BIMCIM第7章

12問 • 1年前

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7.1　プロダクトモデルの概要 7.1.1　プロダクトモデルとは　第6章ではCGにより3次元形状モデルを作成し3次元的に表現する方法を学んだ。これにより、例えば、橋梁の3次元CGをコンピュータのディスプレイ上で人が見れば、確かに、橋台、橋脚、橋げた、床板、高欄などを認識できるようになった。しかし、コンピュータのとっては、それらは直方体、円筒、多面体などの幾何学的な形状データとそれらの○○でしかない。さらに、ＣＧには、各部材がどのような材料でできているのかという機能がなく、いつ、どの会社が施工したのかといった○○もない。これでは、3次元モデルの○○による説明や協議の円滑化、効率化は果たせるものの、BIM/CIMが本来持つ、それ以上の効果を享受することができない。　同様な課題は、1980年頃に既に3次元CADを利用していて自動車などの機械産業で認識され、○○技術に基づく○○の必要性が唱えられ、開発された。プロダクトモデルは、各部品や部材などをクラスと呼ばれる抽象化されたモノとして登録し、○○、○○、○○、○○などを予めデータモデルとして規定したものである。具体的な3次元モデルを作成する際は、各クラスの性質を継承する○○（インスタンスと呼ぶ）として定義していきながら、モデリングを行う。プロダクトモデルによって、コンピュータが人間のように3次元モデルないの各部品や部材を認識し、その属性情報などを理解しているかのように振舞うことができ、3次元CADやBIM（BIM/CIM)のみならず、他の関連する種々のソフトウェアとデータを自動的に○○を行うことができるようになるのである。　プロダクトモデルという用語の「プロダクト」は「○○」といった意味であるから、土木建設分野では違和感があるかもしれないが、元々、機械産業で生まれた、言葉であることを知ると合点が行くであろう。

位相データ, 属性データ, 可視化, オブジェクト指向, プロダクトモデル, 名称, 属性, 機能, 他のクラスとの関係, オブジェクト, 共有、連携, 製品

7.1.2　クラス、インスタンス、属性　本節では、橋梁を例にとって、プロダクトモデルがどのようなものなのか、具体的に説明する。まず、「橋梁」という言葉は橋と呼ばれるものを集めたグループの総称であり、一つの抽象化された概念を表すものである。このようにして抽象化された言葉を○○という。一方横浜ベイブリッジといった個別の橋梁は、橋梁というクラスに基づく実体であり、これを○○と呼び、クラスとは明確に区別し、図7.1のようにクラスの下位に位置付ける。　インスタンスとしての橋梁には、橋名、位置、橋長、完成年月日、管理者、施工会社、主な材料などの自らを特徴づける各種の情報がある。こうした情報を○○と呼ぶ。インスタンスが持つことができる属性は、予め上位に位置するクラスの中で定義され、インスタンスでは、属性がクラスから継承され、各項目に具体的な名称や数値、日付などが入力される。

クラス（Class), インスタンス(instance), 属性（AttributeまたはProperty）

7.1.3　汎化-特化　橋梁は、主材料によってコンクリート橋、鋼橋、木橋、石橋などに分類され、コンクリート橋はRＣ橋、ＰＣ橋に、鋼橋は鋼桁橋、吊橋、トラス橋などに分類される。さらに、鋼桁橋は、鋼1桁橋、鋼箱桁橋などに分類される。このように分類された各種橋梁は、抽象化された概念を表すクラスとして橋梁クラスの下位に定義できる。コンクリート橋や鋼橋のクラスは、橋梁クラスのすぐ下に位置するので、橋梁クラスの○○であるという。逆に橋梁クラスは、コンクリート橋や鋼橋クラスの○○であるという。このようにクラスに上下関係を設けて、何層にも階層化して多くのクラスで構成することができる。上位から下位にクラスを分類していくことを○○と呼び、逆に下位から上位にクラスを一般化していくことを○○と呼ぶ。このような汎化-特化の関係を○○の関係ともいう。サブクラスをAとし、スーパークラスをBとすると、ＡｉｓａＢと英語で表現できるからである。　クラスには○○があり、下位のインスタンスに属性が継承されると記述してたが、クラスにおいてもスーパークラスの属性はサブクラスにそのまま継承される。継承は○○と言われることもある。サブクラスでは、継承された属性以外の、より具体的な属性を追加することができ、その追加属性を含めて全ての属性がその下のサブクラスに継承されていく。逆に、サブクラスでスーパークラスから継承された属性の一部を何らかの理由で変更することも可能であり、○○という。ただし、頻繁にオーバーライドがあると混乱を招く可能性があり、あまり品質が高いとは言えない。なお、「上書き」は英語ではOver Write　であるためオーバーライトと勘違いされることがあるが、「乗り越える」、「優位に立つ」を意味するOver ride「オーバーライド」が正しい。　図7.2のような階層図では、クラスの上下関係を誤解の内容に表現する規則が必要である。オブジェクト指向技術によるモデリングでは、標準化された、○○がよく利用される。UMLでは、スーパークラスに「△」をつけてサブクラスと線分で結んで、汎化-特化（Is-a）の関係を表す。橋梁のクラス図を図7.3に示す。UMLではクラスの属性は、クラス名のすぐ下の四角い枠の中に「+」を付して記載する。下のクラスに属性は継承されるので、同じ内容を書く必要はない。属性の四角い枠の下にもう一つある枠は、メソッドと呼ばれるプログラムを記述するためのものであり、プロダクトモデルではあまり使われないが、ＵＭＬでは枠として記載する規則となっている。

サブクラス（Subclass), スーパークラス（Superclass）, 特化（Specialization）, 汎化（Generalization）, 「is-a」（イズア）, 属性, インヘリタンス(inheritance), オーバーライド（Over ride：上書き）, UML（Unified Modeling Language）

7.1.4　集約とその他の関係　橋梁は、上部構造、支承、下部構造の3つに分類される。上部構造はさらに、主桁、横桁、床板、高欄などの要素に分割でき、下部構造は橋脚、橋台、杭等の要素に分割できる。このような分け方は、前述の汎化-特化とは異なり、全体と部分の関係であり、オブジェクト指向技術では、○○と呼ぶ。集約の中でも特に全体と部分の結びつきが強く、その部分がなくなると全体が機能しないため、必ずその部分が存在するような関係を、○○と呼ぶ。UMLの図では、コンポジションは全体側に「♦」を付し、それ以外の集約は全体側に「♢」を付した線分で部分と結ぶ。橋梁の集約及びコンポジションの関係を図7.4に示す。この例では、下部構造の部分として橋台は必ず存在するので、コンポジションの関係であり、橋脚はある場合とない場合があるため、集約の関係になっている。このような集約とコンポジションは、○○の関係とも言う。部分をA、全体をBとすると、英語でA is a part of Bと表現できるからである。なお、集約とコンポジションでは、汎化-特化と異なり、クラス間での属性の継承はない。　プロダクトモデルでは、汎化-特化、集約、コンポジションの他に以下のようなクラス間の関係がある。　　・関連(Association)：○○ 　　・依存(Dependency)：○○ 　　・実現（Realization）：○○ 　UMLにおけるクラス間の関係と線形を図7.5に示す。集約、コンポジション、関連を表す線分の両端に数値や数値の範囲を書くことにより、関係する数を表現することができる。例えば、1は1個、0..nまたは*は0以上、1..nは1以上、2..9は2から9を意味する。具体的には、橋梁クラスとコンポジションで関係がある支承クラスは、橋梁1に対して2以上あるので、2..nと記載される。

集約(Aｇｇｅｒｅｇａｔｉｏｎ), コンポジション（Composition）, 「Part-of」, クラス間に結びつきがある場合, 相手の状態や変更などのイベントに対して影響を受ける場合, 相手を具象化する関係

7.2　プロダクトモデルの国際標準化 7.2.1　ISO10303（STEP)の概要　7.1で概説したプロダクトモデルは、1980年代後半に機械分野で各国や各企業で独自に開発され始めたため、このままでは、互換性がないプロダクトモデルが林立してしまい、3次元CADソフトウェアが対応できなくなることが懸念された。1963年に米国でIvan SutherlandがCADを発明した後、互換性がないCADソフトウェアが数多く開発されたため、発注者が資金援助して○○と呼ばれるCGの標準が作られた経緯があったため、各国も産業界も標準の必要性に疑問の余地はなかった。そこで、プロダクトモデルの○○を実施する前に、まず○○をしようということになった。しかし、1980年代に米国と欧州では、別々のプロダクトモデルの標準化手法の標準を開発し始め、覇権争いとなったのだが、結局、欧州が勝利し、1994年にＩＳＯ(International Organization for　Standardization)の国際標準である○○が発行された。ISO10303の正式名称は、Industrial automation systems and integration-Product data representation and exchangeであり、和訳すると、○○となる。この国際標準は、ライフサイクル全般にわたる製品の情報データと図面データの表現方法とその製品データの交換・共有を実現する方法を規定している。ＩＳＯ10303の俗称は○○または、単にＳＴＥＰといい、STEPはSTandard for the Exchange of Product model dataの略である。　STEPは数百という多数のパートから構成され、○○、○○、○○とフレームワークからなる「○○」、統合リソースなどからなる「○○」アプリケーションプロトコルなどからなる「○○」の3つに大きく分類される。STEPにおいては、プロダクトモデルについて曖昧さをなるべく排除して形式的に記述する言語として○○の記述方式を定めている。EXPRESSで記述されたファイルはテキスト形式であるため、人間にとってより理解しやすいネットワーク図として表現するために、○○と呼ばれる図式言語が規定されている。

IGES（Initial Graphocs Exchange Specification）, 標準化, 標準化をするための方法の標準化, ISO10303, 産業自動化システムと統合化に関する製品データの表現及び交換に関する規格, ＩＳＯ－ＳＴＥＰ, 記述手法, 実装方法, 適合試験手法, 環境, 統合データモデル, トップパート, EXPRESS, EXPRESS-G

7.2.2　スキーマとインスタンスファイル　STEPでは、ある製品について一般化されたプロダクトモデルとして記述されたものを○○と呼ぶ。スキーマという用語は、○○の分野で生まれたものである。データベースを設計する際、対象世界の事物や関係などの情報構造を○○、○○してデータモデルを定義するが、そのデータモデルをスキーマと名付けたわけである。データベースでは、複数の関係する表の形式でスキーマを定義し、スキーマに則てコンピュータに実装し、データを入力したものがデータベースとして利用される。プロダクトモデルでも同様に、スキーマを定義し、スキーマに則て実装し、具体的な製品や構造物の諸データを入力したファイルが、ＣＡＤソフトウェアなどで利用される。ここで、具体的な製品や構造物のデータファイルのことを、STEPでは○○と呼ぶ。インスタンスファイルは、STEPで規定されている○○ファイルと形式で記述される。　製品および製品を構成する種々の要素を、7.1ではクラスと呼んだが、STEPでは○○と呼び、その内容を記述するものを○○と呼ぶ。エンティティ間の関係は、7.1で記述した汎化-特化、集約、コンポジション、関連などを基本としている。エンティティとその関係及び属性をスキーマとして定義する際は、製品とその構成要素について熟知し、STEPにも精通している技術者らが集まって、必要かつ十分な情報を盛り込む必要があり、完成したスキーマは膨大な情報量を持つものになる。また、間違いがあると、後で大きな事故などにつながる可能性もあるため、長い時間をかけて慎重に審査される。

スキーマ（Schema）, データベース, 抽象化, 体系化, インスタンスファイル（Instance file）, Part-21, エンティティ（Entity）, 属性（Attribute)

7.2.3　建築物のプロダクトモデルの開発　機械や電気電子などの製造およびプラント等の分野では、1990年代前半にSTEPが規定されるのと並行して、スキーマとしてのプロダクトモデルが開発されたが、建築分野は出遅れ、土木インフラ分野は手つかずの状態であった。そこで、1994年に米国のCADの販売会社（ベンダー：Vendor）など12社で、建築物のＣ＋＋のクラスを開発する業界コンソーシアムとして○○なる組織を設立した。当初は、ＩＡＩはIndustry Alliance for Interoperabilityの略であった。その後、いくつかの国に参加を呼びかけて、日本も1996年に加盟し、IAIはISO STEPに基づいて建築物のプロダクトモデル○○を策定する国際的な非営利組織として、略称はIAIのままInternational Alliance for Interoperabilityに改称した。IFCのCはクラス（Classes）の頭文字であり、本来ＳＴＥＰではエンティティと呼ぶ構成要素を、オブジェクト指向技術流に「クラス」と敢えて言い換えているのは興味深い。さらに2005年にＩＡＩは○○に改称した。bSIはBuilding SMART Internationalの略であり、小文字のbで始まり、SMARTは大文字で、BuildingとSMARTの間にはスペースを入れない。大文字のBで始まるBSIは、British Standards Institute（英国規格協会）であり、全く別の組織なので注意が必要である。　bSIには数多くの国や地域がメンバーとして加盟し、メンバー国には支部（Chapter）が設けられ、日本支部はbSJ（Building SMART Japan）である。この他に、多くの企業や役所もメンバーとして加盟し、IFCの○○、○○、○○などを実施している。IFCは1999年に○○というバージョンがリリースされ、その後頻繁にバージョンアップ（英語で正しくはUpgradeという）を繰り返しながら改善してきた。こうした努力の結果、2013年3月に建築物の○○は正式な国際標準○○として発行された。これにより、多くの建築物のBIMソフトウェアはIFCに準拠するようになり、建物のBIMモデルのインスタンスファイルをIFC形式で○○したり、他社のBIMモデルのインスタンスファイルを○○できるようになっていった。さらに、2017年に○○というバージョンのIFCが○○として発行された。

ＩＡＩ, IFC（Industry Foundation Classes）, bSI, 開発, 標準化, 普及, IFC2.0, IFC4, ISO16739（正確には、ISO16739：2013）, エクスポート（Export）, インポート（Inport）, IFC 4 ADD2 TC1, ISO16739-1：2018

7.2.4　土木インフラ分野のIFC 　土木などのインフラストラクチャのIFCは、2013年からインフラの分科会がbSIの中に設立され、道路、橋梁、鉄道、港湾・水路、トンネル、共通土木のプロダクトモデルの開発が精力的に実施され、IFC Road,IFC Bridge,IFC Rail,IFC Ports＆Waterways,IFC Common Schemaを統合化したスキーマが2019年に〇〇として完成し、ISOに提出し、審査の結果、2024年1月に認証され、春に〇〇として正式に発行される。土木インフラのIFCが正式なISO国際標準となることで、土木のBIM/CIMソフトウェアがIFCに準拠するようになり、異なるソフトウェア間でデータをインポート/エクスポートして共有することが加速化されると期待される。なお、トンネルのIFC Tunnelは開発が大幅に遅れたため、完成後に追加する予定である。また、IFC4.3では、土木インフラ分野のクラス追加の追加のみならず、建築分野のモデルの改善や建築分野に関連する機械・電気関係のクラスの追加なども実施されている。

IFC4.3, ISO 16739

7.3　IFC 　7.2において、IFCがどのような経緯で生まれ、育ち、ISOの国際標準になってきたかを記述した。本節ではプロダクトモデルとしての全体像、クラスの構造、およびIFCを活用するための方法について説明する。 7.3.1　IFCの全体像　IFCは、建築物やインフラ構造物のライフサイクルにおける3次元モデルのクラスを、オブジェクト指向技術に基づいて系統的に定義した○○である。IFCで定義されているクラスは大きく次の3つに分類される。　　1）○○ 　　2）○○ 　　3）○○ 　IFCスキーマは、Architectural　Domain　（○○）などの数十個のサブスキーマによって構成され、これらのサブスキーマは図7.6のように、以下の4層のレイヤに分類される。　　①○○ 　　②○○ 　　③○○ 　　④○○ 　これらのサブスキーマの中に、各クラスが定義されており、IFCでは全てのクラスの名称は、IfcBeam,Ifcwallなどのように、クラスの内容を表す単語や語句の前に必ずIfcが付される。

プロダクトモデル（スキーマ）, プロジェクト、敷地、建物、建物階、部屋などの空間情報を表すクラス, 梁、柱、壁、窓、ドアなどの部材・要素（オブジェクト）を表すクラス, 空間やオブジェクトなどのクラスの属性情報を表すクラス, 建築ドメイン, Domain layer（専門分野層）, Interop layer（相互運用層）, Core layer（共通分野層）, Resource layer（リソース層）

7.3.2　IFCのクラス　IFCには何百ものクラスが定義され、その数は増え続けている。IFCの基幹構成は、図7.7に示すように、○○を頂点として、下位に○○のサブクラスが汎化-特化の関係でつながっている。　IfcObjectDefinitionクラスとそのサブクラス群は、基本的に実世界に存在するオブジェクトを定義するクラスである。梁（IfcBeam）、柱（IfcColumn）、壁（Ifcwall）などはオブジェクト（モノ）としてイメージしやすいが、空間（IfcSpace）、場所（IfcSite）、プロジェクト(IfcProject)などもオブジェクトの一種である。IfcObjectDefinitionクラスのすぐ下にIfcObjectクラスがあり、その下にIfcProductがある。形状を表現する属性は、IfcProductが持つため、形状を有する部材は、IfcProductのサブクラスとして定義される必要がある。IfcProductのすぐ下にはIfcElementがあり、さらにその下には、IfcBuildingElementがあり、その下にIfcBeam（梁）などが定義されている。　IfcObjectDefinitionクラスとそのサブクラスは、IfcObject及び、そのサブクラスが持たない付加的な属性（これをプロパティと呼ぶ）を定義し、データを実装するために用いられるクラスである。7.1.2で橋梁の属性が橋梁エンティティ（IFCでいうクラス）の内部に定義される例を示した。IFCでもこのように属性を定義することは可能である。しかし、一般に建築分野の部材などの属性はその種類と個数が非常に多く、国や地域、専門分野などにより異なる定義を行うことが多く、属性を標準化することは極めて難しい。そこで、bSI（当時はIAI）では、定義の統一化や標準化が難しいオブジェクトの属性については、オブジェクトのクラス内部に置かず、別の属性専用のクラスを設けて、オブジェクトのクラスにリンクするという方法を採用している。それが、IfcPropertiesDefinitionのサブクラス群であり、定義された属性のクラスを○○という。　IfcRelationshipとそのサブクラスは、主としてオブジェクト間の関数やオブジェクトとプロパティセットとの関係を定義するために用いられるクラスである。例えば、IfcRelationshipのサブクラスの一つであるIfcRelConnectsElementsは○○を表現する。部材などのクラスとその部材が保有するプロパティのクラスをリンクするクラスがIfcRepresentationItemというクラスは、IfcRootを頂点とするサブクラスには存在せず、IfcRepresentationItemというクラスを頂点とする別系統のサブクラスとして定義される。これらは、ＩＦＣのアーキテクチャのリソース層にあり、幾何に関するリソースとしては、Geometry Resource,Geometric Model Resourceなどがある。IfcRepresentationItemのすぐ下のサブクラスIfcGeometricRepresentationItemの下に座標を表すIfcPlacement、点を表すIfcPoint、○○を表すIfcManifoldSolidBrepなどが定義されている。

IfcRoot, IfcObjectDefinition,IfcPopertiesDefinition,IfcRelationship, プロパティセット(Property set), 部材間の接合（Connection）, 境界表現（B-rep）

7.4　IFCの活用　7.4.1　3次元BIM/CIMモデルの交換・共有　現在、市場には数多くのBIM/CIMソフトウェアがあり、みんながおんなじソフトウェアを使用しているわけではない。従って、基本設計ではＡというソフトウェアを用い、詳細設計ではＢ，施工ではＣを用いるといったことが起こりえる。そこで、すべてのBIM/CIMソフトウェアがIFC形式のファイルをインポート・エキスポートできれば、IFCを介して3次元モデルを問題なく○○できるのである。こうした3次元モデルの交換・共有が、IFCを活用するうえで基本中の基本といえる。　BIM/CIMソフトウェアの開発ベンダーは、自社のソフトウェアはIFCに完全に準拠しており、問題なくIFCにインポート・エクスポートできると宣伝するのであろうが、本当にできるかどうかは、専門的な知識と技能をもった第三者機関が試験を実施して、合格か不合格かを検定する必要がある。我が国においては、建築と土木のBIMあるいはBIM/CIMソフトウェアのIFC検定は、○○が中心となり、土木ソフトについては○○も協力して実施している。

交換・共有, bSJ, 一般財団法人日本建設情報総合センター（JACIC)

7.4.2　BIM/CIMの統合モデルのチェック・調整　前項では、異なるソフトウェアを時系列で用いるケースを想定したが、同時並行的に用いる場合もある。特に建築設計においては、意匠設計、構造設計、設備設計という異なる専門家集団が別々に異なるBIMソフトウェアを用いることが多い。そこで、意匠、構造、設備の各BIMモデルを統合して、○○や収まりなどの調整を行う場合、IFCにエクスポートして、統合チェックソフトウェアにインポートする。こうした作業を従来は2次元図面で行っていたのであるから、ミスが起こりやすいのは当然といえる。 7.4.3　解析・シュミレーション・積算への活用　設計段階で3次元モデルを作成すれば、そのモデルを各種解析ソフトウェアの入力データとして用いることが可能である。従来は、2次元図面から解析に必要な情報を技術者が読み取って、手作業で入力していた。IFCを用いて適切な変換プログラムを作成すれば、設計データの中から解析ソフトウェアが入力データとして必要な情報を自動的に読み取って、入力までしてくれるはずである。はずである、と書いたのは、実際は、それほど単純ではないからである。　自動車のボディやエンジン部分の構造力学的あるいは熱流体的解析の場合は、3次元モデルをそのままメッシュに細かく切れば、有限要素解（FEA:Finite Element Analysis）入力データのメッシュデータは短時間で容易に作成できる。一方、土木や建築分野の構造物の場合、元々、手作業で解析データを作成できることを念頭に置き、○○、○○といった配慮をしながら、解析ソフトウェアが開発されたことから、3次元構造物をそのままの形状でメッシュを切って計算せず、形状を相当に単純化してから入力データを作成している。それゆえ、現状では、3次元モデルがあっても、解析を専門とする技術者がかなりの時間をかけて、入力用の解析モデルデータを作成している。　積算についても同様な状況である。3次元モデルを作成すれば、数量計算は自動的にできる。得られた各工種の数量を積算ソフトウェアに入力し、後は○○などのデータにさえ入力すれば、簡単に○○が求まりそうである。しかし、実際は、設計で一つの部材として作成されたオブジェクトが異なる方法で施工されるなど、積算では分割しなければならない場合もあるし、逆に複数の異なるオブジェクトを一つにして積算する場合もあり、一筋縄ではいかない。　そこで、bSIが策定したのが、○○、○○、○○である。IDMは、特定のBIMワークフローにおける、一連のデータ連携のプロセス、伝達すべき情報やその要件を文書化するための方法論であり、ISO29481-1：2010として規格化されている。IDSは、情報交換要件をコンピュータが解釈可能にする文書であり、情報交換要件が満たされているかを自動的にチェックするために利用される。MVDは、IDMによって定義されたBIMデータ連携仕様に対して、IFCデータをどのように適用するかを実装レベルで定義したものである。MVDを解析・シミュレーションや積算などの各タスクに応じて開発したら、それに合わせたプログラムを作成することによって、IFCデータから自動的に各種解析ソフトウェアなどに必要なデータだけを抽出した○○が生成されるのである。

干渉チェック, 計算時間を短く, メモリをあまり多く使いすぎないように, 歩掛り, 工事費, IDM（Information Delivery Manual）, IDS(Information Delivery Specification）, MVD（Model View Definition）, IFCモデルデータ

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