TU Dresden - Institut für Bauinformatik - Prof. Raimar Scherer
Bauinformatik Informationsmanagement
6. Semester 3. Vorlesung
Objekt-orientierte Datenstrukturen – BIM I Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer
Nürnberger Str. 31a 2. OG, Raum 204
Relationale und objektorientierte Datenstrukturen im Bauwesen
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IFCProject
IFCSite
IFCBuilding IFCBuildingStorey
IFCColumn
BIM Building Information Model(ling)
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Modell Transformationen
Fasaden-System Raum-System Stockwerke - Räume
Klima-Zonen-System
Gebäude-Model Alle phys. Element in 3D
1. Filtern 2. Konfigurieren 3. Transformieren (Mapping)
+
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Verlinkung
LM
Stockwerke BIM Bauelemente OG 13-> BIM
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Objekt-orientiertes Datenmodell
( = Objekte + Relationen )
Datenstrukturen
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Daten stellen Information dar. Daraus ergibt sich: - propagieren - schlussfolgern - neue Daten-Netzwerke bilden, z.B. Architektur=Raum-orientiert Statik=Tragwerk-orientiert
Nicht nur Einheiten- oder Koordinatensystem-Transf.
Daten-Transformationen
sondern Daten-Transformationen
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Bauobjekt
Wand Öffnung Raum
Generische Datenstruktur Alle Bauobjekte lassen sich durch die Oberklasse hierarchisch verbinden.
Vorteile: Vererbung von Daten + Algorithmen von oben nach unten über Vererbungs-Relationen Anm: Es ist sinnvoll die 3 Objekte in einer Ebene zu modellieren, wie später gezeigt wird.
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R1
W2 W3 W4 W1
Ö1 Ö1 Ö1
= Topologie Relationen: 1) Zuordnung + 2) Anordnung
Instantiierte Datenstruktur Die Information Raum wird durch das Topologie-Netzwerk abgebildet.
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Modelle in der Tragwerksplanung ein Beispiel für das Multi-Model
Gestaltungsmodell
Tragmodell
Mechanisches Modell
Numerisches mechanisches Modell
Nutzungsmodell
Umgebungsmodell
Lastmodell
Num. Lastmodell
Reaktionsmodell
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Integrierte Planungsmodelle am Beispiel der Tragwerksplanung und des IFC-
Projektmodells
Gestaltungsmodell
Tragmodell
Mechanisches Modell
Numerisches mechanisches Modell
Nutzungsmodell
Umgebungsmodell
Lastmodell
Num. Lastmodell
Reaktionsmodell
Modellier- ungstiefe LoD
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Übersicht
• Das IFC-Projektmodell - Objektorientierte Modellierung - Beschreibung einer gemeinsamen Begriffswelt (Schema, Klassen) mit den Sprachen
- EXPRESS-G - EXPRESS
- Implementierung der Schnittstelle in - C++ oder Java oder ……..
- Informationsaustausch mit dem STEP-Format - SPF (STEP-Physical-File Format)
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IFC - Die Industry Foundation Classes
mit dem Ziel, ein Projektmodell für den reibungslosen Datenaustausch von „Bedeutungsinhalten“ zwischen den am Bau-Projekt beteiligten Fachplanern zu erstellen, wobei sich die Bemühungen auf das Produktmodell fokussierten.
Entwickelt von der buildingSMART, früher International Alliance for Interoperability (IAI)
Das dabei verwendete Projektmodell stellt eine objekt-orientierte Datenstruktur dar. Eine objekt-orientierte Datenstruktur definiert die "Bedeutungsinhalte" in sogenannten Klassen, woraus sich der Name Industry Foundation Classes ableitet.
- BIM: Building Information Model -
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IFC-Projektmodell basiertes System
Architect
Structural Engineer
HVAC Engineer
Controls Engineer
Constr. Manager
Facilities Manager
Building Owner
Civil Engineer
ohne IFC Heute
Architect
Structural Engineer
HVAC Engineer
Controls Engineer
Constr. Manager
Facilities Manager
Building Owner
Civil Engineer
mit IFC
Zukunft
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IFC - Die Industry Foundation Classes
Hinweis zur IFC Version:
Im weiteren wird die IFC Version 2x und ein darauf basierender Erweiterungsvorschlag für die Tragwerks-planung verwendet, der in IFC 2.3 übernommen wurde. Die IFC Version wird dabei verwendet, um die grundlegenden Konzepte zu erläutern.
- der gezeigte Einblick in die IFC weicht aus Gründen der Vereinfachung an verschiedenen Stellen von den IFC Version 2x ab -Derzeit aktuelle Version ist IFC 2x4, die als IFC 4.0 bezeichnet wird.
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Objektorientierte Modellierung
• In Anlehnung an das menschliche Denken sollen die interessierenden Objekte entsprechend ihrer Eigenschaften in Klassen eingeteilt werden.
• Die Eigenschaften der Klassen werden durch Attribute und Beziehungen zu anderen Klassen beschrieben.
• Klassen können durch Unterklassen und über die sogenannte Vererbungsbeziehungen beliebig verfeinert werden.
• Damit ist es möglich, eine abgegrenzte Begriffswelt oder Fachbereich in einer Klassenstruktur zu beschreiben.
Idee:
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Produkt
Unter dem abstrakten Begriff Produkt sollen alle Objekte mit einer Geometrie zusammengefasst werden.
Wand, Öffnung, Grundstück, ...
Man spricht von der Klasse Produkt. Wir haben diese Klasse im 1.Semester physikalisches Objekt genannt.
Objektorientierte Modellierung
Bsp.:
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Alle diese Objekte teilen sich die Eigenschaften, - einen eigenen Standort und - eine Darstellung zu besitzen.
Objektorientierte Modellierung
Produkt Standort besitzt Standort
Geometrie besitzt Darstellung
Bsp.:
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Wand, Öffnung, ... Die Klasse Produkt kann in einzelne
„speziellere“ Klassen untergliedert werden. Die dafür verwendete Beziehung nennt man Spezialisierung mit Vererbung.
Produkt Standort besitzt Standort
Geometrie besitzt Darstellung
Element Grundstück ...
Objektorientierte Modellierung
Bsp.:
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Diese Spezialisierung wird nun bis zu dem gewünschten Grad der Unter-gliederung fortgesetzt.
Gebäudeelement Öffnung
Produkt Standort besitzt Standort
Geometrie besitzt Darstellung
Element
Objektorientierte Modellierung
Bsp.:
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Die in allen Unterklassen neu auftretenden Attribute und Beziehungen werden dabei definiert.
Gebäudeelement
Material
besitzt Material
Öffnung
Produkt Standort besitzt Standort
Geometrie besitzt Darstellung
Element
Objektorientierte Modellierung
Bsp.:
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Gebäudeelement
Material
besitzt Material
Öffnung
Wand Stütze Fenster Balken
Produkt Standort besitzt Standort
Geometrie besitzt Darstellung
Element
Objektorientierte Modellierung
Bsp.:
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Objektorientierte Modellierung in den Industry Foundation Classes
In den IFC sind durch die IAI bereits eine Reihe von Klassen und deren Beziehungen und Attribute definiert.
Der aktuelle Stand umfasst die Fachbereiche Architektur, Technische Gebäudeausrüstung, die Bewirtschaftung von Gebäuden (Facility Management) und die Tragwerks-planung. Für weitere Bereiche existieren Erweiterungs-vorschläge.
Unsere Klassifizierung findet sich in den IFC mit geänderten Namen wieder.
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Gebäudeelement
Material
besitzt Material
Öffnung
Wand Stütze Fenster Balken
Produkt Standort besitzt Standort
Geometrie besitzt Darstellung
Element
Objektorientierte Modellierung in den Industry Foundation Classes
IfcLocalPlacement LocalPlacement
IfcBuildingElement
IfcMaterialSelect
HasMaterial
IfcOpeningElement
IfcWall IfcColumn IfcWindow IfcBeam
IfcProductRepresentation Representations
IfcElement
Auszug: IfcProduct
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Die gezeigten Diagramme stellen vereinfachte Ausschnitte aus der IFC-Struktur dar!
Objektorientierte Modellierung in den Industry Foundation Classes
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• Das IFC-Projektmodell - Objektorientierte Modellierung - Beschreibung einer gemeinsamen Begriffswelt mit
- Grafischen Sprache: EXPRESS-G - Semantischen Sprache: EXPRESS - Programmiersprache Java, C++
- Informationsaustausch mit dem STEP-Format
Übersicht zu EXPRESS, EXPRESS-G und dem STEP Dateiformat
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Übersicht zu EXPRESS, EXPRESS-G und dem STEP Dateiformat
• Für die Beschreibung einer gemeinsamen Begriffswelt, also die Einteilung in Klassen und die Definition von Attributen und Beziehungen, wird für die IFC die durch die ISO 10303, Part 11 genormte Sprache EXPRESS-G und EXPRESS verwendet.
• Wird in dieser Begriffswelt ein konkretes Gebäude beschrieben, d.h. von den Klassen werden Objekte mit konkreten Attributbelegungen und Beziehungen zu anderen Objekten erzeugt, so können diese Daten in dem STEP-Dateiformat (STEP Physical File, SPF, ISO 103030 Part 12 ) unter den Planern ausgetauscht werden.
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EXPRESS-G
EXPRESS-G ist eine graphische Beschreibungssprache für objektorientierte Modelle und ist Teil der ISO-Norm 10303 (STEP). Mittels EXPRESS-G können wesentliche Informationen objektorientierter Modelle spezifiziert werden.
Vorteil: - übersichtlich und leicht verständlich; Anwendung: Modellierung der Objekte
(gewollter) Nachteil: - Nicht alle benötigten Informationen können mit EXPRESS-G beschrieben werden.
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EXPRESS-G
LocalPlacement
Representations S[0:n]
HasMaterial
Modifiziertes Beispiel:
IfcLocalPlacement
IfcBuildingElement
IfcMaterialSelect
IfcOpeningElement
IfcWall IfcColumn IfcWindow IfcBeam
IfcProductRepresentation
IfcElement
IfcProduct
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EXPRESS EXPRESS dient zur genauen Spezifikation objekt-orientierter Modelle. Die in EXPRESS-G beschriebene Klassenhierarchie wird in EXPRESS überführt und durch zusätzlich benötigten Information, die in EXPRESS-G nicht beschreibbar sind, ergänzt, um eine verbindliche Datenstruktur zu definieren.
ENTITY IfcProduct ABSTRACT SUPERTYPE SUBTYPE OF ( IfcObject ); LocalPlacement : IfcLocalPlacement; Representations : SET [0:n] OF IfcProductRepresentation; Classification : OPTIONAL IfcClassificationList; END_ENTITY;
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Überführung der EXPRESS-Struktur in eine ausführbare Programmstruktur
Um mit der in EXPRESS definierten objekt-orientierten Struktur arbeiten zu können muss sie in eine ausführbare Programmstruktur überführt werden. Dafür bieten sich objekt-orientierte Programmiersprachen, wie z.B. Java oder C++, an. Die Datenstruktur kann hierbei auch um Verhalten (Funktionen) erweitert werden.
EXPRESS Programmiersprache
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Überführung der EXPRESS-Struktur in eine ausführbare Programmstruktur
ENTITY IfcProduct ABSTRACT SUPERTYPE SUBTYPE OF ( IfcObject ); LocalPlacement : IfcLocalPlacement; Representations : SET [0:2] OF IfcProductRepresentation; Classification : OPTIONAL IfcClassificationList; END_ENTITY;
class IfcProduct : public IfcObject { private: IfcLocalPlacement* localPlacement; IfcProductRepresentation[2] representations; IfcClassificationList* classification; public: void setLocalPlacement(IfcLocalPlacement* lp); ... };
EXPRESS zu C++
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Anwendung der IFC
Von den in den IFC definierten Klassen können konkrete Objekte, die sog. Instanzen einer Klasse, erzeugt werden.
D.h. die IFC-Datenbank wird mit Information gefüllt.
Dafür werden die Parameter mit Werten belegt und die Beziehungen zu den entsprechenden Instanzen hergestellt.
Dies erfolgt mittels eines CAD-Programms Und nicht durch alphanum. Eingabemasken
Diese Instanzen können auf eine Datei geschrieben und mit anderen Fachplanern ausgetauscht werden.
Als Dateiformat wird das STEP-Physical-File Format SPF verwendet.
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Zusammenfassung
• Das IFC-Projektmodell - Objektorientierte Modellierung - Beschreibung einer gemeinsamen Begriffswelt mit
- EXPRESS-G - EXPRESS - C++ / JAVA
- Informationsaustausch mit dem SPF-Format