一種基于IFC的地形模型共享方法

牛作鵬，李國杰

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

BIM(building information modeling，建筑信息模型)是一個含有屬性信息的三維或N維建筑模型，其目的是使項目各參建方都可以在三維或N維建筑模型中獲取、編輯、操作模型信息，從而在全壽命周期內實現模型信息傳遞與共享，降低風險和錯誤，提升協作效率。BIM技術作為一種革命性的技術，它代表著建筑工程行業信息化發展的方向[1]。

BIM技術的應用已貫穿設計、施工到運維的全壽命周期過程，但BIM技術在測繪領域方面的研究和使用不多。鄧江鋒[2]基于某運動場及訪客中心項目，探索了BIM技術在土石方測量中的應用；楊田[3]基于傾斜攝影建立真三維模型的關鍵技術,以實例研究BIM技術在建筑設計階段的應用,探索了傾斜攝影測量與BIM技術的有效結合；周薇[4]研究了BIM技術在測量各領域的應用,分析各種應用的優勢和存在的問題。

測繪數據作為水運工程信息模型基礎地理信息數據，已貫穿設計、施工到運維的全壽命周期過程，但一個完整的建筑項目具有多部門、多專業，各部門、各專業分工不同必然導致使用不同的BIM工作軟件，但不同的BIM工作軟件存在不同的數據文件格式，使得不同部門、不同專業應用BIM過程中存在模型信息傳遞及共享效率低的問題。本文以東營某港區一液體散貨泊位工程為例，研究基于BIM技術創建的地形模型通過IFC實現共享的方法，為解決BIM設計過程中的地形模型共享存在的屬性信息丟失問題提供一條有效的解決途徑。

1 IFC標準架構及擴展機制

1.1 IFC標準現狀

IFC(industry foundation class，工業基礎類)標準是一種開放的建筑產品數據交換和表達的國際標準,具有較強的描述能力,通過基于對象的描述方式來表達較為復雜的建筑對象信息,滿足不同BIM應用系統之間在橫向上的模型信息數據交換,解決建筑物全壽命周期在縱向上的數據管理,IFC標準于1997年發布第1個版本,目前已有6個較大版本的更替,IFC標準己經正式成為ISO標準(標準號為ISO16739:2013),IFC4Add2是最新的版本號[5]。雖然IFC標準源于建筑領域，并不斷進行數據信息交換內容和適用性的擴充和完善，但還不能完全覆蓋所有基礎設施建設領域范圍，因此行業內許多專家學者正在對IFC標準開展基于其整體框架的領域擴展研究。

1.2 IFC標準架構

IFC標準架構包含領域層(domainlayer)、共享層(sharedlayer)、核心層(corelayer)和資源層(resourcelayer)，見圖1。領域層定義某一領域資源實體或專屬產品及過程，目的是實現領域內部信息傳遞和共享；共享層定義多個領域共用的資源實體或專屬產品及過程，目的是實現領域間信息傳遞和共享；核心層定義最常用實體和IFC核心架構及核心擴展架構；資源層定義IFC基本資源，如幾何、屬性、材料、成本、數量等。

圖1 IFC數據架構

1.3 IFC標準擴展機制

由于IFC標準所定義的實體類型尚未覆蓋所有基礎設施建設領域范圍，因此，IFC標準提供了新增實體定義擴展和屬性集擴展兩種擴展機制[6]，以滿足對其他基礎設施建設領域實體定義的需求。

1)新增實體定義擴展方式。新增實體定義擴展方式主要用于IFC標準版本更迭，它是基于IFC標準的內在繼承關系，對現有IFC標準架構進行擴充和更新，以增添新的實體定義，進而建立新的數據標準架構，達到解決新基礎設施建設領域的信息表達和信息交換問題。

2)屬性集擴展方式。屬性集擴展方式是通過自定義屬性集(user-defined PSETs)進行擴展，見圖2。通過IFC標準核心層的IfcBuildingElementProxy實體和自定義屬性集，共同描述所需表達的實體和屬性信息。IfcBuildingElementProxy繼承于IfcObject，用PredefinedType屬性表示擴展實體的類型，其枚舉值包含PARTIAL、COMPLEX、ELEMENT、NOTDEFINED、USERDEFINED等。

圖2 IFC數據模型與自定義屬性集的關系

2 地形模型創建及共享

2.1 基于Civil 3D的地形模型創建

在測繪工作中，地形模型又稱數字高程模型，即在一個區域范圍內，通過密集的地形模型點的坐標來表達地面高低起伏的形態。地形模型點可以是隨機分布的，也可以是規則分布的。而在BIM設計軟件Civil 3D 中，數字地形模型又被稱為“曲面”[7],Civil 3D可通過任何一種測量源數據(點數據、等高線、特征線、二維地形圖DWG數據、DEM文件和LandXML文件等)生成曲面，也可以混合使用多種測量源數據，只要把這些測量源數據逐一添加至所創建曲面的定義目錄下即可。

圖3 地形模型創建技術路線

2.2 地形模型的屬性集定義

屬性信息是物理及功能特征的載體，也是信息模型的重要組成部分。從過程角度看，信息模型的創建就是以建筑模型作為信息載體，將屬性信息集成到幾何模型的過程，本文以Civil 3D創建的地形模型作為信息交換的載體。而對于地形模型屬性集的定義，可基于Civil 3D自有功能實現，通過“管理”“定義特性集”對地形模型進行設置。參照中國交通建設股份有限公司企業標準Q/CCCC SY302—2019《水運工程設計信息模型應用標準》對測量專業模型信息細度的要求，分別設置“非幾何信息”和“幾何信息”兩個子類特性集[8]，按照《水運工程設計信息模型應用標準》再對兩個子類特性集進行屬性內容設置。見表1。

表1 測量專業模型信息細度

2.3 地形模型共享

1)專用中間文件格式。專用中間文件格式是一個由軟件廠商研制并公開發行，旨在實現其他廠商軟件與該廠商軟件之間的數據交換，最常見的專用中間格式是Autodesk公司開發的DXF格式。由于專用中間文件格式具有廠商的特殊要求，因此它們的完整性相對較差，比如專用中間文件格式在傳遞模型的屬性信息時存在信息丟失的情況。

2)公共數據模型格式。目前，最常見的公共數據模型格式是基于三維數據表達的IFC，它能夠描述幾何形狀、構件屬性等。公共數據模型格式能有效地將構件幾何信息和構件屬性關聯起來，貫穿于建筑項目全壽命周期中，可滿足各個階段的信息傳遞和共享，提高了信息間共享的準確性和效率。

綜上所述，使用專用中間文件格式的間接共享具有一定局限性，而國際化、開放的公共數據模型格式IFC，能夠有效地避免因專用中間文件格式間接共享產生的局限性。

3 案例分析

本文技術研究基于東營某港區一液體散貨泊位工程，該工程位于東營某港區一突堤北側根部、一港池南側區域，工程規模為建設2個10萬噸級液體散貨泊位，碼頭岸線長度636 m。地形模型BIM設計范圍包括液體散貨泊位碼頭結構及其對應水域部分、生產輔助區域部分建(構)筑物。

3.1 地形模型創建

使用原始測量點數據通過Civil 3D創建的曲面是最為準確、直接的方式。本項目原始測量數據主要為水域部分的測深點數據和項目地形圖DWG文件數據，對于需要表現局部地區細節特征的地形復雜區域，野外采集的離散地形點數據不足以表達地形高低起伏真實現狀，采用集成二維地形圖DWG數據中的等高線及手繪特征點、特征線等方式進行重點區域細化，生成反映項目地表形態的地形模型，見圖4。

圖4 基于Civil 3D創建的地形模型

3.2 屬性集定義

基于Civil 3D自有功能，并參照Q/CCCC SY302—2019《水運工程設計信息模型應用標準》，實現對地形模型屬性集的細度定義。具體設置流程如下：選擇Civil 3D“管理”選項卡中的“特性集數據”面板；進入“定義特性集”中“樣式管理器”對話框，新建一個“特性集定義”；參照標準要求命名特性集為“非幾何信息(地形)”，并設置特性集應用對象為“三角網曲面”和“實體(三維)”。同樣設置流程完成“幾何信息(地形)”屬性集的設置。見圖5。

圖5 地形模型屬性集

3.3 地形模型共享

現階段，設計人員主要通過Revit完成建筑物的BIM設計，并基于Revit自有“鏈接CAD”功能，通過Autodesk公司開發的專用中間文件格式DXF實現地形模型跨平臺共享，以集成地形模型和建筑物模型，專用中間文件格式DXF的完整性相對較差，地形模型跨平臺共享會出現地形模型屬性信息丟失的問題。如圖6所示，基于Civil 3D創建的地形模型以專用中間文件格式DXF導入Revit中后，地形模型屬性信息丟失。

圖6 基于DXF格式的地形模型共享

基于以上情況，本文考慮采用公共數據模型格式IFC進行地形模型跨平臺共享，如圖7所示，將Civil 3D創建的地形模型，以IFC格式導入Revit中實現跨平臺共享，未出現專用中間文件格式DXF共享時模型屬性信息丟失的情況，保留了屬性信息的完整性，提高了信息間傳遞和共享的效率及準確性。

圖7 基于IFC的地形模型共享

4 結語

1)基于Civil 3D完成案例項目地形模型的創建，并參照Q/CCCC SY302—2019《水運工程設計信息模型應用標準》，完成地形模型屬性集的細度定義，實現地形模型與屬性信息的有效關聯。

2)基于IFC的地形模型數據共享技術路線，實現了基于IFC標準的地形模型在不同軟件間信息的準確、高效地跨平臺傳遞和共享，避免地形模型屬性信息丟失，保留了屬性信息的完整性，提高模型信息互用效率。