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)件的空間實時定位算法，將微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）傳感器應(yīng)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(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(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(shù)挑戰(zhàn)和實施困難。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)件表達建筑項目構(gòu)件種類繁多，在模型建立初期就應(yīng)該對構(gòu)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(shè)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(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)上進行擴展，以對自組織生成模型中的構(gòu)件進行命名。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)則自動生成并轉(zhuǎn)為Unicode碼，添加IFC文件實體屬性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(guān)系見文獻[14]Express-g圖。三維幾何建模常用到的構(gòu)件在IFC標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)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(guān)的任何對象的抽象表達，其子類通常設(shè)有形狀表達和項目結(jié)構(gòu)所涉及的對象坐標(biāo)。1.2構(gòu)件的空間定位目前國內(nèi)外對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，本研究需要測量構(gòu)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(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維的建筑信息模型，所以需要實時跟蹤并記錄構(gòu)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(gòu)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(shè)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(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)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(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(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，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(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(gòu)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(biāo)系中的數(shù)據(jù)，所以測得的數(shù)據(jù)并不是世界坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)，這就需要進行進一步的坐標(biāo)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(gòu)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(shè)置一個世界坐標(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，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(shè)旋轉(zhuǎn)次序為x-y-z，三個歐拉角為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(fù)雜，在此不做論述。至此已經(jīng)求得某個構(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)的語句表達出來。在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，構(gòu)件位置通過IfcObjectPlacement實體表達，它是定義對象坐標(biāo)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(gòu)件坐標(biāo)表達形式有相對坐標(biāo)、絕對坐標(biāo)和網(wǎng)格三種，本研究采用相對坐標(biāo)表達，由IfcProject表達項目的世界坐標(biāo)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(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，以此表達自身的局部坐標(biāo)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(jié)合。由于IFC標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件實體需要通過IFC位置表達語句層層嵌套，最終關(guān)聯(lián)到IfcSite實體的坐標(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。由于IFC表達中一個坐標(biāo)系需要原點坐標(biāo)、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(gòu)件坐標(biāo)系在上層坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(zhuǎn)角進行變換得到。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)為基礎(chǔ)平臺，使用VisualC++開發(fā)裝配式建筑構(gòu)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(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，同時將這些基本信息讀入緩存；(2)將測量單元貼附在構(gòu)件表面特定位置并將測量單元初始化，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)在建模平臺實時顯示安裝進程；(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)件信息相對應(yīng)的信息記錄，同時拆下構(gòu)件上的測量裝置，進行下一個構(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)選項生成對應(yīng)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(yù)定義信息初始化文件頭部分，記錄與整個交換文件結(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(guān)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(gòu)造函數(shù)中做好相關(guān)實體信息關(guān)聯(lián)，同時根據(jù)邏輯判斷，在生成相關(guān)實體實例的時候要創(chuàng)建相關(guān)實體間的關(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(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)，對該模型右上角的構(gòu)件進行模擬吊裝。在實驗室中，將IMU測量裝置粘貼在構(gòu)件下表面，并對測量裝置進行初始化，開始裝配式構(gòu)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(gòu)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(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。最后進行下一個構(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，誤差將進一步減小。
3結(jié)論
本文通過對微機電傳感器及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MEMS傳感器追蹤到的構(gòu)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(gòu)件移動的三軸位移和三軸轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)構(gòu)件的實時定位。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