, 陈星雨 1 , 张永利 2 1. 清华大学 土木工程系, 北京 100084;
2. 火箭军工程设计研究院, 北京 100011
收稿日期：2017-11-21
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0702107）；中国博士后科学基金资助项目（2016M601038）；中国科协青年人才托举工程项目（YESS20160122）
作者简介：张建平(1953—), 女, 教授
通信作者：林佳瑞, 助理研究员, E-mail:jiarui_lin@foxmail.com
摘要：建筑空间与设备拓扑信息是建筑设计优化、运维管理的基础数据。然而在传统建筑设计与运维过程中，信息存储割裂，难以实现信息集成应用。建筑信息模型（building information modeling，BIM）技术实现了各专业信息的统一描述、存储与管理，可显著提升拓扑信息的提取与应用效率。该文引入BIM数据标准工业基础类（industry foundation classes，IFC），提出了建筑空间与设备的集成拓扑模型，研究了空间与设备拓扑信息的提取与集成技术。在此基础上，该文研发了原型系统并采用实际项目数据进行了应用验证。应用结果表明：该系统可以有效避免重复建模，充分利用BIM的丰富信息，实现空间与设备拓扑信息的综合应用。
关键词：建筑信息模型空间拓扑设备拓扑
Space and MEP topology extraction and application based on BIM
ZHANG Jianping1, HE Tianfeng1, LIN Jiarui1
, CHEN Xingyu1, ZHANG Yongli21.Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Rocket Force Engineering Design and Research Institute, Beijing 100011, China
Abstract: Topologies of space and mechanical, electrical and plumbing (MEP) are crucial to a building's design and maintenance. Traditional information storage is often fragmented and difficult to extract and utilize. Building information modeling (BIM) provides the uniform descriptions, storage, and management of various professional information to significantly improve the extraction and application efficiency of topology information. This paper introduces the industry foundation classes (IFC), proposes an integrated topology model of space and MEP, and studies the technology of extracting and integrating the topological information. Tests show that this model eliminates re-modeling, effectively utilize the rich BIM information, and enables integrated applications.
Key words: building information modelingspace topologymechanical, electrical and plumbing (MEP) topology
建筑拓扑信息表达了建筑各空间或构件之间的连接关系，对建筑的性能有至关重要的影响。空间和设备拓扑信息是建筑设计和运营阶段分析优化、维护维修的数据基础。空间拓扑信息反映了建筑物的功能特点和设计风格[1]，广泛应用于空间句法[2-3]、室内导航[4-6]和空间索引[7]等分析优化过程中。设备拓扑信息是管道、管件与设备之间的上下游关系，用于在建筑运维阶段定位和查询设备信息，辅助设备维护维修[8-9]。然而，目前大多数研究仍集中在空间拓扑或设备拓扑的单项应用上。在设备检修的实际应用情形中，现有研究仅支持获取设备在设备系统中的位置，无法获取报警设备、故障源设备、受影响设备的空间位置，更无法实现检修路径规划。在应急疏散应用情形中，现有应用无法实现人员疏散方案和设备应急响应的协同模拟。因此，空间和设备拓扑亟需综合应用，简单相加不能满足实际需求。
传统建筑设计与运维过程中，建筑拓扑信息主要来源于纸质或电子图纸。这些图纸中各专业数据及视图割裂存储，信息表达方法不统一、数据关联性差，导致信息辨识度低，数据提取过程需要大量人工分析或重新建模，难以实现空间与设备拓扑信息的集成应用。建筑信息模型(building information modeling，BIM)是工程设施实体及其特性的完整数字化表达[10]，旨在实现建筑全生命期的信息集成与共享。从BIM中提取建筑拓扑信息，可以提升信息的提取效率与精度，实现空间与设备拓扑信息的统一提取与集成应用，拓展拓扑信息的应用范围。樊永生[11]通过Revit二次开发实现了建筑空间连通拓扑信息的提取，并可进一步应用于BIM分类。崔欢欢等[12]通过Revit二次开发，提取了机电设备之间的连接关系和设备节点深度图，实现了机电设备一级与二级链接关系查询。然而，上述研究针对Revit软件提取信息，难以应用于ArchiCAD、Tekla等其他BIM设计软件中。
工业基础类(industry foundation classes，IFC)是由国际buildingSMART组织为建筑领域制定的产品数据描述标准[13]，也是该领域应用最广的数据存储格式，支持建筑空间及设备拓扑信息的提取。以IFC为基础提取建筑拓扑信息，可以突破单一BIM软件适用范围的局限。Langenhan等[14]从IFC中基于关联关系IfcRelVoidsElement提取连通及相邻拓扑关系，但该方法仅能提取由墙分隔形成的空间，不能有效处理虚拟房间分隔的情形。而Daum等[15]进一步考虑了IFC中建模不精确及随意性带来的误差，通过体素化的方法，识别墙、门之间的连接关系，进而实现BIM空间拓扑关系的提取，但该方法在处理大体量模型时会出现效率问题。Becker等[16]研究了IFC和CityGML的设备信息表达方式，提出了一套三维多设施网络模型(3D multi-utility network model)，给出了基于IFC的设备拓扑提取方式及映射至CityGML的方法。Hijazi等[17]也提出了一套将BIM信息转化至地理信息系统(geographic information system, GIS)中的方法，将IFC中各类构件的几何信息和其他属性信息映射至CityGML中，实现BIM与GIS信息的集成。但这两项研究仅实现了三维模型和属性信息的转换，没有将IFC中隐含表达的拓扑信息提取出来并映射到GIS中。可见，无论是空间还是设备拓扑，基于BIM的信息提取技术在全面性、正确性和效率等方面或多或少有所欠缺。除此以外，当前缺少提取空间与设备之间关系的研究。
针对上述问题，本文基于IFC提出了建筑空间与设备集成拓扑模型，研究了建筑空间与设备拓扑信息提取技术，实现了两种拓扑信息的集成与综合应用。在此基础上，本研究研发了原型系统，并以实际项目数据进行了应用验证。
1 基于BIM的拓扑信息提取与集成1.1 空间与设备集成拓扑模型针对空间和设备拓扑信息的综合应用，本研究首先提出了空间与设备集成拓扑模型，如图 1所示。
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| 图 1 空间与设备集成拓扑模型 |
| 图选项 |
该模型定义了9类实体和5类关联关系。空间实体包括建筑、楼层和房间，三者之间通过聚合关系关联，而房间与房间之间通过连通关系关联。设备实体包括外部控制器、内部控制器、管段、管件、终端和设备。其中内外部控制器通过控制关系与其他实体关联，而其他实体间通过上下游关系关联。除外部控制器外的其他设备实体通过从属关系与房间关联。因此，从属关系是空间拓扑与设备拓扑联系的桥梁，也是建立空间与设备集成拓扑模型的关键。借助从属关系可以拓展原有的空间或拓扑模型的单项应用，实现空间与设备拓扑综合应用。例如，可以将室内导航和设备上下游查询结合起来，将设备故障定位、上游设备排查、应急处理规程查询、维修信息查询、应急维修导航等结合应用。由于空间和设备之间有紧密关联，空间和设备所包含的维修信息、监测信息等其他相关信息也可以充分利用起来，形成信息集成优势。
1.2 模型实体提取与转换从基于IFC构建的BIM中提取并形成集成拓扑模型，首先应提取BIM中的实体及其属性集，建立对应的目标实体。集成拓扑模型与IFC实体的对应如表 1所示。其中三类空间实体与IFC实体间存在一一对应关系。而对于设备实体，除Device实体外的其他目标实体均与一个IFC抽象实体相对应，而抽象实体包含了多个子实体，因此是一对多关系。Device实体则对应了多个IFC抽象实体，因此也是一对多关系。除此以外，还应提取IFC实体关联的属性集并关联在目标实体上，作为后续应用的数据基础。
表 1 集成拓扑模型实体与IFC实体对应关系
| 目标实体 | IFC实体 | 子类数量 |
| 楼栋 | IfcBuilding | — |
| 楼层 | IfcBuildingStorey | — |
| 房间 | IfcSpace | — |
| 外部控制器 | IfcDistributionControlElement | 7 |
| 内部控制器 | IfcFlowController | 8 |
| 管段 | IfcFlowSegment | 4 |
| 管件 | IfcFlowFitting | 5 |
| 终端 | IfcFlowTerminal | 13 |
| 设备 | IfcEnergyConversionDevice | 20 |
| IfcFlowMovingDevice | 3 | |
| IfcFlowStorageDevice | 2 | |
| IfcFlowTreatmentDevice | 3 | |
| IfcBuildingElementProxy | — |
表选项
1.3 空间关联关系提取空间关联关系分为聚合关系和连通关系两类，其IFC表达如图 2所示。聚合关系与IfcRelAggregates关联关系对应，可以直接提取。对于空间连通关系，有门和虚拟分隔两种判断方式。如果两个空间实体(IfcSpace)通过边界关系(IfcRelSpaceBoundary)与同一个墙实体(IfcWall)相关联，且该墙通过开洞关系(IfcRelVoids Element)与一个洞口相关联，同时开洞确实位处两房间边界之上，则两空间相连通。如果两个空间实体通过边界关系与同一个虚拟实体(IfcVirtual Element)相关联，则说明两个空间通过一个虚拟房间边界相分隔，由于虚拟房间边界不存在实际的物理分隔，因此两空间相连通。不过在部分情况下，虚拟分隔可能并不指向一个虚拟实体，此时连通性只能由2个虚拟空间边界之间的最近距离是否为0确定。值得一提的是，此处提出的方法仅在BIM中包含这些关联实体时有效。实际工程可能会出现模型未定义IfcSpace的情况。此时可通过制定建模规范或二次开发建模工具等方式处理。如果建模已经完成且不能修改，则可通过Daum等[15]提出的体素生长方法判断空间位置及其之间的连通关系。
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| 图 2 空间拓扑信息在IFC中的表达 |
| 图选项 |
1.4 设备关联关系提取设备关联关系分为控制关系和上下游关系两类。其中控制关系与IfcRelFlowControlElements关联关系对应，可以直接提取。设备上下游关系则需通过IfcDistributionPort、IfcDistributionElement及其之间的关联关系判断。建筑设备专业包括机电、暖通和给排水3个子专业，均通过IfcDistributionElement及其子类表达。而设备之间的上下游关系，则通过附着在设备上的IfcDistributionPort实体及其之间的关联关系表达。根据接口与设备之间连接方式，IfcDistributionPort通过IfcRelConnectsPortToElement和IfcRelNests两种关联关系与设备相连。而IfcDistributionPort之间则通过IfcRelConnectsPorts关联关系定义上下游关系，并通过IfcDistributionPort的ConnectedFrom，ConnectedTo两个反向属性定义上下游关系的方向。
上下游表达关系还分为隐式(implicit)和显示(explicit)两种。隐式表示中，IfcDistributionPort仅附着在设备或终端上。如2个设备或终端相连，则通过一个IfcRelConnectsPorts关系表达，并将该关系的RealizingElement属性值设置为连通两者的管道或管件。而在显示表达中，IfcDistributionPort除附着在设备或终端上外，还会附着在管道和管件上。设备与终端必须通过IfcRelConnectsPorts与连接它们的管道或管件相连，并不需再设置RealizingElement的属性值。上述关系提取如图 3所示。
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| 图 3 设备拓扑信息在IFC中的表达 |
| 图选项 |
1.5 空间与设备从属关系从属关系是空间拓扑和设备拓扑相结合的桥梁。一般的，管件、设备以及较短的管道从属于单个空间，而较长的管道则从属于多个空间。从属关系在IFC中通过IfcRelContainedInSpatialStructure关联关系表达。该关联关系定义了IfcElement及其子类与IfcSpatialStructure及其子类之间的从属关系。由于代表管道、管件和设备的IfcDistribution Element是IfcElement的子类，代表空间的IfcSpace是IfcSpatialStructure的子类，理论上空间和设备之间的从属关系可以通过该关联关系表达。然而，在实际工程中，绝大多数管道和管件对应的空间是NULL或是更高一级的空间实体IfcBuildingStorey，空间与设备的从属关系难以正确判断。此时必须通过判断管道、管件和设备是否处于空间边界之内来判定从属关系。空间和管道的几何模型可通过其对应的IfcObjectPlacement和IfcProductDefinitionShape提取。管道几何模型提取后对其进行面片化处理，空间几何模型提取后以拉伸实体代替。通过判断管道的三角面片是否在空间拉伸实体内或与其相交，来判断管道与空间之间的从属关系。同时，考虑到吊顶上和地板下的设备，在进行几何关系判断时应适当考虑将空间的上下边界做一定偏移，并注意偏移后空间之间不可重叠，避免判断错误。
2 系统研发与应用验证本研究在Revit平台上开发了原型系统，借助Revit图形平台进行验证。该系统通过Revit API导出IFC文件并自动执行解析算法，提取空间与设备拓扑信息，建立集成拓扑模型。采用大连月亮湾培训中心项目的数据进行了应用测试。测试数据包括该项目主体建筑F1层的建筑、结构和设备模型。其中设备模型包括空调水系统、通风系统和给排水系统。建筑模型中设置了房间及其名称。
应用测试涵盖了空间和设备拓扑的单点及综合应用。空间拓扑单项应用包括空间路径规划、空间信息查询等内容。设备拓扑单项应用包括上下游设备查询、设备信息查询等内容。空间和拓扑综合应用则分别针对运维阶段和设计阶段，测试了设备检修和应急疏散两个使用情形，其流程如图 4所示。
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| 图 4 拓扑综合应用测试 |
| 图选项 |
本研究先测试了设备检修。该情形多用于在建筑运营阶段实时响应停电、停水、设备损坏等事故。应用测试首先编写了测试程序，随机指定了报警和故障源设备。系统收到设备报警(测试中为一风管连接件)后，通过故障源分析测得故障设备(测试中为一矩形风管)，进而可根据集成拓扑模型获取设备所在空间(测试中为建筑F1层南侧空调机房)。系统报警通知值班室负责人员，并根据空间拓扑计算检修路径。检修人员通过系统查询空间名称、编号防火等级等空间信息，以及厂商、型号、操作与维修手册等设备信息，参考上述信息并制定维修计划。同时，通过影响范围分析，评估受影响设备及其所在空间，根据实际情况采取应急措施。
本研究还测试了应急疏散模拟，该情形多用于在建筑设计阶段优化空间布局和流线，合理分配消防等安全设施。应用测试首先编写了测试程序，随机指定报警空间。与设备检修类似，系统收到报警后，通过设备空间路径规划和空间信息查询辅助设计师模拟疏散方案，通过上下游设备查询和设备信息查询模拟设备应急响应，在此基础上辅助设计师优化设计方案，提升建筑整体安全水平。
根据应用测试，本研究提出的空间与设备拓扑的集成应用与现有研究相比具有以下优势：
1) 避免了重复建模。从BIM中提取得到的拓扑信息直接用于分析，省去了在分析软件中重复建模的工作量，也避免了可能造成的错误和信息丢失。
2) 扩大了适用范围。采用IFC提取拓扑信息可以支持更多的设计软件。
3) 充分利用了BIM的丰富信息。BIM中包含了空间和设备拓扑信息，但未得到充分利用。已有的研究大多只实现了空间或设备拓扑的单项应用，不能满足设备检修、应急疏散等综合应用的要求。本研究的集成拓扑模型将复杂的IFC定义转化成更易用的面向对象结构，为空间与设备拓扑综合利用提供了数据基础。
4) 实现了空间与设备拓扑综合应用。在集成拓扑模型的基础上，可以实现空间路径规划、空间信息查询等空间拓扑单点应用和上下游设备查询、设备信息查询等设备拓扑单点应用，还可以实现设备检修、应急疏散等综合应用，提高信息利用效率与深度，拓展原有拓扑信息的应用范围。
3 结论针对建筑工程设计与运维阶段的实际需求，在已有拓扑信息提取和应用理论的基础上，本文提出了建筑空间与设备集成拓扑模型，研究了基于BIM的空间建筑空间与设备拓扑信息提取技术，实现了两种拓扑信息的集成与综合应用。通过原型系统研发和实际项目数据测试进行了应用验证。应用结果表明：该技术可以有效避免重复建模，充分利用BIM的丰富信息，提高信息利用效率与深度，拓展原有拓扑信息的应用范围，实现空间与设备拓扑信息的综合应用。
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