Định dạng mới IFC5 được kỳ vọng có khả năng hiển thị mô hình nhanh và sắc nét hơn, hỗ trợ truy xuất tác quyền của từng thay đổi thiết kế theo thời gian thực, đồng thời sẵn sàng tích hợp với các công nghệ mới dựa trên mô hình thông tin. 1. Giới thiệu
Kể từ khi công nghệ cho phép việc thiết kế công trình ứng dụng công nghệ BIM, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng và đa dạng các phần mềm thiết kế theo phương pháp xây dựng mô hình, sử dụng nhiều định dạng file dữ liệu khác nhau.
Trong tổng thể thiết kế của một công trình, kiến trúc, kết cấu, cơ điện, mô hình đào đắp đất, v.v… cần trao đổi thông tin mô hình qua lại với nhau thông qua một định dạng file duy nhất nhằm tăng tính chính xác và linh hoạt trong việc cập nhật thay đổi thiết kế.
Định dạng này cần không mang tính độc quyền, có độ tương thích cao với các phần mềm và cho phép hiển thị thiết kế 3D nhanh chóng trên các nền tảng thông dụng như trang web và các thiết bị cầm tay.
Thời kỳ đầu, định dạng đáp ứng được yêu cầu về chia sẻ mô hình thông tin được lựa chọn là STEP. Tuy nhiên nhược điểm của STEP là dung lượng file lớn khiến cả việc xuất bản và nhập tập tin trao đổi vào mô hình làm việc đều mất quá nhiều thời gian, không đáp ứng được nhu cầu thực tiễn.
Trước khi BuildingSmart phát triển và công bố chuẩn IFC, lịch sử phát triển của ngành Xây dựng nói chung ghi nhận một số định dạng phổ biến được sử dụng là: .dwg, .iges, .step, và .dgn. Với danh sách lên tới 473 phần mềm có khả năng tương thích, IFC đã được ghi nhận là chuẩn phổ biến nhất về chia sẻ thông tin mô hình tính tới thời điểm hiện tại trong ngành ACEO (Kiến trúc, thi công, kỹ thuật, vận hành) [1]. BuildingSmart xây dựng và phát triển định dạng này theo tiêu chuẩn ISO 16739-1:2018 và 2024 [2].
2. IFC qua từng thời kỳ phát triển
Quá trình phát triển của định dạng IFC qua từng thời kỳ cho tới thời điểm hiện tại không ngừng tăng lên nhưng cũng chưa có đột phá đáng kể:
• IFC1.0 (năm 1997): Nền tảng cơ sở để các hệ thống phần mềm mô hình hóa triển khai.
• IFC2x (2000-2003): Bổ sung danh mục đối tượng, bắt đầu được áp dụng rộng rãi trong ngành Xây dựng.
• IFC2x3 (2006): Đột phá về mức độ chi tiết của hình học cho từng bộ môn thiết kế, tăng thuộc tính vật liệu. Được ứng dụng rất phổ biến để trao đổi thông tin mô hình.
• IFC4 (2010): Cải thiện tính nhất quán của thông tin trao đổi giữa các phần mềm BIM khác nhau.
• IFC4x3 (2013): Tương thích tốt hơn cho đô thị thông minh và thiết kế hạ tầng. Tích hợp GIS (Geographic Information system).
So với STEP, ưu điểm vượt trội của chuẩn IFC là dung lượng file giảm đáng kể đồng thời lại chứa lượng thông tin mô hình lớn hơn [3], điều này dựa trên tính mở hoàn toàn của nó.
IFC có thể được mở xem bằng phần mềm đọc văn bản đơn giản như Notepad, ưu điểm này giúp thiết bị, máy móc và công nghệ thi công kỹ thuật số có thêm cơ sở để mở rộng tính tương thích với phần mềm đặc thù.
Ngoài ra người dùng cũng như các hãng phần mềm có thể dựa trên nền .ifc để phát triển các công cụ tương tác với một nhóm các file mà không bị phụ thuộc vào phần mềm khởi tạo.
Tuy nhiên, cùng với yêu cầu ngày càng cao từ việc ứng dụng mô hình hóa công trình, độ lớn của công trình và mức độ chi tiết của thiết kế tăng lên có ảnh hưởng đáng kể tới tốc độ xuất bản file IFC.
Thực nghiệm của Sobhan Kouhestanib [3] chỉ ra thời gian cần thiết để xuất bản mô hình .ifc tăng đột biến như trong Hình 1, đường nối màu cam, khi mô hình có dung lượng file lớn hơn 100MB. Lưu ý rằng một công trình thiết kế chi tiết nhà công nghiệp đạt LOD300 có dung lượng file Revit cho hạng mục thiết kế kiến trúc trung bình là 150MB.
Nguyên nhân của sự gia tăng này được BuildingSmart giải thích một phần là do tính kế thừa của IFC từ STEP. Kết cấu dữ liệu nguyên khối của định dạng STEP khi kết hợp với kỹ thuật mô hình mới được cải tiến của các phần mềm BIM hiện nay làm cho sơ đồ cấu trúc file trở nên khó quản lý.
Điều này khiến người sử dụng cũng như các nhà phát triển phần mềm gặp thách thức khi muốn tích hợp các tính năng mới của phần mềm gốc vào file IFC cơ bản.
Độ phức tạp của file IFC tăng lên cũng đồng nghĩa với việc tăng dung lượng của chính file .ifc đó sau khi xuất bản. Khi nhiều mô hình IFC dung lượng lớn được tải lên môi trường dữ liệu chung (các bộ môn kiến trúc, kết cấu, điện nước, đào đắp, chế tạo sản xuất), kỳ vọng hiển thị tất cả các mô hình trực quan tốc độ xử lý mượt mà trên nền tảng web của máy tính và trên các thiết bị cầm tay nhỏ gọn như máy tính bảng và điện thoại (sử dụng dữ liệu di động) là một thử thách.
Ví dụ thực tế là một công trình tòa nhà văn phòng AL Nord tại Copenhagen, Đan Mạch có tổng số 52 mô hình được đưa lên cùng một vị trí tọa độ trong CDE, từ giai đoạn thiết kế đến sản xuất và thi công của từng bộ môn (Hình 2).
Ngoài các yếu tố hình học, về thuộc tính đối tượng, ISO19650 [4] quy định rõ việc gán trách nhiệm của từng bên tham gia công trình như một phần thông tin của mô hình khi tải lên CDE. Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu việc theo dõi được các thay đổi trong thiết kế và truy xuất thông tin tác giả và người tham gia quá trình chỉnh sửa đối tượng.
IFC2x3 (phát hành năm 2006) lúc này bộc lộ điểm yếu khi cấu trúc phân chia dữ liệu còn đơn sơ, không có sẵn thông tin tác giả và phụ thuộc vào việc người dùng phần mềm BIM phải viết thêm các phần mở rộng để chỉnh sửa, xuất thêm dữ liệu thuộc tính của đối tượng hoặc điền thêm thông tin vào file một cách thủ công.
Từ phiên bản IFC4, thuộc tính liên quan tới tác quyền của đối tượng đã được đưa vào: IFC_role, IFC_Building, v.v… Tuy nhiên, để tiến tới BIM level 3 [5], mô hình cần đảm bảo khả năng phối hợp thiết kế giữa các bộ môn tại thời gian thực và phân chia tác quyền cụ thể trong mô hình làm việc chung trên nền dữ liệu đám mây, điều mà IFC4 không đáp ứng được nếu còn dựa trên mô hình cấu trúc nguyên khối của định dạng STEP.
Những năm gần đây, nhiều nghiên cứu và đề xuất đã được đề cập nhằm khắc phục những nhược điểm của file IFC trong trao đổi thông tin thiết kế như: đề xuất trao đổi dữ liệu mô hình trực tiếp từ máy tính nội mạng dựa trên nguyên lý “trải phẳng” định danh đối tượng (GUID) và gắn với một file chủ; hay chia sẻ dữ liệu dựa trên nguyên lý chuỗi khối (blockchain): các bên tham gia cập nhật thay đổi thiết kế của mình vào các chuỗi khối đồng thời toàn bộ lịch sử của dự án được lưu trữ trong một chuỗi khối duy nhất và không thể thay đổi (decentralized data environment) [6].
Các đề xuất này nhằm giảm tải lượng thông tin trùng lặp của mô hình thiết kế cũng như bảo đảm tác quyền và tính minh bạch của thông tin. Tuy nhiên, dù các ý tưởng trên đã xuất hiện từ năm 2019, cho tới nay, về mặt công nghệ, chưa có sản phẩm đột phá nào trong lĩnh vực BIM từ các công ty phần mềm khẳng định rõ nét hơn tính khả thi của các đề xuất.
Cùng trong khoảng thời gian này, BuildingSmart đã lập kế hoạch chi tiết và triển khai dự án IFC5 phối hợp cùng cộng đồng các nhà phát triển phần mềm đồ họa.
Tới nay, bản alpha của IFC5 đã hoàn thành và Công ty ACCA đã công bố bản viewer đầu tiên dùng để xem nội dung của ifc5 tại đường dẫn https://ifc5.usbim.com/. Vậy IFC5 đã và đang được phát triển như thế nào?
3. IFC5, kết hợp công nghệ và bảo toàn tiện ích
Trước hết, IFC5 không phải là bản nâng cấp của IFC4, dự án này được phát triển độc lập và song song với phát hành các phiên bản IFC4.1 đến 4.4. Quá trình xây dựng IFC5 giới thiệu một loạt những cải tiến và hiệu ứng mới giúp định dạng này có thể đạt được các thành tựu sau:
• Khả năng hiển thị mô hình phức tạp và có độ chi tiết cao nhanh hơn hàng trăm lần. Đây là kết quả của sự kết hợp của nguyên lý hệ thống thành phần thực thể (Entity component system) và hiển thị đồ họa theo nguyên lý USC (Universal Scene Description).
• Nhiều tác giả có thể tham gia làm việc trên cùng một tập dữ liệu dùng chung. Thông tin hình học và các dữ liệu thuộc tính khác được lưu trữ rõ ràng, có lịch sử đầy đủ. Giữ được tính năng so sánh 2 phiên bản khác nhau như các bản IFC trước đây.
• Tích hợp được file GIS (Geographic Information system) sử dụng phổ biến trong thiết kế hạ tầng và cả bản quét hiện trạng point cloud.
• Chuẩn bị cơ sở cho nhu cầu xuất bản dữ liệu cho bản sao kỹ thuật số Digital Twins và vận hành thành phố thông minh (Smart City) trong tương lai.
Nguyên lý của định dạng IFC5 là đơn giản hóa cấu trúc, chia nhỏ mô hình tới thực thể, sau đó tạo mối liên hệ với nhau (Hình 3, 4). Công nghệ này được gọi là ECS (Entity component system) trong đó entity là ID duy nhất riêng cho đối tượng trong mô hình (được đặt tên bằng một chuỗi ký tự không độc bản), component là gói dữ liệu phản ánh thuộc tính của đối tượng và system là logic liên kết các entity và component với nhau.
Nhờ mô hình này, tốc độ xử lý dữ liệu của IFC5 được dự kiến giảm xuống hàng chục tới hàng trăm lần so với tốc độ xử lý của file ifc hiện tại vốn sử dụng cấu trúc file nguyên khối từ STEP (monolithic). Mô hình tải lên CDE lúc này đủ phức tạp tới mức có thể bao gồm toàn bộ thiết kế của tòa nhà công trình và cả hạ tầng xung quanh.
Về hiển thị đồ họa, IFC5 lựa chọn phương án quy về các phần tử tam giác để giảm độ phức tạp, giúp tốc độ xử lý dữ liệu nhanh chóng và hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng.
Ngoài ra, IFC5 còn sử dụng nguyên lý của công nghệ USC đang được hãng phim hoạt hình Pixar áp dụng cho phép nhiều họa sĩ cùng tham gia vẽ phim 3D tại một thời điểm trên một mô hình chung lớn và kiểm soát được các thay đổi thiết kế.
Khác với các phiên bản trước, với IFC5, thuộc tính hình học của đối tượng sẽ không phải định nghĩa lại trong từng file mà mang tính kế thừa từ phiên bản trước, giúp giảm đáng kể lượng thông tin cần tải lên khi có thay đổi thiết kế.
Để giải thích về USC [8], chúng ta hình dung thiết kế được tạo lập từ rất nhiều “lớp” trong suốt xếp chồng lên nhau, mỗi lớp thuộc về một tác giả. Một đối tượng có thể được tác động bởi nhiều tác giả thiết kế tại cùng thời điểm. Nhờ thông tin được lưu trữ trong “lớp”, việc truy xuất lịch sử và so sánh thay đổi là hoàn toàn kiểm soát được.
Phương pháp này hoạt động cùng với ràng buộc về phạm vi quyền hạn của từng tác giả (ví dụ kỹ sư thiết kế điện) nhằm kiểm soát được các thuộc tính đặc biệt thay vì phải định nghĩa lại toàn bộ dự án khi có thay đổi thiết kế xảy ra (với trường hợp sử dụng file).
Khác biệt lớn nhất là USC sử dụng hệ nhị phân còn IFC5 được lựa chọn phát triển với JSON nhằm tiếp tục hỗ trợ thông tin dạng-chữ-con-người-có-thể-đọc và thêm GUID vốn là lợi thế trong trao đổi dữ liệu thông tin của các phiên bản trước.
Nhu cầu về mô hình của thiết kế ứng dụng BIM hiện nay không dừng ở một công trình đơn lẻ. Mô hình công trình đạt mức độ chi tiết và chân thực cao còn có khả năng tối ưu hóa thiết kế hơn nữa khi được đặt đúng tọa độ thực tế và tương tác với bản quét hiện trạng pointcloud.
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) và pointcloud đều là dữ liệu được mô phỏng dạng lưới và điểm, tương thích với chuỗi hình học tam giác và cấu trúc component được lựa chọn phát triển IFC5.
Với những quy định về ứng dụng và phổ cập BIM trong thiết kế như hiện nay, không lâu nữa nhu cầu kết nối các mô hình công trình tạo thành cơ sở dữ liệu của một thành phố thông minh hay tương tác nhiều hơn với các số liệu ghi nhận tại thời điểm thực sẽ rõ nét (Digital Twin, Smart City).
IFC5 kỳ vọng sẽ đáp ứng được yêu cầu này trong thời gian dài hạn, lên tới “hàng thập kỷ”, như cách David Delgado Vendrell, điều phối kỹ thuật của Công ty BuildingSmart nhấn mạnh [7].
Dù được phát triển độc lập và thậm chí có thể sẽ mang một cái tên hoàn toàn mới (không bao gồm chữ “IFC”) để đánh dấu bước phát triển quan trọng, IFC5 vẫn không nhằm phủ nhận các phiên bản trước.
Những cải tiến trong IFC4.x đặc biệt với công trình hạ tầng và kết cấu dạng cấu kiện là rất cần thiết và cần được kế thừa trong phiên bản mới.
Ngoài ra, để đảm bảo các mô hình thiết kế công trình trước đây vẫn có thể được sử dụng trong các dự án lân cận, mô hình dữ liệu tổng thể, hoặc phục vụ cho công tác vận hành và bảo trì, BuildingSmart cần phát triển công cụ chuyển đổi các tệp IFC phiên bản cũ sang định dạng tương thích với IFC5.
4. Kết luận
Kể từ khi bản kế hoạch chiến lược về IFC5 được công bố vào năm 2019, dự án đã nhận được sự ủng hộ và đóng góp sôi nổi từ các nhà phát triển phần mềm đồ họa.
Bên cạnh đó là cam kết đồng hành của BuildingSmart và các đối tác trong suốt hơn 5 năm thực hiện liên tục. Dù vẫn còn một số câu hỏi cần được làm rõ chẳng hạn như: IFC5 sẽ thể hiện mức độ mở ra sao khi phải cạnh tranh với định dạng hoàn toàn khác là .dgn của Bentley, vốn rất phổ biến trong thiết kế hạ tầng; hay khi nào sản phẩm hoàn chỉnh sẽ chính thức được ban hành, nhưng với một kế hoạch rõ ràng cùng những thành tựu đã đạt được cho đến nay, chúng ta có thể kỳ vọng rằng công nghệ BIM sẽ sớm có một bước phát triển đột phá, mở ra nhiều khả năng ứng dụng mới cho thông tin mô hình trong suốt vòng đời dự án.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. BuildingSmart, pp. https://technical.buildingsmart.org/resources/software-implementations/?pagenum=10.
[2]. ISO 16739-1:2024 - Industry Foundation Classes (IFC) for data sharing in the construction and facility management industries, 2024.
[3]. Sobhan Kouhestanib, Mazdak Nik-Bakht, "IFC-based process mining for design authoring," Automation in Construction, p. 112, 2020;.
[4]. ISO 19650-1:2018 Organization and digitization of information about buildings and civil engineering works, including building information modelling (BIM) - Information management using building information modelling, The International Organization for Standardization, 2018.
[5]. https://catenda.com/, "What does BIM mean in construction?," https://catenda.com/glossary/bim-levels/, 2024.
[6]. Jinfeng Lou; Fan Xue; Weisheng Lu, A Review of BIM Data Exchange Method in BIM Collaboration, Springer Nature, 2021.
[7]. D. D. Vendrell, "The Evolution of IFC: The path to IFC5," BuildingSmart, 2024.
[8]. P. A. Studios, "Introduction to USD," https://openusd.org/release/intro.html, 2021.
