IFC標準的裝配式建築空間自組織建模方法論文

摘要：基於國際IFC標準，研究裝配式建築構件的空間實時定位算法，將微機電系統（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）傳感器應用於建築業，對微機電系統傳感器進行研究和開發，藉助MEMS-IMU記錄裝配式構件在安裝過程中的空間位置和姿態變化數據，結合已有的BIM構件庫，研究基於IFC標準的建築信息模型自動生成算法，以參數化獲得最終IFC標準數據模型，為裝配式建築竣工模型的自動生成奠定基礎。

關鍵詞：建築信息模型；IFC標準；MEMS傳感器；空間定位

隨着土木建築工程項目的規模越來越大，建築造型也越來越複雜，不同專業、各方人員協同困難，越來越多的工程項目期望使用或者正在使用BIM技術去集成、整合並分析建築全生命週期的各種信息，加強信息共享，以便於對整個工程進行管理。同時，隨着裝配式建築在國內的推廣，越來越多的工程項目選擇使用裝配式技術來提高整體生產效率，提升工程質量。目前，國內外許多學者在裝配式建築和BIM技術結合方面做了不少研究[1-3]。目前大部分模型自動生成研究都是基於三維激光掃描系統及圖像重建技術的逆向工程[4-10]。綜合來説，激光掃描及圖像重建技術在建築業中的研究及應用還處於初級階段，雖然許多研究已取得階段性進展，但生成滿足竣工交付要求的三維模型仍面臨着很多技術挑戰和實施困難。本文提出基於IFC標準的裝配式構件空間定位方法，通過研究IFC標準中構件信息表達方法，結合構件位置及姿態捕捉算法，可生成符合IFC標準的建築信息模型。

1基於IFC標準的構件空間定位算法

1.1符合國際標準的構件表達建築項目構件種類繁多，在模型建立初期就應該對構件命名規則進行細化約定，規範項目參與人員對項目的設計、修改等行為，提高數據交互效率，保證建築信息模型數據質量。建築構件分類可借鑑北美地區廣泛使用的OmniClass[11]標準Table23-Products中的分類方法，並在此基礎上進行擴展，以對自組織生成模型中的構件進行命名。構件命名可根據裝配式構件庫中的構件基本信息按照預定規則自動生成並轉為Unicode碼，添加IFC文件實體屬性Name字段。IFC標準採用EXPRESS語言描述[12]，並定義其包含的所有數據信息，唐春鳳等[13]闡述了IFC文件的一般結構和EXPRESS語言。IFC標準技術架構分為4層，由上至下分別為：領域層、共享層、核心層、資源層。定義於核心層中的IfcRoot實體直接或者間接派生出資源層之外定義的每個實體。IFC模型中的三種基本實體類型(IfcObjectDenition，IfcPropertyDenition，IfcRelationship)都是由IfcRoot派生而來，實體間的關係見文獻[14]Express-g圖。三維幾何建模常用到的構件在IFC標準中對應的實體都由實體IfcProduct派生或其子類派生，IfcProduct是對與幾何或空間環境相關的任何對象的抽象表達，其子類通常設有形狀表達和項目結構所涉及的對象座標。1.2構件的空間定位目前國內外對裝配式建築安裝過程中構件定位的研究基本處於起步階段，本研究需要測量構件的實時位置及姿態，再根據其幾何外觀等參數，在遠端計算機上實時顯示及監測安裝進度，進一步可以實現信息化的進度、材料、設備管理等內容，提升管理水平，提高工程質量，最後生成能用於後期運維的建築信息模型，所以需要實時跟蹤並記錄構件在安裝過程中的各項數據，考慮到施工現場條件限制以及信號遮擋等問題，本研究採用航位推算法，利用基於微機電系統的慣性測量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)對裝配式構件進行位置及姿態的追蹤。IMU大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人上，也被用在對姿態進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、導彈和航天器的慣性導航設備等。相較於在現場使用GPS及微波定位等方法，其優點是體積小，抗衝擊，可靠性高，壽命長，成本低，重量輕[15]，且不受施工場地使用環境限制，抗干擾能力強。但其也存在測量誤差會隨着時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)來消除對應的誤差，以得到滿足系統需求的準確數據。1.2.1構件位置獲取一個IMU一般包含有三軸加速度計和三軸陀螺儀，加速度計用來檢測物體三個獨立軸向的加速度數據，陀螺儀用來測量物體角速度數據。由於IMU只能採集到原始的加速度和角加速度信號，而不能直接得到構件的位置和姿態數據，所以需要利用相關算法處理器原始信號，以得到所需的位置和姿態信息。對於物體的加速度信號，可以通過時域積分，將加速度值a對時間t積分，同時給定初始速度，可以得到加速度計的速度函數：v(t)=∫0ta(t)dt=v*(t)+v0(1)將式(1)再次對時間t積分，同時給定初始位移，得到加速度計在局部座標系下的三軸位移：r(t)=∫0tv(t)dt=r*(t)+r0(2)式(1)、(2)中：a(t)為加速度計原始信號，v*(t)為a(t)的原函數，v0為初始速度，r*(t)為v(t)的原函數，r0為初始位移。由於所測量的構件不能被看作空間中的一個質點，而加速度計測量的加速度數據僅僅是固連在自身上的座標系中的數據，所以測得的數據並不是世界座標系中的數據，這就需要進行進一步的座標變換處理。此時就需要藉助陀螺儀記錄的方向參數。1.2.2構件姿態獲取陀螺儀的使用和加速度計類似，它通過測量力矩計算角速率，通過角速率積分得到角度變化。一般建模過程中都會設置一個世界座標系(WorldCoordinateSystem，WCS)，需要求得的數據為構件在世界座標系下的絕對姿態，而固連在IMU上的座標系可視為局部座標系，假定局部座標系和世界座標系的初始位置重合，從世界座標系到局部座標系的變換可以用歐拉旋轉或者四元數旋轉等方式表達，為表達更加方便直觀，這裏選擇用歐拉角表達變換過程，不妨設旋轉次序為x-y-z，三個歐拉角為α、β、γ，則從世界座標系Pw到局部座標系Pι的變換為則從局部座標系數據求世界座標系數據只需求式(3)的逆變換，即：Pw=C-1(α)C-1(β)C-1(γ)Pι(5)不難看出沿軸旋轉變換矩陣的逆矩陣即為繞座標軸旋轉一個相反的角度，即可得式(5)的等價公式：Pw=C(－α)C(－β)C(－γ)Pι(6)由於篇幅有限且誤差處理及補償算法較為複雜，在此不做論述。至此已經求得某個構件在世界座標系的空間位置及姿態。1.2.3符合IFC標準的構件空間定位表達獲取了構件空間位置及姿態數據，下一步就是將這些數據用符合IFC標準的語句表達出來。在IFC標準中，構件位置通過IfcObjectPlacement實體表達，它是定義對象座標系的一種抽象父類，對於每個有形狀表達的產品都需要提供IfcObjectPlacement。構件座標表達形式有相對座標、絕對座標和網格三種，本研究採用相對座標表達，由IfcProject表達項目的世界座標系統，其下層的IfcSite包含了該場地的單一地理參考點的定義(使用WGS84座標系統定義的經度、緯度及海拔)，IfcBuilding、IfcBuildingStorey等位置均以其上層座標系作為參考座標系，以此表達自身的局部座標系位置。採用此種表達方法也更容易和前文所述的IMU採集到的數據結合。由於IFC標準規定每個IFC文件有且僅有一個IfcProject實體，而可以包含多個IfcSite等實體，所以每個構件實體需要通過IFC位置表達語句層層嵌套，最終關聯到IfcSite實體的座標系。此過程中最重要即獲取當前局部座標系在上層座標系中的表達。由於IFC表達中一個座標系需要原點座標、Z軸和X軸向量確定，其中原點可以通過IMU數據解算，以得到現有構件座標系在上層座標系中的座標原點(r1r2r3)，Z軸和X軸參考方向需要根據IMU數據解算得到的姿態轉角進行變換得到。默認局部座標系的Z軸座標為(001)T，X軸座標為(001)T，則局部座標系Z軸、X軸在上層座標系中的向量表達即為()zzzC123=-aRTSSSSSSSVXWWWWWWW()()001C-bC-cRTSSSSSSSVXWWWWWWW()xxxC123=-}RTSSSSSSSVXWWWWWWW()()100C-iC-{RTSSSSSSSVXWWWWWWW(7)則該構件的局部座標系表達即為IFCCARTESIANPOINT((r1，r2，r3))；IFCDIRECTION((z1，z2，z3))；IFCDIRECTION((x1，x2，x3))。

2基於IFC標準的空間自組織建模

2.1自組織建模整體流程基於國際IFC標準，以NMBIM軟件(上海交通大學BIM研究中心自主研發協同平台)為基礎平台，使用VisualC++開發裝配式建築構件自組織建模軟件。整個自組織建模軟件分為測量單元，傳輸單元，模型生成單元三大部分，各個單元之間協同工作流程見圖1，主要步驟如下：(1)裝配式構件吊裝前，通過BIM構件庫[16]獲取構件幾何信息、材料信息、屬性信息等基本信息，同時將這些基本信息讀入緩存；(2)將測量單元貼附在構件表面特定位置並將測量單元初始化，開始構件吊裝；(3)模型生成單元根據接收到的數據在建模平台實時顯示安裝進程；(4)某一構件安裝完成，根據最終位置及構件信息，在數據庫中生成安裝完成的構件信息相對應的信息記錄，同時拆下構件上的測量裝置，進行下一個構件的吊裝；(5)所有構件安裝完成，保存安裝過程中的'數據文件至數據庫，根據選項生成對應的IFC物理文件。2.2IFC模型文件的自動生成IFC文件分為文件頭Header和數據Data部分，輸出IFC文件前先根據預定義信息初始化文件頭部分，記錄與整個交換文件結構有關的信息。接下來向數據緩衝區輸出個人和組織信息定義、歸屬歷史等所有IFC文件都需要含有的通用實體信息等，緊接着根據外部數據資料實例化IfcProject實體，確定其相關屬性及其幾何環境表達、項目單位定義等信息。實例化完成一些必要的實體後，創建IfcSite、IfcBuilding、IfcBuildingStorey及其它Element實體的實例，同時在各個實例構造函數中做好相關實體信息關聯，同時根據邏輯判斷，在生成相關實體實例的時候要創建相關實體間的關係實體實例。在完成所有實體數據信息實例的創建後，對容納有所有實例的容器進行遍歷，最後一步即關聯一個文件流對象，將上述容器內的所有實例通過算法轉化為文本，輸出到磁盤文件中，最後調用IFC文件校驗工具，生成校驗日誌。2.3案例驗證根據前文所述的模型生成流程，在實驗室驗證整個系統的可行性。本系統可以自定義項目信息或者根據已有IFC模型數據解析項目信息，在原有IFC模型基礎上繼續添加新的裝配式構件。本例採用已有的IFC模型數據，對該模型右上角的構件進行模擬吊裝。在實驗室中，將IMU測量裝置粘貼在構件下表面，並對測量裝置進行初始化，開始裝配式構件的吊裝，在實驗室對一根模擬柱子進行移動，在移動的過程中，構件定位裝置會一直記錄加速度信號和角度信號數據，完成吊裝後對IMU元件採集到的數據進行解析，得到解析後的位置和姿態數據。(限於篇幅，圖中只展示原始加速度信號圖像，未展示時域積分後的速度和位移信號圖像)和最終數據解析結果。之後依據構件庫中相應構件的數據信息。最後進行下一個構件的安裝，待所有構件安裝完畢，導出IFC模型數據(本例只添加一根柱子作為示意)。在構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。IMU慣性單元存在漂移問題(本方案採用的IMU慣性單元的零偏為1.0mg，零偏穩定性為±1.5mg/℃)，若採用精度更高的IMU慣性單元，誤差將進一步減小。

3結論

本文通過對微機電傳感器及IFC標準的研究，提出基於IFC標準的裝配式構件空間定位算法，對MEMS傳感器追蹤到的構件移動過程數據進行自動化處理，藉助數值積分算法，將加速度和角加速度信號進行時域積分，得到構件移動的三軸位移和三軸轉角，實現構件的實時定位。然後結合已有BIM構件庫，研究和開發了基於IFC標準的建築信息模型生成軟件，為裝配式建築竣工模型的生成提供一種新的思路和方法。