黄强《BIM的数学模型》助力“智慧建造中国行”

发布日期:2020-04-25 09:57
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讲座内容来源于:构建数据化模型CDM


    4月24日14:00,由北京慧筑建筑科学研究院主办的“智慧建造中国行”活动第五讲,邀请到了中国BIM发展联盟理事长黄强先生为大家带来《BIM的数学模型》主题讲座,黄院长的精彩分享,吸引了行业内众多专家、领导及在校老师的关注,会后的交流环节,黄院长耐心解答了与会者对于CDM的各种疑问并邀请大家参加第二季《中国BIM好数据》的比赛,为大家带来了一场收获满满的课程体验。



    “智慧建造中国行”活动将继续邀请行业内大咖专家为大家带来中国智慧建造发展的相关主题讲座,请大家持续关注。以下是本次黄强:《BIM的数学模型》主题讲座的精彩内容。


    我们指望三维数字模型管理数据,没有BIM建模软件不BIM,因此,我们在BIM技术领域无法创新,只能永远照葫芦画瓢;而今,我们发现了BIM数学模型,BIM可以用数学公式表示。数学,您懂的,但数学公式表达的BIM是什么?怎么用?



1、BIM的核心技术是什么


大家都认为数字化建模软件(如BIM模型)是设计“数字项目”的重要工具,但现存两个问题


    一是BIM建模软件都是国外软件,且以美国软件为主;我们的BIM应用软件都在国外图形软件上的插件开发,皮之不存毛将焉附;

    二是实施BIM的线路图不清晰。


因此有专家建议国家通过设立软件重大专项,支持开发自主知识产权BIM建模软件,实现中国建造2035。


由此必然要面对以下问题:


    (1)使用者不会以哪个厂家选择软件,而是以“好用”为标准;中国的BIM建模软件要多少年能“好用”过国外BIM软件?

    (2)有了中国自己的BIM建模软件就能实现BIM的信息共享?现有的国外软件为何这么多年也没实现?


    爱因斯坦说过:我们不能在产生问题的层次上去寻找解决的办法,而应当进入更高层次上去思考。当今中国及世界上推广BIM存在的“三维模型”技术难题已经不是“模型”自身可以解决的问题了,站在“模型”层次寻找解决“模型”问题的方法我们已经穷尽所能;显然,只有站到“模型”之上的“模型标准”层次去思考去研究才能找出解决“三维模型”问题的办法。


    BIM的颠覆性技术创新是BIM标准而不是三维图形引擎,更不是BIM建模软件。



2、数学公式与图形


    有一次华罗庚问他的学生如何翻译“I love you”?学生回答“我爱你”。华罗庚说:搞数学的怎么可能讲这样的话?“r=a(1-sinθ)” 就足够了。


    那么什么是“r=a(1-sinθ)”呢?


    图1 r=a(1-sinθ)


 以上例子对我们的启发是:


    (1)术有专攻,专业人用专业语言;

    (2)图形来自数学表达式;

    (3)用数学公式表达图形,对于专业人员,不用出图也明白是什么;

    (4)任何图形平台都能画出数学公式表达的图形。


    由此,可以此理解,数学公式是通用的,不存在沟通障碍。如果能用数学公式表达BIM,BIM的信息共享目标不就可以实现了?



3、BIM的数学模型


通过多年来对国内外BIM理论及实践的深入研究,经实践证明BIM可以用数学公式表达:



式中:(i,j,r)为构件id,确定了构件所在位置的(X,Y,Z)坐标;


id:Identitydocument,身份证标识号、账号、唯一编码、专属号码。


CDM:构件数据化模型,Component DatumizeModel.


CDM标准是以EXCEL表达的数据库标准,这种数据库格式任何软件可以轻松输入输出。



4、构件数据化模型


    元数据(Metadata)是描述其它数据的数据(data about other data),或者说是用于提供某种资源的有关信息的结构数据(structured data)。元数据是描述信息资源或数据等对象的数据,其使用目的在于:识别资源;评价资源;追踪资源在使用过程中的变化;实现简单高效地管理大量网络化数据;实现信息资源的有效发现、查找、一体化组织和对使用资源的有效管理。


    数学模型(Mathematical model)是运用数理逻辑方法和数学语言建构的科学或工程模型。是针对参照某种事物系统的特征或数量依存关系,采用数学语言,概括地或近似地表述出的一种数学结构,这种数学结构是借助于数学符号刻划出来的某种系统的纯关系结构。是用数学的语言、方法去近似地刻画实际,描述现实问题的数学公式、图形或算法。

   

    数据化模型(Datumize model)=元数据+数学模型


以数学模型表达的BIM构件数据化模型中的构件(Component)应同时满足两个构件定义:

        一是组成建(构)筑物系统的零件,可按专业、工艺确定;

        二是面向软件体系架构的可复用软件模块(构件),构件是可复用的软件组成成份(组件),可被用来构造其他软件。


    构件数据化模型(CDM):构件元数据数学结构。


    CDM标准与IFC标准应用对比如图2所示:


图2 CDM标准与IFC标准应用对比



5、BIM数学模型的应用


    如图2所示,BIM数学模型是以应用终端为始,与BIM三维模型应用终点相同,实现方式完全不同。BIM数学模型数学BIM不再依赖于BIM建模软件,应用软件可以是任何软件而不被局限于BIM软件,这就大大降低BIM实施难度,让工程技术和管理人员可以自己创建数据,参与BIM全过程,为中国自主知识产权BIM创新奠定了坚实的理论、实践及群众基础。


    视频1是CDM标准数据驱动BIM,含CDM数据创建、三维模型展示、CDM集数据验证、CDM进度管理、一键算量等;

    视频2是CDM技术可视化界面表达,即CDM构件数据目录集、模型、CDM构件数据三联动。

    以上视频展示成果与BIM软件和图形算量软件完全无关,是深圳市市政设计研究院有限公司BIM院按照BIM数学模型理论的自主创新开发成果。


    BIM三维图形技术路线是从图形包、图形包关联算法创建模型,生成模型数据库,工程数据含在模型库中。不同软件商的模型数据库都有自己的数据格式,因此,为了不同软件间的数据共享,需要有中间数据标准,这就是IFC标准。


    BIM数学模型技术路线是从工程应用层创新了CDM工程数据库,CDM是数学模型,关联算法;CDM标准数据可以被不同应用软件直接读取利用,CDM集是以分项EXCEL表达的工程项目全息共享数据库,很容易实现所有软件共享信息。


    CDM按工程应用要求将数学模型与三维模型完全分离,各司其职,使BIM容易被工程使用,解决了IT与工程的一道屏障。


    BIM数学模型开启了中国BIM可以自主创新的BIM第三阶段(参考文献《中国BIM发展三阶段》)。



视频1:数学模型驱动BIM(深圳市市政设计研究院有限公司)

视频2:CDM构件目录、模型、CDM标准数据三联动(深圳市市政设计研究院有限公司)

视频详情请至公众号观看:https://mp.weixin.qq.com/s/3CUe255Z8QMpa4hhHvDmdQ

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