BIM技术中的数字图形信息融合集成系统研究进展

摘要：BIM技术是以中心数据库模型的方式共享信息。本文结合数字图形介质的概念、构造方法、描述标准、理论基础及内涵，形成研究对象在自然空间的计算机空间中的对应格式和仿真模式，使得结构“图形”成为融几何特征与非图形属性随时间而动态变化的五维信息载体。

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BIM特点

BIM技术是以三维数字化技术为基础，通过集成各种相关信息的数字信息模型库作为共享的中心文件，在项目的整个生命周期内，数字化表达项目的形状、物理和功能特征，分享所有决策、优化依据的工作过程，协同作业BIM信息库的插入、提取、更新和修改，提升各参与方在各个阶段的工作效率和数据一致性。BIM具有可视化，协调性，模拟性，优化性，可出图性等特点：

（1）可视化：BIM将常规的二维表达转化为三维可视模型，表达信息形象、直观，可视化帮助非专业人员通过清晰的模型理解建筑创意，协调各方及时、高效的决策。

（2）协调性：采用BIM的项目，各专业间、各工作人员间都在一个三维协同设计环境中共同工作，设计深化、修改可以实现联动更新。这种无中介及时的沟通方式，很大程度避免因人为沟通不及时而带来的设计错漏，轻松有效的提高设计质量和效率。

（3）模拟性：通过BIM可以模拟真实构建过程中的场景，并通过此过程预先发现可能存在的问题，最大限度减少因设计或施工方面的失误所带来的遗憾。

（4）优化性：BIM模型提供了建筑物的实际存在的信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的实际存在。把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算出来，动态进行方案优化，可以带来显著的工期和造价改进。

（5）可出图性：通过BIM技术不仅仅使进行可视化展示、协调、模拟、优化，还可以根据工程需要完成基于BIM的图纸生成工作，包括平面图、立面图、剖面图、局部大样图等图纸。

1.BIM核心技术

BIM技术是以中心数据库模型的方式共享信息，该信息模型具有信息多元化，参数化驱动，标准统一，协同合作等功能。其中参数化是关键技术，标准统一是基础核心，信息多元是支撑，协同合作是结果。当前研究仅仅表现的是图形本身的几何属性，仅将图形作为最终视觉的显示在计算机屏幕上，没有将除几何属性之外的物理属性、拓扑等信息融入到图形之中。

基于上述，作者及所在团队的提出的数字图形介质的概念、构造方法、描述标准、理论基础及内涵，形成了研究对象在自然空间的计算机空间中的对应格式和仿真模式，使得“图形”成为融几何特征与非图形属性随时间而动态变化的五维信息载体，这种以数字图形介质描述的工程结构，遵从自然界的物理方程，在虚拟环境中实时仿真所研究的运动及变形规律，取得了明显效果和工程验证。

1.1数字图形介质的核心思想

数字图形介质的数字模型与所选平台无关，任何三维软件的模型经过转换和集成都可以成为数字图形信息集成系统中的数字模型。

将数字图形作为具有物理和几何属性的介质，并基于此构建了数字图形信息技术的工程体系，在引入和发展CIS/2和IFC两个ISO国际标准的基础上，提出了“数据附着于图形，图形蕴含数据”的方法及图形五维空间的概念和方法，将复杂机构工程中的各个构件和部位实体图形的可视特征与非图形属性融为一体，置于图形之中，使图形本身包括了空间坐标（xyz）、时间坐标（t）、非几何信息（v）的五维空间信息，使工程图成为反映工程结构实时动态和关联信息的载体，具有唯一标识的各个图形元素也与庞大的工程数据库双向动态关联，这种新型的数字图形信息工程体系原创性的提出了CAD图形独特的数据存储关联技术和数据交换格式，为当前日益发展的三维设计平台提供了具有重要意义的关键技术。

同时，定义了数字图形介质的构件方法，采用XML方式标记数据、定义数据类型。这种数据的构件不受软件平台的限制，适合在Web传输以及协同管理；提出三维图形建模中界面关键点及骨骼网架的概念与方法，创建了数据图形模板库，研发出基于数字图形介质的数字图形信息方法为主导的三维建模通用方法和自动生成工程图的软件系统，此项研究为结构工程的虚拟现实和基于物理的工程动画提供了强大的技术支持。

其特点在于：

（1）提出了数字图形介质的概念、构造方法，描述标准、理论基础及内涵形成了研究对象在自然空间和计算机空间中对应的格式和仿真模式，使得图形载体成为融几何特征与非图形属性随时间而动态变化的五维信息载体。

（2）根据CIS/2和IFC两个ISO标准，提出了自然界空间物体的几何与非几何属性的定义和数据格式，是构造数字图形介质模型的标准依据和数据共享平台。

（3）提出了复杂结构图形的截面关键点模型，关键点连线的图形骨骼网架模型的概念和存储方法。

（4）将与时间参数关联的几何信息和材料属性、温度、受力、变形、渗流、安全因素等非几何属性也一并寄存于图形元素之中，且随时动态调整与更正。以上的核心技术以图形为介质单元支撑了数字化工程的主要框架，填充了数字工程的内容，是一个完整的数字图形信息系统，整个结果可用框图1表示：

1.2数字图形介质理论方法的标准

目前用于建设工程全生命期的数据标准主要是基于STEP标准建立的IFC标准，用于钢结构工程的产品模型描述的CIS/2标准等。

1.2.1CIS/2标准

CIS/2（CimsteelIntegrationStandards,Version2）是基于国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）系统，在最近十多年中发展起来的钢结构工程在设计、计算、分析和制作、安装过程中的标准格式文本。它概括了钢结构工程多个环节，多个部位的科学组织准确性和系统性的描述，融含了新的计算机程序编程概念，采用OOP方法，使用新的数据模型语言去定义结构特性。数据格式的清晰系统化和高度整合，使它能支持多种数据文件和数据库，支持整个模型及相应丛生的子模型，而无须处理与结构无关的数据，它还耦含了参考模型（referencemodel），使得一个大的标准模型所包含多个子模型能够很容易地共享资源和传递信息。

1.2.2IFC标准

IFC（IndustryFoundationClasses）工业基础类的缩写。是IAI组织（theInternationalAllianceforInteroperability）——国际协同联盟建立的标准名称。通过IFC，在建筑项目的整个生命周期中提升沟通、生产力、时间、成本和质量，为全球的建筑专业与设备专业中的流程提升于信息共享建立一个普遍意义的基准。如今已经有越来越多的建筑行业相关产品提供了IFC标准的数据交换接口，使得多专业的设计、管理的一体化整合成为现实。

国际协同联盟早在95年就提出了直接面向建筑对象的工业基础类数据模型标准，该标准的目的是促成建筑业中不同专业以及同一专业中的不同软件可以共享同一的数据源，从而达到数据的共享及交互。IFC数据模型覆盖了AEC/FM中大部分领域，并且随着新需求的提出还在不断的扩充，比如，由于新加坡施工图审批的要求，IFC加入的有关施工图审批的相关内容。IFC标准（IFC2xplatform.版本）已经被ISO组织接纳为ISO标准（ISO/PAS16739，可出版应用版本），成为AEC/FM（建筑、工程、施工、设备管理）领域中的数据统一标准。

1.2.3数字图形介质理论方法的标准

作者及其团队将CIS/2标准引入移植于我国，并发展了相应的标准叙述格式，通过360个Schema的定义，对工程中涉及的计算模型、分析模型、制作模型都进行了统一的描述，对多模型的定义、属性、分类、延续、遗传、关联等内容都做了严格规定与表述，不仅使同一工程的不同部门、不同专业、在不同时段内的工程信息具有统一的表达方式，有效地实现了建筑行业不同应用系统之间的数据交换和建筑物全生命周期的数据管理。也为不同工程之间的信息交换与比较提供了有章可循的共享器平台。
CIS/2主要用于钢结构设计、分析、制作的流程之中，IFC包括了建筑工程的内容。对于工程中重要的地下部分的描述，尚需GML语言标准补充，将在其他文章中论述。

1.3参数化族库BIM技术

族是包含通用参数集和相关图形表示的图元组，族中的变体称作族类型。BIM技术中的所有图元都是基于族。“族”是BIM技术中使用的一个功能强大的概念，有助于您更轻松地管理数据和进行修改每个族图元能够在其内定义多种类型，根据族创建者的设计，每种类型可以具有不同的尺寸、形状、材质设置或其他参数变量。

基于数字图形介质的钢结构参数化族库所需的数据信息主要参照国标和欧美AISC型钢表及GB型钢以及土建桥梁等行业的常用标准，包括了AISC截面类型3660种、国标型钢4411种、带参数截面75种、紧固件1500种、水工结构截面63种、桥梁工程6种；除此，还包括了结构力学属性，如构件的轴心受压稳定系数φ、柱的长度计算系数、钢材的规格及截面特性、组合界面的特性、紧固件的规格与尺寸，构件的承载力和承载力矩的设计值、连接承载力设计值横梁的固端弯矩、单跨等截面门式钢架弯矩剪力计算公式，吊车技术资料、焊接破口与结构组装和安装偏差等表格数据。数据库界面利用MicrosoftActiveXDataObjectsLibrary对象库（简称ADO）和MicrosoftADOExt2.1.ForDDLSecurity对象库（简称ADOX）对象动态创建数据库和数据表，极大提高数据库程序灵活性。

通过引用ADO和ADOX完成在程序运行过程中动态创建数据库和表。利用ADO的节点表用户可方便地查寻关心的型材界面（参见图2），而且可以根据需要选择生成二维的截面图形或三维模型。除此之外，该软件系统提供的自定义截面，可扩展到混凝土、钢筋混凝土及现代复杂工程的三维建模过程当中。

参数化族图形数据库为3D建模和属性动态记录提供了有效方法，在提高建模的精度、速度和质量上有着明显的体现。

2.BIM应用

2.1在建模阶段的功能应用

利用数字图形介质的理论和方法研发了基于CIS/2标准格式CAD应用软件“CIS2CAD”（该程序40万句，具有独立自主版权），该软件可直接读取、设计、分析、制做模型的STP文件，并可立即产生整个工程的三维CAD实体模型。相应的Access数据库产生虚拟仿真VRML文件，并自动连续产生制做施工详图和车间图制作，并提供了图形编辑工具。图3-10是CIS/2研发和应用的一些介绍。