基于IFC/IDM/MVD的建筑工程项目进度管理信息模型开发方法

陈 远， 张 雨， 张立霞

(1. 郑州大学 土木工程学院， 河南 郑州 450001； 2. 郑州信息工程职业学院， 河南 郑州 450121)

随着计算机、通信、网络等技术的发展，信息技术正改变着当前工程建造的模式，推动工程建造模式向以全面数字化为特征的数字建造模式转变，为建筑业提供了有利的技术支持。其中BIM(Building Information Modeling)技术代表了新的观念和实践，改善了信息技术和商业结构创新，减少了建筑行业多种形式的浪费和低效。

虽然BIM思想已经深入到我国建筑领域的各个阶段，然而在工程建设过程中各专业之间的合作效率依然无法提高，其主要原因是缺乏统一的信息交换标准以及集成的协同工作平台。相信随着社会的发展进步，BIM技术逐步成为一种常用的管理工具，进度管理也因此离不开BIM。基于BIM技术的进度管理让非专业人员参与进度计划控制，知晓进度计划，提高进度计划的合理性。IFC(Industry Foundation Classes)作为建筑行业开放的标准，可以涵盖整个建筑领域的信息，但是IFC过于冗杂，针对某个阶段的信息交换并未全部形成相应的标准，尤其针对不同阶段的信息进行模块化并形成信息交互的标准尚缺乏深入研究。本研究通过分析IDM(Information Delivery Manul)/MVD(Model View Definitions)的开发方法和流程，针对建筑工程项目进度管理过程，创建IFC子模型MVD以减少信息的冗余，增强基于BIM的工程项目进度管理软件互操作性，为建筑进度管理过程中各专业间的信息资源共享以及业务合作提供有效保证。

1 IFC，IDM，MVD的理论背景与应用研究

1.1 IFC概念与工程项目进度管理

当前工业基础类(IFC)标准是最广为认可的数据标准，由IAI(现已改名为buildingSMART)在1997年开发的第一个BIM开放标准[1]。该标准使用EXPRESS数据定义语言编写，用来描述建筑对象、实例关系、对象属性以及几何、度量等资源，是openBIM的开放和中立的数据格式。IFC是一个标准化的、支持扩展的通用数据模型标准，目的是使BIM软件在建筑业中的应用具有更好的数据交换性和互操作性，目前已被建设业广泛接受为开放性的国际标准。

进度一般表示的是项目的实施进展情况，在工程项目的实施过程中，完成一项工程项目的任务需要消耗时间(工期)、材料、人力、资源等，进度任务完成的状态主要按照项目可以交付的成果量进行统计。目前的项目管理中，施工进度是一个综合的概念，它把项目任务、工期、资源消耗以及费用等多种因素有机结合，共同形成了一个可以全面反映项目实际进展情况的综合指标。因此，如果对进度实现有效控制，就应全面管理项目实施过程中的各种信息，而这些信息在IFC标准中都有相应的定义和表达方式。

在IFC4标准的实体中，有关建筑工程进度信息的实体主要有如下11个：(1)IfcEvent是一种触发动作或响应的事件。用于捕获发生或可能发生的特定事件的信息；(2)IfcEventType定义了可以指定的特定类型的事件，IfcEventType的使用定义了IfcEvent的一个或多个事件的参数，参数可以通过属性集指定，这些属性集在IfcEventTypeEnum中指定，也可以通过IfcEvent显式属性来指定，IfcEvent实体通过IfcRelDefinesByType关系链接到事件类型；(3)IfcProcedure是为响应事件或导致事件发生而采取的一组逻辑操作，用于捕获信息流程，如校准、启动/停止程序设备项目；(4)IfcProcedureType定义了可以指定的特定类型的过程，它的使用定义了一个或多个IfcProcedure的参数，参数可以通过属性集指定，这些属性集可以在IfcProcedureTypeEnum中，也可以通过IfcProcedure的解释属性来指定，IfcProcedure实体通过IfcRelDefinesByType关系链接到过程类型；(5)IfcRelSequence它是进程之间的顺序关系，其中一个进程必须在另一个进程之前发生，并且在这个过程中，关系的时间可以被描述为一个序列类型；(6)IfcTask是在建设项目中执行的可识别的工作单元，任务通常用于描述构建或安装产品的活动，但不限于这些类型，任务消耗的资源数量通过定义资源的IfcElementValue来处理，而不是在IfcTask的实例中；(7)IfcTaskType定义了一种特定类型的任务，它可以在工作控制中指定，IfcTaskType实体定义了一个引用过程的最抽象级别，而不依赖于其他引用过程，IfcTaskType的使用定义了IfcTask的一个或多个事件的参数，可以通过属性集指定参数，这些属性可以在IfcTaskTypeEnum中，也可以通过IfcTaskType的解释属性来指定，IfcTask实体通过IfcRelDefinedByType关系链接到IfcTaskType；(8)IfcWorkCalendar定义了任务和资源的工作和非工作时间周期，它可以定义特定的时间段，或频繁使用的重复时间周期；(9)IfcWorkControl是一个抽象的超类型，它捕获了IfcWorkPlan和Ifcwork进度表中常见的信息；(10)IfcWorkPlan代表建筑或设施管理项目中的工作计划，工作计划包含一组不同目的的工作时间表(包括建筑和设施管理)，包含的工作计划是通过IfcRelAggregates关系定义的，通过从IfcWorkControl继承还可以定义对活动(例如IfcTask)和工作计划中使用的资源的引用；(11)IfcworkSchedule代表了一个工作计划的任务时间表，它反过来又可以包含一组用于不同目的的计划。

1.2 IDM定义与相关研究

信息交付手册(IDM)的研究主要集中在美国和北欧等国家，涵盖勘察设计行业的各个领域。完整的IDM标准主要有五部分内容：流程图(Process Map)、交换需求(Exchange Requirement)、功能组件(Functional Parts)、商业规则(Businesses Rules)和验证测试(Verification Tests)。IDM的核心是流程图和交换需求。针对指定的工作要求，流程图定义的是参与角色及信息交换节点。而交换需求阐释了流程图具体的信息交互细节，使BIM使用者之间可以进行信息交互并给予详细的文字描述。功能组件是IDM数据信息单元，每个交换需求均由若干功能组件构成，每个功能组件也有可能和多个交换需求相互联系。业务规则提供多个针对某个过程的约束条件。而验证测试是验证各项交换需求是否准确并得到满足。

目前IDM还处于发展阶段，国外相关研究包括美国Eastman等[2,3]一直研究预制混凝土领域方面的BIM数据交互，并对IDM执行与发展的方法提出了有效建议。德国雷根斯堡应用技术大学在岩土基建工程领域引进了IDM，详细描述了流程图与交换需求[4]。宾夕法尼亚州立大学提出了BIM执行计划，主要研究多项IDM制定，并且在暖通工程专业取得了一定成果[5]。国内相关研究包括陈冲等[6]为了提高能耗分析的效率并规范能耗分析过程，利用IDM方法定义了能耗分析流程。成荣荣等[7]从软件解决方案的角度出发，利用IDM方法分析了建筑智能化设计流程。

1.3 MVD概念与相关研究

为了方便使用IFC标准的应用程序之间的模型交换，buildingSMART开发了模型视图定义(MVD)方法。该方法侧重于满足特定交换条件的IFC子集和MVD概念的交换需求定义，并被定义为建筑产品模型的一个子集，它提供了一个在AEC(Architecture Engineering Construction)/FM(Facility Management)工作过程中特定阶段所需要的完整信息的概念。开发MVD的过程是开放的，为了保证MVD表达的同一性，需要制定一套标准，确定MVD标准化的表达方法。芬兰坦佩雷理工大学虚拟建筑实验室(Virtual Building Laboratory，VBL)Jiri Hietanen一直研究创建MVD标准的格式。通过IAI ITM，IAI IC认证完成后，2006年4月8日官方颁布了《IFC Model View Definition Format V.1.0》[8]。

目前主要的研究工作包括德国德累斯顿工业大学关于IFC施工管理方面的软件协同工作[9]，丹麦科技大学关于建筑项目设计的信息集合[10]，此外，美国佐治亚理工大学Eastman等[11～13]对MVD理论知识做了深入的研究，并提出基于IFC的MVD研究方法论，阐释了MVD应该构建“Concept”核心的概念来稳定数据交换，同时将上面的理论知识应用于预制及预应力混凝土领域的MVD定义和程序性测试。美国工程研究与发展中心East等[14,15]对NBIMS标准进行了研究，提出BIM研究的实验平台及通用模型属性集，并在这个基础上对设备管理MVD进行了开发。国内研究方面，王仁超等[16]提出了基于BIM与MVD的混凝土坝施工仿真模型；桂宁等[17]利用开源平台BIMsever实现了基于IFC属性抽取的子模型生成方式；余芳强等[18]基于IFC标准的BIM子模型视图定义MVD半自动生成的方法。

2 工程项目进度管理信息模型视图定义MVD开发方法

BIM标准的主要目的是解决建筑全生命周期各个阶段各个专业领域BIM相关系统之间的互操作性问题，信息交换标准作为BIM标准的核心组成部分，其制定必需有一整套严格的信息交互标准开发方法。

芬兰的虚拟建筑实验室在2006年4月颁布了《IFC Model View Definition Format V 1.0》，通过了IAI认证并成为官方格式标准。所有的MVD都是按着此标准的格式进行定义，之后交付到BSI (buildingSMART International)，再由BSI送到各相关的软件厂商进行测试，能够测试成功者就可以成为BSI官方认证的有效MVD，并由BSI授予测试成功的软件厂商认证证书。英国标准协会(BSI)将当前所有正在定义的MVD上传至IFC Solutions Factory[8]，截至2017年12月，共有29项模型视图，92个主要Concept，1578个静态Concept并与2099个IFC对象绑定、由135人代表的74个组织。MVD涉及的内容包括移交设备管理、能耗分析、循环/安全分析、工程量与成本估算设计、建筑规划、景观设计、砌体结构设计、结构设计分析、扩展协调视图、HVAV设计、道路设计、预制混凝土信息交换等各个方面，处于官方认证状态的只有“Concept Design BIM 2010”。

根据美国BIM标准开发流程[19]，如图1所示，MVD开发方法和步骤包括：List-up阶段，PM(Process Map)阶段，ER(Exchange Requirement)阶段，MVD阶段，以及SI(Software Implementation)阶段。

2.1 List-up阶段

List-up阶段主要任务是定义需要开发的内容并将其信息目录化。本研究根据BIM进度管理软件应具备的基本功能，确定从进度计划编制与进度控制两个方面来定义MVD开发的内容，具体内容如表1所示。

表1 建筑工程进度信息IDM/MVD开发内容

2.2PM阶段

PM是利用业务流程建模标注语言(Business Process Modeling Notation，BPMN)定义开发的对象，定义并分析项目过程中各专业及各阶段应该交换的信息。全面的BIM流程图定义了BIM应用程序的各种序列，这些序列还标识了每个流程的负责方、参考信息内容和信息交换，这些信息将被创建并与其他流程共享。BPMN是需求定义和模型视图定义过程的建模方法，IDM中的流程图是通过业务流程建模标注语言BPMN进行绘制，BPMN用于设计和捕获现有业务流程过程和图形符号的约定，以及对新业务流程的模拟。BPMN进程模型的构成部件主要包含Swim Pool，Swim Lane，流对象和连接对象四个主要构成部分。

本研究通过对以业主为核心的进度管理进行评估，以及分析《建筑工程施工信息模型应用标准》《建筑施工企业BIM技术应用实施指南》《BIM应用·施工》《建筑工程施工BIM应用指南》《机电安装企业BIM实施标准指南》等中的进度计划与进度控制BIM应用流程，开发出从设计到施工进度管理的BPMN流程图，如图2所示。流程图中“交换信息”中有阴影的部分为BIM数据的交换需求，没有阴影的为参考数据。整个流程图产生的交换需求是导出BIM模型时产生的交换需求，表示为“ER1-BIM设计模型”“ER2_进度管理信息模型”“ER3_竣工进度管理信息模型”。

图2 设计到施工进度管理BPMN流程

2.3 ER阶段

根据上一阶段创建的进度管理BPMN流程图中定义的过程，本研究进一步定义交换需求事项，其交换需求包括：信息类型、属性信息、描述、模型创建方、模型接收方以及数据单位与类型、备注七个部分，核心是信息类型、属性信息、模型创建方、模型接收方。对象是对该项目所包含的信息类别进行描述，如前提需求、项目具体信息和基本信息等；属性是对象中所描述信息类别的具体属性值；模型创建方是BIM三维模型参与方——设计方；模型接收方是指项目需要进度信息的参与方——施工方；对于一组对象与属性，共有三个选项“需要Require”(填写R)针对必须项，“可选Option”(填写O)针对可有可无的属性，或“不需要”(不填)针对确定不要的属性。特别对于几何信息，在不同的项目阶段所需表达的详尽程度可能不同，一般可以用“象征性/大概/精确”来进行表达，或者附注在“备注”信息中。本研究需要构建项目信息(如项目、场地、建筑、楼层等)、土建主体结构构件信息(如墙、柱、梁、板、楼梯等)、进度信息(如进度计划、进度实施等)以及资源信息的交流需求定义表格，表2为土建主体结构构件墙的交流需求定义表格。

表2 土建主体结构构件墙交流需求定义

2.4MVD阶段

MVD阶段是为了让ER可以在BIM软件中得到具体应用和体现，并且定义基于IFC的需求事项的阶段。为此，MVD官方网站开发了一个工具集记录标准交流与需求实现软件的支持，这些被称为模型视图定义(MVDs)。他们可以使用任何软件公司建立他们的软件支持，对于MVDs不同领域的使用者可以关注相关的信息，主要的部门是技术和非技术之间。非技术定义(称为交换需求和交流需求模型)是针对软件用户，技术定义(称为MVD绑定，即特定信息模型模式)是针对软件开发人员。利用IFC信息模型，MVD模板和工具可用于建筑行业任何项目或行业组织寻求开发标准化的信息交换的建筑行业。

IFC格式和非IFC格式的MVD都包括：Concept，Diagram，Document。其中：Concept分为静态Concept、变量Concept以及组合Concept三种。Concept是MVD的核心部分，相同的Concept可以在不同的视图中重用；Document是对整个MVD信息及每个Concept的详细信息的描述；而Diagram对Concept间的层次关系进行了表达，非IFC的图表描述本质上属于交换需求表。一个完整的MVD由多个Diagram组成，每个Diagram由若干个Concept模块组成，每个Concept和MVD都有相应的描述文档。Diagram与Document的IFC格式和非IFC格式，buildingSMART组织制定的有标准模板，用户只需要依据自己的需求将相关信息填入到相应的表格中。

3 工程项目进度管理信息模型视图定义

通过采用上一节介绍的信息交互标准开发方法和标准流程，本研究的工程项目进度管理信息模型视图定义MVD开发成果包括：进度管理信息模型视图MVD的整体描述、MVD-IFC4 绑定图表、MVD-IFC4 绑定文档描述三个部分。

3.1 进度管理信息模型视图MVD的整体描述

为了使IFC建筑设计模型能够应用到进度管理并形成相应模型，准确定义IFC进度管理信息模型的数据格式是必要的。本研究采用IFC4绑定的形式进行描述，对于IFC中的各个Concept组成的Diagram完整地表达了进度管理信息模型所需的各类信息，如构件、任务、时间、资源等。本研究所定义的Diagram和Concept，就是利用IFC4标准对全部的Concept进行绑定。如表3所示为进度管理信息模型视图定义的描述文档的部分示例。

表3 IFC4进度管理信息模型视图描述文档

3.2 MVD-IFC4 绑定Diagram

进度管理信息模型视图共对26个实体的Diagram进行描述，每一个Diagram中的变量Concept都对应相应的IFC实体对象。图3是对进度管理信息模型视图定义Diagram的综述，表示进度管理相关的所有的实体对象，将ER阶段明确的交换需求信息进行分类整合并编号，方便变量Concept的查找与编辑。依据IFC模型结构将其分成模型结构、土建主体结构系统、进度扩展、资源管理系统以及其他概念等几个部分，每部分详细介绍了具体变量Concept。而且变量Concept对应的实体与静态Concept及组合Concept有一定的逻辑关系，并可以生成自己的Diagram。本研究成果包括26个实体的MVD-IFC4图表描述，图4是其中之一，将Project实体的Diagram作为示例进行具体分析。对于实体Project在IFC中的表达为ifcProject，其在进度管理信息子模型中需要的属性主要包括RootAttributes，ProjectAttributes，ProjectUnits等16个静态/组合Concept，并对它们的层次进行组合，使其各概念之间的关系更加清晰。

图3 进度管理信息模型视图定义Diagram综述

图4 Project实体的Diagram示例

3.3 MVD-IFC4 Binding Concept文档描述

在进度管理信息模型视图中，如上节对Diagram的分析，Concept被分成了五级进行描述。并将Concept的索引号表示为“ZZUBIM-XXX-IFC4”，中间用三位数字表示，第一位数字的取值范围是0～5，0代表“变量Concept”，1到5表示“结合/静态Concept”；后面的两位数字表示该级Concept编号，并从01开始按顺序编码。MVD中的每个Concept都有其对应的描述文档(见图5)，在描述文档中各实体(Entity)的属性值符号说明如下：属性前的“+”表示该属性为必需；没有符号的属性表示该属性为可选(有选择值或为空)；属性显示为灰色表示不使用该属性；属性后有“>”表示该属性引用了其他Entity且该属性有多个引用值；各个实体间连线表示引用关系。

图5 Concept示例

从前面的Diagram部分可以看到，不同的Diagram可以拥有相同的Concept，表明Concept的重复使用率高，利用模块化、标准化的表达方式有助于继续MVD的高效开发。例如，根据上一节Diagram对Concept的使用，按照编号顺序可以对非变量Concept进行分组，“ZZUBIM-1XX-IFC4”Concept共包含“ZZUBIM-101-IFC4”～“ZZUBIM-120-IFC4”20个Concept，其IFC绑定描述文档如表4所示，本研究的成果包括所有图表的详细描述，图6为其中的Root Attributes概念文档的详细描述示例。最后工程项目进度管理信息模型视图定义成果包含Diagram中所有Concept的IFC绑定描述文档。

表4 “ZZUBIM-1XX-IFC4”概念描述文档编制

注：表4.5详见图6；表4.6～4.24参照表4.5，不再列出。

图6 IFC描述文档-Root Attributes

4 进度管理信息模型视图MVD验证与实现

本研究利用IfcDoc验证和生成进度管理信息模型视图定义文档，其具体步骤包括：(1)生成资源层的相关实体及属性信息；(2)生成分享层的实体及属性信息；(3)生成核心层的相关实体及属性信息；(4)如果有相关领域层的实体则可生成，若无可不生成；(5)在Scope中选取与IFC子模型视图MVD有关的实体可自动生成整体的Diagram，单个的实体也会有各自的Diagram。基于mvdXML格式的IFC4与早期发布的MVD相比，不同的方面主要包括：它具备一套完整的框架及文档，若需要使用MVD有关信息则可以直接获得。

通过IfcDoc工具中的IFC验证模块，对三维BIM模型.ifc格式的IFC文件进行了验证，测试运行231项，测试通过了218项，有13项未通过，该文件的测试通过率为94%。图7所示为梁的Axis3D Geometry未通过测试则后面会显示FALL。在对错误信息进行修改以后，利用IfcDoc工具实现了基于mvdXML格式的进度管理信息模型视图定义MVD文档，它可以表示整个视图，并对应前一章开发的全部实体(见图8)；而且可以将各个实体的Diagram进行单独表达和分析。图9展示了使用IfcDoc工具的交换需求定义的一部分，此图定义了由现有的实体和特定的进度管理分析相关的实体组成。

图7 梁构件几何信息未通过验证

图8 进度管理信息模型MVD整体描述

图9 进度管理信息模型视图定义交换需求

利用IfcDoc将进度管理信息模型视图定义MVD标准格式中的内容进行汇总并整理到该文档工具中，其生成的文档格式既容易存储又能被计算机可读，针对进度管理信息模型中不同的信息模块均有相对应的Diagram图解及Concept描述文档，使数据结构的可读性提高，模型信息的存储逻辑性增加，有利于信息的传递与交换，并且模型的互操作性将会更好。同时还可以对.ifc格式的模型信息进行检查，这也为今后其他方面的MVD研究提供了重要的参考依据。

5 结 论

本研究通过分析BIM领域的IFC数据交换标准子模型即模型视图定义(MVD)与IFC，IDM标准的关系，详细描述了MVD的开发流程及标准格式，定义并生成了进度管理信息模型视图定义。通过分析IFC4标准，明确了进度管理方面相关的构件信息、进度信息及资源信息等三部分建筑信息，建立了进度管理实体间的关系图及资源关系图，使其彼此之间的联系更加清晰。利用IDM标准的表达方式制定了进度管理的BIM应用流程图，并通过流程图中的信息交换明确了进度管理方面的信息交换需求。通过分析MVD进度管理信息模型在IFC标准中的表达方式，结合IFC数据交换标准与信息交付手册IDM中的交流需求，实现了进度管理信息模型MVD的Diagram，Concept及Document三大模块，为BIM软件提供了实施及认证，提高了各个模块的逻辑性，增强了软件之间的互操作性及信息数据的可读性。