陳立春， 賴華輝， 鄧雪原， 周 亮， 呂征宇

(1. 上海交通大學土木工程系，上海 200240；2. 國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術研究院，上海 200080)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)正在全球范圍內(nèi)推動基于 CAD技術的傳統(tǒng)建筑行業(yè)產(chǎn)生重大變革。對比過去項目中采用分散的圖紙進行工作的習慣，BIM 技術則是運用面向對象的方法，采用相互關聯(lián)的建筑對象信息，實現(xiàn)建筑工程項目的協(xié)同設計、施工和運維管理。

BIM 技術是信息技術在土木工程行業(yè)的表達方式，對BIM技術的研究正成為國內(nèi)外土木建筑工程信息技術研究的最大熱點[1-2]。BIM技術發(fā)展的核心問題是信息共享與轉換，而工業(yè)基礎類(industry foundation class，IFC)標準是解決BIM核心問題的基礎[3-4]。IFC標準由國際協(xié)作聯(lián)盟組織(International Alliance for Interoperability, IAI，現(xiàn)名為BuildingSMART)提出，是一個公開的、結構化的、基于對象的信息交換格式，定義描述BIM的標準格式，定義項目全生命周期中各個階段的數(shù)據(jù)如何提供、如何存儲[5]。

雖然 IFC標準在不斷地完善，但是目前還不能在土木工程行業(yè)中發(fā)揮應有的作用。一方面，IFC標準對于信息的表達還不能完全達到行業(yè)中所需要的詳細程度[6]。例如，在領域層的電氣模塊中很多的設施設備(如接地變壓器、GIS等)缺少定義；在領域層的結構分析模塊中，一些更深入的分析計算概念還未給出定義和描述[7]。另一方面，不同的BIM軟件對于IFC標準的支持程度是各不相同的。目前的BIM軟件大部分只能較好地支持IFC標準的2×3版本，而且個別主流軟件對于IFC標準的文件還存在只能導出不能讀入的問題。這種數(shù)據(jù)信息表達不完善以及應用軟件對 IFC標準的支持不充分的現(xiàn)狀，在一定程度上制約了 IFC標準在信息交換過程中的應用。

目前，國內(nèi)外越來越多的企業(yè)和研究學者對IFC標準在不斷深入的研究。在國際上，美國的Lipman對BIM成像技術在實時鉆探檢測和控制中的應用進行了深入研究[8]，為IFC標準應用于鋼結構設計打下了基礎；法國國立布爾戈尼大學的Vanlande等[9]在IFC標準運用于建筑全生命周期的信息管理和共享上進行探究，提高了 IFC文件表達信息的質量。在 IFC標準的擴展研究方面，葡萄牙波爾圖大學的Rio等[10]提出了對于IFC標準的結構傳感器實體的擴展思路；新加坡的WanCaiyun在基于 IFC標準的網(wǎng)站服務器建設方面提出了建議[11]。在國內(nèi)，上海交通大學的 BIM團隊也在不斷探索 IFC標準的實際應用，在 IFC標準的數(shù)據(jù)庫構建[12]以及基于 IFC標準的建筑模型的自動生成[13]等方面都進行了系統(tǒng)的研究；清華大學的馬智亮和婁喆[14]對于 IFC標準在工程成本預算中的應用進行了深入的研究。

現(xiàn)在建筑行業(yè)數(shù)據(jù)的共享與交換的需求很大，尤其是在大型復雜的工程項目中，多專業(yè)、多部門之間的工作需要相互協(xié)調配合，目前沒有任何一款軟件可以囊括所有的專業(yè)功能，專業(yè)軟件之間的數(shù)據(jù)交換是不可避免的，使用 IFC標準作為數(shù)據(jù)轉換的中間橋梁，是滿足這些需求最高效、最直接的方法。但 IFC標準尚未完整地表達所有構件，導致信息共享或交換時會存在問題，所以需要有一套科學合理的機制擴展 IFC實體，實現(xiàn)有效地信息轉換和共享。

本文主要針對 IFC標準在領域層實體信息缺失的問題，提出對 IFC標準的擴展思路并通過實例驗證擴展IFC實體方法的可行性。

1 IFC 標準領域層

1.1 IFC標準的四層架構

IFC標準的技術架構分為4層(如圖1)，由上至下分別為：領域層(Domain Layer)、共享層(Shared Layer)、核心層(Core Lay er)和資源層(Resource Layer)。

領域層定義特定專業(yè)領域所需的實體對象，如電氣領域(Electrical D omain)的電纜、變壓器、電氣設備等。共享層提供通用性的對象與關系，包括建筑服務元素、組件元素、建筑元素、管理元素、設備元素等，可供領域層多個領域使用。核心層定義 IFC模型的基本結構、基礎關系和公用概念，其中 Kernel定義核心層最抽象的部分，包括模型的一般結構，如對象類型之間的關系、對象之間的關系等。最底層的資源層定義21類可重復利用的實體與類型，包括幾何資源、屬性資源、材料資源等。資源層的實體不能獨立存在，只能以被其他層引用的方式出現(xiàn)。

1.2 IFC標準對領域層的表達

在 IFC物理文件中，任何一個實體都是通過屬性來描述自身的信息，屬性分為直接屬性、導出屬性和反屬性。直接屬性是指標量或直接信息，如GlobalId、Named等；導出屬性是指由其他實體來描述的屬性；反屬性則是指通過關聯(lián)實體進行鏈接的屬性，如 HasAssociations通過關聯(lián)實體IfcRelAssociates可以關聯(lián)構件的材料信息。

以電氣領域層為例，可以表達電氣專業(yè)構件的 IFC實體存在于 3個層次中：電氣領域層(Electrical D omain)、建筑控制領域層(Building Control Domain)、建筑設備共享層(Shared Building Service Elements)。其中，建筑設備共享層的實體是電氣領域層以及建筑控制領域層中實體的超類。在IFC2×3版本中，電氣領域層只定義了電氣專業(yè)構件的Type實體，以及類型枚舉(TypeEnum)，并沒有定義構件實體，電氣構件實體通過建筑設備共享層的實體來表達。

1.3 IFC標準擴展的可行性

IFC標準的資源層提供的信息資源已經(jīng)相當豐富和完善，核心層是對 IFC標準基本概念的定義，共享層所包含的對象類能夠滿足對象之間關系描述的要求，這 3個層次目前都不存在擴展的需求。實際需求調研表明，IFC標準在領域層的對象及屬性表達尚不能滿足實際需求，因此需要對領域層進行擴展。

對領域層的擴展可從3個方面進行：①對象類型的擴展，根據(jù)設備的幾何屬性和物理屬性，在已有的IFC4中的實體中，找到能夠表達該構件的實體，并將這種設備加入到該實體的預定義類型中，新的設備就能夠通過已有的IFC實體表達；②對象屬性的擴展，對于IFC4中不存在predefinedtype屬性的實體，在其屬性中加入predefinedtype屬性，這樣該實體就可以表示多種枚舉類型下的設備，這些設備可以用相同的幾何屬性和物理屬性表達；③對象類的擴展，對于某些設備，在IFC4中不存在能夠描述它的幾何屬性以及物理屬性的實體，需要擴展新的IFC實體描述這種設備。

2 IFC 標準領域層擴展方法

2.1 IFC標準擴展的整體思路

本研究過程中首先將需要擴展的實體用EXPRESS語言描述，并將其添加到 IFC標準的EXPRESS的文件架構中。將得到的包含新實體的EXPRESS文件導入到 SJTUBIM 平臺中，生成SJTUBIM 平臺能夠讀取并顯示的實體類(該實體類為C語言程序中的實體類)。在Revit2013軟件中創(chuàng)建對應的新增實體的族文件，并導出 IFC文件(該文件為IFC2×3版本)。將得到的IFC文件在SJTUBIM 平臺(SJTUBIM 平臺能夠自動將低版本的 IFC文件轉換成 IFC4版本)中打開，如果在平臺上，族文件的屬性能夠準確表達，則證明擴展的方式可行。思路整理如圖2所示。

圖2 擴展IFC實體的整體思路

SJTUBIM 平臺[15]是上海交通大學 BIM 團隊自主研發(fā)的軟件，能夠實現(xiàn)對 IFC文件的讀入、轉換和顯示等，具體功能如下：①導入 IFC文件并在模型管理器、屬性面板和圖形顯示區(qū)域加載相關內(nèi)容；②檢入IFC文件，對IFC文件進行驗證并導入；③導出IFC文件，實現(xiàn)IFC文件從低版本到高版本的轉換；④模型組合；⑤子模型導出，子模型是整體模型的一部分，可以作為某單體建筑、部分樓層的組合或某個專業(yè)的組合；⑥不同的專業(yè)模型轉換；⑦生成構件統(tǒng)計量信息；⑧查詢，對建筑模型構件的分類查詢，查詢范圍應支持不同的層次；⑨圖形可視化。本平臺開發(fā)了 IFC數(shù)據(jù)的圖形顯示功能，構建了圖形平臺。各模型文件可以直觀地在平臺中顯示，視圖菜單中包括三維視圖、顯示建筑層、顯示樓層、顯示所有建筑構件和局部隱藏等。

2.2 IFC標準領域層擴展的方法

自定義新的 IFC實體，需將這個實體(Entity)以及類型(Type)加入到它的父級對象下，同時需要加入其自身的屬性(如：類型枚舉(TypeEnum)、約束(Where)等屬性)。修改EXPRESS文件可以手動修改，也可以通過EXPRESS-G視圖(EXPRESS-G視圖通過樹狀視圖描述層級間的繼承關系)來實現(xiàn)。當需要擴展的實體數(shù)量很大時，手動修改步驟繁瑣而且容易出錯，而使用EXPRESS-G視圖則可以大大減少繁瑣的步驟，降低出錯率。EXPRESS-G的樹狀圖由預定義的圖形符號表示，以電氣專業(yè)為例，如圖3所示。在實際更新 IFC實體時可以使用專門的EXPRESS的轉換軟件(如：Express Engine Tools)。

圖3 電氣專業(yè)EXPRESS-G視圖

2.3 擴展后IFC模型文件的產(chǎn)生

在EXPRESS架構中添加新的實體類型后，該實體類型的 IFC物理文件需要借助軟件得到。在現(xiàn)有的支持IFC標準的軟件中，Autodesk Revit可以對這項修改提供有力的支持。

Autodesk Revit是由Autodesk公司開發(fā)的三維建模軟件，Revit中的所有圖元都基于族創(chuàng)建。每個族圖元能夠在其樣板內(nèi)自定義多種類型，根據(jù)族創(chuàng)建者的設計，每種類型可以具有不同的尺寸、形狀、材質設置或其他參數(shù)變量。族創(chuàng)建過程在預定義的樣板中執(zhí)行，用戶可以根據(jù)自己的需要在族中加入不同參數(shù)，該過程類似于在EXPRESS架構中加入一個新的實體，通過自定義參數(shù)的方式賦予族具有的專業(yè)屬性。

目前Revit軟件只能較好地支持對IFC2×3版本文件的輸出，所以需要對Revit輸出的IFC文件做一定地修改才能得到描述新增實體的IFC4版本文件。

從IFC2×3到IFC4版本的發(fā)展，IFC標準對于領域層的描述主要有2個方面的改進：

(1) IFC4版本對實體的表達進一步完善，新增加了具體的構件實體，這些實體從分類上可以理解為將實體進行了更細化的表達，以電氣專業(yè)的實體IfcFlowTerminal為例(如表1所示)，這一改進使IFC標準對構件的表達更豐富和完善。

表1 在IFC4中新增的電氣實體與IFC2×3中的實體的繼承關系舉例

(2) IFC4版本對部分實體的屬性進行了擴展。例如電氣領域的部分實體較之舊版本新增加了一個predefinedtype屬性，該屬性將實體所表示的電氣裝置進行了預定義(如表2)。predefinedtype屬性的增加也為擴展IFC實體提供了一個系統(tǒng)的思路：幾何外形相近，所表達的屬性信息相同的電氣設備，可以加入到某一類實體的預定義類型中進行表達。

表2 IFC4電氣專業(yè)實體預定義的裝置類型舉例

本研究中的IFC文件從IFC2×3到IFC4版本的轉換通過SJTUBIM平臺實現(xiàn)。

2.4 擴展后IFC文件的驗證

通過擴展得到的 IFC的模型文件是否為有效的 IFC文件，需要通過校驗來判斷。校驗主要包括4個方面的內(nèi)容：①檢驗IFC文件的幾何模型是否正確表達；②檢驗文件中擴展的 IFC實體是否存在；③檢驗擴展的實體屬性是否存在；④檢驗屬性值是否符合要求。

3 實例驗證

3.1 添加自定義實體

以電氣領域常用的設備 GIS為例，在電氣領域添加新的實體IfcGIS(該實體在IFC4的預定義類型中并不存在)。首先需要在 EXPRESS文件中添加對IfcGIS實體名稱的定義，然后在IfcGIS的父級對象 IfcEnergyConversionDevice的 IfcEnergy ConversionDeviceType中加入IfcGISType的定義。

在EXPRESS文件中添加自定義實體IfcGIS，IfcGIS實體在 EXPRESS-G視圖中的位置如圖4所示。

3.2 生成IFC文件

在Revit中創(chuàng)建GIS族，添加自定義的屬性到族文件中(如圖5)，其中族文件所表示的屬性是根據(jù)實際的使用需求定義的。將族文件添加到項目中并輸出為 IFC2×3文件。根據(jù)上一節(jié)的描述將Revit軟件導出的IFC2×3版本的文件轉換為IFC4版本的文件。

圖4 新增IfcGIS在EXPRESS-G視圖中的表示

圖5 新建GIS族及自定義屬性

3.3 驗證IFC文件

將 Revit中輸出的 IFC模型文件導入到SJTUBIM平臺中(如圖6)。

新增的 IFC實體在 SJTUBIM 平臺內(nèi)可以顯示，驗證了本文 IFC實體擴展方式是可行的。SJTUBIM 平臺能夠將構件的屬性信息輸出為Excel文件，圖7為SJTUBIM平臺輸出的IfcGIS實體的屬性文件的部分內(nèi)容。對照圖5中Revit族的屬性面板，可知新增加的 IFC實體支持對電氣專業(yè)構件屬性的表達。

圖6 新建IFCGIS在SJTUBIM平臺中的顯示

圖7 SJTUBIM平臺輸出的包含屬性信息的Excel表

4 結論與展望

通過以上對擴展 IFC實體的描述，可以得出關于IFC實體擴展的結論：

(1) 通過本文的方法擴展IFC實體是可行的；

(2) 在EXPRESS語言的框架中添加新的實體類型，可以使新的實體在 IFC標準的繼承關系中實現(xiàn)表達；

(3) IF C標準的廣泛使用需要各個專業(yè)軟件增強對IFC標準的支持。

雖然 IFC標準已經(jīng)建立了相對完善的對象類體系，但是要實現(xiàn)對建筑全生命周期內(nèi)各種數(shù)據(jù)信息的完整描述，還需要不斷地擴展和完善。這項任務需要土木工程行業(yè)各個領域的共同努力才能完成。隨著土木行業(yè)信息化技術的發(fā)展，新型設施設備會不斷出現(xiàn)，這些對象的屬性信息應該及時更新到IFC標準中，才能使IFC標準成為具有實用性的國際標準。

本研究的實現(xiàn)依托于上海交通大學BIM研究團隊研發(fā)的SJTUBIM平臺，平臺支持對IFC標準的擴展，支持對 IFC模型文件的讀寫、存儲與轉換，支持對 IFC實體構件屬性的顯示與導出。通過SJTUBIM平臺驗證了本研究提出的IFC標準擴展方法的可行性。

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