基于国产化BIM 平台的发电工程数据标准与国际数据标准的交互协议研究

田景奇 方志宁 石成 肖庆

(1.国电电力发展股份有限公司，北京 100101；2.北京构力科技有限公司，北京 100013)

引言

目前，国内外的BIM 应用种类繁多，不同BIM 应用之间信息的共享和交换既是重点也是难点。建设同一个工程项目可能使用不同BIM 软件进行设计或施工模拟，不同BIM 软件也有各自的数据格式。在没有通用的数据交换标准时，各个BIM 应用成果之间无法交互[1]，数据资产缺乏延续性。因此，创建统一的数据标准，实现不同BIM 应用之间的信息交互显得尤为重要。如果数据标准统一，BIM 技术和相关专业应用软件可以在行业内大力推广和使用，促进行业各领域的信息交流，从而提高建筑行业的信息化水平。

1 研究背景

为了保障发电工程领域数字化数据生产安全，提高生产效率，解决数据风险，国家能源集团开展了智慧电厂、数字化新能源等数字化转型工作，但由于数字化转型高度依赖基础软件和数据标准，这些基础软件和标准体系均受制于国外厂商，存在核心技术“卡脖子”“断供”“基础设施数据泄露”等风险。同时，由于BIM 设计平台和规则的不统一，造成在设计、施工和运行环节的数字化工作内容存在协同配合不够等问题，各阶段不同平台主要的数据接口难以打通，极大降低了生产效率。

本文通过对比国外IFC、STEP、OBJ 和国内PModel数据标准，旨在研究常用BIM 设计软件的建模方式及数据输出方式，梳理软件数据格式、结构层次、属性设置及模型输出等方面内容，以数据标准为基础，提出各专业模型数据的融合需求，明确数据融合技术方案。研究不同应用场景下的数据关联关系和展现形式，规范数据管理流程，提升数据交互效率。

2 国外标准数据交换格式

2.1 基于IFC 格式的数据交互

IFC 是buildingSMART 为帮助工程建筑行业的数据互用而开发的，基于数据模型面向对象的文件格式[2]。IFC 标准作为许多国家和地区实施BIM 的数据标准，具有很高的研究价值。

IFC 不仅可以描述几何形状，还可以记录构件的属性信息。该格式可以有效地将构件的几何信息与构件属性联系起来，贯穿于建筑项目的整个生命周期，适用于各阶段的信息交互和共享[3]，极大地提高了信息的准确性和互用效率。

IFC 模型体系结构由四个层次构成，从下到上依次是资源层、核心层、共享层和领域层[4]。现阶段，IFC在数据交换的过程中存在如下问题：

（1）IFC 标准目前还不够成熟和完善，有些信息无法完整表达，面对复杂的建筑工程，IFC 信息模型中的数据仍然难以满足实际工程的需要；

（2）一些BIM 软件依然使用封闭独立的系统，数据以特定格式存储，只能由创建数据的应用程序访问；

（3）国外数据标准在国内应用的还不够深入。BIM应用软件若需要基于IFC 数据标准进行接口开发，还需要结合工程项目的具体特点来完成。

2.2 基于STEP 格式的数据交互

STEP 作为三维CAD 通用中间的格式，不仅支持几何数据信息，其中还能包含大量属性和行业标准。STEP 标准是一个通用的数字化信息标准，作为一个开放扩展的标准，也颇具研究价值。

STEP 标准的几何信息所携带的数据与工程领域无关，是模型显示的基础。其分为以下三部分：

（1）几何模型,定义了点、线、面等；

（2）拓扑模型，描述了几何元素的结构和相邻关系；

（3）几何形状，可以提供完整的外形表达，包含几何与拓扑[5]。

STEP 标准的应用极大地降低了产品生命周期内的信息交换成本，提高了产品研发效率[6]。但是，受限制于STEP 的数据结构，不同信息以索引的方式关联起来，只有将全部信息读完才能进行信息的重建，解析大模型的STEP 文件将会非常耗时。为了兼容各种信息牺牲了敏捷性和灵活性，STEP 在并发、效率和性能上已经落后于现代软硬件的发展速度，在很多场合已无法满足实际工业应用的需求。

2.3 基于OBJ 格式的数据交互

OBJ 文件是一种标准的3D 模型文件格式。由于该格式应用十分广泛，许多知名的3D 软件都支持OBJ文件的读写[7]，所以OBJ 格式非常具有研究的意义。

OBJ 格式支持直线、表面、多边形和自由形态曲线[8]，具有以下特点：

（1）不包含材质特性、动画、贴图路径、粒子、动力学等信息；

（2）主要支持多边形模型,也支持曲线、表面、点组材质；

（3）支持三个点以上的面；

（4）支持法线和贴图坐标[9]。

由于这种格式只能描述三维物体表面的几何信息，无法支持对物体表面特征颜色和材料属性的描述[10]，因此OBJ 格式在很多场合也不满足实际工业应用的需求。

3 国产化BIM 软件数据交互

项目组基于轻量化数据格式PModel 文件，研究了一种中间数据协议，用以存储设计端软件的层级、几何以及业务数据信息，然后在国产BIM 平台上解析。

3.1 关于PModel

PModel 为后缀名为.pmodel 的轻量化数据文件，不仅可以用于轻量化浏览，还可以用于BIMBase 软件与其他BIM 软件，如Revit(Autodesk)，ABD(Bentley)等之间的数据交换，达到数据互通的目的。

3.2 PModel 信息传递方式

为了高保真的还原几何形状，项目组为PDMS 所有基本几何体类型制定了数据交换协议，PModel 文件在此基础上进行信息的传递。

（1）基本几何体数据协议

PDMS 能构造的基本几何体类型有：BOX、C Y L I N D E R、C O N E、S N O U T、P Y R A M I D、CTORUS、DISH、SLCYLINDER、EXTRUSION、REVOLUTION，本文以BOX 为例，介绍基本几何体数据协议的定义方式，如图1 和表1 所示。

表1 基本几何体数据协议-BOX

图1 BOX

（2）PModel 信息传递步骤

PModel 信息传递过程主要有以下几步，整体示意流程如图2 所示。

图2 流程图

第一步：抽取PDMS 的项目层级等信息，按照模型树的数据格式组织设计端软件的层级信息内容；

第二步：抽取PDMS 的几何数据，离散为以三角面片为基础的的几何数据；

《综合教程》第一册第11单元包括Text 1和Text 2两大教学模块，现以Text 1课程设计为例。

第三步：根据几何数据，检索到对应的几何体对应的业务属性数据，记录在PModel 的模型树节点上；

第四步：根据国产平台的业务数据，按BIM 常用构件区分，形成Json 格式，压缩存储在PModel 格式中；

第五步：创建项目浏览器。国产BIMBase 平台集成PModel 时，通过树节点中存储的标识信息，判断当前节点类型；

第六步：根据项目浏览器的层次组织结构，组装楼层、Model 空间，通过链接参照的机制，组装空间、楼层之间的相对位置关系；

第七步：创建BIMBase 的几何图形信息。创建几何信息有两种处理方式。第一种，根据规定的数据协议，如果为可用Solid 类型表达（盒体、圆柱体、圆台体、圆环体、圆锥体等），通过数据协议记录的实体数据类型，转换为具体的几何形状；第二种，如果为三角面片表达类型，通过在PModel 格式中记录的三角面信息，拟合形成几何体。同时，创建BIMBase 的基础数据对象关联上几何形体；

第八步：读取模型树上的业务数据数据，挂载在第七步上最终创建的基础数据对象上，完成最终的工程项目展示。

3.3 工程案例

3.3.1 案例背景

发电工程领域在数字化发展过程中积累了大量的业务数据，但由于不同发电类型（火电、水电、新能源）的项目工程导致在造成在设计、施工、运行环节的数字化环节中存在协同配合不够等问题，数据接口难以打通，极大影响了生产效率。具体原因如下：

（1）设计阶段使用的设计软件不同，如PDMS、Catia、Revit、Microstation；

（2）不同发电类型关注的数据信息不同；

（3）发电工程缺乏统一数据标准。

不同设计软件支持导出的中间文件格式各不相同。在传统方式下，需要针对不同数据源输出的不同文件格式做解析插件，如图3(a)所示。在新方式下，基于发电工程的建模特点及设计软件的数据结构，PModel插件可以从不同设计端软件抽取关键信息，导出基于PModel 数据交换协议的中间文件，以达到发电工程的统一解析建模，如图3(b)所示。

图3 插件方案对比图

通过对不同设计软件的数据结构调研，项目组基于PModel 格式的数据交换协议，在PDMS、Catia、Revit、Microstation 等国外设计软件上开发了插件，可直接抽取各设计端软件的模型层级、几何及属性信息，输出中间文件PModel。下面将以PDMS-BIMBase 数据交换场景为例，简要介绍基于PModel 格式的数据交换过程。

3.3.2 PDMS 导出PModel

在安装了PModel 插件的前提下，用户通过导出PModel 功能，可将PDMS 中的模型构件导出为PModel 格式。步骤如下：

（1）点击PDMS 工具栏中“图模大师”按钮，在下拉列表中点击“轻量化模型”；

（2）弹出轻量化模型界面后，勾选需要导出的节点及包含构件属性按钮，如图4 所示，确认即可将PDMS 项目文件导出为*.pmodel。

图4 轻量化模型界面

3.3.3 BIMBase 导入PModel

用户通过导入PModel-PDMS 功能，可将PDMS中建立的多层级模型在BIMBase 中重新构建，并提供组件属性修改的功能。

（1）打开模型集成选项卡，在功能栏中点击导入PMODEL-PDMS 按钮，如图5 所示；

图5 模型集成选项卡

（2）选择要导入的*.pmodel 文件后，勾选保留场景结构导入选项，将会在工程项目节点下生成PDMS层级。点击确定后即可在BIMBase 中重新构建PDMS模型。

3.3.4 成果与讨论

传统的信息交互模式存在效率低、准确度差等问题。本工程案例中，使用了PModel 格式进行PDMS与BIMBase 间的数据交换。经验证，PDMS 中建立的模型能够完整、准确地导入到BIMBase 中,并且保留了PDMS 模型特有的层级结构，节点属性等信息。因此，基于PModel 格式的数据交互完全能够实现不同设计软件的数据集成到国产BIMBase 平台。目前，针对PDMS 发电工程的项目需求，PModel 中保留了PDMS的项目层级结构，根据PDMS 中节点TYPE 值，在BIMBase 的视图浏览器中生成场景节点、嵌套组件或基本几何体。具体对应关系如图6 所示。

图6 视图浏览器对应节点类型

4 结语

要使建筑行业的信息交互变得更加准确、高效，需要统一国内的BIM 标准及数据交互标准，然后通过标准化的数据接口及交互协议，实现数据互通与共享，最大程度地体现BIM 的价值。BIM 作为建筑行业未来的发展趋势，不是任何一个软件平台可以独立完成的。实现建筑项目全生命周期中跨图形内核、跨平台、跨阶段的在各软件之间准确、高效的数据流通，需要整个行业的努力及政府的大力支持，共同研究创造适合国产化BIM 软件的数据交换标准。