IDM标准的研究现状与方法

周 成 邓雪原

(上海交通大学土木工程系，上海 200240)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术正深刻影响着建筑行业，为行业带来一次新的变革。BIM是建筑信息技术从基于点线面的二维表达向基于对象的三维形体与属性信息表达的转变。BIM的核心在于信息(Information)，除了对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系的描述，还包括完整的工程信息描述，是建筑全生命过程中各部门、各专业共同创建、共享、维护、可持续利用的信息数据库。

促进AEC项目中不同专业间的协同是BIM的焦点之一［1］。土木工程具有多部门、多专业、多变更的特点，整个建筑生命周期中不断创建、积累、变更的数据无法进行流畅的传递与共享，将造成行业庞大的资源浪费与效率问题。而BIM的一个主要发展目标就是通过交互式(Interoperable)的信息交换，转换产业供应链以改善信息技术在AEC领域的应用［2］。

由于建筑工程的复杂性，不可能建立一个完全覆盖建筑物全生命周期的应用系统，每一款工程应用软件都只是基于特定目的，支持特定阶段。而要以BIM为中心，实现不同工程软件的数据交互必须依赖统一的数据标准。在AEC领域，IFC(Industry Foundation Classes，工业基础类)架构是最为全面的面向对象的数据模型［3］，涵盖了工程设计领域各个阶段满足全部商业需求的数据定义。IFC标准的第一个版本于1997年1月由IAI组织(Industry Alliance for Interoperability，现为BuildingSMART International)发布。此后在各方努力下，IFC信息模型的覆盖范围与模型框架都有了很大的改进，并正式成为国际标准ISO/PAS 16739［4］，目前最新的发布版本为 IFC2x4。IFC 作为建筑产品数据表达的标准，在横向上支持各应用系统之间的数据交换，在纵向上解决了建筑全生命周期过程中的数据管理［5］。

然而，在实际的应用中，基于IFC的信息分享工具需要能够安全可靠地交互数据信息，但IFC标准并未定义不同的项目阶段，不同的项目角色和软件之间特定的信息需求，兼容IFC的软件解决方案的执行因缺乏特定的信息需求定义而遭遇瓶颈，软件系统无法保证交互数据的完整性与协调性［1］。针对这个问题的一个解决方案，就是制定一套标准，将实际的工作流程和所需交互的信息定义清晰，而这个标准就是IDM标准(Information delivery Manual，信息交付手册)。它的目标在于使得针对全生命周期某一特定阶段的信息需求标准化，并将需求提供给软件商，与公开的数据标准(IFC)映射，最终形成解决方案［6］。IDM标准的制定，将使IFC标准真正得到落实，并使得交互性真正能够实现并创造价值。本文正是在对IDM相关文献进行系统研究的基础上，对IDM的架构、国际上的研究现状以及研究方法做全面的介绍，以便对BIM的基础数据标准有更加清晰的认识，为国家BIM标准的制定提供参考。

1 信息交换框架

图1 信息交换框架

IDM是用于验证IFC软件的信息交换框架(Information Exchange Framework)的组成部分，另外的部分是模型视图定义(Model View Definition，MVD)以及信息模型(Information Model)。交换框架始于一个已经开发并能够完全满足特定工业领域集成信息集的信息模型。在AEC领域，就是IFC模型。

视图定义(View Definition)则是基于特定目的，从IFC模型中派生出来。MVD定义IFC数据信息如何应用于不同的应用软件间进行数据交换，从软件实现的角度，由某一软件支撑的基于IFC标准的信息集合，是IFC数据模型的子集。IDM从用户的角度定义信息的交换需求(Exchange Requirement)，描述的信息是项目指定时间和地点的基于特定目的的信息集合。信息的交换由IDM定义，最终由MVD将数据交付手册中的定义和软件中可实现的数据交换对应起来，定义软件为完成数据交付手册中的流程所需要交换的数据集合。

实际应用中，一个软件应用程序总是用以支持用户在项目基于指定时间和地点的基于某个特定目的的需求，比如REVIT Architecture软件用于建筑设计阶段BIM模型的搭建，此时该过程信息需求中定义的信息子集即由MVD信息子集派生。类似的，为了支撑项目某一过程的用户需求，若干个信息集从IFC信息模型中派生而每一个信息需求由特定的一种或一类软件支撑，那么此时模型视图定义的信息集合即由若干个信息需求子集加以集成。

2 IDM的组成部件

IDM的技术架构如图2所示，每一个组成部件都作为架构中的一层。各部件的组织形式是基于以下两个相关的准则:

图2 IDM架构图

1)与流程定义及描述相关的组成部件位于顶层，对数据详细描述的位于中间层，包含应用软件元素的位于底层;

2)类似地，与行业从业者相关的位于架构的顶层，而与信息通信技术领域的分析人员及程序员相关的位于底层。

2．1 流程图(Process Map)

信息的需求与利用总是基于特定的任务和过程。流程图定义了针对某一特定主题(如从建筑设计到结构设计)的活动流，所涉及的人员角色，以及整个过程中需要信息交换的节点。同时对于各流程及相应的子流程有详尽的文字描述。

2．2 交换需求(Exchange Requirements，ER)

交换需求是对流程图中的特定活动所需交换的一组信息的完整描述。而这种描述采用的是非技术性方式，即从建筑师，工程师，建造师等BIM用户的角度，对信息进行文字性的叙述。

2．3 功能部件(Functional Parts，FP)

功能部件是IDM中数据信息的基本单元。每一个交换需求都是由若干个功能部件组成，一个功能部件也可能与多个交换需求关联。交换需求中文字性描述的信息被转述为各个功能部件中以技术性语言，即一定数据模型标准和格式描述的数据信息，最终提供给软件商使用，形成解决方案，通过软件支持模型交换需求。而目前建筑信息模型领域最为成熟，得到广泛认可和采纳的数据模型标准是IFC标准，因此现在制定的IDM，功能部件的建立都是基于IFC数据模型标准。一个功能部件完全可以描述为一个独立的信息模型，作为IFC数据模型的子集。

2．4 商业规则(Business Rules，BR)

需要交换怎样的信息已经在ER中定义，而信息的详略程度以及精确度则需要通过商业规则来控制。商业规则是用来描述特定过程或者活动中交换的数据、属性的限制条件。这种限制条件可以基于一个项目，也可以基于当地的标准。通过商业规则，可以改变使用信息模型的结果而无需对信息模型本身做出改变。这使得IDM在使用中更加灵活。

需要特别指出的是，佐治亚理工的Eastman教授在IDM的研究中提出不一样的架构形式［1-7］。在上述架构中，FP将IDM与IFC绑定，在一定程度上与MVD之间存在着交叠的地方，使得IDM与MVD的界限模糊。而另外一些IFC部署的指南则考虑两者之间的差别，纯粹将IDM作为基于特定目的不同过程信息需求定义的方法，而将需求信息与IFC标准相映射的过程放到MVD的发展阶段。这种观点使IDM与MVD之间的关系更加明晰，提供了更加有效的方式使得行业内的专家能够在IDM层面做出努力，而软件工程师专注于MVD领域。Eastman教授在此基础上提出交换模型(Exchange Model，EM)与交换对象(Exchange Object，EO)的概念，EM取代了上述架构的ER，两者的作用类似，描述用户间的信息交换的内容，EO取代了FP，采用独立于IFC的非技术语言的形式，同样作为可重复利用的基本信息单元，组合成EM。

3 IDM的研究现状

作为致力于推动建筑全生命周期OPEN-BIM的机构，Building SMART International(BSI)组织引领IDM标准的发展。2007年，BSI发布第一版本的IDM指南，由Jeff Wix撰写［8］。指南中详细阐述了IDM的任务目标，组成部件及开发方法，为IDM的研究提供参考，并使得标准的制定规范化。之后指南进行了两次修订，最新版本是2010年发布的1．2版本，由Jan Karlshoj编写。2010年，一个特定版本的buildingSMART IDM方法指南提交给ISO组织，并最终正式成为ISO标准，即ISO 29481-1:2010建筑信息模型-信息交付手册-第一部分:方法与格式［9］。可以预期的是，更多的材料将逐步添加到标准中，以使得关于交互方案的记录与描述更加清晰，同时针对各方之间的交流过程的阶段性定义更加明确。IDM项目也随着IDM方法的完善与发展逐步展开。

2011年BuildingSMART正式发布了IDM发展路线图。路线图以矩阵的形式呈现(见表1)，水平方向为ISO 29481-1:2010定义的项目全生命周期的各个阶段，而ISO的定义采用的是英国Salford大学制定的通用设计与建造过程协议(Generic Design and Construction Process Protocol)［10］。协议将整个的项目过程划分为十个不同的项目阶段，而这十个阶段又可以归为四个大组:Pre-Project，Pre-Construction，Construction and Post-Construction。这个项目阶段定义能够与美国建筑分类体系Omni-Class［11］的表31项目阶段分类相互映射。竖直方向为定义了十个服务类型，包含建模、性能分析、建造、运营等，它与 OmniClass中的表32也能够映射。

表1 IDM路线图的矩阵形式

BuildingSMART确立了建筑全生命周期中对应的某一阶段某一服务类型共44项当前需要发展的IDM项目，其中优先项目9项(如表2所示)，次优先项目5项，目前已有所发展的IDM项目约20项。BuildingSMART希望以此明确建筑全生命周期中需要由IDM标准支持的最为重要的交流场景，促进优先项目的发展并吸引赞助商支持IDM标准的执行。在MVD领域，一项名为BLIS(Build-ing Lifecycle Interoperable Software)的计划一直致力于协调软件对IFC的执行。BLIS计划中MVD项目的基本信息和进展情况通过基于Web的工具“IFC方案工厂”进行描述与发布(http://www．blis-project．org/IAI-MVD/)。这样，通过知识的整合提供了一个有用的平台使得分散的IFC交互项目更加灵活。除了BSI组织外，来自挪威、芬兰、丹麦、美国、韩国等多个国家的政府部门及研究机构，如美国的总务管理局(US General Services Administration)，挪威公共建筑机构(Statsbygg)，丹麦科技大学(Technical University of Denmark)，韩国延世大学(Yonsei University)等，正独立或与Autodesk、Bentley、Graphisoft等各大软件商联合，在IDM/MVD某一个或多个课题领域展开研究。其中几个IDM/MVD已经在实际的建设项目进行测试，并得到认可。2012年发布的美国国家BIM标准(NBIMS)第二版［12］正式写入了4项 IDM/MVD内容，即施工运营建筑信息交换(COBie)、设计到空间规划审定、设计到建筑能量分析、设计到工料预估，成为行业信息交换的推荐性标准。在研究文献中，IDM已经应用于预制混凝土领域，同时Eastman教授针对IDM标准的执行和发展方法给出建议［13-14］。Jan Karlshoej以设计施工统包项目中的招标过程为案例，评估IDM表达某一过程的任务序列，信息需求，组织交互以及逻辑关系四个方面的能力，验证IDM的协同方法能否促进过程的标准化以及IDM中的商业规则能否支撑作为信息载体的BIM对象的发展，并对基于项目的IDM执行给出意见［15］。德国雷根斯堡应用技术大学将IDM引入岩土基建工程领域，描述流程图及交换需求［16］。佛罗里达大学的Nawari针对结构工程的IDM进行分析［17-18］。宾夕法尼亚州立大学的 BIM执行计划(BIM Execution Planning)致力于多项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 业务流程建模标注(BPMN)

IDM中的流程图绘制采用的是业务流程建模标注方法(Business Process Modeling Notation，BPMN)。BPMN是对象管理组织(Object Management Group，OMG)开发，于2006年正式被采纳为用于表达流程图的标准，最新版本是2011年发布的2．0版本。BPMN整合了早期模型标注方法的理念，IDEF0((Integration Definition for Function Modeling)中一些有用的概念和UML(Unified Modeling Language)中的活动图表部件都涵盖在其中［20］。

表2 BuildingSMART确立的优先发展的IDM项目

图3 BPMN流程图示例

BPMN过程模型(如图所示)的主要组成部分包括:(1)泳池(Swimming Pool)，代表所要描述的流程;(2)泳道(Swimming Lane)，一个泳池可以划分为多个泳道，泳道用于将不同功能性目标的任务归类，一般可以以角色活动来划分泳道，另外，信息模型作为单独的角色类型拥有专属的泳道，而交换需求作为数据对象放置于信息模型泳道;(3)流对象，包含任务(Tasks)，BPMN中的基本单位，用于描述需要完成的工作类型，一个任务可能包含多个子任务，用“+”加以标记，另外任务有可能是需要重复进行的过程，添加循环符号，事件(Events)用于区别不同的起始事情或者结果，网关(Gateways)用于做决策;(4)连接对象，包含顺序流和消息流。

流程图的绘制工作可以使用Microsoft VISIO软件，其中内置了BPMN的各种组成部件。流程图中的每一个任务都有特定的序号，作为索引，与表4的活动定义表相链接，以表格形式对于该活动进行简单的文字性描述。表中的内容包含活动类型(任务/子任务)、名称、项目阶段(对应于OmniClass或者ISO的项目阶段定义)以及描述信息。

表4 程图中的活动定义表

4．2 模板

为了IDM标准的制定规范化，BuildingSMART定制了流程图、交换需求以及功能部件的word模版，模板中罗列了一份标准定义所需包含的全部信息，使用者只需填入相应的内容。当然，用户也可以根据实际情况进行适当的调整。另外，为了互联网的交换方便，一份XML格式的模板也被提供。这样，在标准的方法和体系下，用户就能够着手制定IDM标准。

5 结论

IFC标准为实现全生命周期不同专业间的数据共享与交换奠定了基础。但在实际应用中，基于特定阶段，特定目的开发的软件在执行IFC标准时因缺少针对性的信息需求定义而无法保证数据的完备与协调性。因此需要IDM标准对过程以及信息需求进行清晰的定义。相比于IFC标准，IDM标准还处于发展的初级阶段，但相关的理论与研究方法已经成熟，国外的研究机构在IDM/MVD领域展开了卓有成效的研究。而国内几乎没有对IDM标准的针对性研究。在着力制定国家BIM标准的背景下，需要有更多的研究机构投入到IDM标准的研究当中。而制定IDM标准是一项庞大的工程，信息交换涉及项目全生命周期的各个阶段，需要在每一个领域内做出努力。另外，IDM的发展与软件的发展相互依赖，标准的制定需要工程人员与软件人员的共同协作。最终，只有IFC和IDM标准得到完善，才能从深层次挖掘BIM带来的价值。

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