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演算法，將微機電系統（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）感測器應用於建築業，對微機電系統感測器進行研究和開發，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資料，結合已有的BIM構件庫，研究基於IFC標準的建築資訊模型自動生成演算法，以引數化獲得最終IFC標準資料模型，為裝配式建築竣工模型的自動生成奠定基礎。
關鍵詞：建築資訊模型；IFC標準；MEMS感測器；空間定位
隨著土木建築工程專案的規模越來越大，建築造型也越來越複雜，不同專業、各方人員協同困難，越來越多的工程專案期望使用或者正在使用BIM技術去整合、整合並分析建築全生命週期的各種資訊，加強資訊共享，以便於對整個工程進行管理。同時，隨著裝配式建築在國內的推廣，越來越多的工程專案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鐳射掃描系統及影象重建技術的逆向工程[4-10]。綜合來說，鐳射掃描及影象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著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，透過研究IFC標準中構件資訊表達方法，結合構件位置及姿態捕捉演算法，可生成符合IFC標準的建築資訊模型。
1基於IFC標準的構件空間定位演算法
1.1符合國際標準的構件表達建築專案構件種類繁多，在模型建立初期就應該對構件命名規則進行細化約定，規範專案參與人員對專案的設計、修改等行為，提高資料互動效率，保證建築資訊模型資料質量。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充套件，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資訊按照預定規則自動生成並轉為Unicode碼，新增IFC檔案實體屬性Name欄位。IFC標準採用EXPRESS語言描述[12]，並定義其包含的所有資料資訊，唐春鳳等[13]闡述了IFC檔案的一般結構和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型別(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物件的抽象表達，其子類通常設有形狀表達和專案結構所涉及的物件座標。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引數，在遠端計算機上實時顯示及監測安裝進度，進一步可以實現資訊化的進度、材料、裝置管理等內容，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資訊模型，所以需要實時跟蹤並記錄構件在安裝過程中的各項資料，考慮到施工現場條件限制以及訊號遮擋等問題，本研究採用航位推演算法，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裝置，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裝置等。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著時間的推移而增大的不足，所以需要透過一定的演算法(如KalmanFiltering演算法)來消除對應的誤差，以得到滿足系統需求的準確資料。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資料，陀螺儀用來測量物體角速度資料。由於IMU只能採集到原始的加速度和角加速度訊號，而不能直接得到構件的位置和姿態資料，所以需要利用相關演算法處理器原始訊號，以得到所需的位置和姿態資訊。對於物體的加速度訊號，可以透過時域積分，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式：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，得到加速度計在區域性座標系下的三軸位移：r(t)=∫0tv(t)dt=r*(t)+r0(2)式(1)、(2)中：a(t)為加速度計原始訊號，v*(t)為a(t)的原函式，v0為初始速度，r*(t)為v(t)的原函式，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資料僅僅是固連在自身上的座標系中的資料，所以測得的資料並不是世界座標系中的資料，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引數。1.2.2構件姿態獲取陀螺儀的使用和加速度計類似，它透過測量力矩計算角速率，透過角速率積分得到角度變化。一般建模過程中都會設定一個世界座標系(WorldCoordinateSystem，WCS)，需要求得的資料為構件在世界座標系下的絕對姿態，而固連在IMU上的座標系可視為區域性座標系，假定區域性座標系和世界座標系的初始位置重合，從世界座標系到區域性座標系的變換可以用尤拉旋轉或者四元數旋轉等方式表達，為表達更加方便直觀，這裡選擇用尤拉角表達變換過程，不妨設旋轉次序為x-y-z，三個尤拉角為α、β、γ，則從世界座標系Pw到區域性座標系Pι的變換為則從區域性座標系資料求世界座標系資料只需求式(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演算法較為複雜，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資料，下一步就是將這些資料用符合IFC標準的語句表達出來。在IFC標準中，構件位置透過IfcObjectPlacement實體表達，它是定義物件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表達專案的世界座標系統，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，以此表達自身的區域性座標系位置。採用此種表達方法也更容易和前文所述的IMU採集到的資料結合。由於IFC標準規定每個IFC檔案有且僅有一個IfcProject實體，而可以包含多個IfcSite等實體，所以每個構件實體需要透過IFC位置表達語句層層巢狀，最終關聯到IfcSite實體的座標系。此過程中最重要即獲取當前區域性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，其中原點可以透過IMU資料解算，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資料解算得到的姿態轉角進行變換得到。預設區域性座標系的Z軸座標為(001)T，X軸座標為(001)T，則區域性座標系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)則該構件的區域性座標系表達即為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軟體(上海交通大學BIM研究中心自主研發協同平臺)為基礎平臺，使用VisualC++開發裝配式建築構件自組織建模軟體。整個自組織建模軟體分為測量單元，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，透過BIM構件庫[16]獲取構件幾何資訊、材料資訊、屬性資訊等基本資訊，同時將這些基本資訊讀入快取；(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資料在建模平臺實時顯示安裝程序；(4)某一構件安裝完成，根據最終位置及構件資訊，在資料庫中生成安裝完成的構件資訊相對應的資訊記錄，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，儲存安裝過程中的資料檔案至資料庫，根據選項生成對應的IFC物理檔案。2.2IFC模型檔案的自動生成IFC檔案分為檔案頭Header和資料Data部分，輸出IFC檔案前先根據預定義資訊初始化檔案頭部分，記錄與整個交換檔案結構有關的資訊。接下來向資料緩衝區輸出個人和組織資訊定義、歸屬歷史等所有IFC檔案都需要含有的通用實體資訊等，緊接著根據外部資料資料例項化IfcProject實體，確定其相關屬性及其幾何環境表達、專案單位定義等資訊。例項化完成一些必要的'實體後，建立IfcSite、IfcBuilding、IfcBuildingStorey及其它Element實體的例項，同時在各個例項建構函式中做好相關實體資訊關聯，同時根據邏輯判斷，在生成相關實體例項的時候要建立相關實體間的關係實體例項。在完成所有實體資料資訊例項的建立後，對容納有所有例項的容器進行遍歷，最後一步即關聯一個檔案流物件，將上述容器內的所有例項透過演算法轉化為文字，輸出到磁碟檔案中，最後呼叫IFC檔案校驗工具，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。本系統可以自定義專案資訊或者根據已有IFC模型資料解析專案資訊，在原有IFC模型基礎上繼續新增新的裝配式構件。本例採用已有的IFC模型資料，對該模型右上角的構件進行模擬吊裝。在實驗室中，將IMU測量裝置貼上在構件下表面，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訊號和角度訊號資料，完成吊裝後對IMU元件採集到的資料進行解析，得到解析後的位置和姿態資料。(限於篇幅，圖中只展示原始加速度訊號影象，未展示時域積分後的速度和位移訊號影象)和最終資料解析結果。之後依據構件庫中相應構件的資料資訊。最後進行下一個構件的安裝，待所有構件安裝完畢，匯出IFC模型資料(本例只新增一根柱子作為示意)。在構件樹中選中新新增的名為test_column的柱子，可以看到其幾何資訊、材料資訊、位置及其它屬性資訊。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
本文透過對微機電感測器及IFC標準的研究，提出基於IFC標準的裝配式構件空間定位演算法，對MEMS感測器追蹤到的構件移動過程資料進行自動化處理，藉助數值積分演算法，將加速度和角加速度訊號進行時域積分，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標準的建築資訊模型生成軟體，為裝配式建築竣工模型的生成提供一種新的思路和方法。
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