IFC標準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標準，研究裝配式建筑構件的空間實時定位算法，將微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）傳感器應用于建筑業(yè)，對微機電系統(tǒng)傳感器進行研究和開發(fā)，借助MEMS-IMU記錄裝配式構件在安裝過程中的空間位置和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，結合已有的BIM構件庫，研究基于IFC標準的建筑信息模型自動生成算法，以參數(shù)化獲得最終IFC標準數(shù)據(jù)模型，為裝配式建筑竣工模型的自動生成奠定基礎。
關鍵詞：建筑信息模型；IFC標準；MEMS傳感器；空間定位
隨著土木建筑工程項目的規(guī)模越來越大，建筑造型也越來越復雜，不同專業(yè)、各方人員協(xié)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、整合并分析建筑全生命周期的各種信息，加強信息共享，以便于對整個工程進行管理。同時，隨著裝配式建筑在國內(nèi)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(chǎn)效率，提升工程質(zhì)量。目前，國內(nèi)外許多學者在裝配式建筑和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于三維激光掃描系統(tǒng)及圖像重建技術的逆向工程[4-10]。綜合來說，激光掃描及圖像重建技術在建筑業(yè)中的研究及應用還處于初級階段，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著很多技術挑戰(zhàn)和實施困難。本文提出基于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(tài)捕捉算法，可生成符合IFC標準的建筑信息模型。
1基于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筑項目構件種類繁多，在模型建立初期就應該對構件命名規(guī)則進行細化約定，規(guī)范項目參與人員對項目的設計、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。建筑構件分類可借鑒北美地區(qū)廣泛使用的OmniClass[11]標準Table23-Products中的分類方法，并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(jù)裝配式構件庫中的構件基本信息按照預定規(guī)則自動生成并轉為Unicode碼，添加IFC文件實體屬性Name字段。IFC標準采用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?qū)印⒐蚕韺印⒑诵膶印①Y源層。定義于核心層中的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(IfcObjectDefinition，IfcPropertyDefinition，IfcRelationship)都是由IfcRoot派生而來，實體間的關系見文獻[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(huán)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坐標。1.2構件的空間定位目前國內(nèi)外對裝配式建筑安裝過程中構件定位的研究基本處于起步階段，本研究需要測量構件的實時位置及姿態(tài)，再根據(jù)其幾何外觀等參數(shù)，在遠端計算機上實時顯示及監(jiān)測安裝進度，進一步可以實現(xiàn)信息化的進度、材料、設備管理等內(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維的建筑信息模型，所以需要實時跟蹤并記錄構件在安裝過程中的各項數(shù)據(jù)，考慮到施工現(xiàn)場條件限制以及信號遮擋等問題，本研究采用航位推算法，利用基于微機電系統(tǒng)的慣性測量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)對裝配式構件進行位置及姿態(tài)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(tài)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。相較于在現(xiàn)場使用GPS及微波定位等方法，其優(yōu)點是體積小，抗沖擊，可靠性高，壽命長，成本低，重量輕[15]，且不受施工場地使用環(huán)境限制，抗干擾能力強。但其也存在測量誤差會隨著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(tǒng)需求的準確數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，陀螺儀用來測量物體角速度數(shù)據(jù)。由于IMU只能采集到原始的加速度和角加速度信號，而不能直接得到構件的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，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(tài)信息。對于物體的加速度信號，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(shù)：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坐標系下的三軸位移：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(shù)，v0為初始速度，r*(t)為v(t)的原函數(shù)，r0為初始位移。由于所測量的構件不能被看作空間中的一個質(zhì)點，而加速度計測量的加速度數(shù)據(jù)僅僅是固連在自身上的坐標系中的數(shù)據(jù)，所以測得的數(shù)據(jù)并不是世界坐標系中的數(shù)據(jù)，這就需要進行進一步的坐標變換處理。此時就需要借助陀螺儀記錄的方向參數(shù)。1.2.2構件姿態(tài)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坐標系(WorldCoordinateSystem，WCS)，需要求得的數(shù)據(jù)為構件在世界坐標系下的絕對姿態(tài)，而固連在IMU上的坐標系可視為局部坐標系，假定局部坐標系和世界坐標系的初始位置重合，從世界坐標系到局部坐標系的變換可以用歐拉旋轉或者四元數(shù)旋轉等方式表達，為表達更加方便直觀，這里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，則從世界坐標系Pw到局部坐標系Pι的變換為則從局部坐標系數(shù)據(jù)求世界坐標系數(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)不難看出沿軸旋轉變換矩陣的逆矩陣即為繞坐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)由于篇幅有限且誤差處理及補償算法較為復雜，在此不做論述。至此已經(jīng)求得某個構件在世界坐標系的空間位置及姿態(tài)。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(tài)數(shù)據(jù)，下一步就是將這些數(shù)據(jù)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，它是定義對象坐標系的一種抽象父類，對于每個有形狀表達的產(chǎn)品都需要提供IfcObjectPlacement。構件坐標表達形式有相對坐標、絕對坐標和網(wǎng)格三種，本研究采用相對坐標表達，由IfcProject表達項目的世界坐標系統(tǒng)，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坐標系統(tǒng)定義的經(jīng)度、緯度及海拔)，IfcBuilding、IfcBuildingStorey等位置均以其上層坐標系作為參考坐標系，以此表達自身的局部坐標系位置。采用此種表達方法也更容易和前文所述的IMU采集到的數(shù)據(jù)結合。由于IFC標準規(guī)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(lián)到IfcSite實體的坐標系。此過程中最重要即獲取當前局部坐標系在上層坐標系中的表達。由于IFC表達中一個坐標系需要原點坐標、Z軸和X軸向量確定，其中原點可以通過IMU數(shù)據(jù)解算，以得到現(xiàn)有構件坐標系在上層坐標系中的坐標原點(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)轉角進行變換得到。默認局部坐標系的Z軸坐標為(001)T，X軸坐標為(001)T，則局部坐標系Z軸、X軸在上層坐標系中的向量表達即為()zzzC123=-aRTSSSSSSSVXWWWWWWW()()001C-bC-cRTSSSSSSSVXWWWWWWW()xxxC123=-}RTSSSSSSSVXWWWWWWW()()100C-iC-{RTSSSSSSSVXWWWWWWW(7)則該構件的局部坐標系表達即為IFCCARTESIANPOINT((r1，r2，r3))；IFCDIRECTION((z1，z2，z3))；IFCDIRECTION((x1，x2，x3))。
2基于IFC標準的空間自組織建模
2.1自組織建模整體流程基于國際IFC標準，以NMBIM軟件(上海交通大學BIM研究中心自主研發(fā)協(xié)同平臺)為基礎平臺，使用VisualC++開發(fā)裝配式建筑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(xié)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并將測量單元初始化，開始構件吊裝；(3)模型生成單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)在建模平臺實時顯示安裝進程；(4)某一構件安裝完成，根據(jù)最終位置及構件信息，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)文件至數(shù)據(jù)庫，根據(jù)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(shù)據(jù)Data部分，輸出IFC文件前先根據(jù)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(shù)據(jù)緩沖區(qū)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，緊接著根據(jù)外部數(shù)據(jù)資料實例化IfcProject實體，確定其相關屬性及其幾何環(huán)境表達、項目單位定義等信息。實例化完成一些必要的實體后，創(chuàng)建IfcSite、IfcBuilding、IfcBuildingStorey及其它Element實體的實例，同時在各個實例構造函數(shù)中做好相關實體信息關聯(lián)，同時根據(jù)邏輯判斷，在生成相關實體實例的時候要創(chuàng)建相關實體間的關系實體實例。在完成所有實體數(shù)據(jù)信息實例的創(chuàng)建后，對容納有所有實例的容器進行遍歷，最后一步即關聯(lián)一個文件流對象，將上述容器內(nèi)的所有實例通過算法轉化為文本，輸出到磁盤文件中，最后調(diào)用IFC文件校驗工具，生成校驗日志。2.3案例驗證根據(jù)前文所述的模型生成流程，在實驗室驗證整個系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)可以自定義項目信息或者根據(jù)已有IFC模型數(shù)據(jù)解析項目信息，在原有IFC模型基礎上繼續(xù)添加新的裝配式構件。本例采用已有的IFC模型數(shù)據(jù)，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，并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(shù)據(jù)，完成吊裝后對IMU元件采集到的數(shù)據(jù)進行解析，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圖像，未展示時域積分后的速度和位移信號圖像)和最終數(shù)據(jù)解析結果。之后依據(jù)構件庫中相應構件的數(shù)據(jù)信息。最后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(shù)據(jù)(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(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，提出基于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(shù)據(jù)進行自動化處理，借助數(shù)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(xiàn)構件的實時定位。然后結合已有BIM構件庫，研究和開發(fā)了基于IFC標準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:上海交通大學土木工程系