鐵路站房建筑信息模型IFC數據擴展與驗證

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

1 引言

為了有序、高效地推進鐵路行業BIM技術的應用，中國鐵路BIM聯盟于2013年5月啟動鐵路工程BIM標準的研究工作，并于2014年初完成中國鐵路BIM標準體系框架研究。通過借鑒國際數據標準IFC，中國鐵路BIM聯盟研究并發布《鐵路工程信息模型數據存儲標準1.0》，該標準是中國鐵路BIM標準體系的重要組成部分，為實現鐵路BIM應用中跨平臺、跨應用的信息存儲提供支持[1]。

BIM技術發展的核心問題是信息共享與轉換，而IFC標準是解決BIM技術發展核心問題的基礎[2-3]。IFC(Industry Foundation Classes)標準是由國際協作聯盟組織(International Alliance for Interoper-ability，IAI，現名為buildingSMART)提出的公開的、結構化的、基于對象的信息交換格式。IFC標準定義了BIM數據的標準格式，表達了項目全生命周期中各階段的數據交換及存儲的方式[4]。目前，國內外多數BIM軟件已研發了IFC數據的輸入與輸出接口。

現有的IFC標準主要面向一般建筑的設施設備，對于特殊領域的信息表達還不能達到行業中所需要的詳細程度，制約了IFC標準在鐵路行業信息交換過程中的應用。鐵路行業數據的共享與交換的需求很大，多專業、多部門之間的工作需要相互協調配合，目前沒有任何一款軟件可以囊括所有的專業功能，專業軟件之間的數據交換是不可避免的，采用IFC標準作為數據轉換的中間橋梁，是滿足交換需求最高效、最直接的方法。同時，IFC標準的實體及屬性擴展與驗證方法具有通用性，可在鐵路標準其他領域予以借鑒[4]。

開展鐵路站房工程項目設施設備數據IFC數據擴展與驗證技術的研究，可以提高鐵路工程全生命周期數據信息共享與交換的完整性與有效性，為鐵路建設的可持續發展提供準確、可靠數據源帶來重要的保障。

2 IFC數據實體轉換研究

2.1 IFC標準版本差異分析

目前Revit2017及更高版本支持IFC4標準輸出，而絕大多數BIM軟件僅支持IFC2×3版本的輸出。下文為這兩代版本IFC標準的差異介紹[6]。

(1)IFC2×3

IFC2×3標準是2006年出版的“IFC2×平臺”第3版，是當前穩定的IFC版本，也是目前BIM軟件支持的最為普遍的交互數據執行標準。

(2)IFC4

IFC4版本于2013年發布。IFC4在建筑服務、結構領域進行若干擴展，在幾何和其它資源部件領域進行強化，同時擁有大量的質量改進和新的壓縮文件格式。

從IFC2×3到IFC4版本的發展，IFC標準主要有2個方面的改進[4]：

IFC4版本進一步完善對實體的表達，新增若干構件實體類，細化實體的表達，使IFC標準對構件的表達更豐富和完善。

IFC4版本對實體的屬性也進行了擴展。部分實體相較IFC2×3版本新增加了一個PredefinedType屬性，該屬性對表達實體的構件類型進行預定義。

2.2 IFC標準格式轉換方法

IFC標準格式轉換是將BIM通用數據IFC由低版本的標準轉換至IFC4。前文提到Revit2017及更高版本可直接導出IFC4，但實驗證明，若將低于Revit2017版本創建的模型直接導入到2017以及更高的版本，即使輸出IFC4標準的文件，實體類也與其導出的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，實現不同版本標準的轉換，本研究開發了IFC標準的格式轉換軟件(以下簡稱“轉換軟件”)。

表1 IFC實體語句中對族信息的表達關系圖解析

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

該軟件的工作原理如圖1所示：

圖1 IFC實體轉換軟件工作原理圖

3 IFC實體擴展研究

IFC文件中出現未命名實體類主要分為以下幾種情況：

1)目前已有的IFC標準中無該實體類；

2)該IFC文件版本較早，部分未命名實體為IFC4標準新規定的類，早期版本未定義該類；

3)繪圖人員未采用實體對應的族繪制該實體；

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

針對情況1，采用實體擴展的方法，情況2和3可采用實體轉換的方式為未命名實體找到對應的實體類，情況4在數據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實體擴展方法

IFC實體的擴展是在原有IFC標準的模型框架中，增加新的實體類型及屬性。一般地，IFC標準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據653個，而在IFC4中實體類型數據已經增加到812個[7]。

通過增加實體類型的方式擴展IFC標準需要注意的問題是：新擴展實體需要建立與已有實體的派生和關聯關系，避免新增實體引起模型體系的歧義和沖突。此外，通過增加實體的擴展需要按照IAI組合值的相關規定和程序進行。如果擴展的實體具有適用性和一般性，可以建議標準編寫委員會將這些實體納入到新版標準中，即根據增加實體所處的領域和特點，將其納入IFC框架中。

以下將介紹實體及屬性的擴展思路。

(1)欠缺實體擴展

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)。

根據修改后的EXPRESS文件對相關的IFC文件顯示操作平臺進行調整，可有效顯示擴展后的實體類。

(2)構件屬性的擴展

IFC4版本對部分實體的屬性進行了擴展。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行了預定義。predefinedtype屬性的增加也為擴展IFC實體提供了一個系統的思路：幾何外形相近，所表達的屬性信息相同的設備，可以加入到某一類實體的預定義類型中進行表達。

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

表2 安江站設施設備Revit實體對象映射關系

構件名稱映射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幕墻構件IfcMember蝶閥-D71型/標準IfcFlowControl復合天花板IfcCovering候車室座椅IfcFurnishingElement

3.2 IFC擴展驗證

擴展后得到的IFC的實體類是否有效，需要通過以下步驟進行判斷：

檢驗擴展后IFC文件的幾何模型是否正確表達； 檢驗文件中擴展的IFC實體類是否存在； 檢驗擴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BIM研究中心自主研發的天磁BIM協同設計軟件(簡稱NMBIM平臺)[8]進行。

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，站中心里程為DK40+950，該站房設計最高聚集人數為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標高相對于絕對標高(黃海高程)182.246m。

本站設2個站臺， 5股道，中心里程站臺面標高182.178m，與站房室內地面高差0.120m，站房形式為線側平式站房。旅客進出站形式采用下進下出，旅客跨線設施為8m寬進、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、結構、管線綜合以及精裝修的部分設施設備構件Revit實體與IFC實體的映射關系。

4.2 案例測試

圖4為擴展前的圓角翼閘，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 圓角翼閘擴展前

圖5 圓角翼閘擴展后

圖6 圓角翼閘屬性擴展

擴展步驟

1)編輯圓角翼閘(IfcTurnstile)實體的EXPRESS表達

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導出的IFC2×3模型進行實體轉換；

3)通過EXPRESS文件，在NMBIM平臺的數據庫中加入新擴展實體的信息；

4)在NMBIM平臺上驗證擴展后的IfcTurnstile實體。

表3 實體轉換

實體類實體名稱屬性個數擴展前IFC2×3IfcBuildingElementProxy8擴展后IFC4IfcTurnstile9

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

5 結論

國際標準IFC4可滿足中小型站房項目絕大多數基本結構構件及設施設備的表達需求。

安江站建筑信息模型大多數構件都可以使用IFC4標準定義的實體及屬性來表達，只有一部分設施設備例如圓角翼閘、站房標識文字、梯子等建筑共享的設施設備需要擴展。IFC標準目前還不能完全達到鐵路站房項目所需要的詳細程度，進行擴展研究是有必要的。

本研究結合天磁平臺制定出一套方法補充自定義IFC實體及屬性的內容，通過實驗證明本研究擴展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標準的繼承關系中實現表達。因此該擴展方法具有通用性，可在鐵路標準其他領域予以借鑒。

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