IFC標(biāo)準(zhǔn)的裝配式建筑空間自組織建模方法

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摘要：基于國際ifc標(biāo)準(zhǔn)，研究裝配式建筑構(gòu)件的空間實(shí)時(shí)定位算法，將微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）傳感器應(yīng)用于建筑業(yè)，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)傳感器進(jìn)行研究和開發(fā)，借助MEMS-IMU記錄裝配式構(gòu)件在安裝過程中的空間位置和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的BIM構(gòu)件庫，研究基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑信息模型自動(dòng)生成算法，以參數(shù)化獲得最終IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，為裝配式建筑竣工模型的自動(dòng)生成奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型；IFC標(biāo)準(zhǔn)；MEMS傳感器；空間定位

隨著土木建筑工程項(xiàng)目的規(guī)模越來越大，建筑造型也越來越復(fù)雜，不同專業(yè)、各方人員協(xié)同困難，越來越多的工程項(xiàng)目期望使用或者正在使用BIM技術(shù)去集成、整合并分析建筑全生命周期的各種信息，加強(qiáng)信息共享，以便于對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行管理。同時(shí)，隨著裝配式建筑在國內(nèi)的推廣，越來越多的工程項(xiàng)目選擇使用裝配式技術(shù)來提高整體生產(chǎn)效率，提升工程質(zhì)量。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在裝配式建筑和BIM技術(shù)結(jié)合方面做了不少研究[1-3]。目前大部分模型自動(dòng)生成研究都是基于三維激光掃描系統(tǒng)及圖像重建技術(shù)的逆向工程[4-10]。綜合來說，激光掃描及圖像重建技術(shù)在建筑業(yè)中的研究及應(yīng)用還處于初級(jí)階段，雖然許多研究已取得階段性進(jìn)展，但生成滿足竣工交付要求的三維模型仍面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)和實(shí)施困難。本文提出基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的裝配式構(gòu)件空間定位方法，通過研究IFC標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)件信息表達(dá)方法，結(jié)合構(gòu)件位置及姿態(tài)捕捉算法，可生成符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑信息模型。

1基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件空間定位算法

1.1符合國際標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件表達(dá)建筑項(xiàng)目構(gòu)件種類繁多，在模型建立初期就應(yīng)該對(duì)構(gòu)件命名規(guī)則進(jìn)行細(xì)化約定，規(guī)范項(xiàng)目參與人員對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、修改等行為，提高數(shù)據(jù)交互效率，保證建筑信息模型數(shù)據(jù)質(zhì)量。建筑構(gòu)件分類可借鑒北美地區(qū)廣泛使用的OmniClass[11]標(biāo)準(zhǔn)Table23-Products中的分類方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，以對(duì)自組織生成模型中的構(gòu)件進(jìn)行命名。構(gòu)件命名可根據(jù)裝配式構(gòu)件庫中的構(gòu)件基本信息按照預(yù)定規(guī)則自動(dòng)生成并轉(zhuǎn)為Unicode碼，添加IFC文件實(shí)體屬性Name字段。IFC標(biāo)準(zhǔn)采用EXPRESS語言描述[12]，并定義其包含的所有數(shù)據(jù)信息，唐春鳳等[13]闡述了IFC文件的一般結(jié)構(gòu)和EXPRESS語言。IFC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)架構(gòu)分為4層，由上至下分別為：領(lǐng)域?qū)?、共享層、核心層、資源層。定義于核心層中的IfcRoot實(shí)體直接或者間接派生出資源層之外定義的每個(gè)實(shí)體。IFC模型中的三種基本實(shí)體類型(IfcObjectDefinition，IfcPropertyDefinition，IfcRelationship)都是由IfcRoot派生而來，實(shí)體間的關(guān)系見文獻(xiàn)[14]Express-g圖。三維幾何建模常用到的構(gòu)件在IFC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的實(shí)體都由實(shí)體IfcProduct派生或其子類派生，IfcProduct是對(duì)與幾何或空間環(huán)境相關(guān)的任何對(duì)象的抽象表達(dá)，其子類通常設(shè)有形狀表達(dá)和項(xiàng)目結(jié)構(gòu)所涉及的對(duì)象坐標(biāo)。1.2構(gòu)件的空間定位目前國內(nèi)外對(duì)裝配式建筑安裝過程中構(gòu)件定位的研究基本處于起步階段，本研究需要測(cè)量構(gòu)件的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)，再根據(jù)其幾何外觀等參數(shù)，在遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示及監(jiān)測(cè)安裝進(jìn)度，進(jìn)一步可以實(shí)現(xiàn)信息化的進(jìn)度、材料、設(shè)備管理等內(nèi)容，提升管理水平，提高工程質(zhì)量，最后生成能用于后期運(yùn)維的建筑信息模型，所以需要實(shí)時(shí)跟蹤并記錄構(gòu)件在安裝過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)條件限制以及信號(hào)遮擋等問題，本研究采用航位推算法，利用基于微機(jī)電系統(tǒng)的慣性測(cè)量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)對(duì)裝配式構(gòu)件進(jìn)行位置及姿態(tài)的追蹤。IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上，也被用在對(duì)姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。相較于在現(xiàn)場(chǎng)使用GPS及微波定位等方法，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，抗沖擊，可靠性高，壽命長，成本低，重量輕[15]，且不受施工場(chǎng)地使用環(huán)境限制，抗干擾能力強(qiáng)。但其也存在測(cè)量誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而增大的不足，所以需要通過一定的算法(如KalmanFiltering算法)來消除對(duì)應(yīng)的誤差，以得到滿足系統(tǒng)需求的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。1.2.1構(gòu)件位置獲取一個(gè)IMU一般包含有三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，加速度計(jì)用來檢測(cè)物體三個(gè)獨(dú)立軸向的加速度數(shù)據(jù)，陀螺儀用來測(cè)量物體角速度數(shù)據(jù)。由于IMU只能采集到原始的加速度和角加速度信號(hào)，而不能直接得到構(gòu)件的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，所以需要利用相關(guān)算法處理器原始信號(hào)，以得到所需的位置和姿態(tài)信息。對(duì)于物體的加速度信號(hào)，可以通過時(shí)域積分，將加速度值a對(duì)時(shí)間t積分，同時(shí)給定初始速度，可以得到加速度計(jì)的速度函數(shù)：v(t)=∫0ta(t)dt=v*(t)+v0(1)將式(1)再次對(duì)時(shí)間t積分，同時(shí)給定初始位移，得到加速度計(jì)在局部坐標(biāo)系下的三軸位移：r(t)=∫0tv(t)dt=r*(t)+r0(2)式(1)、(2)中：a(t)為加速度計(jì)原始信號(hào)，v*(t)為a(t)的原函數(shù)，v0為初始速度，r*(t)為v(t)的原函數(shù)，r0為初始位移。由于所測(cè)量的構(gòu)件不能被看作空間中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而加速度計(jì)測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)僅僅是固連在自身上的坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)并不是世界坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)，這就需要進(jìn)行進(jìn)一步的坐標(biāo)變換處理。此時(shí)就需要借助陀螺儀記錄的方向參數(shù)。1.2.2構(gòu)件姿態(tài)獲取陀螺儀的使用和加速度計(jì)類似，它通過測(cè)量力矩計(jì)算角速率，通過角速率積分得到角度變化。一般建模過程中都會(huì)設(shè)置一個(gè)世界坐標(biāo)系(WorldCoordinateSystem，WCS)，需要求得的數(shù)據(jù)為構(gòu)件在世界坐標(biāo)系下的絕對(duì)姿態(tài)，而固連在IMU上的坐標(biāo)系可視為局部坐標(biāo)系，假定局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的初始位置重合，從世界坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系的變換可以用歐拉旋轉(zhuǎn)或者四元數(shù)旋轉(zhuǎn)等方式表達(dá)，為表達(dá)更加方便直觀，這里選擇用歐拉角表達(dá)變換過程，不妨設(shè)旋轉(zhuǎn)次序?yàn)閤-y-z，三個(gè)歐拉角為α、β、γ，則從世界坐標(biāo)系Pw到局部坐標(biāo)系Pι的變換為則從局部坐標(biāo)系數(shù)據(jù)求世界坐標(biāo)系數(shù)據(jù)只需求式(3)的逆變換，即：Pw=C-1(α)C-1(β)C-1(γ)Pι(5)不難看出沿軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣的逆矩陣即為繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)相反的角度，即可得式(5)的等價(jià)公式：Pw=C(－α)C(－β)C(－γ)Pι(6)由于篇幅有限且誤差處理及補(bǔ)償算法較為復(fù)雜，在此不做論述。至此已經(jīng)求得某個(gè)構(gòu)件在世界坐標(biāo)系的空間位置及姿態(tài)。1.2.3符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件空間定位表達(dá)獲取了構(gòu)件空間位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)，下一步就是將這些數(shù)據(jù)用符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的語句表達(dá)出來。在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，構(gòu)件位置通過IfcObjectPlacement實(shí)體表達(dá)，它是定義對(duì)象坐標(biāo)系的一種抽象父類，對(duì)于每個(gè)有形狀表達(dá)的產(chǎn)品都需要提供IfcObjectPlacement。構(gòu)件坐標(biāo)表達(dá)形式有相對(duì)坐標(biāo)、絕對(duì)坐標(biāo)和網(wǎng)格三種，本研究采用相對(duì)坐標(biāo)表達(dá)，由IfcProject表達(dá)項(xiàng)目的世界坐標(biāo)系統(tǒng)，其下層的IfcSite包含了該場(chǎng)地的單一地理參考點(diǎn)的定義(使用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)定義的經(jīng)度、緯度及海拔)，IfcBuilding、IfcBuildingStorey等位置均以其上層坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系，以此表達(dá)自身的局部坐標(biāo)系位置。采用此種表達(dá)方法也更容易和前文所述的IMU采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合。由于IFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個(gè)IFC文件有且僅有一個(gè)IfcProject實(shí)體，而可以包含多個(gè)IfcSite等實(shí)體，所以每個(gè)構(gòu)件實(shí)體需要通過IFC位置表達(dá)語句層層嵌套，最終關(guān)聯(lián)到IfcSite實(shí)體的坐標(biāo)系。此過程中最重要即獲取當(dāng)前局部坐標(biāo)系在上層坐標(biāo)系中的表達(dá)。由于IFC表達(dá)中一個(gè)坐標(biāo)系需要原點(diǎn)坐標(biāo)、Z軸和X軸向量確定，其中原點(diǎn)可以通過IMU數(shù)據(jù)解算，以得到現(xiàn)有構(gòu)件坐標(biāo)系在上層坐標(biāo)系中的坐標(biāo)原點(diǎn)(r1r2r3)，Z軸和X軸參考方向需要根據(jù)IMU數(shù)據(jù)解算得到的姿態(tài)轉(zhuǎn)角進(jìn)行變換得到。默認(rèn)局部坐標(biāo)系的Z軸坐標(biāo)為(001)T，X軸坐標(biāo)為(001)T，則局部坐標(biāo)系Z軸、X軸在上層坐標(biāo)系中的向量表達(dá)即為()zzzC123=-aRTSSSSSSSVXWWWWWWW()()001C-bC-cRTSSSSSSSVXWWWWWWW()xxxC123=-}RTSSSSSSSVXWWWWWWW()()100C-iC-{RTSSSSSSSVXWWWWWWW(7)則該構(gòu)件的局部坐標(biāo)系表達(dá)即為IFCCARTESIANPOINT((r1，r2，r3))；IFCDIRECTION((z1，z2，z3))；IFCDIRECTION((x1，x2，x3))。

2基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的空間自組織建模

2.1自組織建模整體流程基于國際IFC標(biāo)準(zhǔn)，以NMBIM軟件(上海交通大學(xué)BIM研究中心自主研發(fā)協(xié)同平臺(tái))為基礎(chǔ)平臺(tái)，使用VisualC++開發(fā)裝配式建筑構(gòu)件自組織建模軟件。整個(gè)自組織建模軟件分為測(cè)量單元，傳輸單元，模型生成單元三大部分，各個(gè)單元之間協(xié)同工作流程見圖1，主要步驟如下：(1)裝配式構(gòu)件吊裝前，通過BIM構(gòu)件庫[16]獲取構(gòu)件幾何信息、材料信息、屬性信息等基本信息，同時(shí)將這些基本信息讀入緩存；(2)將測(cè)量單元貼附在構(gòu)件表面特定位置并將測(cè)量單元初始化，開始構(gòu)件吊裝；(3)模型生成單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)在建模平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示安裝進(jìn)程；(4)某一構(gòu)件安裝完成，根據(jù)最終位置及構(gòu)件信息，在數(shù)據(jù)庫中生成安裝完成的構(gòu)件信息相對(duì)應(yīng)的信息記錄，同時(shí)拆下構(gòu)件上的測(cè)量裝置，進(jìn)行下一個(gè)構(gòu)件的吊裝；(5)所有構(gòu)件安裝完成，保存安裝過程中的數(shù)據(jù)文件至數(shù)據(jù)庫，根據(jù)選項(xiàng)生成對(duì)應(yīng)的IFC物理文件。2.2IFC模型文件的自動(dòng)生成IFC文件分為文件頭Header和數(shù)據(jù)Data部分，輸出IFC文件前先根據(jù)預(yù)定義信息初始化文件頭部分，記錄與整個(gè)交換文件結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息。接下來向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸出個(gè)人和組織信息定義、歸屬歷史等所有IFC文件都需要含有的通用實(shí)體信息等，緊接著根據(jù)外部數(shù)據(jù)資料實(shí)例化IfcProject實(shí)體，確定其相關(guān)屬性及其幾何環(huán)境表達(dá)、項(xiàng)目單位定義等信息。實(shí)例化完成一些必要的實(shí)體后，創(chuàng)建IfcSite、IfcBuilding、IfcBuildingStorey及其它Element實(shí)體的實(shí)例，同時(shí)在各個(gè)實(shí)例構(gòu)造函數(shù)中做好相關(guān)實(shí)體信息關(guān)聯(lián)，同時(shí)根據(jù)邏輯判斷，在生成相關(guān)實(shí)體實(shí)例的時(shí)候要?jiǎng)?chuàng)建相關(guān)實(shí)體間的關(guān)系實(shí)體實(shí)例。在完成所有實(shí)體數(shù)據(jù)信息實(shí)例的創(chuàng)建后，對(duì)容納有所有實(shí)例的容器進(jìn)行遍歷，最后一步即關(guān)聯(lián)一個(gè)文件流對(duì)象，將上述容器內(nèi)的所有實(shí)例通過算法轉(zhuǎn)化為文本，輸出到磁盤文件中，最后調(diào)用IFC文件校驗(yàn)工具，生成校驗(yàn)日志。2.3案例驗(yàn)證根據(jù)前文所述的模型生成流程，在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)可以自定義項(xiàng)目信息或者根據(jù)已有IFC模型數(shù)據(jù)解析項(xiàng)目信息，在原有IFC模型基礎(chǔ)上繼續(xù)添加新的裝配式構(gòu)件。本例采用已有的IFC模型數(shù)據(jù)，對(duì)該模型右上角的構(gòu)件進(jìn)行模擬吊裝。在實(shí)驗(yàn)室中，將IMU測(cè)量裝置粘貼在構(gòu)件下表面，并對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行初始化，開始裝配式構(gòu)件的吊裝，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)一根模擬柱子進(jìn)行移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中，構(gòu)件定位裝置會(huì)一直記錄加速度信號(hào)和角度信號(hào)數(shù)據(jù)，完成吊裝后對(duì)IMU元件采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到解析后的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。(限于篇幅，圖中只展示原始加速度信號(hào)圖像，未展示時(shí)域積分后的速度和位移信號(hào)圖像)和最終數(shù)據(jù)解析結(jié)果。之后依據(jù)構(gòu)件庫中相應(yīng)構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息。最后進(jìn)行下一個(gè)構(gòu)件的安裝，待所有構(gòu)件安裝完畢，導(dǎo)出IFC模型數(shù)據(jù)(本例只添加一根柱子作為示意)。在構(gòu)件樹中選中新添加的名為test_column的柱子，可以看到其幾何信息、材料信息、位置及其它屬性信息。誤差基本控制在7%以內(nèi)。IMU慣性單元存在漂移問題(本方案采用的IMU慣性單元的零偏為1.0mg，零偏穩(wěn)定性為±1.5mg/℃)，若采用精度更高的IMU慣性單元，誤差將進(jìn)一步減小。

3結(jié)論

本文通過對(duì)微機(jī)電傳感器及IFC標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的裝配式構(gòu)件空間定位算法，對(duì)MEMS傳感器追蹤到的構(gòu)件移動(dòng)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，借助數(shù)值積分算法，將加速度和角加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域積分，得到構(gòu)件移動(dòng)的三軸位移和三軸轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的實(shí)時(shí)定位。然后結(jié)合已有BIM構(gòu)件庫，研究和開發(fā)了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑信息模型生成軟件，為裝配式建筑竣工模型的生成提供一種新的思路和方法。

作者:劉思鋮 張家春 鄧雪原 單位:上海交通大學(xué)土木工程系