基于IFC 的建筑結構施工圖設計信息模型描述

王 勇 張建平 李久林

(1.北京城建集團，北京 100088;2.清華大學土木工程系，北京 100084)

目前，我國的建筑工程設計業仍面臨嚴峻的發展瓶頸:各專業設計之間缺乏信息共享和協同工作機制、設計過程中數據重復輸入工作量大等。尤其是無法實現與施工階段的信息共享。解決上述問題的關鍵在于建立統一的工程信息模型，建筑信息模型(BIM，Building Information Model)技術正是基于這一理念的新的模型技術［1］，而BIM 創建的基本條件是對信息的標準化表達，IFC(Industry Foundation Classes)標準是國際上公認的實現BIM 的數據描述和交換標準［2-4］。IFC 涵蓋了建筑全生命期各個階段和領域的模型信息，還提供了可根據用戶需求對IFC 標準進行擴展的方法和機制。國內外已有一些學者對基于IFC 標準的模型描述方法進行了相關研究［5-10］。

本文通過分析面向結構施工圖設計的信息模型描述需求，研究了基于IFC 標準的建筑結構模型描述和擴展機制，建立了面向結構施工圖設計的IFC 擴展模型，開發了相應的施工圖設計系統。并通過應用實例驗證本文建立的IFC 擴展模型的可行性。

1 結構施工圖設計的BIM 數據需求

建筑信息模型是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型。該模型突出的特點表現在模型信息的完備性、關聯性、一致性等［11］。面向建筑結構施工圖設計的信息模型除包括基本結構物理模型信息外，還包括模型屬性信息、模型關聯信息、模型管理信息等。結構物理模型信息包括:構件信息、節點信息、截面信息、軸網信息、約束信息等。屬性信息包括:荷載信息、材料信息、內力信息、設計結果信息等。關聯關系信息包括:構件關聯關系、模型關聯關系;管理信息包括:模型所有者信息、模型版本信息、用戶權限信息等。

2 基于IFC 的建筑結構的BIM 描述

在建筑結構設計領域，現行的IFC 標準可以對結構信息模型中的結構構件、構件屬性、構件關聯關系等進行完整的描述。

2.1 結構構件的實體定義

結構構件是結構施工圖設計信息模型的核心內容，其它的模型信息都是圍繞結構構?件模型進行定義的。在IFC 模型中，已經建立了比較完善的建筑結構構件描述體系，可以描述柱、梁、板、墻、基礎、樓梯等結構構件，這些結構構件均派生自建筑構件實體(IfcBuildingElement)。下面以墻體構件為例，介紹IFC 模型中結構構件的定義。

圖1 IFC 模型中墻體的定義實例

在IFC 模型中，結構構件的定義之前，首先需要定義建筑實體(IfcBuilding);然后，通過集合關聯實體(IfcRelAggregates)建立建筑實體與樓層實體(Ifc-BuildingStory)的關聯;最后，定義墻體實體(Ifc-Wall)，通過空間結構關聯實體(IfcRelContainedIn-SpatialStructure)建立墻體實體與樓層實體的關聯，實現墻體模型的定義。

2.2 結構構件的屬性定義

結構構件具有諸多的工程屬性，例如:幾何、材料、成本、力學性能、建造信息等。現有的IFC 模型支持幾何、材料、配筋等屬性定義。

1)材料屬性

材料屬性是結構設計必需的物理屬性之一。在IFC 模型中，除了支持構件單一的材料屬性外，還支持構件多層材料屬性的定義。首先，通過材料實體(IfcMaterial)定義材料屬性;然后，可以通過材料分層實體(IfcMaterialLayer)、材料層集合實體(Ifc-MaterialLayerSet)和材料層集合使用實體(IfcMaterialLayerSetUsage)定義分層材料模型;最后，通過材料關聯實體(IfcAssosiatesMaterial)建立墻體與墻體材料的關聯。

2)截面屬性

截面信息是結構構件重要的幾何屬性。結構構件常見的截面形式包括:矩形、圓形、工字形、T形、環形、L 形等。在IFC 模型中，除支持上述常見的構件截面類型的定義外，還支持用戶自定義組合構件、異型構件等。構件截面屬性的定義采用面向對象的機制，通過建筑構件實體(IfcBuildingElement)的Representation 屬性建立與描述實體(IfcRepresentation)的關聯;再通過描述實體的Items 屬性建立與參數化截面定義實體(IfcParameterizedProfileDef)的關聯;最后通過參數化截面定義實體定義結構構件的截面信息。

3)鋼筋屬性

配筋信息是鋼筋混凝土結構重要的結構設計結果。在現有的IFC 模型中提供了完整的鋼筋描述機制，主要通過鋼筋構件實體(IfcReinforcingElement)及其派生的鋼筋實體(IfcReinforcingBar)、網狀板鋼筋實體(IfcReinforcingMesh)、預應力鋼筋實體(IfcTendon)、預應力錨索實體(IfcTendonAnchor)實現構件配筋信息的描述。最后，通過關聯實體(IfcRelAggregates)建立建筑構件與配筋信息的關聯。

2.3 結構構件的關聯關系定義

關聯關系作為建筑信息模型的基本特性，保證了信息模型修改后信息的一致性和完整性。以梁、柱構件的關聯為例，介紹IFC 中結構構件之間關聯關系的定義。在IFC 模型中，梁實體(IfcBeam)與柱實體(IfcColumn)通過構件關聯實體(IfcRelConnectsElements)建立關聯(見圖2)。當梁實體進行調整時(如改變梁端的位置)，通過梁、柱公用節點的機制和構件關聯實體，與梁實體關聯的兩個柱實體會更新實體的定義信息，實現柱的關聯修改。反之，柱的修改亦會引起關聯梁的修改。

圖2 對稱性關聯實例

3 面向結構施工圖設計的IFC 模型擴展

3.1 IFC 的模型擴展機制

IFC 標準自1997 年發布第一個版本以來，已經歷6 次較大的版本更新［12］。在IFC 標準的每次版本的升級都會根據工程應用的需要對IFC 模型實體進行大量擴充。例如在IFC2x3 版本標準中，共定義實體類型數據653 個，預定義屬性集312 條;而在近期將正式發布的IFC2x4 版本標準中，實體類型數據增加了159 個，并且對部分已有實體的屬性描述進行了調整和擴充［13］。由于建筑業本身具有的工程對象的多樣性、工程信息的復雜性等特征，IFC 模型無法涵蓋所有數據描述。因此，提供了IFC 實體擴展、IFC 屬性集擴展、基于IfcProxy 實體擴展三種方式對IFC 模型進行擴展。

1)IFC 實體擴展

IFC 實體擴展方式是在原有IFC 模型框架上增加新的實體或實體屬性，是對IFC 標準的模型體系的擴充。由于實體擴展方式具有數據封裝性好、運行效率高的優點，IFC 標準的版本升級主要采用實體擴展方式對模型實體進行擴展。IFC 實體擴展又分為IFC 實體屬性的擴展和IFC 實體的增加兩類。

IFC 實體屬性的擴展包括:增加屬性、修改屬性、刪除屬性。圖3 是通過對空間實體(Ifc-Space)改變實體屬性實現實體擴展的實例。Ifc-Space 實體在IFC2x3 中包含LongName、CompositionType 兩個屬性，而在IFC2x4RC1 中新增了ElevationWithFlooring 屬性，取消了LongName 屬性，將CompositionType 屬性改為非強制性屬性，并且改名為PredefinedType。

圖3 實體屬性改變實例

增加IFC 實體是擴展IFC 模型最直接的方法。如資源類型實體(IfcTypeResource)是IFC2x4RC1 中新增的實體(見圖4)，通過增加該實體來描述資源類型的信息。該實體通過資源關聯實體(IfcRelAssignsToResource)與資源實體(IfcResource)建立關聯，實現對資源信息的描述。

圖4 新增實體實例

采用IFC 實體擴展方式需要注意的問題是:新擴展的實體需要建立與已有實體的派生和關聯關系，原有實體需增加與新增實體的派生或關聯屬性，避免由于新增實體引起模型體系的歧義和沖突。此外，通過增加實體的擴展需要按照標準管理組織的相關規定和程序進行。

2)IFC 屬性集擴展

屬性集擴展是IFC 標準的另一種重要的模型擴展方式。圖5 所示為屬性集擴展模型的實例。通過屬性關系實體(IfcRelDefinedByProperties)可以將門板、門洞、玻璃窗、門把手樣式等多個屬性集(IfcPropertySet)與多個門實體(IfcDoor)對象建立關聯關系。即可通過增加屬性集實現對門實體屬性的擴展。屬性集的擴展具有不破壞原有的IFC 模型結構，靈活性好的優點。

圖5 屬性集擴展模型實例

3)基于IfcProxy 實體擴展

圖6 面向建筑結構施工圖設計的IFC 擴展模型

基于IfcProxy 實體的擴展方式是IFC 標準提供的一個用戶自定義模型接口［14］。IfcProxy實體位于IFC 模型的核心層，是一個可實例化的抽象實體類型。通過該實體類的實例化，設置其ProxyType 和Tag 屬性對新定義的實體信息進行描述。其中，ProxyType為IfcObject-TypeEnum 枚舉類型數據，可以定義幾何、過程、控制、資源、項目等類型;Tag 屬性用于描述新定義實體的屬性值。

3.2 IFC 模型擴展

本課題組在所承擔的國家“十一五”課題中，在IFC2x3 版本標準的基礎上建立了面向鋼筋混凝土結構施工圖設計的IFC 擴展模型，如圖6 所示。

該模型以建筑結構構件模型為核心，在IFC標準原有結構構件、截面信息、材料信息、配筋信息模型的基礎上，擴展了施工圖設計模型和結構內力描述模型。

由于建筑結構施工圖設計過程中模型信息需要大量地調用操作，所交付的是符合國家圖形標準的施工圖紙，本課題采用IFC 實體擴展方式建立了施工圖設計模型。首先增加了二維結構構件實體(IfcBuildingElement2D)，并派生二維梁、板、柱、墻等子實體，通過標注關聯實體(IfcAssociatesDimension)建立二維構件與標注信息的關聯。最后，通過關聯實體(IfcRelAggregates)建立二維構件與對應的結構構件模型的關聯關系。該部分的主要擴展信息如表1 所示。

表1 施工圖設計模型主要擴展實體列表

圖7 建筑結構施工圖設計IFC 擴展模型的應用

表2 結構內力信息屬性集擴展列表

3.3 應用驗證

在AutoCAD 平臺下，利用C#語言開發了基于BIM 的建筑結構施工圖設計原型系統BIM-SDDS(BIM-based Structural Drawing Design System)。該系統利用建筑結構施工圖設計IFC 擴展模型進行數據封裝，支持建筑結構設計模型的IFC 文件導出，供相關應用軟件系統使用。

應用實例為3 層鋼筋混凝土框架結構，見圖7。在本系統的具體應用流程如下:首先，利用BIMSDDS 系統的結構模型導入接口，將Etabs 軟件的結構模型(構件信、材料、工程信息等)、結構分析結果(內力、配筋面積等)導入BIM-SDDS 系統;然后，進行建筑結構施工圖的設計，形成完整的結構施工圖設計信息模型;最后，將建筑結構施工圖設計模型導出為IFC 文件模型，并利用廣聯達GGJ 2009 軟件導入IFC 文件，自動生成工程算量模型，進行工程算量分析。

4 結論

本文通過對建筑結構施工圖設計的信息模型描述需求和IFC 數據描述及擴展機制進行研究，在建筑結構設計IFC 信息描述模型基礎上，利用實體擴展和屬性集擴展機制，建立了建筑結構施工圖設計的IFC 擴展模型，并基于該IFC 擴展模型，開發了建筑結構施工圖設計原型系統。通過應用測試，結構施工圖設計模型可自動轉換為工程算量模型，進行工程算量計算和分析。研究表明，利用IFC 數據描述及擴展機制建立建筑結構施工圖設計信息模型，為實現設計信息的無損交換與充分共享探索了可行的途徑和方法。本文主要針對鋼筋混凝土結構施工圖設計進行信息模型研究，后續研究將進一步擴展、完善模型體系和構建，使之適用于多種結構形式，可面向不同應用的模型轉換。

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