模型视图定义在结构分析模型中的研究

明 鑫

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

建筑信息模型是当前建筑行业的热点，其最大特点在于共享信息从而提高工作效率。从整个建筑生命周期来看，不同阶段需要模型中的不同信息。在设计阶段，建筑、结构、风水电等专业需在同一BIM模型中协同工作才能实现BIM真正的价值。当前软件技术和行业标准都不够成熟，信息传递存在缺陷，阻碍了BIM在设计院内的推广应用。IFC数据标准的产生，能够最大程度保证BIM数据标准的完整传递。国际协同工作联盟(buildingSMART International，bSI)颁布的IFC标准，是当前应用最广的公开的国际性通用数据标准，它采用EXPRESS语言描述，旨在解决全生命周期内的建筑工程领域异构系统间的数据传递。

在IFC标准的实施过程中，建筑行业的用户、软件公司和研究学者们一致认为，BIM在建筑全生命周期内的应用，应当分不同阶段建立基于特定流程和目的进行数据传递。在这种背景下，模型视图定义(MVD)诞生了。MVD在数据端进行准确且可重复利用的模型视图定义，将用户信息转化为IFC数据文件，在软件中实现不同专业BIM用户之间的信息交换需求。由于MVD是IFC标准的体现形式，它也是公开的，任何人都可以定义。如果同一种MVD拥有多种不同的表达方式，会导致软件公司产生不同的理解，从而导致IFC标准实施遇阻，因此，MVD应当有一种标准化定义方式来避免产生歧义。

美国、韩国和北欧等国家和地区对MVD的研究较多。在美国佐治亚理工大学，Charles M. Eastman教授做了较多MVD理论研究工作，他建立了一套MVD研究方法论[1-2]，研究利用“Concept”这种核心概念进行数据交换[3]，同时定义了预制混凝土领域的MVD并在计算机程序中予以测试研究[4]。在美国工程研究与发展中心，研究员E. William East建立了 BIM平台，创建了通用模型属性集，定义了设备管理领域的MVD[5]。在韩国延世大学，李刚(音译)教授建立算法，成功地从IFC软件模型中获取构件[6]，尽管这并非利用标准的MVD方式定义，但迈出了模型转换研究的重要一步。

在芬兰坦佩雷理工大学，Jiri Hietanen教授经过多年研究，发布了《IFC Model View Definition Format V.1.0》，并被bSI官方采纳。在此以后， MVD均按此指南进行表达，当MVD被提交至bSI后，它会委托相关软件公司进行程序测试，当测试成功后bSI会将其收录至官方认证的数据库内，软件公司也会取得相应的认证证书。与此同时，bSI将所有定义中的MVD发布到网络平台IFC Solutions Factory，供大家研究查看。当前已有的MVD主要集中在规划设计领域，包含建筑规划、结构计算、道路设计、景观设计和工程量统计，同时也有施工领域的预制混凝土，以及运维建设领域的设备管理等。

图1 MVD构成模块总览

在国内，上海交通大学的邓雪原教授对IFC标准有过较深入研究，建立了有限元模型的结构通用格式，在C++程序里表达了XML格式的数据结构，实现了模型导入和导出[7-8]。上海交通大学的李犁、林良帆在BIM平台与数据方面做了大量基础研究[9-10]。上海交通大学的周成深入研究了IDM(Information Delivery Manual，信息交付手册)标准[11]，并深入到建筑设计院实际设计项目中，针对建筑、结构、风水电等各专业的工作流程，定义了一套适用于设计院的IDM工作流程图和互提资料列表[12]。作者本人在结合IFC标准、IDM标准和建筑结构模型转换方面也开展了MVD相关研究[13]。上海交通大学的张俊毅等人首次将IFC标准应用于铁路站房信息模型中，进行了相关扩展研究[14]。

近年来，国内MVD研究论文仍较少，中国建筑科学研究院的孟晓晔在钢筋混凝土剪力墙结构深化设计中尝试结合MVD进行研究与应用[15]。

1 MVD构成模块

总的来讲，MVD主要有三大模块，即Concept(概念)、Diagram(图表)和Document(文档)。其中，Concept是最基本的组成单元，多个Concept通过一定的关系组合形成一个完整的Diagram，多个Diagram完整表达一个有效的MVD。其中，图中的每一个Concept都有相应的Document描述其基本属性、组织架构、使用功能和目标等信息。

为了区分普通用户和专业软件公司查看方式，MVD通常都有两种表达方式，一种是通用表达方式，另一种是绑定了IFC数据的专业表达方式。限于篇幅，下文仅介绍绑定了 IFC数据的专业表达方式。在这种专业表达中，IFC标准中的相关实体被赋予到了通用Concept中，信息传递都是以IFC数据为基准，这样就形成了标准化的可靠传递方式，同时在MVD和Concept的文档中补充必要的信息要点加以解释说明。

如图1所示，整个Diagram的基本单元是Concept，如C#1～7，不同的Concept采用定义的流程进行连接组合，需注意的是，这些Concept是通用的，它们可在不同视图中重复利用。Document描述了MVD的整体信息，同时每个Concept都有相应Document进一步解释与之具有继承关系的其他Concept。

下面将对Concept和Diagram进行介绍。

1.1 Concept

如表1所示， Concept分为三类：Variable Concept(可变概念)、Adapter Concept(中间概念)和Static Concept(静态概念)。Variable Concept作为初始部分，在通用和专业表达方式中名称相同，但在专业表达方式中其被赋予了IFC实体对象。Adapter Concept作为中间部分，起到承上启下的连接作用，由于其可重复利用的特性，在程序代码中往往可以作为模块化结构。Static Concept在流程末端，其Document详细描述对IFC实体对象的绑定关系。

表1 IFC绑定 Concept

1.2 Diagram

Diagram采用XML Schema Definition标准格式定义，可使用Microsoft Visio进行绘制。Diagram的主要内容应包括： 1)基本单元Concept的定义； 2)Concept的说明，即开关状态和注释说明(用符号“！”表示)； 3)Concept的相对位置关系、是否可见(不可见的灰显)等。

一般来讲，可以按从左至右的顺序依次绘制Variable、Adapter和Static Concept，若图表太大，也可适当调整各个Concept间的左右关系，但不允许圆形闭合流程。除了Variable Concept占据首位，其余的Concept都由唯一上层Concept继承下去。

图2 Diagram举例说明

如图2所示，由于最下面一行的Single Segment灰显，表示缺失，它会导致后续Concept均失效，因此这一层级的Concept注释“必需”。例如，在结构计算分析中，若缺少约束定义那么后续工作是无法进行的，因此约束定义应标记“必需”。程序应实现所有注释为“必需”的Concept，否则不能通过该模型视图的认证。

2 结构分析模型的视图定义

2.1 结构分析模型视图整体描述

在结构分析模型中，最关键的组成部分是各类受力构件单元、连接节点以及荷载作用。图3中可以看出，竖向受力构件柱指定为线单元(Curve Member)，梁也应指定为线单元(图中未示例)，水平向的板和竖向的墙指定为面单元(Surface Member)。线单元和线单元、线单元和面单元的连接是一个点(Point Connection)，而面单元和面单元的连接是一条线(Curve Connection)，从数学上可以理解为线线相交、线面相交是一个点，面面相交是一条线。荷载作用，分为点荷载(Point Action)、线荷载(Linear Action)和面荷载(Planar Action)，从结构分析上讲，集中力可以作为点荷载加载到梁、柱等线单元上，填充墙自重等可以折算为线荷载加载到梁等线单元，而面荷载包含楼屋面装修面层、活荷载以及风雪荷载，作用到板、墙等面单元上。

图3 结构分析模型

表2 IFC结构分析模型视图描述文档

表3 结构分析模型Diagram

表2从总体上概述了在结构分析模型视图定义中， IFC实体对象如何与各类模型中的元素建立指定关系。该文档阐述了结构分析模型的强制性和非强制性具体内容，与IFC标准的数据对象有着一一对应关系，这样建筑和结构模型在IFC标准里实现了共享和互通。

2.2 视图Diagram

结构分析模型MVD有12个Diagram，分别是Project、Site、Building、Building Storey、Structural Analysis Model、Structural Point Connection、Structural Curve Connection、Structural Curve Member、Structural Surface Member、Structural Point Action、Structural Linear Action、Structural Planar Action。该视图[13]包含了项目、场地、楼栋、楼层等基础信息，结构分析模型，构件连接方式(点和线)，构件单元(线和面)，荷载(点、线、面)。限于篇幅，下面仅阐述Structural Analysis Model(结构分析模型)Diagram。

在表3中，Diagram的基本信息在表头中表达，Concept分成四级描述。Concept包括左上角的索引号和正中的名称两部分。索引号的编排规则如下：“SJTUBIM-XXX-IFC4”，SJTUBIM为编制机构； 最后的IFC4是IFC标准的版本号； 中间XXX是三位数字，第一位数字取值0、1、2、3，分别代表“Variable Concept”和一级、二级、三级“Adapter/Static Concept”； 第二、三位数字取值从01开始往后编写，代表同一级Concept的顺序。其中，Adapter/Static Concept是标准化模块，可用于不同的Diagram。

该Diagram包含了结构分析模型的作者及状态信息、属性(ID号、名称、预定义类型)、荷载类型、计算结果、楼层组装、模型分塔等计算分析模型所需的各类主要Concept，然后在各级Concept中进行详细描述。

3 结论

Jiri Hietanen定义了标准的MVD格式，并被bSI采纳成为官方表达， 当前的MVD都按此官方格式进行定义。在网络平台IFC Solutions Factory中，有建筑设计领域的多个MVD供测试使用。当前国内外MVD的相关研究仍处于探索阶段，定义和认证过程相对缓慢，现有的MVD类型集中在规划设计等相对单一领域，内容还需要不断完善和补充。

在标准格式的模型视图定义中，具体的交互信息被赋予了IFC标准中的实体和关系对象，然后通过一定关系组织起来表达相应的功能需求，形成完整的模型视图定义。结构分析模型视图定义MVD包含多个Diagram和相应的Document描述，详细表达了建筑结构进行计算分析所需的5类主要信息： 1)项目、场地、楼栋、楼层等基础信息； 2)结构分析模型； 3)构件连接方式(点连接和线连接)； 4)构件单元(线单元和面单元)； 5)荷载作用(点荷载、线荷载和面荷载)。文中对结构分析模型Diagram详细阐述了结构属性等基本信息、所有构件单元、连接方式、荷载作用以及分析结果。