劉吉明 ,段立平,b ,林思偉 ,繆季 ,趙金城,b

（上海交通大學(xué) a.船舶海洋與建筑工程學(xué)院；b.上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運維重點實驗室，上海 200240）

在推行數(shù)字化建造的過程中，項目各方信息流通困難、專業(yè)軟件數(shù)據(jù)格式各異、建筑信息多源異構(gòu)及大數(shù)據(jù)特征等問題嚴(yán)重阻礙了行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。這些涉及信息集成、流通與管理的問題可統(tǒng)稱為信息交付問題，而傳統(tǒng)碎片化、分散式的交付方式已無法滿足數(shù)字化建造需求，因此亟需革新建筑信息交付方式以打破信息孤島壁壘。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)及其信息交付標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Class，IFC）的興起為上述問題帶來了轉(zhuǎn)機。IFC 是由buildingSMART International（bSI）提出的開放且中立的數(shù)據(jù)交換格式，其通過描述建筑模型的幾何架構(gòu)、語義架構(gòu)以及二者的相互關(guān)系，實現(xiàn)了對建筑信息的完整描述。也正因如此，IFC被認(rèn)為適用于建筑全生命周期中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)交換場景。例如，劉照球等[1]基于BIM 的模型集成框架、賴華輝等[2]基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的信息共享方法、馬智亮等[3]基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的建筑能耗監(jiān)測靜態(tài)信息模型都有效提升了信息交付效率。然而，由于IFC 標(biāo)準(zhǔn)存在編寫語言普及程度低和數(shù)據(jù)架構(gòu)復(fù)雜、難以拓展的問題[4]，該技術(shù)仍無法解決信息交付難題。

此外，通過建立數(shù)學(xué)表達(dá)式或開發(fā)算法來建立數(shù)學(xué)模型的方法也是一種可行的數(shù)據(jù)集成方式，比如魏國海等[5]的火災(zāi)損傷多元信息融合模型、Liu等[6]基于數(shù)字孿生的信息融合框架，以及張立奎等[7]用于橋梁變形重構(gòu)的基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多元信息融合方法。但現(xiàn)有的數(shù)學(xué)建模方法無法涵蓋所有相關(guān)因素，并且所建模型高度抽象，故而也難以在實踐中得到推廣。

針對以上問題，筆者在IFC 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上引入語義網(wǎng)以克服其局限性。首先，介紹語義網(wǎng)核心技術(shù)架構(gòu)，并分析語義網(wǎng)拓展IFC 功能的可行性。然后，利用Pauwels 等[8]提出的轉(zhuǎn)化方法執(zhí)行建筑信息語義化建模，通過驗證所建模型數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性來說明該方法的可行性。最后，分析所建模型的數(shù)據(jù)模式以探討制約該技術(shù)實踐應(yīng)用的關(guān)鍵因素，并基于分析的數(shù)據(jù)模式提出冗余信息規(guī)避的可行方法。

1 語義網(wǎng)核心技術(shù)與IFC 功能拓展

語義網(wǎng)是萬維網(wǎng)之父Berners-Lee 等[9]于1998年提出的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在解決“傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僅作為給用戶提供文檔的媒介而無法直接處理數(shù)據(jù)信息”的問題。該技術(shù)的主旨是通過機器可理解的統(tǒng)一信息描述來共享暫存信息，而這一功能特征恰與建筑業(yè)亟需解決的信息交付難題高度契合。正因如此，語義網(wǎng)賦能建筑信息交付得到學(xué)者廣泛探究。其中，專研建筑信息智能化的國際組織bSI 不僅成立鏈接數(shù)據(jù)工作組（Linked Data Working Group，LDWG）來實現(xiàn)IfcOWL 本體的標(biāo)準(zhǔn)化，同時還將語義網(wǎng)納入其技術(shù)路線圖[10]。

1.1 語義網(wǎng)核心技術(shù)

Berners-Lee 最早提出了語義網(wǎng)基本架構(gòu)，其逐步發(fā)展完善為現(xiàn)行的語義網(wǎng)堆棧[11]。該技術(shù)架構(gòu)下的資源描述框架（Resource Description Framework，RDF）、本體與網(wǎng)絡(luò)本體語言（Web Ontology Language，OWL）以 及 SPARQL（SPARQL Protocol and RDF Query Language）三項核心技術(shù)為其數(shù)據(jù)表示、邏輯推理和知識查詢功能提供支持。

RDF 是萬維網(wǎng)聯(lián)盟（World Wide Web Consortium，W3C）提出的以相互關(guān)聯(lián)的有向標(biāo)記圖描述資源信息的標(biāo)準(zhǔn)框架。通過以主體-謂詞-客體的三元組表達(dá)式描述資源，實現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)，進(jìn)而為語義化建模和知識查詢推理奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本體和OWL 是語義網(wǎng)體系中賦予模型高級知識邏輯的關(guān)鍵模塊。本體原為哲學(xué)領(lǐng)域概念，知識工程引入該術(shù)語以創(chuàng)建自動推理信息模型。OWL特指W3C 推行的OWL2 網(wǎng)絡(luò)本體語言，是一種旨在表述事物、事物組及事物間關(guān)系所蘊含知識的陳述性語言。在語義網(wǎng)架構(gòu)中，把基于OWL 概念創(chuàng)建的RDF 圖稱為OWL 本體，用以彌補RDFS（Resource Description Framework Schema）語義豐富度不足的缺陷。圖1 所示是W3C 倡議的OWL2本體的分類架構(gòu)和主要配置文件[12]，其中OWL2 DL 本體在知識推理工具中應(yīng)用最廣。其原因在于OWL2 DL 可產(chǎn)生與SROIQ 描述邏輯兼容的語義，且根據(jù)相似理論[13]，其推論足夠可信，故推理工具可參照描述邏輯的實踐經(jīng)驗進(jìn)行開發(fā)。

圖1 OWL2 本體分類及語義層次關(guān)系Fig.1 Classification and semantics hierarchy relationships of OWL2 ontology

SPARQL 是基于圖模式匹配的RDF 查詢語言，可跨數(shù)據(jù)源作聯(lián)合查詢并返回RDF 圖。SPARQL 可對匹配圖模式作增刪查改，進(jìn)而實現(xiàn)RDF 數(shù)據(jù)集的動態(tài)更新。除查詢外，知識推理也是語義網(wǎng)的重要功能。語義網(wǎng)不僅有源自RDFS 和OWL 的推理邏輯，還可借由SWRL、SPIN 和SHACL 規(guī)則語言實現(xiàn)高級知識推理。此外，輔助本體開發(fā)的本體推理也是一種知識推理形式[14]。

1.2 語義網(wǎng)拓展IFC 信息交付功能

在實際信息交付場景中，IFC 標(biāo)準(zhǔn)所面臨的主要問題是數(shù)據(jù)模式難以拓展和信息提取修改困難。通過分析各問題致因以及語義網(wǎng)處理該問題的優(yōu)勢，論證了語義網(wǎng)拓展IFC 信息交付功能的可行性。

拓展性問題是指難以擴充既定的IFC 數(shù)據(jù)模式來滿足個性化的信息表述需求，該問題主要源于定義數(shù)據(jù)模式的EXPRESS 語言。首先，這是一種不常用的聲明性語言，難以被建筑業(yè)用戶所掌握；其次，該語言可定義的信息類型繁雜（可同時定義實體、關(guān)系、規(guī)則及復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），故由其聲明的IFC數(shù)據(jù)模式復(fù)雜且難以擴展。bSI 針對該問題提供了自定義屬性集和數(shù)據(jù)字典的解決方案，但前者難以實現(xiàn)術(shù)語對齊，后者缺乏靈活性而無法提供有效幫助。語義網(wǎng)能夠集成本體和描述邏輯對各領(lǐng)域信息進(jìn)行個性化知識表示，然后依托本體映射實現(xiàn)語義層面的一致性匹配，進(jìn)而將IFC 兼容信息與其他信息進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)。因此，語義網(wǎng)技術(shù)可有效解決IFC 標(biāo)準(zhǔn)面臨的拓展性難題。

IFC 標(biāo)準(zhǔn)的另一個問題是缺乏高效的信息查改方法。IFC-SPF 文件是基于IFC 數(shù)據(jù)模式編寫的純文本文件，該文件不僅可讀性差，而且難以對IFC語句進(jìn)行修改。Mazairac 等[15]曾為此提出了一種檢索IFC 信息的查詢語言BIMQL，但該方法不僅只能用于信息查詢，還難以被用戶掌握，故未得到廣泛應(yīng)用。在語義網(wǎng)被引入建筑領(lǐng)域后，Krijnen 等[16]隨即提出利用SPARQL 來彌補BIMQL 存在的不足。其原因在于：首先，SPARQL 用法與SQL 語言類似，容易被用戶所掌握；其次，SPARQL 可直接對RDF 圖進(jìn)行增刪改查；并且用戶還能通過SPARQL 對SPARQL 端點中的RDF 數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，有助于開發(fā)項目信息管理的云服務(wù)。

除以上優(yōu)勢外，語義網(wǎng)的知識推理功能有助于高效利用建筑信息。在項目管理過程中，所集成數(shù)據(jù)增多，隱含知識也隨即陡增。而挖掘隱含知識對于開發(fā)項目管理服務(wù)是有益的。如，Wu 等[17]將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的人的施工行為信息與人和構(gòu)件空間關(guān)系信息集成，再引入從施工技術(shù)規(guī)范中轉(zhuǎn)化的SWRL 規(guī)則，識別了危險施工行為。因此，語義網(wǎng)有助于讓IFC 表達(dá)的信息切實服務(wù)于實際工程。

2 IFC 標(biāo)準(zhǔn)賦能BIM 信息集成共享

鑒于在IFC 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行語義化建模，故對IFC 模型的生成方式和信息轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行分析。

2.1 模型視圖定義

模型視圖定義（Model View Definition，MVD）是對BIM 模型作數(shù)據(jù)篩選輸出IFC 模型的過濾器。其興起的原因在于隨著BIM 信息交付所涉及領(lǐng)域的不斷擴張，IFC 標(biāo)準(zhǔn)面向不同專業(yè)的數(shù)據(jù)冗余問題愈發(fā)突出，因此，bSI 推出MVD 作為IFC 標(biāo)準(zhǔn)的子集以適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

bSI 在其MVD 數(shù)據(jù)庫收錄了MVD 的所有可用版本，而在建筑業(yè)BIM 軟件中得到應(yīng)用的分別是IFC 2×3 協(xié)調(diào)視圖2.0（Coordination View 2.0，CV 2.0）、IFC4 參照視圖及IFC4 設(shè)計傳遞視圖。其中CV 2.0 在各類軟件中兼容性最好，應(yīng)用也最為廣泛。但bSI 正在積極推進(jìn)IFC4 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)MVD 的研發(fā)與推廣，從視圖所涉范圍的廣度和更新速度來看，IFC4 全面取代IFC 2×3 標(biāo)準(zhǔn)是必然趨勢。

圖2 雙層鋼框架廠房BIM 模型結(jié)構(gòu)示意Fig.2 BIM model of two-story steel frame building

2.2 不同IFC 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率對比

為對比經(jīng)不同MVD 輸出IFC 模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率，選取如圖2 所示的雙層鋼框架廠房結(jié)構(gòu)作案例分析。利用集成式IFC 解析器（https://github.com/Autodesk/revit-IFC）從Revit 中以CV 2.0、參照視圖和設(shè)計傳遞視圖分別輸出IFC 模型，將其分別讀取并匯總信息，如表1 所示。在所有輸出模型中，參照視圖（結(jié)構(gòu)）丟失信息最為嚴(yán)重，該視圖因忽略樓板的信息輸出，直接導(dǎo)致實體總數(shù)異常；CV2.0 因?qū)α簩嶓w的區(qū)分只考慮構(gòu)件截面類型而忽視建模方法與梁長差異，故輸出的實體關(guān)系信息偏少；至于設(shè)計傳遞視圖，由于其材料關(guān)系定義采取實例與材性映射方式，因而此關(guān)系數(shù)目多于其他輸出結(jié)果，從語義化建模角度來看，這種表達(dá)形式能夠涵蓋更完備的構(gòu)件信息，有助于提高語義化建模精度。

表1 鋼框架廠房各MVD 輸出模型組成信息匯總Tab.1 Composition information of each MVD output model of the steel frame structure

針對該案例的樓板信息轉(zhuǎn)化結(jié)果，進(jìn)一步對比各輸出模型轉(zhuǎn)化效率。樓板采用壓型鋼板-混凝土組合樓板，Revit 建模時采用雙層組合形式。在樓板的信息轉(zhuǎn)化過程中，參照視圖與CV 2.0 只能將其簡化為單層混凝土構(gòu)件；并且前者還縮減了樓板的實體關(guān)系，尤其是材料關(guān)系的輸出，導(dǎo)致建筑信息嚴(yán)重丟失。而設(shè)計傳遞視圖對于組合樓板的信息轉(zhuǎn)化效果明顯優(yōu)于前述視圖，該視圖不僅有效保留了構(gòu)件應(yīng)有的實體關(guān)系，還能將組合樓板以雙層形式正常輸出。因此，設(shè)計傳遞視圖輸出模型在保真度和信息豐富度方面有明顯優(yōu)勢。

3 建筑信息語義化建模及其轉(zhuǎn)化機制

語義化建模旨在以RDF 對IFC 實體信息作資源虛擬化。針對此轉(zhuǎn)化需求，Karan 等[18]通過集成自定義BIM 本體與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）本體來處理IFC 屬性，進(jìn)而生成BIM 與GIS 集成 的RDF 模型；W3C 則致力于研發(fā)以BOT（Building Topology Ontology）為代表的輕量化本體[19]，并且由Bonduel 等[20]開發(fā)出的IFCtoLBD 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了基于BOT 本體的RDF 建模；此外，Niknam 等[21]也提出了一種可用于建筑信息共享的通用本體BIMSO。與上述3 種方法相比，Pauwels 等[8]倡議的基于IfcOWL 本體的轉(zhuǎn)化方法能夠?qū)FC 兼容的所有建筑信息執(zhí)行語義化建模，在適用性與技術(shù)成熟性方面更具優(yōu)勢，因此應(yīng)用其開發(fā)的IFCtoRDF-0.4 轉(zhuǎn)換器（https://github.com/pipauwel/IFCtoRDF）作語義化建模。

對于已開發(fā)的IfcOWL 本體而言，IFC4 對應(yīng)本體相較于IFC 2×3 對應(yīng)本體在類層次關(guān)系及公理數(shù)目上更具優(yōu)越性，再結(jié)合前文各IFC 模型的轉(zhuǎn)化效果，最終選定設(shè)計傳遞視圖輸出模型進(jìn)行語義化建模。建模步驟分為IFC-SPF 文件向Turtle 文件轉(zhuǎn)化和引入IfcOWL 本體實現(xiàn)高階語義賦能。在JDK17 的編譯環(huán)境中啟動轉(zhuǎn)換器并執(zhí)行文件轉(zhuǎn)化，然后將初始RDF 模型導(dǎo)入Protégé 本體編輯器，最后用IfcOWL 本體為該模型賦予建筑語義內(nèi)涵。

3.1 IFC to RDF 轉(zhuǎn)化算法解析

為明晰轉(zhuǎn)換器的工作原理，通過IntelliJ IDEA將其運行于maven 項目，并對其轉(zhuǎn)化機制作源碼分析。如圖3 所示，主程序涵蓋了IFC 模型轉(zhuǎn)化從參數(shù)輸入到初始RDF 模型輸出的全過程；程序根據(jù)命令行參數(shù)自動識別轉(zhuǎn)化模式，依次調(diào)用showFile()、setup()與convert()方法執(zhí)行文件讀取、規(guī)范設(shè)置和格式轉(zhuǎn)化，并最終輸出初始RDF 模型。其setup()方法用于確定IFC 標(biāo)準(zhǔn)的版本并導(dǎo)入為文件轉(zhuǎn)化提供規(guī)范參照的序列化文件；convert()方法則實現(xiàn)了文件解析、本體注冊、資源創(chuàng)建以及三元組編寫。鑒于此二者在文件轉(zhuǎn)化中的重要作用，圖3 也對其運行流程予以展示。為提升所繪流程圖的可讀性，對某些不可能發(fā)生的條件分支進(jìn)行甄別。例如，在轉(zhuǎn)化模塊的紅框標(biāo)識步驟，參照合法IFC 語句，不會將Type 類型實體作為其實體聲明，把程序針對該情況對應(yīng)的條件分支予以省略。

圖3 IFCtoRDF-0.4 轉(zhuǎn)換器運行流程Fig.3 Flow chart of IFCtoRDF-0.4 converte

轉(zhuǎn)換器執(zhí)行文件轉(zhuǎn)化的核心步驟包括參考標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入、IFC 語句解析和三元組編寫。在設(shè)置模塊中，通過反序列化IFC 標(biāo)準(zhǔn)的序列化文件導(dǎo)入?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)；在轉(zhuǎn)化模塊加粗藍(lán)框標(biāo)識步驟中，調(diào)用parseIfcLineStatement()解析IFC 語句；三元組則在轉(zhuǎn)化模塊不同步驟中根據(jù)其類別調(diào)用特定方法予以編寫。為分析語句解析的基本邏輯，繪制如圖4（a）所示的算法偽代碼。圖示switch 分支語句的前兩項分別完成語句編號和實體名稱的解析，后兩項則聯(lián)合完成括號內(nèi)各屬性值的解析。在該算法中，程序主要利用IFC 語句的特定字符對控制條件state 作調(diào)控，進(jìn)而執(zhí)行恰當(dāng)?shù)姆种дZ句以完成語句解析。另外，對于屬性值為數(shù)組甚至是多維數(shù)組的復(fù)雜情形，程序則利用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層解析。

圖4 轉(zhuǎn)化模塊關(guān)鍵算法的運行邏輯Fig .4 Execution logic of key algorithms in convert module

IFC 語句對應(yīng)三元組主要源于屬性信息的轉(zhuǎn)化，如圖3 中屬性轉(zhuǎn)化子模塊所示，程序?qū)⒁罁?jù)屬性值所屬類型來執(zhí)行相應(yīng)分支語句，進(jìn)而編寫三元組。分析了字符串屬性值轉(zhuǎn)化分支的運行邏輯，并將該分支調(diào)用的fillPropertiesHandleStringObject()方法的算法偽代碼繪圖如圖4（b）所示。此算法的核心在于識別屬性類別以及創(chuàng)建并添加屬性資源集合鍵值對，主要遵循從字面值賦值到頂層屬性賦值這一自下而上的邏輯。對于轉(zhuǎn)化過程中遇到的非常規(guī)情況，將以不同級別示警在運行日志中予以提示。其余轉(zhuǎn)化分支雖然具體流程與前述算法略有區(qū)別，但轉(zhuǎn)化邏輯類似，可參照理解。

利用此轉(zhuǎn)換器輸出雙層鋼框架廠房的初始RDF 模型并導(dǎo) 入Protégé 應(yīng)用程序，由于轉(zhuǎn)化過程已基于Apache Jena 框架實現(xiàn)本體類的注冊，故可引入IfcOWL 完成建筑語義賦能。

4 語義化建筑信息模型數(shù)據(jù)模式分析

為探討基于IfcOWL 語義化建模方法未得到有效使用的可能原因，對語義化模型單元實例的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行分析。鑒于RDF 模型數(shù)據(jù)模式的通用性，此內(nèi)容也將為建筑信息的知識存取與邏輯推理研究提供技術(shù)參照。

4.1 建筑單元實例屬性分析

建筑單元實例是指具體構(gòu)件的實例對象。圖5所示為分析案例涉及到的梁、板、柱構(gòu)件的繼承關(guān)系；圖示層次關(guān)系采取了與IFC 模式一致的類繼承方式，故而兩種信息表達(dá)方式在類層次關(guān)系上具有一致性。

圖5 RDF 模型中建筑單元的類繼承關(guān)系Fig.5 Class hierarchy relationships of building elements in RDF model

在RDF 模型中，建筑單元實例的語義化描述均由圖6 所示語義層次關(guān)系表示。如圖6 所示，單元實例所具有的屬性皆為對象屬性，各屬性所在三元組主體（定義域）皆為實例對象本身，三元組客體（值域）為字面值或RDF 資源。其中賦值三元組直接闡述了建筑單元的名稱、標(biāo)簽和類型信息，3 個RDF 子圖涵蓋了業(yè)主歷史、對象布置和幾何表示的相關(guān)信息。此外，圖6 所示圖例說明了在執(zhí)行數(shù)據(jù)模式分析時使用的各節(jié)點符號的具體含義。

圖6 構(gòu)件實例對象的屬性架構(gòu)Fig.6 Object property schema of building elements

4.2 梁柱單元數(shù)據(jù)模式分析

梁柱單元是鋼框架結(jié)構(gòu)主要的構(gòu)件形式，因此，選取圖2 中標(biāo)識的單元實例IfcBeam_4072 和IfcColumn_421 進(jìn)行數(shù)據(jù)模式分析，通過分析所選單元數(shù)據(jù)模式的建筑內(nèi)涵來驗證信息傳遞的準(zhǔn)確性和語義可傳遞性。由于業(yè)主歷史屬性的層次關(guān)系簡單，因此數(shù)據(jù)模式分析主要聚焦于對象布置和幾何表示屬性。

4.2.1 梁單元數(shù)據(jù)模式

圖7 展示了IfcBeam_4072 對象布置屬性的數(shù)據(jù)模式。該屬性主要用于聲明對象的局部坐標(biāo)系，進(jìn)而確定構(gòu)件單元的空間方位。單元實例通過objectPlacement 屬性與自身局部坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)。然后，該局部坐標(biāo)系通過placementRelTo 屬性依次建立起與其他局部坐標(biāo)系的相對關(guān)系，直至關(guān)聯(lián)到模型的全局坐標(biāo)系。圖示IfcAxis2Placement3D 實體源自規(guī)范ISO 10303-42，用于以單個笛卡爾點和兩個正交軸來聲明空間方位或放置坐標(biāo)系。圖示該實體均用于放置三維坐標(biāo)系，其中笛卡爾點為坐標(biāo)系原點，參考方向為局部坐標(biāo)系X方向，軸方向為局部坐標(biāo)系Z方向。此外，ISO 10303-42 規(guī)定IfcAxis2Placement3D 代表的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系一致時，參考方向和軸方向可以省略。正因如此，圖示inst:IfcAxis2Placement3D_171 實體和inst:IfcAxis2Placement3D_32 實體均只有l(wèi)ocation 屬性。對笛卡爾坐標(biāo)和方向向量的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行簡化，具體形式可參見文獻(xiàn)[22]中圖4 所示的鏈表結(jié)構(gòu)。依據(jù)圖7 所示的對象布置屬性數(shù)據(jù)模式，IfcBeam_4072 的局部坐標(biāo)系原點的絕對坐標(biāo)為(5 600,3 150,5 960)，局部坐標(biāo)X軸和Z軸的方向向量分別為(0,－1,0)與(0,0,1)。

圖7 IfcBeam_4072 對象布置屬性數(shù)據(jù)模式Fig.7 Object placement property schema of IfcBeam_4072

圖8 為IfcBeam_4072 的幾何表示屬性的數(shù)據(jù)模式。IfcShapeRepresentation 實體是表達(dá)單元實例幾何形狀的關(guān)鍵，其representationType 屬性聲明了單元形狀表示的幾何模型類型，representationIdentifier屬性聲明了單元的形狀表示形式。如圖8（a）所示，該構(gòu)件的模型類型為映射表示，即此單元實例是通過實體映射生成的。在映射表示中，MappingTarget屬性用于表述生成實體對映射實體執(zhí)行的空間變換。依據(jù)所選單元的縮放比例和轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系可知，該單元的創(chuàng)建形式采取了不包含笛卡爾變換的直接映射，這與該構(gòu)件在Revit 中的建模方式契合。圖示Axis 模塊描述了構(gòu)件在局部坐標(biāo)系下的方位信息。如圖8（b）所示，梁單元起點為(－3 150,0,200)，終點為(3 150,0,200)。根據(jù)圖2 所示構(gòu)件參數(shù)及構(gòu)件所屬局部坐標(biāo)系方位可知，該信息表述是準(zhǔn)確的。圖示Body 模塊描述了單元實體建模的信息。如圖8（c）所示，梁單元的拉伸長度為5 980.6 mm，在梁局部坐標(biāo)系下，拉伸起點為(－2 990.3,0,0)，拉伸方向為(1,0,0)。與初始Revit 模型對比可知，該信息表述準(zhǔn)確無誤。圖示IfcProfileDef 實體聲明了構(gòu)件的截面形狀，鑒于建筑構(gòu)件截面形式多樣，不對截面的語義層次關(guān)系進(jìn)行展開。

圖8 IfcBeam_4072 幾何表示屬性數(shù)據(jù)模式Fig.8 Representation property schema of IfcBeam_4072

4.2.2 柱單元數(shù)據(jù)模式

在建立的鋼框架語義化模型中，柱單元的數(shù)據(jù)模式與梁單元具有相似性。柱單元對象布置屬性數(shù)據(jù)模式的分析結(jié)果表明，IfcColumn_421 的局部坐標(biāo)系與結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)系一致，原點的絕對坐標(biāo)為(－16 800,6 300,0)。

圖9 展示了IfcColumn_421 幾何表示屬性的數(shù)據(jù)模式，所示層次關(guān)系僅保留與IfcBeam_4072 幾何表示屬性數(shù)據(jù)模式不同的部分。相比于梁單元實例，IfcColumn_421 的數(shù)據(jù)模式僅含有Body 模塊。依據(jù)IfcExtrudedAreaSolid 實體的信息可知，該構(gòu)件的拉伸長度為3 300 mm。依據(jù)inst: IfcAxis2 Placement3D_347 的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系可得，在柱局部坐標(biāo)系下，構(gòu)件拉伸方向為(0,0,1)，拉伸起點為(0,0,0)。再根據(jù)圖2 所示構(gòu)件參數(shù)和此構(gòu)件所屬局部坐標(biāo)系方位可知，該信息表述是準(zhǔn)確的。

圖9 IfcColumn_421 幾何表示屬性數(shù)據(jù)模式Fig.9 Representation property schema of IfcColumn_421

4.2.3 數(shù)據(jù)模式冗余信息分析與規(guī)避

對于項目信息管理而言，幾何表示屬性中由IfcGeometricRepresentationContext 及其子類實例描述的背景信息是冗余的。以圖10 所示的inst:Ifc-GeometricRepresentationSubContext_118 為例，它不但與每一個IfcShapeRepresentation 實體重復(fù)關(guān)聯(lián)，同時所表示的信息也缺乏實際用途，故而導(dǎo)致所創(chuàng)建模型的信息冗余。此外，語義化模型中存在表達(dá)相同含義的冗余信息。如圖8 所示，Axis 模塊的OrientationDirection 和 Body 模塊的 Extruded-Direction 均描述了梁單元的拉伸方向。

圖10 幾何表示實體中背景信息的數(shù)據(jù)模式Fig.10 Schema of geometric representation context

為SPARQL 語句設(shè)立精確圖模式可有效規(guī)避冗余信息。比如，可為梁柱單元及其拉伸長度查詢設(shè)立如下SPARQL 語句：

上述語句對謂詞屬性進(jìn)行了簡寫，即省略了謂詞的前綴與后綴。依據(jù)此精確圖模式匹配，便能有效規(guī)避冗余信息。此外，基于此精確圖模式編寫DELECT 語句可移除用戶不需要的冗余信息。筆者將此技術(shù)應(yīng)用到所開發(fā)的SemBIMCURD-SJTU軟件中。

通過以上對單元實例的對象布置和幾何表示屬性數(shù)據(jù)模式的分析，語義化模型對于建筑信息交付的準(zhǔn)確性和建筑語義的可傳遞性得到驗證。但不容忽視的是，采用的基于IfcOWL 的語義化建模方法仍然存在弊端。具體來說，IfcOWL 完全復(fù)現(xiàn)了IFC 標(biāo)準(zhǔn)，這使得所建立的語義化模型數(shù)據(jù)模式復(fù)雜，并且存在大量冗余信息。此外，引入IfcOWL本體作語義賦能后的語義化模型體量較大，難以發(fā)揮該模型在知識查詢與推理方面的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

通過案例分析驗證了語義化模型進(jìn)行建筑信息交付的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和語義可傳遞性，進(jìn)而論證了該建模方法的可行性。此外，通過對所轉(zhuǎn)化模型數(shù)據(jù)模式進(jìn)行建筑內(nèi)涵分析發(fā)現(xiàn)，于IfcOWL 的語義化建模方法尚未在建筑業(yè)全面推廣有如下原因：

1）建筑業(yè)通用本體不夠完善，IfcOWL 本體數(shù)據(jù)模式完整繼承了IFC 標(biāo)準(zhǔn)，這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)層次關(guān)系制約了模型知識查詢與推理功能的實踐。

2）IFC 模型向RDF 模型轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象突出，完全轉(zhuǎn)譯IFC 模型信息的語義化建模手段信息傳遞效率較低。

3）建筑項目的信息管理具有大數(shù)據(jù)特征，對所有建筑信息執(zhí)行該語義化建模的經(jīng)濟性和可行性不足。

針對上述問題，除本文提及的冗余信息規(guī)避方法外，還可以結(jié)合語義化模型各模塊的建筑信息內(nèi)涵，通過領(lǐng)域本體開發(fā)和輕量化語義建模來實現(xiàn)高效的信息表達(dá)和交付，進(jìn)而將該技術(shù)推廣實踐于安全風(fēng)險分析、建筑性能管理和數(shù)字孿生建模等涉及異源數(shù)據(jù)集成的應(yīng)用領(lǐng)域。