèn)題。BEETZ等[49]從方法和算法方面提出了一種將傳統(tǒng)EXPRESS模式轉(zhuǎn)換到ifcOWL本體層面的半自動(dòng)方法，以實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)表示的互用互操作性。

此外，余芳強(qiáng)和張建平[50]提出了分階段遞進(jìn)式的BIM方法，全過(guò)程使用IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和交換，支持工程項(xiàng)目各參與方使用統(tǒng)一框架協(xié)議協(xié)同構(gòu)造完整的BIM，可實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段信息的無(wú)損傳遞、擴(kuò)展與應(yīng)用。

5 討論與展望

目前，OpenBIM在工程中的應(yīng)用可以較好地解決跨專業(yè)協(xié)作過(guò)程中的交互性等問(wèn)題，提高軟件之間的互操作性，在一定程度上解決工程中跨專業(yè)合作的障礙。OpenBIM在為項(xiàng)目不同參與方提供便利的同時(shí)，仍存在一些不足之處：

(1) IFC缺乏對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的支持。目前，OpenBIM的應(yīng)用主要集中在建筑的設(shè)計(jì)和施工階段，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施段的支持不夠，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)IFC等進(jìn)行擴(kuò)展。

(2) 軟件在對(duì)IFC文件解析的過(guò)程中存在數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行獲取和轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，無(wú)法完全對(duì)IFC數(shù)據(jù)模型中的信息進(jìn)行解析，會(huì)出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失問(wèn)題，額外的數(shù)據(jù)輸入增加了其應(yīng)用的難度。隨著模型復(fù)雜程度的增加，數(shù)據(jù)處理變得更加困難，這對(duì)大規(guī)模的數(shù)據(jù)交換造成了一定的阻礙。

(3) OpenBIM與其他新興信息技術(shù)融合不足，無(wú)法滿足實(shí)際工程中多尺度、實(shí)時(shí)性、精細(xì)性等方面的要求。

隨著各領(lǐng)域?qū)penBIM需求的不斷增加，其未來(lái)的發(fā)展應(yīng)著重于以下幾個(gè)方面：

(1) 增強(qiáng)IFC對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的支持。研發(fā)新一代的IFC標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)其對(duì)道路、橋梁、港口、隧道、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的支持。

(2) 不斷開(kāi)發(fā)及升級(jí)支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件。隨著IFC標(biāo)準(zhǔn)版本的不斷升級(jí)，需要開(kāi)發(fā)及升級(jí)支持相應(yīng)IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具，從而更好地實(shí)現(xiàn)IFC的功能。

(3) 研發(fā)OpenBIM與其他新興信息技術(shù)的融合方法。實(shí)現(xiàn)OpenBIM與GIS、IOT、激光掃描等其他新興信息技術(shù)更好的融合，更好地為工程服務(wù)。

6 總 結(jié)

OpenBIM的提出為BIM平臺(tái)用戶以及項(xiàng)目的參與者提供了協(xié)作的基礎(chǔ)，為信息和數(shù)據(jù)的管理和交換提供了良好的條件。本文在對(duì)OpenBIM定義、標(biāo)準(zhǔn)和軟件進(jìn)行闡述的前提下，歸納總結(jié)了OpenBIM在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段的應(yīng)用。本研究對(duì)OpenBIM在工程管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及其未來(lái)的應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了探討，可為OpenBIM研究學(xué)者提供參考。

總之，作為解決建設(shè)領(lǐng)域交互共享問(wèn)題的解決方案，OpenBIM已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用，相信隨著OpenBIM不斷的發(fā)展，會(huì)為建設(shè)領(lǐng)域的交互共享問(wèn)題提供更完善的解決方案。

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Review of OpenBIM and Its Engineering Application

JIANG Shaohua, WU Zheng, WANG Na, JIANG Liping, HAN Yunwei

(Department of Construction Management, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

The expansion of scale and the increase of complexity of buildings have imposed higher requirements onto collaboration among different stakeholders. How to realize a better information interaction among multiple disciplines and different software platforms becomes a key problem in the collaborative process. OpenBIM, as the common standard of information exchange, can well meet the needs of information interaction among different softwares and improve the efficiency and accuracy of collaboration. At present, research related to OpenBIM has received extensive attention from scholars at home and abroad, but there is still lack of comprehensive review on OpenBIM. In this paper, OpenBIM and its related standards and softwares are introduced by analyzing related websites and papers. Furthermore, the application of OpenBIM in engineering projects is analyzed from the perspectives of design, construction and operation. Finally, the paper discusses the deficiencies of OpenBIM in the application process and the direction of further development. The systematic analysis of the theory and practice of OpenBIM in this paper can provide support for its further research and application.

OpenBIM; interoperability; software platform; engineering application

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061139

A

2095-302X(2018)06-1139-09

2018-04-26；

2018-07-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0702107)

姜韶華(1971-)，男，遼寧大連人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)锽IM研究與應(yīng)用等。E-mail：shjiang@dlut.edu.cn