變電構架IFC數據交換研究

滿延磊 張其林 常治國

(1. 同濟大學土木工程學院，上海 200092；2. 上海同磊土木工程技術有限公司，上海 200433)

前言

BIM由于其優良的特性，自誕生之日起就受到了極大的關注。特別是隨著計算機的發展，近幾年 BIM應用更是取得了長足的進步[1-2]。在電力行業，由于變電構架的標準化程度更高，BIM應用也更加深入[3]。

在變電構架中，一個完整的BIM模型包含結構、建筑、給排水、暖通等多個專業的內容。由于專業跨度大，目前在電力行業，通常采用的BIM工作流程是不同專業在不同平臺設計，然后在Revit中進行整體裝配[4]。

本文與山西電力勘測設計院合作，深入研究了結構模型向Revit平臺的數據轉換。山西電力勘測設計院采用3D3S軟件進行結構設計[5]，需要將結構模型中的三維實體信息、塔段屬性、塔段包含的桿件等信息導入到Revit中。

經實際調研發現，通過IFC導入Revit是較常用的方式，但是目前在大多數研究中導入到Revit的信息僅限三維實體且導入方式單一[6-8]。

基于此，本文深入研究了 IFC的數據轉換，比較了不同的導入方式的優缺點，實現了三維實體信息、塔段屬性、塔段包含的桿件等信息向Revit的轉換，實現了變電構架的多專業協同。

1 三維實體轉換

在IFC中，三維實體的形狀由IfcRepresentationItem進行表示，IfcRepre-sentationItem是多種形狀的父類[9]。對于三維幾何實體，常用的表示方式有兩種：一種方式是拉伸等方式形成的實體，用IfcExtrudedAreaSolid來表示；另外一種方式是通過三角面片進行擬合，用IfcFacetedBrep表示。IfcExtrudedAreaSolid與Ifc Faceted Brep均為IfcRepresentationItem的子類。

圖1所示為兩種表示方式在Revit中的顯示效果，圖1（a）為拉伸實體表示，圖1（b）為三角面片表示，從圖中可以看出，在Revit中兩種方式顯示上基本無差別，曲面顯示時由于三角面片對曲面進行了擬合，顯示精度略低。

經實際使用比較，此兩種有各自的優點和缺點，對比如表1所示。

拉伸實體的優點是數據量小，生成的IFC文件大小一般在10M以下，模型打開速度快，Revit打開時一般在10秒以內，同時模型在Revit中能夠進行編輯；拉伸實體的缺點為不同的實體的截面不一致，拉伸方式不一致，編程工作量大，同時對于已經切割過的桿件，無法用拉伸實體表示。

三角面片表示法的優點為任意實體都能表示，表示方式統一，編程工作量小；缺點是數據量大，生成的IFC文件經常在1G以上，模型打開慢，Revit打開時一般在3分鐘以上。

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表1 拉伸實體與三角面片擬合對比

因此本文采用折中的方法，對于非切割實體采用拉伸實體表示，對于切割實體用三角面片表示。具體流程如圖2所示。

圖2 三維實體轉換流程

2 塔段信息轉換

在變電構架中，桿件以塔段為單位形成組，以組為單位定義屬性。在轉成IFC文件時，組的信息需要保留。在 IFC中，組有如下常用的三種表達方式：IfcGroup, IfcElementAssembly, IfcMappedItem，本文對此三種方式進行了研究與比較。

（1）IfcGroup

IfcGroup表示集合。IfcGroup從IfcObject派生，而并非從IfcProuct派生，因此IfcGroup是一個抽象的對象，用來表示邏輯上的集合關系。本文用Revit對轉換效果進行了測試，發現Revit在導入IFC時并不能識別IfcGroup的信息，因此導入到 Revit中時組別信息丟失。在Revit中的顯示如圖3(a)所示，三根桿件同屬于一個IfcGroup，但是在Revit中并沒有顯示出來：

圖3 三種類在Revit中的表現

（2）IfcElementAssembly

IfcElementAssembly表示部件，一個部件可能由多個小零件組成，因此IfcElementAssembly也表示集合關系。與 IfcGroup不同的是，IfcElementAssembly從IfcProduct派生，因此IfcElementAssembly是一個實體。用Revit對用IfcElementAssem-bly導出的IFC文件進行測試，測試結果表明Revit支持IfcElementAssembly的導入，同一個組的實體在 Revit中是一個整體，但是Revit對IfcElementAssembly的支持存在缺陷，主要表現在以下兩個方面：a)Revit表現不穩定，組別信息并不能每次都能識別出來，多數情況下同一個組的實體在Revit中仍然不是一個整體，同時有概率性的組別信息識別不全，如圖 3(b)所示，三根桿件屬于同一個IfcElementAssembly，但是在Revit中只顯示兩個桿件屬于同一組，這意味著組別信息出錯；b)無法正確識別屬性。給IfcElementAssembly賦予的屬性在Revit中無法識別，Revit中顯示的IfcElement-Assembly的屬性為其某個子實體的屬性。

圖4 塔段的轉換流程

（3）IfcMappedItem

IfcMappedItem表示圖塊，圖塊中可以包含若干子實體，因此IfcMappedItem也可以表示集合關系。經過實際測試，Revit支持IfcMappedItem的表示法，在Revit中同一組的實體均作為一個整體出現，且能正確的轉換屬性，Revit中的表現如圖3(c)所示。

經過上述的比較分析，本系統最終選擇了IfcMappedItem的方式。整個流程如圖4所示，一個塔段對應一個 IfcBuildingElementProxy，提取塔段中的所有桿件，塔段中的所有桿件通過IfcMappedItem生成一個 IfcProductDefi-nitionShape，將 IfcProduct Definition Shape賦值給IfcBuilding Element Proxy，這樣完成將所有的桿件形狀作為一個圖塊顯示，最后根據塔段的類型給IfcBuildingElementProxy附加不同的屬性：

需要注意的是，使用IfcMappedItem時，組內的實體是單純的幾何實體，而不具有物理意義，因此組內的幾何實體無法附加自定義屬性。但是對于變電構架來說，屬性均是以組為單位定義的，因此通過IfcMappedItem轉換可以接受。

3 模型組裝

經實際測試，通過IfcMappedItem表示的實體在導入到Revit之后為一個族，族的形狀由多個幾何實體形成的幾何圖塊來表示，此時在 Revit中無法捕捉，而Revit并沒有將坐標系開放給用戶，因此導入到 Revit中的結構模型無法與其他專業的模型進行精確的組裝。

本文對此進行了特別的處理。當導出到IFC時，將坐標原點也導出到IFC中。IFC中沒有表示“點”的實體，本文采用球來表示坐標原點，同時 IFC中的單純的幾何實體沒法加入到模型中，必須定義一個有實際意義的單元，然后將幾何實體作為形狀屬性附加到單元上。本文定義了IfcCivilElement表示此具有實際意義的單元，通過 IfcSphere定義幾何形狀，然后將IfcSphere作為屬性附加到IfcCivilElement中，生成的用來定位的坐標球如圖5左下角所示。

圖5 用于組裝定位的球體（左下角）

在進行模型組裝時，在Revit中打開中心捕捉可以捕捉到球心，通過坐標原點反算出需要移動的距離，從而將模型進行精確組裝。

4 實例展示

本研究與山西電力勘測設計院合作進行。圖6是3D3S中設計的750kV格構式變電構架，圖中左邊對話框中是塔段信息。

圖6 結構模型在3D3S中的顯示

圖7是通過IFC導入到Revit中后與其他專業的模型組合，在Revit中塔段為一個整體，且以組為單位轉換了屬性。

圖7 結構、建筑、給排水、暖通總圖

圖8 塔段在Revit中的屬性顯示

5 討論

IFC的目的是提供一種通用的文件格式供各行各業共享數據。但是經過實際調研發現市面上軟件對IFC標準支持力度仍有待提高[10;11]，主要表現在以下兩方面：

（1）軟件支持的IFC實體不全面。比如前文中提到的IfcGroup以及IfcElementAssembly，Revit支持這兩種實體的導出，但是不支持導入。

（2） IFC標準包含的內容非常廣泛，常常在細節部分存在多義性，不同的軟件對IFC標準的理解不同也可能導致數據共享失敗。比如在IFC官方文檔中，IfcShapeRepresentation的屬性 Represen-tationIdentifier以及RepresentationType標識為可選屬性(OPTIONAL)，但是在實際測試中發現，此兩個屬性不賦值會導致Revit無法讀取實體形狀。另外在 IFC官方文檔中，IfcParameterizedProfileDef中的 Position屬性可以不設置，不設置表示不對截面進行平移或者旋轉操作，但是在導入 Revit時 Position不設置的話會導入失敗。DDS-CAD是一款支持打開IFC文件的小軟件，此款軟件無上述問題。

由于以上兩個原因，單純的通過 IFC來交換數據很可能達不到實際的要求。在本系統中，通過IfcMappedItem的導入方式可以滿足工程的實際需求。若有其他需求，比如要求塔段是一個整體，同時塔段內部的桿件也需要附加屬性，由于Revit的導入支持的力度不夠，目前單純通過IFC文件交換數據還很難實現。這時就需要在Revit中開發插件，對其IFC導入功能進行擴充。

6 總結

本文針對當前主流的變電構架BIM工作流程，對變電構架結構模型通過IFC文件向Revit轉換做了深入的研究，主要研究內容如下：

（1）分析對比了在IFC中用拉伸實體以及三角面片表示三維實體的優缺點，最終確定了在變電構架中采用二者結合的方式；

（2）嘗試了IFC中三種組的表達方式，最終確認Revit不支持 IfcGroup以及 IfcElementAssembly的導入，但是Revit支持IfcMappedItem的表達方式，雖然IfcMappedItem能夠存儲的信息比前二者少，但是基本能夠滿足本項目的需求；

（3）針對導入的IfcMappedItem無法在Revit捕捉而導致無法與其他專業的模型進行精確裝配的問題，本文設計了增加坐標原點進行輔助定位的方式，實現了多專業模型的精確裝配；

（4）指出了目前通過IFC進行數據交換時存在的缺陷，通過IFC進行無損的數據交換仍需要進行第三方輔助開發。