BIM技术：产品数据模型

(1)数据模型

模型是对现实世界的抽象。在数据库技术中,表示实体类型及实体类型间联系的模型称为“数据模型”。在软件工程中,数据模型是定义数据如何输入和输出的一种模型,它的主要作用是为信息系统提供数据的定义和格式。

数据模型的三要素包括:

①数据结构。它是所研究的对象类型的集合。这些对象是数据库的组成部分,数据结构指对象和对象间联系的表达和实现,是系统静态特征的描述,包括两个方面:a.数据本身:类型、内容、性质。例如,关系模型中的域、属性、关系等。b.数据之间的联系:数据之间是如何相互联系的,例如,关系模型中的主码、外码等联系。

②数据操作。对数据库中对象的实例允许执行的操作集合,主要指检索和更新(插入、删除、修改)两类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则(如优先级)以及实现操作的语言。数据操作是对系统动态特征的描述。

③完整性约束条件。它是一组完整性规则的集合,规定数据库状态及状态变化所应满足的条件,以保证数据的正确性、有效性和相容性。

(2)数据模型与信息模型的区别

数据模型是用来表达系统中数据的逻辑结构,其功能仅面向计算机系统和数据的存储。随着信息系统复杂程度的增加,系统人员希望了解数据的含义,并将它封装在数据库模型中,由此产生了语义数据模型。但语义数据模型仍具有高度的结构化,缺乏灵活性,难以表达真实世界的复杂程度。为了解决该问题,产生了可以为用户所理解的信息模型。

信息模型和数据模型既有区别,又有联系。二者表达了系统中同样的数据,只是表达方式和目的不同。前者的表达是非结构化的,具有灵活性,目的是为了让用户更好地理解系统;后者的表达是结构化的,缺乏灵活性,目的是为了方便计算机处理。

信息模型是最高层次的逻辑数据模型,为了实现各应用系统之间的信息共享,最好有共同的信息模型。建立在不同信息模型基础上的信息共享是非常困难,甚至是不可能的。例如,面向几何的CAD系统和面向特征的CAD系统之间实现信息交换是困难的^[3]。

(3)ISO-STEP标准

随着BIM的引入,在设计、制造、施工和建设中,AEC应用程序的数量及应用范围正迅速扩大。对协同交互性的需求只增不减。20世纪80年代中期以前,设计和工程管理领域里的数据交换几乎都是通过固定的图形文件格式来完成的。DXF和IGES就是比较典型的例子。这两种格式都可以为二维和三维几何结构提供有效的图形格式转换。然而,当时管道、机械、电器和其他系统的对象模型正在建立。如果数据交换需要处理复杂对象模型的几何图形、属性及关系,那么任何固定的文件交换格式将会迅速变得非常大、非常复杂,很难进行了描述。这些问题几乎同时出现在了欧洲和美国。为了解决这些问题,瑞士日内瓦的国际标准化组织(ISO)专门成立了一个技术委员会TC184,其附属委员会制定了一个编号为ISO-10303的标准——STEP(产品模型数据交换标准),他们研究出了一种新的方法和成套技术来解决高级数据交换问题。

ISO-STEP标准中的一个重要成果就是EXPRESS语言。该语言是由Douglas Schenck提出,并由Peter Wilson改进的。EXPRESS语言现已成为中央机制,支持各行业的产品模型:机械和电气系统、工艺装置、造船、工艺方案、家具、有限元模型,以及建筑和桥梁等。它还包括大量的关于特性、尺寸、分类、度量以及其他作为产品数据模型共同基础的函数库,同时支持公制和英制。作为一种机器可读语言,EXPRESS很容易在计算机上实现,但是并不利于人工操作。于是,便产生了一种可视化的EXPRESS语言EXPRESS-G,并得到广泛的应用。所有的ISO-STEP信息都不受权限的限制。(www.xing528.com)

围绕着STEP标准,为达成一致共同表达的目的,众多不同的公司基于EXPRESS提供了用于实施和测试软件的工具包。工具包支持文本文件和XML文件的读写,并包含有模型视图、导航,以及其他实现工具。少数几个BIM应用程序使用IFC作为本地数据模型,即可以直接对于IFC数据进行操作(读和写)。

①STEP体系结构

STEP(Stand for the Exchange of Product Model Data,产品模型数据的表达和交换标准)是国际标准化组织制订的一个产品数据表达与交换标准,也称为产品模型数据交换标准。在认识到IGES不足之后,美国决定放弃IGES而开发新的PDES(Product Data Exchange Specification)标准,即STEP。其首要目的是能够描述各种行业的产品生命周期中个阶段的数据,支持分布式计算机应用系统对产品数据的共享。

STEP标准采用分层方法描述数据,它主要包括形式化数据描述语言EXPRESS。实施方法是实现STEP标准描述的信息结构的方法。每个实施方法确定了STEP数据结构如何映射到实施过程,包括文件交换结构、标准的数据访问接口和语言绑定。一致性测试方法用于描述如何检验数据和应用是否符合标准。

数据描述是STEP标准体系结构的基本构成部分。它主要包括三部分:应用协议、应用解释构件和集成资源。应用协议是可以实施的数据描述,它与实施方法相对应。由于STEP是一个庞大的标准体系,研究人员和相关组织致力于开发各种特定领域的应用协议。应用解释构件描述产品数据的结构和语义,以便在多个应用协议之间交换数据。它通过通用的产品数据描述方法,支持多应用协议对产品数据源的互换。集成资源构成一个完整的产品数据的概念模型,包括各种语义元素来描述产品生命周期各阶段数据。

②EXPRESS语言构造

STEP主要采用EXPRESS描述产品数据。它是一个形式化数据描述语言,其设计目标要求这类形式化的描述不仅能被人们理解和能用计算机处理,而且能够全面描述出客观现实产品的形式和结构。EXPRESS吸收了多种语言的基本特点,具有类型、表达式、语句、函数、过程等功能,又采用了面向对象技术中的继承机制等技术。但是,EXPRESS不是一种编程语言,只作为一种形式化描述语言来描述数据,不存在输入输出、数据处理、异常处理等语言元素。

EXPRESS语言通过一系列的说明来建立产品数据模型。这些说明包括类型(TYPE)、实体(ENTITY)、模式(SCHEMA)、常数(CONSTANT)、规则(RULE)、函数(FUNCTION)和过程(PROCEDURE)等。其中实体是EXPRESS语言对建模对象的基本定义。一个建模对象的信息在实体中用属性及其属性上的约束来表达。

③产品模型数据交换的实现

目前,STEP标准为用户提供数据交换的实施分为四个级别:文件交换、工作格式交换、数据库交换、知识库交换。产品数据交换的方法与产品模型是相适应的,各产品模型对应的产品数据交换方法可归纳为三种:直接交换、间接交换和数据库方式。

在交换的两个系统间或功能模块间,通过确定相互间的数据结构和建立一对一的信息转换机制,直接进行数据交换称为直接交换。采用直接交换方式的除了基于几何的模型不同系统之间的专用接口外,特征识别也是直接交换。特征识别技术直接将设计模型识别或转换成应用模型,因此可归为直接交换。

基于STEP的文件交换属于应用数据交换标准的间接交换。通过统一的产品模型和公共数据库实现信息交换的方式称为基于公共数据库的信息交换。基于公共数据库的信息交换有两类。一类是目前的基于几何的产品模型的多功能集成系统,系统多功能模块之间在公共数据库支持下共享统一的产品模型。它们以基于统一的产品模型的数据库为核心,将产品开发所需的设计、分析、测试和加工等集成于一体。信息在多功能模块之间快速、双向、连续流动,实现充分的信息共享以支持产品的全生命周期活动。另一类就是基于集成产品模型STEP的公共数据库的信息共享。