Articles
Thời đại AI Agent tự động vận hành BIM: Lịch sử và tương lai của CAD và BIM dựa trên nghiên cứu mới nhất
Product
Career
Đây là bản dịch tự động từ bản gốc tiếng Nhật
Lời mở đầu
AI đang dần trở nên phổ biến và được sử dụng trong nhiều tình huống từ hàng ngày đến công việc. Trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng, việc ứng dụng AI cũng được mong đợi trong nhiều tình huống khác nhau, trong đó, tự động hóa thiết kế thông qua AI - mà trước đó chỉ được gợi ý về khả năng - giờ đã trở nên thực tế. Tại đây, chúng tôi muốn xem lại quá trình phát triển lịch sử của các công cụ kỹ thuật số như CAD (Computer-Aided Design) và BIM (Building Information Modeling) đã thay đổi công việc trong ngành kiến trúc và xây dựng, và dựa trên những nghiên cứu học thuật mới nhất, tổng hợp lại cách chúng sẽ phát triển trong tương lai.
Lịch sử CAD và BIM: BIM không phải là thế hệ kế tiếp của CAD
Tại đây chúng tôi xem lại lịch sử của CAD và BIM. Là một điểm cần hiểu trước, CAD và BIM có hệ thống phát triển khác nhau, do đó BIM không phải là thế hệ kế tiếp của CAD. Đặc biệt, sự khác biệt lớn nhất là CAD là một công cụ đa năng được áp dụng ngoài lĩnh vực kiến trúc và xây dựng, trong khi BIM là một công cụ chuyên biệt cho lĩnh vực kiến trúc và xây dựng.
Lịch sử CAD
Thập niên 1950 - 1960: Sự ra đời của khái niệm và sự phát triển của SKETCHPAD
Kỹ thuật định nghĩa hình học bằng toán học: Các gốc rễ kỹ thuật của CAD có thể được truy ngược đến cuối những năm 1950 trong nhu cầu tự động hóa sản xuất trong ngành quân sự và hàng không vũ trụ. Tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), công cụ APT - một công cụ lập trình tự động cho máy công cụ điều khiển số (Numerical Control: NC) đã được phát triển, trở thành nền tảng cho định nghĩa hình học bằng toán học. (Ball, 2013; Weisberg, 2008)
Phát triển SKETCHPAD: Sketchpad, được phát triển bởi Ivan Sutherland của MIT năm 1963 như là một nghiên cứu luận án tiến sĩ, được coi là tổ tiên thật sự của CAD hiện đại. Hệ thống này, sử dụng màn hình Cathode Ray Tube (CRT) và bút sáng (light pen), cho phép vẽ và thao tác hình học tương tác với máy tính, cũng như cung cấp các ràng buộc hình học (các quy tắc định nghĩa và hạn chế các mối quan hệ vị trí tương đối và các mối quan hệ hình học giữa các phần tử như điểm, đường, mặt) - một bước tiến đột phá. (Alin & Stăncioiu, 2024; Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
Phát triển hệ thống nội bộ tại các công ty lớn: Trong những năm 1960, các công ty lớn trong ngành ô tô và hàng không bắt đầu phát triển các hệ thống 2D/3D độc lập của riêng họ bằng cách sử dụng máy tính mainframe. Những ví dụ điển hình bao gồm DAC-1 của General Motors (GM), CADAM của Lockheed, và UNISURF của Renault. (Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008)
Thập niên 1970: Sự trỗi dậy của các hệ thống turnkey thương mại và thiết lập nền tảng
Khởi đầu của thị trường thương mại: Khi Applicon và Computervision được thành lập năm 1969, công nghệ CAD chuyển từ phòng thí nghiệm sang thị trường thương mại. Sau đó, các công ty chính ban đầu như Auto-trol, Calma, và Intergraph đã xuất hiện. (Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
Cung cấp dưới dạng hệ thống turnkey: Các hệ thống CAD vào thời điểm đó được bán dưới dạng hệ thống turnkey (một hệ thống có thể sử dụng ngay sau khi chuyển giao, chỉ cần bật công tắc) tích hợp máy tính nhỏ (như PDP-11 của DEC) với các màn hình và máy số hóa. Những hệ thống này có giá trên 150.000 đô la mỗi bộ, rất đắt tiền, vì vậy công nghệ chủ yếu bị giới hạn ở các công ty lớn. (Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
Cha của CAD/CAM và sự hình thành của mô hình hóa rắn: MCS được thành lập bởi Patrick Hanratty đã phát triển phần mềm thiết kế và sản xuất như ADAM, và bằng cách cung cấp giấy phép cho nhiều nhà cung cấp, đã xây dựng nền tảng cho sự phổ biến của CAD. Ngoài ra, trong giai đoạn này, Ian Braid và những người khác đã đạt được tiến bộ trong nghiên cứu cơ bản về mô hình hóa rắn, như Biểu diễn Ranh giới (Boundary Representation: B-Rep) và Hình học Rắn Cấu tạo (Constructive Solid Geometry: CSG). (Ball, 2013; Weisberg, 2008)
Thập niên 1980: Sự phổ biến của PC và sự xuất hiện của AutoCAD
Dân chủ hóa thông qua PC CAD: Khi giá phần cứng giảm mạnh vào những năm 1980, cấu trúc thị trường CAD đã thay đổi hoàn toàn. Khi Autodesk công bố AutoCAD giá rẻ dành cho máy tính cá nhân (PC) năm 1982, nó đã trở nên trong tầm tay của các công ty nhỏ và vừa, cũng như những nhà thiết kế cá nhân mà trước đó không thể mua được CAD, và trở thành tiêu chuẩn thực tế của ngành. (Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008)
Chuyển đổi sang Workstation: Mặt khác, các công ty yêu cầu xử lý nâng cao hơn đã chuyển từ mainframe sang các workstation kỹ thuật dựa trên UNIX của Apollo và Sun Microsystems. (Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
Sự xuất hiện của thiết kế Tham số hóa dựa trên Tính năng: Năm 1987, Công ty Parametric Technology Corporation (PTC) công bố Pro/ENGINEER. Đây là một hệ thống đột phá giữ lại quy trình thiết kế của người dùng dưới dạng lịch sử, và toàn bộ mô hình được tự động cập nhật chỉ bằng cách thay đổi các tham số (biến) như kích thước. Đây là một sự thay đổi mô hình lớn được gọi là thế hệ thứ năm của ngành CAD, có tác động đủ để làm cho các hệ thống hiện có trở nên lỗi thời. (Tornincasa & Monaco, 2010; Weisberg, 2008)
Thập niên 1990 - 2000: Sự trỗi dậy của CAD Midrange và sự phát triển sang Mô hình hóa trực tiếp
3D CAD Midrange dựa trên Windows: Vào giữa những năm 1990, khi hiệu suất của hệ điều hành Windows và bộ xử lý Intel cải thiện, các phần mềm CAD 3D midrange (CAD ở khoảng giữa giữa high-end và low-end) dựa trên Windows rẻ tiền và dễ sử dụng như SolidWorks (1995) và Solid Edge (1996) đã xuất hiện và chiếm thị trường từ những workstation UNIX đắt tiền. (Tornincasa & Monaco, 2010; Wolfe, July-Sep 2025)
Công nghệ Mô hình hóa trực tiếp: Mặc dù mô hình hóa tham số hóa mạnh mẽ, nhưng nó có nhược điểm là nếu các ràng buộc ban đầu trở nên quá phức tạp, những người khác sẽ khó sửa đổi mô hình. Do đó, vào cuối những năm 2000, công nghệ mô hình hóa trực tiếp (miễn lịch sử) cho phép thao tác trực tiếp và trực quan các bề mặt và cạnh mà không bị ràng buộc bởi lịch sử đã xuất hiện. Hiện nay, các hệ thống CAD hybrid kết hợp các ưu điểm của cả hai đã trở thành xu hướng chính. (Tornincasa & Monaco, 2010)
Tích hợp vào PLM: CAD hiện đại đã vượt quá công cụ mô hình hóa hình học đơn thuần, hoạt động như phần lõi của các hệ thống PLM (Product Lifecycle Management) quản lý toàn bộ vòng đời của sản phẩm, bao gồm cả phân tích (Computer Aided Engineering: CAE) và sản xuất (Computer Aided Manufacturing: CAM). (Weisberg, 2008; Wolfe, July-Sep 2025)
Phát triển sang BIM: Trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng, nó đã phát triển thành Mô hình hóa Thông tin Tòa nhà (BIM) có các thông tin thuộc tính, trở thành nền tảng thông tin toàn diện từ thiết kế cho đến quản lý bảo trì. (Sacks et al., 2018)
Lịch sử của BIM
Thập niên 1960 - 1970: Sự ra đời của khái niệm và phát triển nguyên mẫu
Dự báo tương lai của Thiết kế Tham số hóa: Douglas C. Englebart đã dự báo trong bài báo "Augmenting Human Intellect" một tương lai trong đó thiết kế kiến trúc được thực hiện bằng cách sử dụng các yếu tố tham số dựa trên đối tượng. (Borkowski, 2023; Hız et al., 2023)
Đề xuất Khái niệm Mẫu: Kiến trúc sư Christopher Alexander đã đề xuất khái niệm mẫu để tự động hóa quy trình thiết kế, xây dựng nền tảng cho phương pháp tiếp cận hướng đối tượng (dẫn đến Pattern Language sau này). (Alexander, 1977; Borkowski, 2023)
Phát triển nguyên mẫu BIM của Cha của BIM: Charles M. Eastman và những người khác tại Đại học Carnegie Mellon đã phát triển và công bố Building Description System (BDS) - phần mềm đầu tiên thế giới có logic của BIM hiện tại. BDS có một cơ sở dữ liệu được cập nhật liên tục chứa thông tin vật liệu và nhà cung cấp, và có thể tự động và nhất quán tạo ra các kế hoạch, độ cao, và phối cảnh từ một mô tả duy nhất - một hệ thống đột phá. Eastman tiếp tục phát triển GLIDE với logic tương tự, tiếp tục chứng minh khái niệm về mô hình hóa thông tin trong vòng đời kiến trúc. (Hız et al., 2023)
Thập niên 1980: Giai đoạn sáng tạo của thương mại hóa và sự xuất hiện của "Mô hình hóa Tòa nhà"
Công bố Radar CH (sau này là ArchiCAD): Công ty Graphisoft của Hungary đã công bố Radar CH (sau này là ArchiCAD), cung cấp phương pháp tiếp cận 3D dựa trên đối tượng mà không phụ thuộc vào các workstation đắt tiền. Vào cùng thời kỳ, các hệ thống tiên phong như RUCAPS và SONATA cũng được phát triển ở Anh. (Borkowski, 2023; C. Eastman et al., 2008)
Định nghĩa các yêu cầu thiết yếu của BIM： Ông Robert Aish đã lần đầu tiên biểu thị phương pháp mà chúng tôi hiện biết dưới dạng BIM bằng thuật ngữ Building Modelling (Mô hình hóa Tòa nhà) trong một bài báo về dự án cải tạo Sân bay Heathrow London sử dụng RUCAPS. Trong bài báo này, các yêu cầu thiết yếu của BIM hiện đại—bao gồm mô hình hóa 3D, thành phần tham số, cơ sở dữ liệu quan hệ và pha thời gian của quá trình xây dựng—đã được định nghĩa rõ ràng. (Borkowski, 2023; C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023)
Thập niên 1990: Sự ra đời của thuật ngữ "BIM" và những thách thức về khả năng tương tác
Sự ra đời của thuật ngữ BIM: G.A. van Nederveen và F.P. Tolman đã công bố bài báo 'Modelling multiple views on buildings'. Được công nhân rộng rãi là bài báo đầu tiên trong văn献học thuật sử dụng từ viết tắt "Building Information Model (BIM)". (C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023)
Thành lập IAI (sau này là buildingSMART)： Mỗi nhà cung cấp có định dạng dữ liệu riêng, và trao đổi dữ liệu giữa các lĩnh vực khác nhau (khả năng tương tác) trở thành một rào cản lớn. Để giải quyết vấn đề này, một liên minh công ty gồm các công ty như Autodesk được thành lập, và IAI (International Alliance for Interoperability, hiện tại là buildingSMART) được chính thức thành lập vào năm 1995. (C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023; Laakso & Kiviniemi, 2012; Sacks et al., 2018)
Phát hành IFC： Phiên bản đầu tiên của "IFC (Industry Foundation Classes)" (IFC 1.0)—một tiêu chuẩn dữ liệu mở trung lập với nhà cung cấp—đã được phát hành bởi IAI, xây dựng nền tảng kỹ thuật cho sự hợp tác liên lĩnh vực. (Hız et al., 2023)
Thập niên 2000: Thiết lập và phổ biến như một tiêu chuẩn ngành
Sự ra đời của Revit： Công ty Charles River Software đã phát triển Revit với một công cụ thay đổi tham số mạnh mẽ (được Autodesk mua lại vào năm 2006). (C. Eastman et al., 2008; Hız et al., 2023)
Phổ biến toàn cầu của thuật ngữ BIM： Thông qua các hoạt động của nhà phân tích ngành nổi tiếng Jerry Laiserin và các bảng thông tin được phát hành bởi Autodesk, thuật ngữ BIM đã đạt được bước đột phá trên toàn cầu. Công nghệ mà các công ty trước đó gọi bằng các tên khác nhau như Virtual Building đã được tích hợp dưới một ngôn ngữ chung là BIM. (Borkowski, 2023; C. Eastman et al., 2008)
Công bố Mô hình Trưởng thành BIM： Ở Anh, Mô hình Trưởng thành BIM (Bew-Richards ramp) đã được đề xuất, xác định rõ ràng các mức áp dụng BIM theo giai đoạn (Mức 0 đến Mức 3). Mô hình này đã trở thành một chỉ tiêu quan trọng khi các chính phủ quốc gia lập kế hoạch thúc đẩy BIM, và đã trở thành một tiêu chuẩn để các công ty đo lường mức độ thành thạo BIM của chính họ. (Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018)
Từ thập niên 2010 trở đi: Thúc đẩy Quốc gia và Sự phát triển của Tiêu chuẩn Mở
Bắt buộc BIM ở các quốc gia： Chính phủ Anh công bố Chiến lược BIM vào năm 2011 và bắt buộc sử dụng "Level 2 BIM" trong tất cả các dự án mua sắm công cộng từ năm 2016. Các quốc gia khác như Singapore (CORENET), Hoa Kỳ (GSA), các quốc gia Bắc Âu như Phần Lan, và Hàn Quốc cũng đang tích cực thúc đẩy và bắt buộc sử dụng BIM hoặc định dạng IFC trong các dự án công cộng. (Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018; Sacks et al., 2018)
Phổ biến của openBIM： Sáng kiến openBIM đã được tăng tốc dưới sự dẫn đầu của các công ty như Graphisoft và Tekla. Điều này đã cho phép thoát khỏi BIM bị đóng cửa—bị một phần mềm cụ thể giữ lại—và phương pháp kết nối liền mạch các công cụ tối ưu nhất thông qua các định dạng tiêu chuẩn mở như IFC đã trở nên phổ biến rộng rãi. (Borkowski, 2023; Hız et al., 2023)
Kiến trúc Dữ liệu CAD
Triết lý CAD được thể hiện trong các hướng dẫn thiết kế dữ liệu và cấu trúc. Ở đây chúng tôi tổ chức kiến trúc dữ liệu.
Cơ chế DXF
Trong trao đổi dữ liệu CAD, DXF (Drawing Interchange Format) được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới như một tiêu chuẩn thực tế (de facto standard). DXF, được phát triển bởi Autodesk cho AutoCAD, được thiết kế dưới dạng văn bản ASCII có thể đọc được bởi con người (một định dạng mã ký tự cơ bản nhất và phổ quát trên toàn cầu sử dụng 7 bit để biểu thị 128 ký tự), sao cho thông tin từ cấu trúc dữ liệu nội bộ độc quyền (DWG) của nó có thể được đọc và ghi toàn diện bởi các hệ thống khác, và nó đã trở nên phổ biến rộng rãi trong ngành. (Autodesk, 1993)
Mô tả dữ liệu theo phương pháp Group Code： Cơ chế đặc trưng nhất của tệp DXF là phương pháp mô tả dữ liệu độc quyền được gọi là group code. Dữ liệu trong tệp không được xếp theo thứ tự tùy ý, mà luôn được tạo thành bằng cặp 2 dòng gồm một group code (số nguyên dương) và giá trị của nó. Khi chương trình đọc DXF, nó chỉ cần nhìn vào group code ở dòng thứ nhất để phân biệt chính xác kiểu dữ liệu và ý nghĩa của giá trị tiếp theo ở dòng thứ hai. Cụ thể, nếu mã từ "0 đến 9" thì là chuỗi, nếu từ "10 đến 59" thì là số dấu phẩy động như tọa độ X hoặc tỷ lệ, nếu từ "60 đến 79" thì là số nguyên. Đặc biệt, mã "0" rất đặc biệt và hoạt động như một dấu hiệu khai báo sự khởi đầu của một phần hoặc một thực thể (hình). (Autodesk, 1993)
Cấu trúc Phân cấp của toàn bộ Tệp： Để tránh dữ liệu văn bản phát triển một cách vô trật tự, toàn bộ tệp bắt đầu bằng mô tả "0" và "SECTION", kết thúc bằng "0" và "ENDSEC", và được lưu trữ chia thành các "phần" logic. Bốn phần chính sau đây: (Autodesk, 1993)
Phần HEADER（tiêu đề）：Các biến hệ thống như thông tin phiên bản hình vẽ ($ACADVER) hoặc tọa độ giới hạn hình vẽ ($EXTMIN, $EXTMAX) được lưu trữ theo sau mã group code "9" có nghĩa là tên biến.
Phần TABLES（bảng）：Giữ các danh sách cài đặt có tên được sử dụng lặp lại trong hình vẽ, chẳng hạn như loại đường, lớp (layer), kiểu văn bản. Khi bắt đầu mỗi bảng, số phần tử tối đa được khai báo, cho phép bên đọc phân bổ bộ nhớ một cách hiệu quả.
Phần BLOCKS（khối）：Lưu trữ định nghĩa của các "khối"—nhiều hình được kết hợp lại thành một. Nó phục vụ như dữ liệu gốc để sử dụng lại cùng một nhóm hình trong hình vẽ, và thông tin đường dẫn tệp tham chiếu bên ngoài cũng được ghi lại.
Phần ENTITIES（thực thể）：Mô tả thực thể dữ liệu hình học như đoạn thẳng, hình tròn, văn bản được vẽ thực tế trên màn hình. Tệp được kết thúc bằng dấu hiệu "0" và "EOF (End of File)".
Lưu trữ Dữ liệu Hình học： Phần ENTITIES chứa tọa độ và thuộc tính của các hình như đường (LINE) hoặc hình tròn (CIRCLE), nhưng được tối ưu hóa để tránh tệp văn bản phát triển quá lớn. Ví dụ, nếu các thuộc tính của một hình như màu sắc hoặc loại đường giống với giá trị mặc định như "BYLAYER (tuân theo cài đặt lớp)", dữ liệu đó sẽ không được ghi ra tệp và mô tả chính nó bị bỏ qua. Chương trình phía đọc có cơ chế tự động bổ sung giá trị mặc định khi dữ liệu bị bỏ qua. Ngoài ra, còn có những ràng buộc trong biểu diễn chuỗi, chẳng hạn như dữ liệu văn bản dài (MTEXT, v.v.) được chia thành các đoạn 255 ký tự để lưu trữ. (Autodesk, 1993)
Nhẹ hóa Biểu diễn Không gian 3D： Trong DXF, khi lưu trữ dữ liệu hình dạng trong không gian 3D, cũng sử dụng khái niệm nén độc quyền. Thay vì ghi lại tất cả tọa độ tuyệt đối ba chiều (Hệ tọa độ Thế giới: WCS), dữ liệu được lưu trữ dựa trên "Hệ tọa độ Thực thể (ECS)"—một mặt phẳng 2D cục bộ. Ví dụ, các hình dạng phẳng như vòng tròn hoặc văn bản được ghi lại dưới dạng tọa độ 2D (X, Y) trên ECS nơi hình dạng đó nằm và độ cao (Elevation) từ WCS. Sau đó, để chỉ ra hướng mà mặt phẳng đó quay trong không gian 3D, chỉ "vectơ phẩy lên của trục Z" được thêm vào. Chương trình đọc dữ liệu sử dụng quy tắc toán học được gọi là "Arbitrary Axis Algorithm" để tự động tạo ra trục X và Y nhất quán từ vectơ trục Z này, chính xác phục hồi tư thế hình dạng trong không gian 3D ban đầu. Điều này làm giảm đáng kể lượng dữ liệu. (Autodesk, 1993)
Đính kèm Dữ liệu Bên ngoài： DXF không chỉ lưu trữ các hình dạng hình học mà còn có một cơ chế linh hoạt được gọi là "Dữ liệu Thực thể Mở rộng (XDATA)" cho phép phần mềm của bên thứ ba đính kèm dữ liệu không phải hình học độc quyền của chúng (như thông tin thuộc tính) vào các hình. XDATA được gán mã nhóm đặc biệt trong dải 1000 (ví dụ, 1000 là chuỗi, 1040 là số thực, v.v.), và có thể nhúng thông tin độc quyền vào hình bằng cách bắt đầu với tên ứng dụng đã đăng ký. (Autodesk, 1993)
Tăng tốc Đọc và Ghi Dữ liệu： DXF ở dạng văn bản ASCII có tính minh bạch khi con người có thể đọc được, nhưng kích thước tệp có thể lớn, và những vấn đề như lỗi làm tròn số dấu phẩy động và tốc độ đọc chậm có thể phát sinh. Để giải quyết vấn đề này, Autodesk cũng cung cấp định dạng "DXF nhị phân". Trong khi vẫn giữ cấu trúc dữ liệu giống như phiên bản ASCII (phương pháp mã nhóm), nó mô tả dữ liệu trực tiếp bằng giá trị nhị phân (chẳng hạn như dấu phẩy động kép IEEE). Điều này cho phép giảm kích thước tệp khoảng 25% trong khi duy trì hoàn toàn độ chính xác của dữ liệu, và cải thiện tốc độ đọc và ghi khoảng 5 lần. (Autodesk, 1993)
Mã Mẫu
Mẫu mã nhóm (Group Code)
Dưới đây là ví dụ về mã nhóm. Chúng ta có thể hình dung định dạng DXF giống như đơn đăng ký gửi đến cơ quan chính phủ.
—
Giả sử đơn đăng ký gửi đến cơ quan chính phủ được viết như sau:
Mục 1 (Tên họ): Yamada Taro
Mục 2 (Ngày sinh): 1 tháng 1 năm 1990
Mục 3 (Địa chỉ): Chiyoda-ku, Tokyo...
—
Nếu viết theo dạng xen kẽ số thứ tự và nội dung, sẽ như sau:
—
1
Yamada Taro
2
1 tháng 1 năm 1990
3
Chiyoda-ku, Tokyo...
Dòng 1 là số thứ tự, dòng 2 là nội dung của số thứ tự đó. Đây là cấu trúc cơ bản của phương pháp mã nhóm trong DXF.
—
Trong tệp DXF, số thứ tự trong đơn đăng ký ở trên được gọi là mã nhóm, còn nội dung được gọi là giá trị.
—
0 ← Mã nhóm (biểu thị loại thực thể/phần tử)
LINE ← Giá trị (có nghĩa là đây là một đường thẳng)
8 ← Mã nhóm (biểu thị lớp)
0 ← Giá trị (tên lớp là "0")
10 ← Mã nhóm (tọa độ X của điểm đầu)
0.0 ← Giá trị (X = 0.0)
20 ← Mã nhóm (tọa độ Y của điểm đầu)
0.0 ← Giá trị (Y = 0.0)
11 ← Mã nhóm (tọa độ X của điểm cuối)
100.0 ← Giá trị (X = 100.0)
21 ← Mã nhóm (tọa độ Y của điểm cuối)
0.0 ← Giá trị (Y = 0.0)
—
Thông tin này biểu thị việc vẽ một đường thẳng từ (0,0) đến (100,0).
Mẫu cấu trúc phân cấp của toàn bộ tệp
Dưới đây là ví dụ về cấu trúc phân cấp của toàn bộ tệp. Tệp lưu bản vẽ được vẽ bằng CAD (DXF) giống như một tủ hồ sơ có 5 ngăn kéo.
┌─────────────────────────┐
│ ▼ Tệp DXF (Tủ)
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ HEADER │ ← Thông tin cơ bản của toàn bộ bản vẽ
│ └───ENDSEC──┘
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ TABLES │ ← Đăng ký các cài đặt thường dùng
│ └───ENDSEC──┘
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ BLOCKS │ ← Đăng ký các bộ phận có thể tái sử dụng
│ └───ENDSEC──┘
│
│ ┌─ SECTION ─┐
│ │ ENTITIES │ ← Các hình dạng được vẽ thực tế
│ └───ENDSEC──┘
│
│ EOF ← Đóng tủ
└─────────────────────────┘
Mỗi ngăn kéo có tên, được bắt đầu bằng "0 SECTION" (mở ngăn kéo từ đây) và kết thúc bằng "0 ENDSEC" (đóng ngăn kéo này).
Mẫu HEADER (Tiêu đề)
Đây là thông tin siêu dữ liệu của toàn bộ tệp. Không phải là nội dung của bản vẽ, mà là phần mô tả bản vẽ này là gì. Nó tương tự như bìa sách.
Tác giả
Nhà xuất bản
Năm xuất bản
HEADER của DXF chứa
Phiên bản AutoCAD ($ACADVER)
Phạm vi hiển thị của bản vẽ ($EXTMIN, $EXTMAX)
Đơn vị (mm / m / inch, v.v.)
Cài đặt lớp hiện tại
Mẫu thực tế như sau:
—
0
SECTION
2
HEADER
9
$ACADVER ← Tên biến "Phiên bản AutoCAD"
1
AC1027 ← Giá trị "Phiên bản năm 2013"
9
$EXTMIN ← Tên biến "Góc dưới bên trái của bản vẽ"
10
0.0 ← Tọa độ X
20
0.0 ← Tọa độ Y
9
$EXTMAX ← Tên biến "Góc trên bên phải của bản vẽ"
10
1000.0
20
500.0
0
ENDSEC
—
Đây là lần đầu tiên mã nhóm 9 xuất hiện, biểu thị tên biến (biến hệ thống).
TABLES (Bảng): Danh bạ đăng ký cài đặt thường dùng
Đây là nơi đăng ký các cài đặt có tên được sử dụng lặp lại. Tương tự như danh bạ công ty.
Bộ phận bán hàng A: Máy lẻ 100
Bộ phận kế toán B: Máy lẻ 200
Khi muốn viết trong nội dung chính "Liên hệ với A", việc mỗi lần viết "A (Bộ phận bán hàng, Trụ sở Tokyo, Gia nhập năm 1990...)" sẽ rất phiền. Vì vậy chúng ta đăng ký tên và chi tiết trước. Đó là vai trò của TABLES.
TABLES của DXF chứa
Bảng lớp: Tương ứng giữa tên lớp, màu sắc và loại đường
Bảng loại đường: Định nghĩa mẫu như "đường gạch ngang" "đường nét-chấm"
Bảng kiểu văn bản: Phông chữ, kích thước
Kiểu kích thước
được viết.
Mẫu thực tế (chỉ trích xuất bảng lớp) như sau:
—
0
SECTION
2
TABLES
0
TABLE
2
LAYER ← Bắt đầu bảng lớp
70
3 ← Có 3 lớp (khai báo số tối đa)
0
LAYER
2
0 ← Tên lớp "0"
62
7 ← Số màu 7 (trắng)
6
CONTINUOUS ← Loại đường "đường liên tục"
0
LAYER
2
Wall ← Tên lớp "Wall"
62
1 ← Số màu 1 (đỏ)
6
CONTINUOUS
0
LAYER
2
Door ← Tên lớp "Door"
62
3 ← Số màu 3 (xanh)
6
CONTINUOUS
0
ENDTAB ← Kết thúc bảng lớp
0
ENDSEC
—
Mẫu BLOCKS (Khối)
Đây là nơi đăng ký các bộ phận là tập hợp của nhiều hình dạng. Tương tự như hộp bộ phận Lego.
Bộ phận cửa sổ (khung + lưới + nhãn được ghép)
Bộ phận cửa ra vào (khung + cánh cửa + tay nắm được ghép)
Khối tiêu đề (khung ở góc dưới bên phải của bản vẽ, chứa tên bản vẽ, tỷ lệ, ngày tháng)
Nếu đăng ký những bộ phận này một lần, chúng có thể được tái sử dụng nhiều lần trên toàn bản vẽ. Khi vẽ 100 cánh cửa, thay vì vẽ hình dạng cửa từ đầu mỗi lần, bạn chỉ cần chỉ định để đặt bộ phận cửa ở đây.
—
Mẫu thực tế:
0
SECTION
2
BLOCKS
0
BLOCK
2
DoorUnit ← Tên khối "DoorUnit"
10
0.0 ← Điểm chuẩn của khối (X)
20
0.0 ← Điểm chuẩn (Y)
0
LINE ← Đường thẳng 1 tạo thành khối này
8
0
10
0.0
20
0.0
11
800.0
21
0.0
0
LINE ← Đường thẳng 2 tạo thành khối này
8
0
10
0.0
20
0.0
11
0.0
21
2100.0
0
ENDBLK ← Kết thúc khối "DoorUnit"
0
ENDSEC
—
Và trong phần chính (ENTITIES), bạn viết như thế này:
—
0
INSERT ← Chèn khối
2
DoorUnit ← Gọi "DoorUnit"
10
1000.0 ← Vị trí đặt X
20
0.0 ← Vị trí đặt Y
—
Chỉ cần vậy, cửa ra vào sẽ được vẽ ở vị trí đó.
ENTITIES（thực thể）mẫu
Đây là ngăn kéo chính. Các đường, đường tròn, văn bản và các yếu tố khác được vẽ thực tế trên màn hình được sắp xếp ở đây. Một ví dụ gần gũi là nội dung chính của bản tuyên bố lý do xin học. ENTITIES là vai trò chính của tập tin.
Mẫu thực tế
—
0
SECTION
2
ENTITIES
0
LINE ← đường thứ nhất
8
Wall
10
0.0
20
0.0
11
1000.0
21
0.0
0
LINE ← đường thứ hai
8
Wall
10
0.0
20
0.0
11
0.0
21
500.0
0
CIRCLE ← đường tròn
8
Door
10
500.0
20
250.0
40
50.0
0
INSERT ← gọi và đặt "DoorUnit"
2
DoorUnit
10
800.0
20
0.0
0
TEXT ← văn bản
8
Annotation
10
500.0
20
600.0
40
20.0
1
LIVING ROOM
0
ENDSEC
—
Đây là trạng thái vẽ 2 bức tường, 1 đường tròn biểu thị cửa, 1 bộ phận cửa và 1 chữ "LIVING ROOM". Nội dung được viết ở đây trở thành những gì hiển thị trên màn hình CAD (đường, đường tròn, văn bản, v.v.).
Mẫu EOF（End of File）
Cuối cùng, có một dấu hiệu đánh dấu kết thúc tập tin.
—
0
EOF
—
Nếu không có điều này được viết, phía CAD sẽ phán đoán rằng tập tin bị "cắt ngang" và phát ra lỗi. Nó tương ứng với trang "trên cùng, kết thúc, xong" ở cuối cuốn sách.
Quá trình từ khi vẽ bản vẽ trong CAD cho đến khi lưu thành DXF
Trong CAD, quá trình vẽ bản vẽ và lưu nó dưới dạng DXF（Drawing Interchange Format）cho phép trao đổi dữ liệu giữa các loại máy khác nhau được thực hiện bằng một chuỗi các phép tính tinh xảo và chuyển đổi dữ liệu.
Bố trí các hình dạng hình học（Quy trình vẽ）：Trên bảng vẽ điện tử được gọi là CAD, nhà thiết kế kết hợp các hình dạng hình học（các yếu tố nguyên thủy）như đoạn thẳng, cung tròn và văn bản để vẽ bản vẽ. Không giống như BIM, hệ thống CAD chính nó không hiểu rằng đường được vẽ là "bức tường" mà xử lý nó như một tập hợp các yếu tố đồ họa thuần túy（đường và văn bản）. (Ball, 2013; C. M. Eastman, 1989)
Phân chia tập tin thành các phần logic：Khi lưu trữ vào định dạng DXF（xuất）bắt đầu, dữ liệu không được xuất ra một cách hỗn loạn mà được chia chặt chẽ thành các phần logic như HEADER（biến hệ thống）, TABLES（thiết lập lớp vẽ và loại đường）, BLOCKS（nhóm hình dạng có thể tái sử dụng）, ENTITIES（thực thể hình dạng thực tế）và được xuất ra tệp văn bản. (Autodesk, 1993)
Tuần tự hóa dữ liệu bằng phương pháp mã nhóm：Tất cả dữ liệu được viết vào tệp được tuần tự hóa（serialized）dưới dạng cặp gồm mã nhóm（số nguyên dương）và giá trị của nó trên hai dòng. Ví dụ, mã "10" được theo sau bởi tọa độ X và "8" được theo sau bởi tên lớp vẽ. Quy tắc này cho phép các chương trình khác diễn giải chính xác kiểu dữ liệu và ý nghĩa của giá trị khi đọc dữ liệu văn bản. (Autodesk, 1993)
Tối ưu hóa dữ liệu bằng cách bỏ qua các giá trị mặc định：Định dạng văn bản ASCII có xu hướng làm cho dữ liệu phình ra, vì vậy tối ưu hóa tự động được thực hiện khi xuất. Khi các thuộc tính của hình dạng như màu sắc hoặc loại đường giống với các giá trị mặc định như BYLAYER（tuân theo cài đặt lớp vẽ）, chính phần mô tả đó được bỏ qua khỏi tệp để giảm kích thước tệp. (Autodesk, 1993)
Tối ưu hóa biểu diễn không gian bằng ECS：Khi lưu các hình dạng trong không gian 3D, thay vì ghi lại tất cả các tọa độ tuyệt đối, chỉ tọa độ trên mặt phẳng 2D cục bộ（hệ tọa độ thực thể - ECS）và vectơ đẩy trục Z mới được ghi lại. Khi đọc, hình dáng 3D ban đầu được khôi phục một cách toán học bằng cách sử dụng Thuật toán Trục Tùy ý（Arbitrary Axis Algorithm）, đơn giản hóa đáng kể lượng dữ liệu. (Autodesk, 1993)
Như vậy, quá trình lưu trữ từ CAD sang DXF là một quy trình xử lý tinh xảo tối ưu hóa dữ liệu hình học được vẽ bằng các cơ chế như mã nhóm riêng và ECS, chuyển đổi nó thành dữ liệu văn bản tiêu chuẩn có thể được đọc bởi các chương trình bên ngoài.
Kiến trúc dữ liệu BIM
Tư tưởng BIM được thể hiện trong các hướng dẫn thiết kế dữ liệu và cấu trúc. Tại đây chúng tôi tổng hợp kiến trúc dữ liệu.
Cơ chế IFC
IFC（Industry Foundation Classes）là định dạng mở trung lập cho trao đổi dữ liệu BIM được phát triển bởi buildingSMART và được chuẩn hóa quốc tế là ISO 16739. Trong khi dữ liệu CAD truyền thống chủ yếu là một tập hợp các thông tin hình dạng hình học, IFC được thiết kế như một mô hình dữ liệu hướng đối tượng có thể mô tả toàn diện thông tin ngữ nghĩa（semantics）của các tòa nhà và cơ sở hạ tầng, thông tin hình dạng（geometry）và các mối quan hệ phức tạp giữa các đối tượng.
Định nghĩa dữ liệu hướng đối tượng bằng ngôn ngữ EXPRESS：Lược đồ dữ liệu IFC（định nghĩa cấu trúc dữ liệu）được viết bằng ngôn ngữ mô hình hóa dữ liệu EXPRESS được xác định trong ISO 10303（tiêu chuẩn STEP）. EXPRESS kết hợp các khái niệm hướng đối tượng và có thể xác định chặt chẽ các lớp（thực thể）, thuộc tính và các mối quan hệ kế thừa. Ngoài ra, để biểu diễn lược đồ IFC một cách trực quan, phương pháp mô tả đồ họa EXPRESS-G cũng được sử dụng. (Ball, 2013; Borrmann et al., 2018)
Kiến trúc lược đồ nghiêm ngặt với 4 lớp：Lược đồ IFC được chia thành 4 lớp（hierarchy）với các quy tắc phụ thuộc nghiêm ngặt（chỉ cho phép tham chiếu từ lớp trên xuống lớp dưới）để quản lý hiệu quả thông tin từ các dự án xây dựng khổng lồ và phức tạp, đồng thời duy trì khả năng mở rộng trong tương lai. (Borrmann et al., 2018)
Lớp Tài nguyên（Resource Layer）：Nằm ở lớp dưới cùng, cung cấp các cấu trúc dữ liệu cơ bản như biểu diễn hình học, tôpô, vật liệu, số lượng, v.v. Dữ liệu ở lớp này không có ID độc lập và chỉ tồn tại ở dạng được tham chiếu bởi các đối tượng ở lớp trên.
Lớp Cốt lõi（Core Layer）：Lớp tạo thành xương sống của mô hình dữ liệu. Nó bao gồm các lớp trừu tượng gốc như IfcRoot và IfcObject của tất cả các yếu tố vật lý và khái niệm, chứa siêu dữ liệu như định danh duy nhất toàn cầu（GUID）của yếu tố và lịch sử thay đổi.
Lớp Chia sẻ/Khả năng tương tác（Shared/Interoperability Layer）：Xác định các yếu tố chung được sử dụng trong nhiều lĩnh vực chuyên môn như kiến trúc và kỹ thuật điện như "tường（IfcWall）" và "sàn（slab）".
Lớp Miền（Domain Layer）：Nằm ở vị trí hàng đầu, xác định các nhóm lớp có tính chuyên môn cao đặc hữu cho các lĩnh vực cụ thể như kiến trúc, phân tích kết cấu, điều hòa không khí（HVAC）, v.v.
Tách biệt hoàn toàn giữa ý nghĩa（ngữ nghĩa）và hình dạng（hình học）：Một trong những đặc điểm cốt lõi của lưu trữ dữ liệu trong IFC là tách biệt hoàn toàn giữa "định nghĩa ngữ nghĩa của đối tượng" và "biểu diễn hình học". Ví dụ, thông tin ngữ nghĩa rằng một đối tượng "là tường" được định nghĩa độc lập với dữ liệu hình dạng của nó. Điều này cho phép nhiều biểu diễn hình dạng khác nhau được liên kết đồng thời với một đối tượng tường có ý nghĩa duy nhất, chẳng hạn như mô hình rắn 3D tinh xảo cho công cụ tác giả BIM, mô hình mặt đơn giản hóa cho phân tích năng lượng, hoặc ký hiệu 2D cho bản vẽ mặt bằng. (Borrmann et al., 2018)
Khách quan hóa mối quan hệ（Objectified Relationships）：Cách tiếp cận sáng tạo nhất của IFC là "khách quan hóa mối quan hệ". Trong IFC, thay vì kết nối các yếu tố trực tiếp bằng con trỏ thuộc tính, chính mối quan hệ được định nghĩa và lưu trữ như một đối tượng độc lập（lớp con của IfcRelationship）. Ví dụ, trạng thái "một cửa sổ được lắp vào trong bức tường" được ghi lại thông qua một thực thể mối quan hệ độc lập gọi là "mối quan hệ điền các khoảng trống（IfcRelFillsElement）" thay vì kết nối trực tiếp tường và cửa sổ. Ngoài ra, các cấu trúc phân cấp không gian như "tòa nhà tập hợp nhiều sàn nhà" cũng được ghi lại là "IfcRelAggregates" cho biết mối quan hệ tập hợp. Điều này cho phép lưu rõ ràng lý do logic tại sao các yếu tố có liên quan trong mô hình. (Borrmann et al., 2018)
Khả năng mở rộng động thông qua Property Set（Tập hợp thuộc tính）：Nếu tất cả các yêu cầu thuộc tính vô số khác nhau giữa các khu vực và dự án（các giá trị hiệu năng chống cháy cụ thể, thông tin nhà sản xuất, v.v.）đều được kết hợp vào lược đồ tiêu chuẩn, mô hình dữ liệu sẽ phình ra. Để ngăn chặn điều này, IFC sử dụng một cơ chế được gọi là Property Set. Các nhóm thuộc tính tùy chỉnh được định nghĩa là IfcPropertySet và được phân bố động cho yếu tố mục tiêu sau này bằng cách sử dụng các đối tượng mối quan hệ（IfcRelDefinesByProperties）. Cơ chế này cho phép thêm siêu dữ liệu linh hoạt mà không cần thay đổi chính lược đồ. (Borrmann et al., 2018)
Định dạng lưu trữ vật lý thông qua tệp STEP và ifcXML：Khi dữ liệu IFC được xây dựng trong bộ nhớ được lưu dưới dạng các tệp thực tế, định dạng được sử dụng phổ biến nhất là tệp văn bản ASCII (phần mở rộng .ifc) dựa trên STEP Clear Text Encoding (ISO 10303-21). Tệp này được chia thành phần HEAD và phần DATA. Dữ liệu được lưu trữ trong phần DATA được ghi từng dòng một, và mỗi dòng được gán một ID phiên bản duy nhất như "#123". Mỗi đối tượng trong tệp tham chiếu đến nhau bằng cách sử dụng ID này làm con trỏ, từ đó xây dựng lại một mạng dữ liệu phức tạp trên một tệp văn bản phẳng. Ngoài ra, để tạo điều kiện thuận lợi cho tích hợp với các dịch vụ Web, dữ liệu cũng có thể được lưu trữ và trao đổi ở định dạng "ifcXML" dựa trên công nghệ XML. (Borrmann et al., 2018)
Trích xuất dữ liệu theo mục đích sử dụng thông qua MVD (Model View Definition)：Trong trao đổi dữ liệu thực tế, việc xử lý tất cả thông tin của một mô hình IFC lضخم là không hiệu quả. Do đó, một cơ chế gọi là MVD được sử dụng, trong đó các yêu cầu kinh doanh về "ai, khi nào và loại thông tin nào được yêu cầu" được định nghĩa dưới dạng IDM (Information Delivery Manual), và sau đó được dịch thành một tập con IFC có thể triển khai kỹ thuật (điều kiện lọc thông tin). Phần mềm tuân thủ một MVD cụ thể (ví dụ: Coordination View, v.v.) để xuất và lưu trữ dữ liệu một cách chọn lọc, từ đó ngăn chặn sự phình to của kích thước tệp và đạt được trao đổi dữ liệu chính xác mà không thiếu hay dư thừa. (Borrmann et al., 2018)
Mã mẫu
Nếu tệp CAD (DXF) là bản vẽ hình ảnh của tòa nhà, thì IFC là sơ yếu lý lịch và sơ đồ mối liên hệ của nó.
DXF: Ở đây có một đường, ở chỗ khác có một đường khác
IFC: Ở đây có một người gọi là "tường", ở chỗ khác có "cửa sổ", hai cái này có mối quan hệ "được nhúng trong"
Sơ yếu lý lịch ghi lại "ai là cha mẹ của ai, ai kết hôn với ai, ở đâu" mối quan hệ. IFC cũng vậy. Các mối quan hệ của các thành phần bao gồm của tòa nhà được biểu thị. Với ý tưởng này, chúng tôi sắp xếp mã mẫu.
Mẫu định nghĩa hướng đối tượng bằng ngôn ngữ EXPRESS
Điều này giống với phân lớp ở trường học.
—
Con người (lớp cơ sở)
├─ Học sinh (kế thừa con người, thêm mã số học tập)
│ ├─ Tiểu học (kế thừa học sinh, thêm thuộc tính ba lô)
│ └─ Trung học phổ thông (kế thừa học sinh, thêm thuộc tính đi học bằng xe đạp)
└─ Giáo viên (kế thừa con người, thêm thuộc tính môn học)
—
Ở đây, "học sinh tiểu học" có tất cả các đặc điểm của "học sinh", và thêm vào các đặc điểm riêng của chúng.
Viết điều tương tự trong IFC như sau:
—
IfcRoot (gốc của tất cả, có GUID và lịch sử)
├─ IfcObjectDefinition
│ └─ IfcObject
│ └─ IfcProduct (có vị trí và hình dạng)
│ ├─ IfcElement (yếu tố vật lý của tòa nhà)
│ │ ├─ IfcWall (tường)
│ │ ├─ IfcSlab (sàn)
│ │ ├─ IfcColumn (cột)
│ │ └─ IfcWindow (cửa sổ)
│ └─ IfcSpatialElement (yếu tố không gian)
│ ├─ IfcSite (địa điểm)
│ ├─ IfcBuilding (tòa nhà)
│ └─ IfcBuildingStorey (tầng)
—
"Tường (IfcWall)" có tất cả các đặc điểm của "yếu tố vật lý của tòa nhà (IfcElement)", và các thuộc tính riêng của tường được thêm vào ở trên.
Lược đồ IFC thực tế (được đơn giản hóa) như sau:
—
ENTITY IfcWall
SUBTYPE OF (IfcBuildingElement);
PredefinedType : OPTIONAL IfcWallTypeEnum;
END_ENTITY;
—
Nó viết rằng "IfcWall kế thừa IfcBuildingElement và có một thuộc tính bổ sung gọi là PredefinedType".
Kiến trúc 4 tầng
Lược đồ IFC được cấu trúc giống như một tòa nhà 4 tầng, với quy tắc chỉ có thể tham chiếu từ trên xuống dưới. Ví dụ, nó giống như biểu đồ tổ chức của một công ty.
—
[Tầng trên] Tầng miền (dành riêng cho kiến trúc, kết cấu, cơ khí)
↓ Có thể tham chiếu
[Tầng giữa] Tầng chia sẻ (tường, sàn và các yếu tố xây dựng phổ biến khác)
↓ Có thể tham chiếu
[Tầng giữa] Tầng lõi (IfcRoot, IfcObject và các lớp trừu tượng khác)
↓ Có thể tham chiếu
[Tầng dưới] Tầng tài nguyên (tọa độ, vật liệu, số lượng và dữ liệu bộ phận khác)
—
Quy tắc: Tầng trên có thể sử dụng tầng dưới, nhưng tầng dưới không cần biết tầng trên. Điều này giống với "các bộ phận chuyên ngành có thể sử dụng các dịch vụ của bộ phận chung, nhưng bộ phận chung không cần biết về các công việc chuyên ngành cụ thể", một thiết kế tổ chức lành mạnh.
・Tầng miền (chuyên biệt cho các lĩnh vực cụ thể) như sau:
—
# IfcSensor (cảm biến) được sử dụng trong lĩnh vực thiết bị (HVAC, BMS)
sensor = IfcSensor(global_id=\"xyz789\", name=\"TempSensor1\")
—
・Tầng chia sẻ (yếu tố được sử dụng trong nhiều lĩnh vực) như sau:
—
# IfcWall (tường) được sử dụng trong kiến trúc, cấu trúc và cơ khí
wall = IfcWall(global_id=\"abc123\", name=\"W1\")
—
・Tầng lõi (các đối tượng trừu tượng kế thừa IfcRoot) như sau:
—
# IfcRoot là tổ tiên của tất cả các yếu tố
class IfcRoot:
GlobalId # GUID (ID duy nhất)
OwnerHistory # Ai tạo ra nó khi nào
Name # Tên
Description # Mô tả
—
・Tầng tài nguyên (tầng dưới cùng, dữ liệu bộ phận không có ID) như sau:
—
# IfcCartesianPoint (tọa độ)
point = IfcCartesianPoint(coordinates=[0.0, 0.0, 0.0])
# IfcMaterial (vật liệu)
material = IfcMaterial(name=\"Concrete\")
—
Tách biệt giữa ý nghĩa (ngữ nghĩa) và hình dạng (hình học)
Trong IFC, "đây là một bức tường" về mặt ý nghĩa và "hình dạng của bức tường là hình tứ giác như thế này" về mặt hình dạng được ghi lại riêng biệt. Điều này giống với việc giới thiệu một người.
Khi có một người tên là A, hình ảnh là một ý tưởng về nhiều ảnh được liên kết theo mục đích sử dụng.
Ảnh chân dung A: Ảnh chính diện cho sơ yếu lý lịch
Ảnh chân dung B: Ảnh nền trắng cho hộ chiếu
Ảnh chân dung C: Biểu tượng mạng xã hội với nụ cười tự nhiên
IFC cũng vậy. Với một thực thể ý nghĩa duy nhất "đây là một bức tường", có thể liên kết nhiều hình dạng theo mục đích sử dụng.
# Đầu tiên, hãy tạo một thực thể ý nghĩa "đây là một bức tường"
wall = IfcWall(
global_id=\"abc123\",
name=\"LivingRoomWall_W1\"
)
# Tiếp theo, hãy liên kết nhiều hình dạng với bức tường đó
# Hình dạng 1: Khối 3D chi tiết (cho trình xem BIM)
representation_3d = IfcShapeRepresentation(
type=\"SweptSolid\",
items=[detailed_solid_geometry]
)
# Hình dạng 2: Bề mặt được đơn giản hóa (cho phân tích năng lượng)
representation_simple = IfcShapeRepresentation(
type=\"Surface\",
items=[simple_surface]
)
# Hình dạng 3: Biểu tượng cho bản vẽ bằng cách nhìn từ trên (cho bản vẽ 2D)
representation_2d = IfcShapeRepresentation(
type=\"Annotation2D\",
items=[wall_symbol]
)
# Liên kết 3 biểu thị với 1 bức tường
wall.Representation = IfcProductDefinitionShape(
representations=[representation_3d, representation_simple, representation_2d]
)
Điều này cho phép sử dụng như sau.
Trình xem BIM hiển thị "khối 3D"
Phần mềm phân tích năng lượng sử dụng "bề mặt được đơn giản hóa" để tính toán
Công cụ xuất bản vẽ sử dụng "biểu tượng 2D" để tạo bản vẽ bằng cách nhìn từ trên
Vì tất cả đều xuất phát từ cùng một bức tường, nếu bạn di chuyển bức tường, tất cả các biểu thị sẽ được đồng bộ hóa.
Đối tượng hóa các mối quan hệ
Mối quan hệ "B nằm bên trong A" được ghi lại không phải bằng cách liên kết trực tiếp A và B, mà bằng cách ghi lại "bản thân mối quan hệ" như một thực thể độc lập. Điều này giống với việc ghi lại hôn nhân.
Mối quan hệ hôn nhân
├─ Bên tham gia A
├─ Bên tham gia B
├─ Ngày kết hôn: 10/10/2020
└─ Địa điểm kết hôn: thành phố XXX
Mối quan hệ "cửa sổ nằm bên trong tường" được viết trong IFC như thế này.
・Tường, cửa sổ, khoảng mở được mô tả
pythonwall = IfcWall(global_id=\"wall001\", name=\"W1\")
window = IfcWindow(global_id=\"win001\", name=\"WIN1\")
opening = IfcOpeningElement(global_id=\"op001\", name=\"OP1\")
・Mối quan hệ "tường có khoảng mở"
pythonrel_voids = IfcRelVoidsElement(
global_id=\"rel001\",
relating_building_element=wall, # Phần tử có khoảng mở = tường
related_opening_element=opening # Khoảng mở đó = OP1
)
・Mối quan hệ "cửa sổ được đặt vào khoảng mở"
pythonrel_fills = IfcRelFillsElement(
global_id=\"rel002\",
relating_opening_element=opening, # Khoảng mở được lấp đầy = OP1
related_building_element=window # Phần tử lấp đầy khoảng mở = WIN1
)
Bằng cách này, mối quan hệ "tường → khoảng mở → cửa sổ" được ghi lại thông qua ba đối tượng quan hệ.
Việc biến mối quan hệ thành đối tượng có những lợi ích sau:
Có thể gắn thuộc tính cho chính mối quan hệ (ví dụ: "mối quan hệ này được thêm vào khi nào" "ai đã phê duyệt")
Có thể lưu lại lý do của mối quan hệ ("tường và dầm này kết nối vì lý do kết cấu")
Có thể tìm kiếm mối quan hệ sau này ("lấy tất cả các mối quan hệ liên quan đến tường này")
Mở rộng động thông qua Tập hợp Thuộc tính
Có vô số thuộc tính cần thiết tùy theo khu vực và công dụng. Nếu đưa tất cả vào lược đồ, nó sẽ phình ra, vì vậy có một cơ chế cho phép thêm thuộc tính tự do sau. Nó tương tự như cửa hàng ứng dụng trên điện thoại thông minh.
Phần thân (Lược đồ): chỉ có các tính năng tiêu chuẩn
Ứng dụng (Tập hợp Thuộc tính): thêm khi cần thiết
Mỗi người dùng chỉ cài đặt các ứng dụng cần thiết cho họ
Nếu đưa tất cả các tính năng vào phần thân ngay từ đầu, phần thân sẽ phình ra.
Các thuộc tính tiêu chuẩn mà IfcWall sở hữu như sau:
pythonwall = IfcWall(
global_id=\"wall001\",
name=\"W1\",
description=\"Tường phía nam phòng khách\"
)
Khi muốn thêm thuộc tính, hãy tạo một tập hợp thuộc tính. Ví dụ, khi thêm thuộc tính liên quan đến hiệu suất tường:
—
fire_props = IfcPropertySet(
global_id=\"ps001\",
name=\"Pset_WallCommon\",
has_properties=[
IfcPropertySingleValue(name=\"FireRating\", value=\"1H\"),
IfcPropertySingleValue(name=\"ThermalTransmittance\", value=0.35),
IfcPropertySingleValue(name=\"AcousticRating\", value=\"D-45\")
]
)
—
Liên kết tập hợp thuộc tính với tường bằng đối tượng quan hệ
—
rel_defines = IfcRelDefinesByProperties(
global_id=\"rel003\",
related_objects=[wall], # Tường được nhắm mục tiêu
relating_property_definition=fire_props # Tập hợp thuộc tính được liên kết
)
—
Bằng cách này, thông tin "chịu lửa 1 giờ, hệ số truyền nhiệt 0,35, cách âm D-45" được thêm vào tường sau cùng.
Điều này có những lợi ích sau:
Có thể thêm thuộc tính mà không thay đổi lược đồ chính
Có thể đáp ứng các yêu cầu riêng biệt của quốc gia, khu vực, dự án
Có thể chia sẻ cùng một tập hợp thuộc tính cho nhiều phần tử
buildingSMART đã xác định nhiều tập hợp thuộc tính tiêu chuẩn (Pset_*), và từ vựng chung của ngành đã phát triển
Định dạng Tệp Vật lý (.ifc / ifcXML)
Dữ liệu IFC trong bộ nhớ được lưu dưới dạng tệp văn bản ở định dạng Tệp Vật lý STEP (STandard for the Exchange of Product model data (ISO 10303) là định dạng tệp trung gian tiêu chuẩn quốc tế được thiết kế để chuyển giao chính xác dữ liệu hình dạng giữa các phần mềm CAD 3D khác nhau). Chúng tham chiếu lẫn nhau bằng các ID như #1, #2.
Tệp .ifc thực tế trông như thế này (được đơn giản hóa).
—
ISO-10303-21;
HEADER;
FILE_DESCRIPTION(('ViewDefinition [CoordinationView]'),'2;1');
FILE_NAME('example.ifc','2025-05-05T10:00:00',('Author'),('Org'),'IFC4','Software','');
FILE_SCHEMA(('IFC4'));
ENDSEC;
DATA;
#1=IFCPROJECT('0YvctVUKr0kugbFTf53O9L',$,'ExampleProject',$,$,'ExampleProject',$,(#10),#5);
#2=IFCSITE('1xS3BCk291UvhgP2dvNMKI',$,'Site',$,$,#15,$,$,.ELEMENT.,$,$,$,$,$);
#3=IFCBUILDING('2YeQrjMKTBLRrCu0v9wTAF',$,'Building',$,$,#20,$,$,.ELEMENT.,$,$,$);
#4=IFCBUILDINGSTOREY('1aAabcDeFgHiJkLmNoPqRs',$,'Level 1',$,$,#25,$,$,.ELEMENT.,0.);
#10=IFCWALL('3xYzAbcDe1234567890fGh',$,'W1','LivingRoomWall',$,#30,#40,$,.STANDARD.);
#11=IFCWINDOW('4xYzAbcDe1234567890fGh',$,'WIN1','LivingRoomWindow',$,#31,#41,$,1.5,1.0,.WINDOW.);
#50=IFCRELCONTAINEDINSPATIALSTRUCTURE('5relA12345',$,$,$,(#10,#11),#4);
#60=IFCRELVOIDSELEMENT('6relB12345',$,$,$,#10,#70);
#70=IFCOPENINGELEMENT('7opA12345',$,'OP1',$,$,#32,#42,$,.OPENING.);
#80=IFCRELFILLSELEMENT('8relC12345',$,$,$,#70,#11);
ENDSEC;
END-ISO-10303-21;
—
Cách đọc
#1=IFCPROJECT(...) → ID #1 là dự án
#2=IFCSITE(...) → ID #2 là trang web
#10=IFCWALL(...) → ID #10 là tường W1
#11=IFCWINDOW(...) → ID #11 là cửa sổ WIN1
#50=IFCRELCONTAINEDINSPATIALSTRUCTURE(...,(#10,#11),#4) → Mối quan hệ "các phần tử #10 và #11 được chứa trong #4 (Level 1)"
#60=IFCRELVOIDSELEMENT(...,#10,#70) → Mối quan hệ "#70 (khoảng mở) tồn tại trong #10 (tường)"
#80=IFCRELFILLSELEMENT(...,#70,#11) → Mối quan hệ "#11 (cửa sổ) lấp đầy #70 (khoảng mở)"
Tất cả các phần tử được sắp xếp theo một hàng phẳng và tham chiếu lẫn nhau bằng ID. Bằng cách này, cấu trúc mạng (trạng thái mà mỗi dữ liệu thiết kế, cấu trúc, và cơ khí điện lạnh không độc lập, mà các yếu tố như tường, cột, ống dẫn có các thuộc tính như kích thước, vật liệu, chi phí, và chúng liên quan chặt chẽ với nhau) được biểu thị.
Trích xuất Dữ liệu theo Công dụng bằng MVD (Model View Definition)
Tệp IFC chứa lượng thông tin rất lớn, vì vậy có một cơ chế (MVD) để trích xuất chỉ các phần cần thiết tùy theo công dụng. Nó tương tự như sự khác biệt giữa sơ yếu lý lịch và lịch sử công việc.
Sơ yếu lý lịch: Thông tin cơ bản, quá trình học tập, tóm tắt lịch sử công việc (dành cho phòng nhân sự)
Lịch sử công việc: Chi tiết dự án, ngăn xếp công nghệ, số liệu thực tế (dành cho người phỏng vấn kỹ thuật)
Mẫu Đăng ký Số nhân thân quốc gia: Thông tin nhân dạng cá nhân hợp pháp (dành cho cơ quan hành chính)
Nói cách khác, tất cả là thông tin của "tôi", nhưng bộ thông tin được cung cấp khác nhau tùy theo đối tượng.
IFC có một số MVD tiêu chuẩn. Sau đây là các MVD được sử dụng thường xuyên.
—
CoordinationView 2.0
Mục đích: Phối hợp giữa các nhà thiết kế, kiểm tra va chạm
Thông tin được bao gồm: Hình học, cấu trúc không gian, mối quan hệ giữa các phần tử
Không bao gồm: Các tham số chi tiết, thông tin sản xuất
ReferenceView
Mục đích: Sử dụng để xem tham khảo (nhẹ hơn)
Thông tin được bao gồm: Hình học được đơn giản hóa, thông tin nhận dạng
Không bao gồm: Thuộc tính chi tiết
DesignTransferView
Mục đích: Trao đổi dữ liệu thiết kế hai chiều
Thông tin được bao gồm: Hầu hết
Không bao gồm: Hạn chế
BasicFMHandoverView
Mục đích: Bàn giao quản lý tài sản
Thông tin được bao gồm: Trang thiết bị, không gian, thông tin vận hành
Không bao gồm: Hình học chi tiết
—
Trong hộp thoại "Xuất IFC" thực tế của Revit, có những tùy chọn như thế này:
—
[Cài đặt Xuất]
Phiên bản IFC: [IFC4 ▼]
MVD: [Reference View ▼]
Tùy chọn:
- Coordination View 2.0
- Reference View
- Design Transfer View
- Basic FM Handover
- GSA Concept Design BIM 2010
—
Tùy thuộc vào MVD đã chọn, nội dung của tệp IFC được tạo sẽ thay đổi. Nếu là Reference View thì nhẹ, nếu là Design Transfer View thì có lượng thông tin lớn, và có sự cân bằng này, có thể lựa chọn tùy theo công dụng.
Biểu thị toàn bộ ở trên bằng một ví dụ mã
Đây là mã tạo mô hình IFC tối thiểu tóm tắt tất cả các tính năng ở trên. (Thư viện ifcopenshell của Python)
—
pythonimport ifcopenshell
from ifcopenshell.api import run
# Tạo tệp IFC mới
model = ifcopenshell.file(schema=\"IFC4\")
# Tạo hệ thống phân cấp Dự án → Địa điểm → Tòa nhà → Tầng
project = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcProject", name="ExampleProject")
site = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcSite", name="Site")
building = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcBuilding", name="Building")
storey = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcBuildingStorey", name="Level 1")
# Ghi lại mối quan hệ phân cấp dưới dạng "mối quan hệ tổng hợp"
run("aggregate.assign_object", model, relating_object=project, product=site)
run("aggregate.assign_object", model, relating_object=site, product=building)
run("aggregate.assign_object", model, relating_object=building, product=storey)
# Tạo một bức tường
wall = run("root.create_entity", model, ifc_class="IfcWall", name="W1")
# Đưa bức tường vào tầng (biểu thị mối quan hệ dưới dạng đối tượng)
run("spatial.assign_container", model, product=wall, relating_structure=storey)
# Thêm các thuộc tính như khả năng chống cháy vào bức tường
pset = run("pset.add_pset", model, product=wall, name="Pset_WallCommon")
run("pset.edit_pset", model, pset=pset, properties={
"FireRating": "1H",
"ThermalTransmittance": 0.35
})
# Lưu dưới dạng tệp .ifc
model.write("example.ifc")
—
Với một dòng mã trên, tất cả các đặc tính mà chúng tôi đã mô tả đều được thể hiện.
Hướng tiếp cận hướng đối tượng: IfcWall kế thừa từ IfcRoot
4 lớp: IfcWall (lớp dùng chung) kế thừa IfcRoot (lớp cốt lõi) và sử dụng IfcCartesianPoint (lớp tài nguyên)
Tách riêng ý nghĩa và hình dạng: ý nghĩa của bức tường đã được tạo, hình dạng có thể được thêm vào sau
Biểu thị mối quan hệ dưới dạng đối tượng: aggregate.assign_object và spatial.assign_container tạo các đối tượng quan hệ ở phía sau
Bộ thuộc tính: pset.add_pset thêm các thuộc tính động
Tệp vật lý: model.write("example.ifc") lưu dưới dạng STEP
Quy trình từ khi bản vẽ được vẽ trong BIM đến khi được lưu vào IFC
Trong BIM, quá trình từ khi bản vẽ được tạo (vẽ) đến khi được lưu vào IFC, định dạng trao đổi dữ liệu tiêu chuẩn quốc tế, hoàn toàn khác với công việc "vẽ đường" trong CAD truyền thống và dựa trên một cơ chế xử lý cơ sở dữ liệu phức tạp.
Xây dựng cơ sở dữ liệu tích hợp và "trích xuất" bản vẽ
Xây dựng tòa nhà ảo thông qua mô hình hóa tham số: Trong môi trường BIM, thay vì vẽ các hình dạng lên bức vải, người thiết kế sẽ đặt các đối tượng thông minh có thông tin ý nghĩa (ngữ nghĩa) và thông tin hình học (hình học) như "tường" hoặc "cửa" vào không gian ảo, xây dựng cơ sở dữ liệu tích hợp của tòa nhà. (Azhar, 2011; C. M. Eastman, 1991)
Tạo bản vẽ dưới dạng báo cáo: Như Eastman và các đồng nghiệp chỉ ra, các bản vẽ như bề mặt bằng, mặt cắt và mặt đứng trong BIM hoạt động như "báo cáo được định dạng đặc biệt" được trích xuất động từ mặt phẳng cắt ảo được đặt trên mô hình 3D duy nhất này. (C. M. Eastman, 1991)
Cập nhật hai chiều và đảm bảo tính nhất quán: Vì bản vẽ chỉ là một khung nhìn cụ thể (góc nhìn) của mô hình, khi thay đổi một phần trên mô hình 3D, tất cả các bản vẽ và bảng số lượng liên quan sẽ tự động cập nhật, đảm bảo tính nhất quán hoàn toàn trong thông tin thiết kế. (C. Eastman et al., 2008)
Xuất IFC và lọc dữ liệu bằng MVD
Định nghĩa yêu cầu trao đổi dữ liệu (IDM): Khi chuyển mô hình BIM sang các hệ thống khác, nếu xuất tất cả dữ liệu sẽ làm cho tệp quá lớn. Do đó, dựa trên khái niệm ISO 29481 (IDM: Information Delivery Manual), "quy trình kinh doanh nào cần thông tin gì" được định nghĩa. (Borrmann et al., 2018; Sacks et al., 2018)
Trích xuất thông tin bằng MVD: Yêu cầu này được phần mềm dịch thành các thông số kỹ thuật có thể xử lý được được gọi là MVD (Model View Definition). Hệ thống sẽ lọc và trích xuất chỉ tập hợp con của các đối tượng và thuộc tính cần thiết cho mục đích sử dụng được chỉ định từ cơ sở dữ liệu BIM khổng lồ theo MVD được chỉ định. (Borrmann et al., 2018; Sacks et al., 2018)
Tách riêng ý nghĩa và hình dạng cũng như ánh xạ cấu trúc dữ liệu
Chuyển đổi sang lược đồ hướng đối tượng: Dữ liệu được trích xuất được ánh xạ tới lược đồ dữ liệu chặt chẽ của IFC được định nghĩa bằng ngôn ngữ EXPRESS của ISO-STEP. Tại thời điểm này, "thông tin ý nghĩa" rằng một đối tượng "là một bức tường" và "biểu diễn 3D của nó" được tách riêng hoàn toàn ở cấp cấu trúc dữ liệu đồng thời được liên kết với nhau. Hơn nữa, các kết nối giữa các phần tử cũng được định nghĩa độc lập dưới dạng "các đối tượng quan hệ". (Borrmann et al., 2018)
Tuần tự hóa (lưu) vào tệp vật lý STEP
Tuần tự hóa thành tệp văn bản: Mạng thông tin phức tạp được tạo thành trong bộ nhớ cuối cùng được lưu (tuần tự hóa) dưới dạng tệp văn bản ASCII (phần mở rộng .ifc) dựa trên "mã hóa văn bản rõ ràng STEP (ISO 10303-21)". (Borrmann et al., 2018; Laakso & Kiviniemi, 2012)
Tái cấu trúc mạng bằng ID phiên bản: Tệp được chia thành hai phần chính: phần HEADER và phần DATA. Tất cả các đối tượng được viết vào phần DATA (các phần tử vật lý, mối quan hệ, dữ liệu hình dạng, v.v.) được gán một ID phiên bản duy nhất cho mỗi dòng như "#124". Sau đó, mỗi dữ liệu được liên kết với nhau bằng cách tham chiếu con trỏ sử dụng ID này, tái tạo lại cấu trúc mạng phức tạp ban đầu chính xác trên tệp văn bản phẳng. (Borrmann et al., 2018)
Như vậy, quá trình lưu từ BIM sang IFC không phải là công việc vẽ và lưu các hình dạng, mà là quá trình trích xuất thông tin động từ mô hình ảo thông minh theo mục đích sử dụng, dịch và ghi lại dưới dạng văn bản theo tiêu chuẩn quốc tế như một mạng đối tượng có cấu trúc cao độ, một quá trình kỹ thuật dữ liệu cực kỳ tinh tế.
Làm rõ sự khác biệt giữa CAD và BIM
CAD và BIM, những công nghệ dẫn đầu quá trình số hóa trong ngành kiến trúc, kỹ thuật và xây dựng (AEC), nhưng cả hai đều có những cách tiếp cận hoàn toàn khác nhau trong "quy trình vẽ bản vẽ" và "cấu trúc tệp lưu trữ dữ liệu".
Sự khác biệt trong khái niệm cơ bản và cấu trúc dữ liệu
CAD (tập hợp các hình dạng): Phát triển như một "bàn vẽ kỹ thuật điện tử" chuyển bàn vẽ truyền thống sang môi trường kỹ thuật số. Dữ liệu CAD được biểu diễn dưới dạng tập hợp các hình dạng hình học (nguyên thủy) như đoạn thẳng, cung tròn và mặt phẳng, và bản thân hệ thống không hiểu rằng đường đó là "tường" hoặc "ống dẫn" hay thông tin ý nghĩa (ngữ nghĩa) nào khác. (Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018)
BIM (cơ sở dữ liệu tích hợp có ý nghĩa): Nhằm mục đích xây dựng mô hình ảo kỹ thuật số thông minh không chỉ bao gồm thông tin hình học (hình học) mà còn bao gồm các thuộc tính phi hình học và thông tin ý nghĩa (ngữ nghĩa). Tòa nhà được xây dựng như một tập hợp các đối tượng có các tham số như kích thước, vật liệu và hiệu suất trên một cơ sở dữ liệu tích hợp duy nhất. (Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021; C. Eastman et al., 2008; Liu et al., 2019)
Sự khác biệt trong quá trình tạo bản vẽ
CAD (vẽ thủ công): Người thiết kế rõ ràng đặt các đường thẳng và hình dạng một cái một cái trên bề mặt vải 2D hoặc 3D để vẽ bản vẽ. Khi có thay đổi thiết kế giữa các bản vẽ, tất cả các bản vẽ liên quan phải được sửa đổi riêng lẻ bằng tay. (Borrmann et al., 2018)
BIM (trích xuất từ mô hình): Trong môi trường BIM, các bản vẽ như bề mặt bằng hoặc mặt cắt không được vẽ bằng tay. Chúng được tạo dưới dạng báo cáo được trích xuất động từ mặt phẳng cắt ảo được đặt trên mô hình 3D tích hợp duy nhất. Khi thay đổi một phần của mô hình, tất cả các bản vẽ và bảng số lượng sẽ tự động cập nhật, đảm bảo tính nhất quán hoàn toàn của thông tin. (Borrmann et al., 2018; C. Eastman et al., 2008)
Sự khác biệt trong định dạng lưu trữ và trao đổi dữ liệu
CAD (DXF): DXF, định dạng tiêu chuẩn事実上, chuyên biệt hóa trong việc truyền tải chính xác và hiệu quả các hình dạng hình học, lưu trữ dữ liệu hình dạng bằng cách sử dụng cấu trúc danh sách phẳng. (Autodesk, 1993)
BIM (IFC): IFC, tiêu chuẩn quốc tế, là mô hình dữ liệu hướng đối tượng để trao đổi thông tin tòa nhà. Nó lưu trữ định nghĩa ý nghĩa của đối tượng và biểu diễn hình học riêng biệt với nhau một cách chặt chẽ, và các mối quan hệ giữa các phần tử (ví dụ: "cửa sổ nằm trong lỗ được mở trên tường") cũng được lưu trữ dưới dạng dữ liệu độc lập trong mạng phức tạp. (Borrmann et al., 2018; Laakso & Kiviniemi, 2012)
Sự khác biệt trong vai trò dự án
CAD（Công cụ hỗ trợ vẽ）： Được sử dụng chủ yếu như một công cụ thụ động nhằm mục đích tự động hóa việc tạo bản vẽ trong giai đoạn thiết kế và nâng cao hiệu quả của các công việc mô hình hóa hình học. (Ball, 2013; C. Eastman et al., 2008)
BIM（Nền tảng cộng tác）： Đóng vai trò là một nền tảng chủ động để hỗ trợ "khái niệm tài sản thông tin" xuyên suốt vòng đời toàn bộ của tòa nhà từ thiết kế, xây dựng, quản lý bảo trì (FM), đến phá dỡ, cũng như thúc đẩy sự cộng tác giữa những người tham gia dự án. (Borkowski, 2023; Deng et al., 2021; C. Eastman et al., 2008; Olawumi et al., 2017)
Kết luận là, trong khi CAD là một công nghệ chuyên biệt trong "số hóa hình học và nâng cao hiệu quả vẽ", thì BIM là một nền tảng thông tin dựa trên một bộ máy nhận thức hoàn toàn khác nhau—"tích hợp thông tin ngữ nghĩa và mối quan hệ của tòa nhà, quản lý và chia sẻ xuyên suốt vòng đời toàn bộ".
Tương lai của CAD và BIM
CAD và BIM đã phát triển từ những hệ thống khác nhau, và gần đây chúng bắt đầu hội tụ trong lĩnh vực thiết kế kiến trúc. Ở đây, chúng tôi sẽ thảo luận về tương lai của CAD và BIM.
CAD và BIM sẽ phát triển như thế nào
Trong ngành kiến trúc, xây dựng và công trình (AEC), Thiết kế được hỗ trợ bởi máy tính (CAD) và Mô hình thông tin tòa nhà (BIM) cho đến nay đã phát triển tập trung vào mục đích là làm thế nào để tạo ra bản vẽ và mô hình chính xác và hiệu quả. Tuy nhiên, hiện tại, các công nghệ này đang hòa nhập với các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn vật (IoT), thực tế mở rộng và thực tế ảo (XR), và đang tiến hóa thành các nền tảng thông tin tự chủ và thông minh.
Các điểm chính như sau:
Tăng cường điện toán đám mây và cộng tác： Truyền thống, phần mềm CAD phụ thuộc vào các trạm làm việc hiệu suất cao của cá nhân, nhưng hiện tại đang chuyển sang các nền tảng dựa trên đám mây. Với tiến bộ của công nghệ phần cứng, việc xử lý các mô hình khồng lồ và thực hiện phân tích tập trung và mô phỏng nhanh chóng trên đám mây đã trở nên khả thi, giúp các nhóm dự án trên toàn thế giới có thể truy cập vào một nguồn dữ liệu duy nhất một cách thực thời và cộng tác đồng thời một cách dễ dàng. (Alin & Stăncioiu, 2024)
Sự thay thế vai trò CAD bằng BIM và sự thay đổi mô hình： Trong ngành AEC, CAD—như trước đây đã thay thế giấy và bút chì—hiện tại đang có vai trò được thay thế bằng BIM. Các hệ thống CAD truyền thống vẽ đơn thuần các đoạn thẳng và mặt phẳng (2D/3D) sẽ được tích hợp vào môi trường BIM dựa trên các đối tượng có ý nghĩa thông tin, và được dự kiến sẽ chuyển từ phát triển CAD độc lập sang vai trò của công cụ mô hình hóa hình học trong nền tảng BIM. (Borrmann et al., 2018; Hız et al., 2023)
Thực hiện kỹ thuật số đôi thông qua tích hợp IoT： Một trong những tiến bộ quan trọng nhất của BIM là xây dựng kỹ thuật số đôi thông qua tích hợp với cảm biến IoT. Dữ liệu từ các cảm biến được lắp đặt trên các tòa nhà và cơ sở hạ tầng thực tế—chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm, mức tiêu thụ năng lượng và tình trạng hoạt động của thiết bị—được phản hồi lại mô hình BIM một cách thực thời. Thông qua đó, BIM tiến hóa từ một cơ sở dữ liệu thiết kế tĩnh thuần túy sang một mô hình sống phản ánh trạng thái của tòa nhà một cách thực thời, thực hiện quản lý bảo trì tự chủ và dự đoán bất thường. (Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021; Izbash & Babayev, 2024)
Thúc đẩy AI BIM và tự động hóa thông qua AI và học máy： Hướng tới những năm 2030, BIM được dự kiến sẽ bước vào kỷ nguyên "AI BIM" được tích hợp sâu rộng với trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML). AI có thể học hỏi từ một lượng lớn dữ liệu trong quá khứ để tự chủ đề xuất các thiết kế tiết kiệm năng lượng, hoặc thực hiện kiểm tra tuân thủ quy tắc xây dựng phức tạp một cách thực thời (kiểm tra pháp lệ tự động). Nhờ vậy, các nhà thiết kế có thể được giải phóng khỏi những công việc xác nhận pháp lệ rườm rà và công việc lặp lại, giúp họ có thể tập trung vào những công việc sáng tạo hơn. (Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021; Sacks et al., 2018)
Hợp tác với robot và máy bay không người lái (UAV)： Trên công trường xây dựng, dữ liệu BIM sẽ được sử dụng trực tiếp làm nền tảng điều khiển cho robot và máy bay không người lái. Các máy bay không người lái (UAV) được trang bị máy ảnh hoặc máy quét laser sẽ tự động tuần tra công trường, và bằng cách so sánh dữ liệu đám mây 3D được thu thập với mô hình BIM, chúng có thể tự động đánh giá tiến độ xây dựng và chất lượng mà không cần can thiệp của con người. Hơn nữa, công nghệ cho phép các robot xây dựng hoặc máy in 3D quy mô lớn đọc dữ liệu BIM để tự chủ lắp ráp các tòa nhà trên công trường hoặc nhà máy cũng đang tiến tới thực tiễn. (Borrmann et al., 2018; Izbash & Babayev, 2024)
Xây dựng môi trường trực quan bằng công nghệ XR（VR・AR・MR）： Các mô hình BIM được tích hợp với các công nghệ thực tế mở rộng (XR) như thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR) và thực tế hỗn hợp (MR). Ở giai đoạn thiết kế, các khách hàng hoặc nhà thiết kế có thể đeo kính hiển thị gắn trên đầu để trải nghiệm tòa nhà trong không gian ảo và đưa ra quyết định một cách trực quan. Ngoài ra, ở công trường xây dựng hoặc quản lý bảo trì, các công nhân có thể nhìn thấy qua kính AR các tuyến đường ống ẩn hoặc các thủ tục làm việc từ mô hình BIM được hiển thị chồng lên trên không gian trước mặt, hỗ trợ xây dựng an toàn và chính xác. (Izbash & Babayev, 2024; Sacks et al., 2018)
Nâng cao tiền chế tạo và kiến trúc mô-đun： Dựa trên dữ liệu 3D chính xác và không mâu thuẫn được cung cấp bởi BIM, ngành xây dựng đang nhanh chóng chuyển đổi sang tiền chế tạo (sản xuất tại nhà máy trước) và kiến trúc mô-đun gần với sản xuất. Bằng cách liên động trực tiếp các máy CNC (Điều khiển số hóa máy tính) với BIM, thậm chí những bộ phận có hình dạng phức tạp cũng có thể được sản xuất tùy chỉnh hàng loạt với độ chính xác cao trong nhà máy (tùy chỉnh hàng loạt), giúp giảm đáng kể thời gian làm việc trên công trường và đảm bảo tính thống nhất của chất lượng. (Sacks et al., 2018)
Mở rộng sang thành phố thông minh thông qua tích hợp GIS： Phạm vi áp dụng BIM vượt quá khuôn khổ của một tòa nhà duy nhất và mở rộng đến cấp độ thành phố. Thông qua tích hợp Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và BIM, có thể thực hiện mô phỏng liên kết với dữ liệu lớn về cơ sở hạ tầng xung quanh và môi trường tự nhiên. Nhờ đó, nó sẽ hoạt động như một cơ sở thông tin lõi của "thành phố thông minh (CIM: City Information Modeling)" nhằm mô phỏng và tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng và luồng giao thông trên toàn cộng đồng địa phương hoặc thành phố. (Borkowski, 2023; Borrmann et al., 2018; Deng et al., 2021)
CAD và BIM liên quan đến các đại lý AI như thế nào
Đặc biệt liên quan đến AI, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết ở đây. Chúng tôi sẽ sắp xếp từng giai đoạn: giai đoạn thiết kế, giai đoạn xây dựng và giai đoạn vận hành và bảo trì.
Giai đoạn thiết kế
Tích hợp với AI tạo sinh (AIBIM)： Trong tương lai, BIM sẽ được tích hợp với AI tạo sinh (Generative AI) và tiến hóa thành khái niệm "AIBIM (AI-Driven BIM)". Chỉ cần các nhà thiết kế nhập các yêu cầu của họ, các đại lý AI sẽ sử dụng GAN (Generative Adversarial Networks) và các công cụ tương tự để tự động tạo ra hàng ngàn phương án thiết kế, đề xuất những thiết kế được tối ưu hóa cho nhu cầu của khách hàng và môi trường một cách thực thời. (Izbash & Babayev, 2024)
Kiểm tra tuân thủ pháp lệ tự động và tuân thủ liên tục： Bằng cách chuyển đổi các quy tắc phức tạp như Luật xây dựng sang định dạng có thể đọc được bởi máy, các thuật toán AI sẽ phân tích mô hình BIM và tự động cũng như liên tục kiểm tra xem có bất kỳ vi phạm pháp lệ nào không. Điều này sảm bảo thiết kế tuân thủ các quy định từ giai đoạn thiết kế ban đầu, và các đại lý AI cũng có thể dự đoán các vi phạm và tự chủ đề xuất các giải pháp. (Izbash & Babayev, 2024)
Làm giàu ngữ nghĩa (Gán tự động thông tin ngữ nghĩa)： Các đại lý AI sẽ sử dụng học máy hoặc mạng thần kinh để diễn giải dữ liệu hình học từ nguồn CAD hoặc dữ liệu đám mây điểm từ quét laser, và tự động (hoặc bán tự động) suy luận thông tin ngữ nghĩa như "đây là một bức tường" và các mối quan hệ, sau đó gán chúng vào mô hình BIM. (Sacks et al., 2018)
Giai đoạn xây dựng
Tham gia dự án của máy được điều khiển bởi AI： Truyền thống, các dự án xây dựng tập trung vào sự cộng tác giữa con người, nhưng trong tương lai, các máy, robot và máy bay không người lái được trang bị đại lý AI sẽ tham gia vào dự án như những "bên liên quan", cung cấp thông tin chi tiết dựa trên dữ liệu BIM, đưa ra quyết định và thực hiện các nhiệm vụ. (Izbash & Babayev, 2024)
Quản lý tiến độ và chất lượng tự chủ： Các máy bay không người lái được trang bị thị giác máy tính sẽ tự động tuần tra công trường xây dựng và trực tiếp so sánh dữ liệu được thu thập với mô hình BIM, từ đó tự động tạo mô hình sau xây dựng (As-Built) và đánh giá tiến độ và chất lượng xây dựng mà không cần can thiệp của con người. (Borrmann et al., 2018; Izbash & Babayev, 2024)
Tối ưu hóa tự động kế hoạch xây dựng： Các công cụ AI như ALICE (Artificial Intelligence Construction Engineering) đã xuất hiện, có khả năng tự động tạo ra một số lượng lớn các kế hoạch xây dựng dựa trên mô hình BIM, xem xét các phương pháp khác nhau và quy mô lao động, và AI xác định và đề xuất lịch trình tối ưu. (Sacks et al., 2018)
Giai đoạn vận hành và bảo trì
Điều khiển tự chủ của tòa nhà bằng kỹ thuật số đôi thế hệ tiếp theo： Ở giai đoạn cuối cùng (Level 5) của kỹ thuật số đôi được tích hợp BIM và cảm biến IoT, các đại lý AI sẽ không chỉ phân tích dữ liệu thực tế mà còn tự động và thực thời điều khiển phản hồi các hệ thống tòa nhà như điều hòa không khí và ánh sáng dựa trên các chiến lược tối ưu hóa. (Deng et al., 2021)
Bảo trì dự báo bằng học máy： Các đại lý AI sẽ học hỏi từ dữ liệu từ các cảm biến IoT và các bản ghi bảo trì trong quá khứ, dự đoán tình trạng suy thoái trong tương lai của các thiết bị (thành phần MEP) và Tổng chi phí vòng đời (LCC), cũng như tự chủ lập ra một kế hoạch bảo trì tối ưu. (Deng et al., 2021)
Chẩn đoán AI cho các công trình lịch sử (HBIM): Trong lĩnh vực HBIM (Heritage BIM) quản lý các công trình lịch sử, các agent AI đang được triển khai thực tế để phân tích hình ảnh từ drone và mô hình 3D, tự động phát hiện và chẩn đoán nhanh chóng các vết nứt trên tòa nhà, sự xuống cấp của vật liệu và tổn thương cấu trúc. (Zhang & Zou, 2022)
Kết luận
Khi nhìn lại lịch sử của CAD và BIM, chúng ta có thể thấy rằng cả hai đã phát triển theo các hệ thống và triết lý khác nhau, nhưng chúng dần gần lại và hội nhập trong bối cảnh kết nối dữ liệu với các công trình xây dựng và kỹ thuật. Khi nhiều dữ liệu được hội nhập, khả năng cộng tác với các agent AI - những công nghệ đang có tiến bộ nhanh chóng trong những năm gần đây - đã trở nên rõ ràng. Đối với nhiều công ty, BIM - một công nghệ chưa được phổ cập rộng rãi cho đến nay - có thể sẽ trở thành điểm khởi đầu cho sự phổ cập nhanh chóng nhằm tận dụng thiết kế tự động bằng cách sử dụng các agent AI.
Tài liệu tham khảo
Alexander, C. (1977). A pattern language: towns, buildings, construction. https://jrap.neduet.edu.pk/arch-journal/JRAP_2020(SecondIssue)/JRAP-2020(2ndIssue).pdf#page=52
Alin, S., & Stăncioiu, E. L. (2024). The evolution and impact of cad in modern industries: A comprehensive review. Fiability & Durability/Fiabilitate Si Durabilitate, 33(1). https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&profile=ehost&scope=site&authtype=crawler&jrnl=1844640X&AN=180240802&h=LyYzjst2wir3oNUfK%2BbvGNC0RDfEWIJ9hJYlcYGGKxjKf91F6BEHeQ6Mg%2BTTF7s5zzdOnldnQ%2FJbUL6JgYjYeQ%3D%3D&crl=c
Autodesk, I. (1993). DXF reference. Autodesk.
Azhar, S. (2011). Building information modeling (BIM): Trends, benefits, risks, and challenges for the AEC industry. Leadership and Management in Engineering, 11(3), 241–252.
Ball, A. (2013). Preserving Computer-Aided Design (CAD). DPC Technology Watch Report. https://scholar.google.com/citations?user=efU9l9oAAAAJ&hl=en&oi=sra
Borkowski, A. S. (2023). Evolution of BIM: Epistemology, genesis and division into periods. Journal of Information Technology in Construction. https://repo.pw.edu.pl/info/article/WUT82f55e934e0f47e09076418a8834e008
Borrmann, A., König, M., Koch, C., & Beetz, J. (2018). Building information modeling: Why? What? How? In Building Information Modeling (pp. 1–24). Springer International Publishing.
Deng, M., Menassa, C. C., & Kamat, V. R. (2021). From BIM to digital twins: a systematic review of the evolution of intelligent building representations in the AEC-FM industry. Journal of Information Technology in Construction, 26, 58–83.
Eastman, C. (1975). The use of computers instead of drawings in building design. AIA Journal. https://www.researchgate.net/profile/Charles-Eastman/publication/234643558_The_Use_of_Computers_Instead_of_Drawings_in_Building_Design/links/54aff5690cf2431d3531c7a7/The-Use-of-Computers-Instead-of-Drawings-in-Building-Design.pdf
Eastman, C. M. (1989). Architectural CAD: a ten year assessment of the state of the art. Computer Aided Design, 21(5), 289–292.
Eastman, C. M. (1991). The evolution of CAD: Integrating multiple representations. Building and Environment, 26(1), 17–23.
Eastman, C., Teicholz, P., Sacks, R., & Liston, K. (2008). BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors. https://doi.org/10.5555/1796500
Hız, Y., Altunel, E., Güngör, S., & Öztürk, S. (2023). Current research in architecture, planning and design. Gece Kitaplığı.
Izbash, Y., & Babayev, V. (2024). Digital evolution in AEC industry: Bridging BIM, building codes, and future technologies. IOP Conference Series. Earth and Environmental Science, 1376(1), 012004.
Laakso, M., & Kiviniemi, A. (2012). The IFC standard-A review of history, development, and standardization. Journal of Information Technology in Construction, 17, 134–161.
Liu, Z., Lu, Y., & Peh, L. C. (2019). A review and scientometric analysis of global Building Information Modeling (BIM) research in the architecture, Engineering and construction (AEC) industry. Buildings, 9(10), 210.
Olawumi, T. O., Chan, D. W. M., & Wong, J. K. W. (2017). Evolution in the intellectual structure of Bim research: A bibliometric analysis. Journal of Civil Engineering and Management, 23(8), 1060–1081.
Sacks, R., Eastman, C., Lee, G., & Teicholz, P. (2018). BIM handbook: A guide to building information modeling for owners, designers, engineers, contractors, and facility managers. https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=IU9mDwAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR17&dq=BIM+Handbook+(3rd+ed.).+Wiley&ots=NgnvMw1vyJ&sig=vsq2-kPApnCwXaHInBfGTu7pVag
Tornincasa, S., & Monaco, F. D. (2010). THE FUTURE AND THE EVOLUTION OF CAD. tmt.unze.ba. https://tmt.unze.ba/zbornik/TMT2010/Keynote-Tornincasa.pdf
Weisberg, D. E. (2008). The engineering design revolution: the people, companies and computer systems that changed forever the practice of engineering. Cyon Research Corporation.
Wolfe, L. S. (July-Sep 2025). How CAD Became Universal. IEEE Annals of the History of Computing, 47(3), 14–25.
Zhang, Z., & Zou, Y. (2022). Research hotspots and trends in heritage building information modeling: A review based on CiteSpace analysis. Humanities & Social Sciences Communications, 9(1), 394.
Đã đọc
Đọc tiếp ↓