基于IFC的數據模型和幾何可視化解析

摘 要：建筑工程行業從業者期望出現一種可以將設計、建造、建筑物業主、經營者創建溝通并提供處理工程項目所需要的即時相關信息的新技術，即BIM技術。然而，由于信息模型集合的復雜性，在實際工程項目對建筑信息模型的使用中，很多商用軟件公司采用自行開發的建筑信息模型運用規范和框架，并采用自己創建的軟件生態系統進行信息共享，使得每個公司開發出來的產品所描述的信息并不能被有效的互用。

關鍵詞：BIM技術;數據標準;信息共享

0引言

在橋梁工程領域，無論是在科研方面或實際應用方面，BIM 技術的探索主要集中于橋梁工程的施工與管理階段，且各個環節仍是各自相互獨立運作，大多數還是局限于單個過程中的某個環節，從設計到施工以及后期運營維護之間的信息數據傳遞都需要大量人力介入對非結構化數據進行手動解析，這樣使得各個過程之間的信息傳遞效率相當低下，工作量陡增[1]。

為解決信息互用和共享困難的實際情況，本文以鋼板組合梁橋的IFC文件創建和幾何可視化展示為例，介紹基于IFC文件的信息描述和數據傳遞的流程。

1基于IFC數據標準的幾何信息描述

1.1采用IFC數據標準的必要性

IFC數據標準由國際協同工作聯盟（International Alliance for Interoperability，IAI）制定，旨在解決建筑全生命周期中信息互用困難，信息數據交換低下的問題。通過定義用于描述工程項目中產品、人員、過程、資源等信息的公開、中立的數據模型，以此作為不同軟件應用平臺之間的信息轉遞中介，來支持建筑行業內不同軟件、信息系統之間的數據共享[2]。引入IFC數據標準之后的信息傳遞模式將發生如下圖所示的變化。

1.2 IFC數據架構

IFC數據標準基本架構是用來描述和處理工程項目各種信息的結構框架，根據面向對象的設計思想，將工程項目全生命周期中需要處理的實際信息分門別類，并將需要定義的數據規劃組織，通過創建一定的層級關系，更好的描述不同分類標準下的數據組成[3][4]。IFC的數據架構定義了共4個層級，分別為資源層，核心層，互用層和領域層，與常見的軟件框架一樣，四個層級由下往上逐層給上一層級提供服務，每個層級之間不能相互調用。只能往下引用對應的層級。

1.3 IFC實體語義描述及映射

IFC數據實體采用EXPRESS語言描述，EXPRESS語言是STEP標準面向對象的形式化的數據建模語言，EXPRESS不是計算機編程語言，而是一種規范化、面向對象的數據描述語言。因此首先需要采用EXPRESS描述文件對實體進行描述，之后與對應的編程語言建立映射關系，最后通過預編譯系統將語義索引的地址開放供編程語言調用來獲取對應的實體描述信息[5]。IFC數據標準中的實體均需要對應的語義描述和映射關系確定，下面以簡單的實例來介紹實體對應信息的描述，如對IfcObject實體的EXPRESS語言描述，在相關的技術文檔中采用如圖2所示的EXPRESS描述語言。

可以看到，采用EXPRESS語言對IfcObject實體的信息描述相當簡單，即定義了IfcObject實體的屬性為抽象類型，作為IfcObjectcDefination實體的子類，并定義了反屬性，條件屬性等，定義的屬性類型均用黑體關鍵字給出。根據對應的EXPRESS描述的信息，可以對IFC文件中包含實體的類型進行寫入和語義解析，這與對應的IfcObject實體定義一致。

由IfcObject實體屬性示意圖看到，對于EXPRESS語言描述的語義，在數據文件中可以找到對應的實體屬性。該實體屬性可以被編程語言使用，并通過文件索引反向找到EXPRESS語義描述。

這里以IfcObject實體為例簡單介紹了IFC文件實體語義描述和對應映射關系確定，對于IFC文件中的700多個不同的實體的語義關系的建立采取同樣的模式。即定義對應的EXPRESS描述文件，并定義相關的數據結構，通過編譯器預編譯開放語義關系文件索引，最后通過調用數據結構實現實體語義的調用來實現IFC數據實體的描述。在建立語義映射關系之后，使用編程語言調用對應的文件索引地址去調取對應的EXPRESS描述，來實現IFC文件的讀寫，并存儲相關信息。

2簡支鋼板梁橋各個部分數據模型的創建

簡支鋼板梁橋的模型創建需要對模型的各個組件進行單獨描述并組裝，為了避免重復描述，本文以主梁為例，介紹數據模型的創建過程。

主梁在IFC技術文檔中有多種描述方式，為了更加準確的表達并為后續加勁板的定位以及主梁的精細化程度，這里采用IfcElementAssembly作為主梁的表達實體，其中的IfcElementAssembly又以IfcPlate作為聚合的子實體。這樣主梁的幾何表達模型可以精細到單獨的板單元，從而可以保留對板單元之間連接關系信息描述的定義。為了適應道路線型的變化，采用IfcSectionedSolidHorizontal實體對IfcPlate實體的幾何體特征進行描述。以IfcElementAssembly作為主梁表達實體的最終幾何表達如圖4所示。可以看到采用IfcSectionedSolidHorizontal實體描述的縱梁板單元適應線型走向。

3結語

BIM模型的幾何表達是這些信息傳遞的容器，它應存放豐富的信息，并將這些分散獨立的信息通過可視化進行直觀展示，從而給全生命周期中的決策行為提供可靠的信息支撐。

在傳統的設計和建模中，工程人員首先需要依靠以往經驗擬定出大致的尺寸，并做相關的計算得出初步的方案，再將擬定方案的數據進行有限元模型的驗證。最后將驗證通過的數據作為三維建模的幾何尺寸，重新創建一個三維模型作為可視化表達。這一設計過程完全可以簡化為生成一個IFC格式的文件，并將其鏈接到對應的有限元模型和計算模型中，后續的設計變動和主要結構的變更通過修改IFC文件達到對應模型和計算模型的變更，從而減少變更之后重復建模和重復計算的分析的工作。

參考文獻

[1] Fuller S， Petersen S. LIFE-CYCLE COSTING MANUAL for the Federal Energy Management Program， NIST Handbook 135， 1995 Edition[R]. 1996.

[2] Wikipedia.Building Information Modeling[EB/OL].[2020-2-17]. https：//zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BB%BA%E7%AF%89%E4%BF%A1%E6%81%AF%E6%A8%A1%E5%9E%8B.

[3] Chipman T， Costin A， Eastman C， et al. Bridge Information Modeling Standardization--Report Introduction[G]//Rep. to National Institute of Building Sciences， April， Washington， DC. 2016.

[4] 陳家燁. 基于BIM與數據映射技術的結構信息傳遞[D]. 大連理工大學， 2016.

[5] 呂凱垣，徐俊.基于IFC4×1的橋梁信息建模與結構分析模型數據映射[D].上海.同濟大學，2019

作者簡介：傅仲敏（1994—），男，浙江金華，碩士，主要研究方向為橋梁設計。