朱小羽:数字孪生的对象信息管理和装配机制

来源: 铁路BIM联盟

在本系列的前一篇文章《朱小羽:从BIM迈向数字孪生;3D建模的核心技术》中,我们讨论了3D建模技术,但BIM模型不是只包含3D几何,还必须包含建筑信息,甚至很多人认为“I”才是“BIM”的灵魂。“I”的范畴可以很广阔,下面我们从两个方面加以讨论:一方面是对象本身的信息,包括对象的类型和属性;另一方面是对象之间的相互关系和逻辑结构

(三)对象的信息管理机制

在BIM模型中创建对象时,我们需要知道每个对象的类型(如梁、柱、楼板),以及该类型有关的属性(如柱子有高度、截面积、材料、强度等)。有了这些信息,我们就可以方便的进行查询统计。现实世界中的对象类型千变万化,属性繁多,因此一款好的BIM软件应当能够灵活方便地记录项目中的各种对象类型和属性,并且支持不同专业的人员根据自身需求来输入、获取、查询和管理。同时,好的BIM软件还应当能够支持行业的数据标准。为什么数据标准非常重要?如果同一个对象,有人称之为“窗”、有人称为“窗户”、有人称为“Window”,那么虽然每个人自己觉得没有问题,但在不同人员之间交流信息就会存在障碍。因此,为了保障信息交流的一致与可靠性,就必须在行业中建立统一的数据标准,让不同人员都使用相同的数据语言来表达信息。这样的数据标准应当由行业专家而不是软件公司来编制,但软件公司需要在软件产品中对标准提供支持。

在今天的建筑行业,全球公认的BIM数据标准是buildingSMART International(bSI)组织制订的Industry Foundation Class(IFC)标准,它已经获得了很多软件公司的支持。然而,IFC标准本身也有其局限性,还在不断的成熟发展之中。例如,现有的IFC 4版本对房屋建筑的对象信息定义相对完善,但对于土木工程(如铁路、公路、水利水电)领域的很多对象信息就没有定义。因此我们也看到一些行业专家加入到bSI组织,共同编制这些领域的IFC标准。2019年,铁路BIM联盟牵头的铁路领域IFC Rail标准已经被bSI接受成为Candidate,预计很快会成为国际正式标准。公路、水利等领域也有类似的工作在开展。在这种情况下,一款好的BIM软件既要能支持现有的IFC标准,同时也必须具有足够的扩展性,能够支持未来发布的新的IFC标准。

不同的软件如何支持数据标准的实现和部署?我们可以从两个角度来看。

首先从软件系统架构来看,可分为分布式系统和单机软件,这对数据标准的部署方式也有影响。例如,达索系统的3D体验平台是基于数据库服务器和网络环境的分布式协同平台。它把BIM模型以构件为单位集中存储在数据库中,支持项目人员通过网络平台进行协作。因此,它可以把数据标准统一部署在服务器端,而无须在用户端进行部署。而传统BIM软件往往是单机生产工具,以文件而不是数据库方式管理BIM模型。即便是把模型存储于服务器端,也只是简单的文件存储,而不是以构件数据库进行存储。因此,它们并不具备在服务器端统一部署数据标准的能力,而只能在客户端进行部署,这对于普及性实施就不够方便。

更重要的是,不同软件的信息管理机制是非常不同的,这决定了它们对数据标准的支持能力差别很大。接下来本文就着重讨论这一问题。

达索系统“3D体验”平台对数据标准的支持

达索系统最新的CATIA软件是基于3D体验平台,这一平台的理念是数字孪生,即用数字模型模拟整个现实世界。因此,它提供了一套科学而简洁的信息管理机制,用以实现各种数据标准。3D体验平台使用如下的信息结构和术语来描述数据标准:

朱小羽:数字孪生的对象信息管理和装配机制-BIMBANK

·   标准包(Package):是由一套对象类型和属性定义组成的数据标准,例如我们可以把IFC标准视作一个标准包。一个BIM项目可以应用一个标准包,也可同时应用多个标准包。

·   对象类型(Type):表示一个具体的产品类别,例如门、窗、柱子等等。一个标准包中通常包括多个对象类型。不同的对象类型之间还存在着两种不同的相互关系:

  o   继承关系:由父类型派生出子类型。例如从“桥”派生出“斜拉桥”和“连续梁桥”。这种关系中,父类型的属性通常都会被子类型自动继承。

  o   聚合关系:一种类型的对象是由其它类型装配而成。例如“桥”是由“桥梁”“桥墩”和“桥台”装配而成。这种关系中,装配体和构件之间的属性就未必相同。

·   属性(Attribute):对象的一种量值,例如长度、材质、生产厂家等。

  o   属性和参数(Parameter)是容易混淆的两个不同概念。参数是一个设计变量,例如高度、长度,而属性的范畴更广,既可以是设计变量,也可以是其它的量值,例如设备的采购日期、温度计的当前读数;

  o   属性既可以直接取值于设计参数(例如梁的“长度”通常就是设计参数),也可以根据表达式自动计算得出(例如梁的“重量”可以根据尺寸和密度计算得到),还可以是用户输入值(例如“价格”、“保修期”等)。

·   属性扩展集(Extension):为了便于应用,可以把一组相关属性打包进行管理。例如,把设计阶段用到的属性打包成“设计信息”扩展集,而采购阶段用到的属性打包成“采购信息”扩展集,这样就可以根据不同的应用场景快速在对象类型上加载所需要的属性。在3D体验平台上,用户还可以自定义扩展集的行为特征,例如:

  o   某个对象类型允许加载哪些扩展集?

  o   在创建对象时缺省加载哪个扩展集?创建之后可以加载/去除哪些扩展集?

  o   根据不同的条件自动加载/去除扩展集。

通过上述机制,3D体验平台的系统管理员可以预先在平台上部署所需的数据标准。一旦用户创建了某个类型的对象,系统就会自动按标准为之建立属性。同时,所有能通过设计参数或者表达式计算出的属性都会自动计算出来,从而减轻用户输入信息的负担。针对建筑行业,3D体验平台提供了预先定义的IFC国际标准,可供用户直接使用,同时它也支持用户在此基础上进行扩展,甚至另起炉灶定义自己的标准。一个典型的例子是达索系统和中国铁路设计集团合作,在3D体验平台上通过自定义的方式部署了中国铁路BIM数据标准,即CR-IFC标准。借助这一标准,我们可以准确的描述铁路工程中的各种对象类型和属性,从而为铁路工程的BIM应用打下扎实的基础。当前,在水利水电、公路等其它领域,也已经有类似的工作正在进行。

当我们了解了3D体验平台的信息管理机制,再来看传统BIM软件,就比较容易理解它们的局限性。传统BIM软件不是基于数字孪生理念开发的,因此往往没有建立规范化的信息管理机制。它们或是只能使用底层预定义的对象类型、不能自主扩展(A软件),或是虽然在形式上建立了数据标准、但与模型对象缺乏内在关联(B软件)。不同软件的信息管理机制之间存在着实质性的差异。这可以理解为通用软件与专业软件的定位差异,也可以理解为“数字孪生”与“BIM”两种理念的差异。在本系列的第一篇文章“从BIM迈向数字孪生”中我们提到,BIM的局限性在于,它是以建筑师的眼光来看建筑,所以建筑师不关心的信息在传统BIM软件里面就未能得到支持。与之相比,数字孪生的理念是以数字模型模拟现实世界中的一切,因此具有更广泛的普适性。

(四)建筑模型的装配体系

前面我们讨论了对象本身的信息管理,接下来我们讨论对象之间的相互关系和逻辑结构,也就是模型的装配体系。

传统BIM软件的用户往往对“装配”这个概念不太熟悉,这是因为传统BIM软件不重视这个概念。但如果提到达索系统的CATIA软件,很多人都有这样一个印象:CATIA比传统BIM软件更适合面向制造的精细化设计。那么,这种优势是从何而来呢?前文讨论的3D建模技术只是因素之一,另一个重要因素就是CATIA的模型装配体系。甚至可以说,装配体系是CATIA进行产品数据管理的核心。

CATIA的装配结构树

在以CATIA为代表的制造业设计软件中,经常出现三个基本名词:特征、零件、产品。我们可以认为零件是一个物品的最小组件,例如一个螺栓。特征是零件上的一个几何元素,例如螺栓是由螺帽、螺杆和螺纹等几何元素组成。产品则是由多个零件(或者子产品)构成的装配组合,例如一个门锁是由螺栓等多个零件组成。每个产品都可以在不改变装配结构的情况下,把其中的某个零件/子产品替换成同类零件/子产品,例如我们可以把门上的旧锁拆下来换成新锁。这是现实世界中的真实逻辑。

达索系统的CATIA软件基于3D体验平台,它不仅支持用户自定义对象类型和属性,从而描述每个产品/零件自身的信息,还提供了一套逻辑严谨的科学方法,用于描述产品的装配结构。在CATIA中,每个产品都可以自顶向下、逐级分解,同时保留其中的关联逻辑。——如果把一个建筑物作为一个产品,它是由多个楼层装配而成,每个楼层又是由墙、楼板、门、窗等产品装配而成。如果把门视为一个产品,那么又可以把门分解成门框、门板、合页、门锁等产品,其中的门锁又可以分解成螺栓、锁销等零件……如此一级级的分解开来,就形成了一个逻辑上的结构树,每个产品/零件在结构树上都有自己的位置。因此,CATIA的数字模型不仅记录了每个对象自身的信息,还记录了对象之间的关联逻辑,既可以研究产品整体,又可以剖析其内部结构,这是符合数字孪生理念的。

在创建结构树时,用户可以根据各阶段的不同需求,自行决定分解深度。例如,在建筑的方案阶段只需分解到楼层或者房间,而施工图阶段需要分解到门窗,到了制造阶段再把门窗分解成零件。因此,结构树的深度是逐渐生长的,无需在方案阶段考虑过多的细节,又可在制造安装阶段满足其生产需求,其最终形态取决于项目的应用广度和深度,并无一定之规。例如,下图是两种典型的结构树划分方式,分别针对典型的建筑和铁路工程:

朱小羽:数字孪生的对象信息管理和装配机制-BIMBANK
朱小羽:数字孪生的对象信息管理和装配机制-BIMBANK

有了结构树之后,一个很直观的好处是,可以很方便的根据逻辑结构在庞大的模型中找到任意对象,就好像使用Windows操作系统中的资源管理器一样。例如,我们要在一段铁路中找到某座桥的第3个桥墩的桩基承台中的某一组钢筋,无需在图形视窗中进行搜寻,只要在结构树上逐级展开相应节点即可。而在浏览/编辑模型时,我们还可以利用结构树决定打开模型的范围和深度。例如,如果我们只要浏览大桥的整体模型,就没有必要打开所有的钢筋显示;而如果我们要设计桥墩内部的钢筋,只需要打开该桥墩模型即可,也没有必要打开整个大桥模型。这样一来,系统的性能得到优化,可以处理更大的模型。

结构树的好处还不仅于此。利用结构树,还可以把不同的节点(可以理解为专业任务)分配给不同的人员,实现分布式协同设计。举例而言,在铁路设计中,一旦路线方案完成,就可以在结构树上为每座桥梁、隧道创建相应的节点,然后桥梁、隧道工程师分别在各自的节点下开展设计。设计的成果会自动装配到项目结构树上。结构树不仅可以用于组织设计内容,还可以用于不同专业/人员之间的信息共享。每个专业可以把本专业需要对外共享的数据发布到结构树上,其它专业就可以直接引用这些数据。例如,线路专业把线路成果发布到结构树上,隧道专业就可以引用该线路对象作为隧道中心线;隧道专业的成果发布到结构树上,暖通、电气等专业也可以引用其设计成果作为本专业的设计依据。如果前序专业的设计发生了变化,后序专业的相关设计就可以自动进行更新。这样一来,就实现了真正基于数据共享的协同设计,而不是简单的文件共享。

装配结构树是产品数据管理的利器,它使我们能在不同层面上访问和共享产品数据,同时也为协同设计打下基础。

总结

从上面的介绍可以看出,基于3D体验平台的CATIA软件不仅可以支持各种数据标准,从而准确描述对象本身的信息,还可以通过装配结构树来描述模型对象之间的相互关系和逻辑结构。这是传统BIM软件力所不足的。传统BIM软件的设计目标是帮助建筑师把现有的对象组合起来,而不是去增加新的对象类型,也不能深入设计这些对象本身的内部结构,因此它的功能比起CATIA这样的数字孪生建模软件进行了大幅度简化,并针对建筑行业的特点进行了改造。这种做法使其更容易被建筑业用户接受,但也极大牺牲了设计的灵活性。对于LOD 300级别(传统施工图设计,我们可以理解为“建筑师眼中的建筑”)的BIM建模来说,这套机制或许够用,但如果我们要深入到LOD 400级别(制造和安装工艺,我们可以理解为“工人眼中的建筑”),就会出现问题。

当前的中国建筑行业把装配式建筑作为发展方向,其本质就是把建筑拆解成可预制的构件,并且在施工现场进行装配。在这类项目中,行业不能再用传统眼光来看建筑,而要向制造业学习,以工业化的眼光来看建筑。很明显,传统BIM软件不能很好的支持建筑构件的工业化装配体系,而源于制造业的CATIA软件能够更好的满足其需求。因此我们认为,在装配式工程项目中更有必要选择这样的先进软件。

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