(1．中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063； 2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

1 引言

為了有序、高效地推進(jìn)鐵路行業(yè)BIM技術(shù)的應(yīng)用，中國鐵路BIM聯(lián)盟于2013年5月啟動鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，并于2014年初完成中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究。通過借鑒國際數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC，中國鐵路BIM聯(lián)盟研究并發(fā)布《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)1.0》，該標(biāo)準(zhǔn)是中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分，為實現(xiàn)鐵路BIM應(yīng)用中跨平臺、跨應(yīng)用的信息存儲提供支持[1]。

BIM技術(shù)發(fā)展的核心問題是信息共享與轉(zhuǎn)換，而IFC標(biāo)準(zhǔn)是解決BIM技術(shù)發(fā)展核心問題的基礎(chǔ)[2-3]。IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)是由國際協(xié)作聯(lián)盟組織(International Alliance for Interoper-ability，IAI，現(xiàn)名為buildingSMART)提出的公開的、結(jié)構(gòu)化的、基于對象的信息交換格式。IFC標(biāo)準(zhǔn)定義了BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式，表達(dá)了項目全生命周期中各階段的數(shù)據(jù)交換及存儲的方式[4]。目前，國內(nèi)外多數(shù)BIM軟件已研發(fā)了IFC數(shù)據(jù)的輸入與輸出接口。

現(xiàn)有的IFC標(biāo)準(zhǔn)主要面向一般建筑的設(shè)施設(shè)備，對于特殊領(lǐng)域的信息表達(dá)還不能達(dá)到行業(yè)中所需要的詳細(xì)程度，制約了IFC標(biāo)準(zhǔn)在鐵路行業(yè)信息交換過程中的應(yīng)用。鐵路行業(yè)數(shù)據(jù)的共享與交換的需求很大，多專業(yè)、多部門之間的工作需要相互協(xié)調(diào)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，采用IFC標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的中間橋梁，是滿足交換需求最高效、最直接的方法。同時，IFC標(biāo)準(zhǔn)的實體及屬性擴(kuò)展與驗證方法具有通用性，可在鐵路標(biāo)準(zhǔn)其他領(lǐng)域予以借鑒[4]。

開展鐵路站房工程項目設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)IFC數(shù)據(jù)擴(kuò)展與驗證技術(shù)的研究，可以提高鐵路工程全生命周期數(shù)據(jù)信息共享與交換的完整性與有效性，為鐵路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供準(zhǔn)確、可靠數(shù)據(jù)源帶來重要的保障。

2 IFC數(shù)據(jù)實體轉(zhuǎn)換研究

2.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)版本差異分析

目前Revit2017及更高版本支持IFC4標(biāo)準(zhǔn)輸出，而絕大多數(shù)BIM軟件僅支持IFC2×3版本的輸出。下文為這兩代版本IFC標(biāo)準(zhǔn)的差異介紹[6]。

(1)IFC2×3

IFC2×3標(biāo)準(zhǔn)是2006年出版的“IFC2×平臺”第3版，是當(dāng)前穩(wěn)定的IFC版本，也是目前BIM軟件支持的最為普遍的交互數(shù)據(jù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

(2)IFC4

IFC4版本于2013年發(fā)布。IFC4在建筑服務(wù)、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)行若干擴(kuò)展，在幾何和其它資源部件領(lǐng)域進(jìn)行強化，同時擁有大量的質(zhì)量改進(jìn)和新的壓縮文件格式。

從IFC2×3到IFC4版本的發(fā)展，IFC標(biāo)準(zhǔn)主要有2個方面的改進(jìn)[4]：

IFC4版本進(jìn)一步完善對實體的表達(dá)，新增若干構(gòu)件實體類，細(xì)化實體的表達(dá)，使IFC標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件的表達(dá)更豐富和完善。

IFC4版本對實體的屬性也進(jìn)行了擴(kuò)展。部分實體相較IFC2×3版本新增加了一個PredefinedType屬性，該屬性對表達(dá)實體的構(gòu)件類型進(jìn)行預(yù)定義。

2.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換方法

IFC標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換是將BIM通用數(shù)據(jù)IFC由低版本的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換至IFC4。前文提到Revit2017及更高版本可直接導(dǎo)出IFC4，但實驗證明，若將低于Revit2017版本創(chuàng)建的模型直接導(dǎo)入到2017以及更高的版本，即使輸出IFC4標(biāo)準(zhǔn)的文件，實體類也與其導(dǎo)出的IFC2×3版本的實體類相同。為了使早期的模型文件得以有效的處理分析，實現(xiàn)不同版本標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，本研究開發(fā)了IFC標(biāo)準(zhǔn)的格式轉(zhuǎn)換軟件(以下簡稱“轉(zhuǎn)換軟件”)。

表1 IFC實體語句中對族信息的表達(dá)關(guān)系圖解析

要實現(xiàn)實體類的轉(zhuǎn)換，首先需要識別出IFC 2×3版本中的實體所表示的與Revit相對應(yīng)的族文件，以項目中一牛腿構(gòu)件為例，該牛腿IFC語句的“name”屬性為“X26DF751DD571FX0〗X2725B817FX0： 600x500-300/400： 194239”，該屬性與Revit族信息的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。由此可知通過IFC標(biāo)準(zhǔn)中實體name一欄的字符串可與Revit族建立聯(lián)系，從而判斷出該構(gòu)件的類型。通過對實體name屬性的修改，如添加可供轉(zhuǎn)換軟件識別的標(biāo)識符號“BEAM_”，通過該符號定位待轉(zhuǎn)換的IFC2×3版本實體類，并將其替換成IFC 4版本中所對應(yīng)的實體類。

該軟件的工作原理如圖1所示：

圖1 IFC實體轉(zhuǎn)換軟件工作原理圖

3 IFC實體擴(kuò)展研究

IFC文件中出現(xiàn)未命名實體類主要分為以下幾種情況：

1)目前已有的IFC標(biāo)準(zhǔn)中無該實體類；

2)該IFC文件版本較早，部分未命名實體為IFC4標(biāo)準(zhǔn)新規(guī)定的類，早期版本未定義該類；

3)繪圖人員未采用實體對應(yīng)的族繪制該實體；

4)多種類型的構(gòu)件形成的一個組合體，該組合體導(dǎo)出的IFC文件為一個未命名實體。

針對情況1，采用實體擴(kuò)展的方法，情況2和3可采用實體轉(zhuǎn)換的方式為未命名實體找到對應(yīng)的實體類，情況4在數(shù)據(jù)處理要求不高的情況下可以忽略，或者按正確的族類型重新繪制。

3.1 IFC實體擴(kuò)展方法

IFC實體的擴(kuò)展是在原有IFC標(biāo)準(zhǔn)的模型框架中，增加新的實體類型及屬性。一般地，IFC標(biāo)準(zhǔn)的每一次版本升級更多地采用增加實體類型方法。例如在IFC2×3中定義了實體類型數(shù)據(jù)653個，而在IFC4中實體類型數(shù)據(jù)已經(jīng)增加到812個[7]。

通過增加實體類型的方式擴(kuò)展IFC標(biāo)準(zhǔn)需要注意的問題是：新擴(kuò)展實體需要建立與已有實體的派生和關(guān)聯(lián)關(guān)系，避免新增實體引起模型體系的歧義和沖突。此外，通過增加實體的擴(kuò)展需要按照IAI組合值的相關(guān)規(guī)定和程序進(jìn)行。如果擴(kuò)展的實體具有適用性和一般性，可以建議標(biāo)準(zhǔn)編寫委員會將這些實體納入到新版標(biāo)準(zhǔn)中，即根據(jù)增加實體所處的領(lǐng)域和特點，將其納入IFC框架中。

以下將介紹實體及屬性的擴(kuò)展思路。

(1)欠缺實體擴(kuò)展

自定義新的IFC實體，首先需明確新增實體類的名稱以及其在IFC模型框架中的繼承關(guān)系。在EXPRESS文件中將這個實體(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)。

根據(jù)修改后的EXPRESS文件對相關(guān)的IFC文件顯示操作平臺進(jìn)行調(diào)整，可有效顯示擴(kuò)展后的實體類。

(2)構(gòu)件屬性的擴(kuò)展

IFC4版本對部分實體的屬性進(jìn)行了擴(kuò)展。例如部分實體較舊版本新增加了一個predefinedtype屬性，該屬性將實體所表示的裝置進(jìn)行了預(yù)定義。predefinedtype屬性的增加也為擴(kuò)展IFC實體提供了一個系統(tǒng)的思路：幾何外形相近，所表達(dá)的屬性信息相同的設(shè)備，可以加入到某一類實體的預(yù)定義類型中進(jìn)行表達(dá)。

IfcBuildingElementProxy在IFC2×3版本中有8個屬性，在轉(zhuǎn)換為IFC4版本時需要添加PredefinedType這個屬性。若IFC2×3版本實體的屬性數(shù)為9個，在轉(zhuǎn)換為IFC4版本時則需要把原來的CompositionType屬性替換為predefinedtype。

表2 安江站設(shè)施設(shè)備Revit實體對象映射關(guān)系

構(gòu)件名稱映射IFC實體(Ifc2×3)混凝土—矩形梁IfcBeam矩形—柱IfcColumn樓板IfcSlab窗IfcWindow基本墻:內(nèi)墻/外墻IfcWallStandardCase門:單扇門/雙扇門IfcDoor基本屋頂IfcRoof欄桿扶手IfcRailing幕墻構(gòu)件IfcMember蝶閥-D71型/標(biāo)準(zhǔn)IfcFlowControl復(fù)合天花板IfcCovering候車室座椅IfcFurnishingElement

3.2 IFC擴(kuò)展驗證

擴(kuò)展后得到的IFC的實體類是否有效，需要通過以下步驟進(jìn)行判斷：

檢驗擴(kuò)展后IFC文件的幾何模型是否正確表達(dá)； 檢驗文件中擴(kuò)展的IFC實體類是否存在； 檢驗擴(kuò)展的實體屬性是否存在以及該屬性值是否符合要求。

該驗證可在上海交通大學(xué)BIM研究中心自主研發(fā)的天磁BIM協(xié)同設(shè)計軟件(簡稱NMBIM平臺)[8]進(jìn)行。

4 案例分析

4.1 案例介紹

安江站地處湖南省洪江市安江鎮(zhèn)，站中心里程為DK40+950，該站房設(shè)計最高聚集人數(shù)為600人。車站總建筑面積為5 982m2，其中并入通信、信號、電力、間休等生產(chǎn)工藝房屋。站房主體軸線總長120.6m，軸線總寬36.6m，建筑高度18.00m(檐口最高點至室外地面高度)。站房的±0.000標(biāo)高相對于絕對標(biāo)高(黃海高程)182.246m。

本站設(shè)2個站臺， 5股道，中心里程站臺面標(biāo)高182.178m，與站房室內(nèi)地面高差0.120m，站房形式為線側(cè)平式站房。旅客進(jìn)出站形式采用下進(jìn)下出，旅客跨線設(shè)施為8m寬進(jìn)、出站共用地道一座。

安江站BIM項目選擇采用Revit 2016平臺開展本項目工作。其建筑模型如圖2所示，圓角翼閘模型如圖3所示。

表2列舉了安江站建筑、結(jié)構(gòu)、管線綜合以及精裝修的部分設(shè)施設(shè)備構(gòu)件Revit實體與IFC實體的映射關(guān)系。

4.2 案例測試

圖4為擴(kuò)展前的圓角翼閘，其實體在NMBIM平臺中顯示的名稱為IfcBuildingElementProxy。

圖2 安江站建筑Revit模型

圖3 圓角翼閘Revit模型

圖4 圓角翼閘擴(kuò)展前

圖5 圓角翼閘擴(kuò)展后

圖6 圓角翼閘屬性擴(kuò)展

擴(kuò)展步驟

1)編輯圓角翼閘(IfcTurnstile)實體的EXPRESS表達(dá)

首先需要在EXPRESS文件中添加對IfcTurnstile實體名稱的定義，然后在IfcTurnstile的父級對象IfcBuildingElement的IfcBuildingElementType中加入IfcTurnstileTYPE的定義。

圓角翼閘的EXPRESS表達(dá)如下：

ENTITY IfcTurnstile

SUBTYPE of IfcBuildingElement；

PredefinedType：OPTIONAL IfcTurnstileTypeEnum；

WHERE

CorrectPredefinedType：NOT(EXISTS(PredefinedType))OR(PredefinedType<>IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)OR((PredefinedType=IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)and EXISTS(SELFIfcObject.ObjectType))；

CorrectTypeAssigned：(SIZEOF(IsTypedBy)=0)OR(′IFCSHAREDBLDGELEMENTS.IFCTURNSTILETYPE′ in TYPEOF(SELFIfcObject.IsTypedBy[1].RelatingType))；

END_ENTITY；

ENTITY IfcTurnstileType

SUBTYPe of IfcBuildingElementType；

PredefinedType：IfcTurnstileTypeEnum；

WHERE

CorrectPredefinedType：(PredefinedType<>IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)OR((PredefinedType=IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)and EXISTS(SELFIfcElementType.ElementType))；

END_ENTITY；

TYPE IfcTurnstileTypeEnum=ENUMERATIOn of(

SWING，

WING，

TRIPOD，

USERDEFINED，

NOTDEFINED)；

END_TYPE；

2)將Revit導(dǎo)出的IFC2×3模型進(jìn)行實體轉(zhuǎn)換；

3)通過EXPRESS文件，在NMBIM平臺的數(shù)據(jù)庫中加入新擴(kuò)展實體的信息；

4)在NMBIM平臺上驗證擴(kuò)展后的IfcTurnstile實體。

表3 實體轉(zhuǎn)換

實體類實體名稱屬性個數(shù)擴(kuò)展前IFC2×3IfcBuildingElementProxy8擴(kuò)展后IFC4IfcTurnstile9

由圖5可知擴(kuò)展后的圓角翼閘實體類可在NMBIM平臺上有效的表達(dá)。其新增的predefinedtype屬性Swing可在IFC中正確的表達(dá)，如圖5所示。

5 結(jié)論

國際標(biāo)準(zhǔn)IFC4可滿足中小型站房項目絕大多數(shù)基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)施設(shè)備的表達(dá)需求。

安江站建筑信息模型大多數(shù)構(gòu)件都可以使用IFC4標(biāo)準(zhǔn)定義的實體及屬性來表達(dá)，只有一部分設(shè)施設(shè)備例如圓角翼閘、站房標(biāo)識文字、梯子等建筑共享的設(shè)施設(shè)備需要擴(kuò)展。IFC標(biāo)準(zhǔn)目前還不能完全達(dá)到鐵路站房項目所需要的詳細(xì)程度，進(jìn)行擴(kuò)展研究是有必要的。

本研究結(jié)合天磁平臺制定出一套方法補充自定義IFC實體及屬性的內(nèi)容，通過實驗證明本研究擴(kuò)展IFC實體的方法是正確的。通過在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(biāo)準(zhǔn)的繼承關(guān)系中實現(xiàn)表達(dá)。因此該擴(kuò)展方法具有通用性，可在鐵路標(biāo)準(zhǔn)其他領(lǐng)域予以借鑒。

本研究可使早期版本的IFC2×3數(shù)據(jù)升級為最新的IFC4版本并糾正由于BIM軟件建模的不規(guī)范導(dǎo)致的IFC數(shù)據(jù)命名分類問題。而正確、合理的實體名稱分類保證了IFC數(shù)據(jù)在日后的施工及運維管理中站房工程項目數(shù)據(jù)的完整性與有效性，達(dá)到多方之間數(shù)據(jù)有效的共享與交換的要求，實現(xiàn)站房工程項目數(shù)據(jù)的可持續(xù)使用的目的。