基于IFC 的建筑结构施工图设计信息模型描述

王 勇 张建平 李久林

(1.北京城建集团，北京 100088;2.清华大学土木工程系，北京 100084)

目前，我国的建筑工程设计业仍面临严峻的发展瓶颈:各专业设计之间缺乏信息共享和协同工作机制、设计过程中数据重复输入工作量大等。尤其是无法实现与施工阶段的信息共享。解决上述问题的关键在于建立统一的工程信息模型，建筑信息模型(BIM，Building Information Model)技术正是基于这一理念的新的模型技术［1］，而BIM 创建的基本条件是对信息的标准化表达，IFC(Industry Foundation Classes)标准是国际上公认的实现BIM 的数据描述和交换标准［2-4］。IFC 涵盖了建筑全生命期各个阶段和领域的模型信息，还提供了可根据用户需求对IFC 标准进行扩展的方法和机制。国内外已有一些学者对基于IFC 标准的模型描述方法进行了相关研究［5-10］。

本文通过分析面向结构施工图设计的信息模型描述需求，研究了基于IFC 标准的建筑结构模型描述和扩展机制，建立了面向结构施工图设计的IFC 扩展模型，开发了相应的施工图设计系统。并通过应用实例验证本文建立的IFC 扩展模型的可行性。

1 结构施工图设计的BIM 数据需求

建筑信息模型是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型。该模型突出的特点表现在模型信息的完备性、关联性、一致性等［11］。面向建筑结构施工图设计的信息模型除包括基本结构物理模型信息外，还包括模型属性信息、模型关联信息、模型管理信息等。结构物理模型信息包括:构件信息、节点信息、截面信息、轴网信息、约束信息等。属性信息包括:荷载信息、材料信息、内力信息、设计结果信息等。关联关系信息包括:构件关联关系、模型关联关系;管理信息包括:模型所有者信息、模型版本信息、用户权限信息等。

2 基于IFC 的建筑结构的BIM 描述

在建筑结构设计领域，现行的IFC 标准可以对结构信息模型中的结构构件、构件属性、构件关联关系等进行完整的描述。

2.1 结构构件的实体定义

结构构件是结构施工图设计信息模型的核心内容，其它的模型信息都是围绕结构构?件模型进行定义的。在IFC 模型中，已经建立了比较完善的建筑结构构件描述体系，可以描述柱、梁、板、墙、基础、楼梯等结构构件，这些结构构件均派生自建筑构件实体(IfcBuildingElement)。下面以墙体构件为例，介绍IFC 模型中结构构件的定义。

图1 IFC 模型中墙体的定义实例

在IFC 模型中，结构构件的定义之前，首先需要定义建筑实体(IfcBuilding);然后，通过集合关联实体(IfcRelAggregates)建立建筑实体与楼层实体(Ifc-BuildingStory)的关联;最后，定义墙体实体(Ifc-Wall)，通过空间结构关联实体(IfcRelContainedIn-SpatialStructure)建立墙体实体与楼层实体的关联，实现墙体模型的定义。

2.2 结构构件的属性定义

结构构件具有诸多的工程属性，例如:几何、材料、成本、力学性能、建造信息等。现有的IFC 模型支持几何、材料、配筋等属性定义。

1)材料属性

材料属性是结构设计必需的物理属性之一。在IFC 模型中，除了支持构件单一的材料属性外，还支持构件多层材料属性的定义。首先，通过材料实体(IfcMaterial)定义材料属性;然后，可以通过材料分层实体(IfcMaterialLayer)、材料层集合实体(Ifc-MaterialLayerSet)和材料层集合使用实体(IfcMaterialLayerSetUsage)定义分层材料模型;最后，通过材料关联实体(IfcAssosiatesMaterial)建立墙体与墙体材料的关联。

2)截面属性

截面信息是结构构件重要的几何属性。结构构件常见的截面形式包括:矩形、圆形、工字形、T形、环形、L 形等。在IFC 模型中，除支持上述常见的构件截面类型的定义外，还支持用户自定义组合构件、异型构件等。构件截面属性的定义采用面向对象的机制，通过建筑构件实体(IfcBuildingElement)的Representation 属性建立与描述实体(IfcRepresentation)的关联;再通过描述实体的Items 属性建立与参数化截面定义实体(IfcParameterizedProfileDef)的关联;最后通过参数化截面定义实体定义结构构件的截面信息。

3)钢筋属性

配筋信息是钢筋混凝土结构重要的结构设计结果。在现有的IFC 模型中提供了完整的钢筋描述机制，主要通过钢筋构件实体(IfcReinforcingElement)及其派生的钢筋实体(IfcReinforcingBar)、网状板钢筋实体(IfcReinforcingMesh)、预应力钢筋实体(IfcTendon)、预应力锚索实体(IfcTendonAnchor)实现构件配筋信息的描述。最后，通过关联实体(IfcRelAggregates)建立建筑构件与配筋信息的关联。

2.3 结构构件的关联关系定义

关联关系作为建筑信息模型的基本特性，保证了信息模型修改后信息的一致性和完整性。以梁、柱构件的关联为例，介绍IFC 中结构构件之间关联关系的定义。在IFC 模型中，梁实体(IfcBeam)与柱实体(IfcColumn)通过构件关联实体(IfcRelConnectsElements)建立关联(见图2)。当梁实体进行调整时(如改变梁端的位置)，通过梁、柱公用节点的机制和构件关联实体，与梁实体关联的两个柱实体会更新实体的定义信息，实现柱的关联修改。反之，柱的修改亦会引起关联梁的修改。

图2 对称性关联实例

3 面向结构施工图设计的IFC 模型扩展

3.1 IFC 的模型扩展机制

IFC 标准自1997 年发布第一个版本以来，已经历6 次较大的版本更新［12］。在IFC 标准的每次版本的升级都会根据工程应用的需要对IFC 模型实体进行大量扩充。例如在IFC2x3 版本标准中，共定义实体类型数据653 个，预定义属性集312 条;而在近期将正式发布的IFC2x4 版本标准中，实体类型数据增加了159 个，并且对部分已有实体的属性描述进行了调整和扩充［13］。由于建筑业本身具有的工程对象的多样性、工程信息的复杂性等特征，IFC 模型无法涵盖所有数据描述。因此，提供了IFC 实体扩展、IFC 属性集扩展、基于IfcProxy 实体扩展三种方式对IFC 模型进行扩展。

1)IFC 实体扩展

IFC 实体扩展方式是在原有IFC 模型框架上增加新的实体或实体属性，是对IFC 标准的模型体系的扩充。由于实体扩展方式具有数据封装性好、运行效率高的优点，IFC 标准的版本升级主要采用实体扩展方式对模型实体进行扩展。IFC 实体扩展又分为IFC 实体属性的扩展和IFC 实体的增加两类。

IFC 实体属性的扩展包括:增加属性、修改属性、删除属性。图3 是通过对空间实体(Ifc-Space)改变实体属性实现实体扩展的实例。Ifc-Space 实体在IFC2x3 中包含LongName、CompositionType 两个属性，而在IFC2x4RC1 中新增了ElevationWithFlooring 属性，取消了LongName 属性，将CompositionType 属性改为非强制性属性，并且改名为PredefinedType。

图3 实体属性改变实例

增加IFC 实体是扩展IFC 模型最直接的方法。如资源类型实体(IfcTypeResource)是IFC2x4RC1 中新增的实体(见图4)，通过增加该实体来描述资源类型的信息。该实体通过资源关联实体(IfcRelAssignsToResource)与资源实体(IfcResource)建立关联，实现对资源信息的描述。

图4 新增实体实例

采用IFC 实体扩展方式需要注意的问题是:新扩展的实体需要建立与已有实体的派生和关联关系，原有实体需增加与新增实体的派生或关联属性，避免由于新增实体引起模型体系的歧义和冲突。此外，通过增加实体的扩展需要按照标准管理组织的相关规定和程序进行。

2)IFC 属性集扩展

属性集扩展是IFC 标准的另一种重要的模型扩展方式。图5 所示为属性集扩展模型的实例。通过属性关系实体(IfcRelDefinedByProperties)可以将门板、门洞、玻璃窗、门把手样式等多个属性集(IfcPropertySet)与多个门实体(IfcDoor)对象建立关联关系。即可通过增加属性集实现对门实体属性的扩展。属性集的扩展具有不破坏原有的IFC 模型结构，灵活性好的优点。

图5 属性集扩展模型实例

3)基于IfcProxy 实体扩展

图6 面向建筑结构施工图设计的IFC 扩展模型

基于IfcProxy 实体的扩展方式是IFC 标准提供的一个用户自定义模型接口［14］。IfcProxy实体位于IFC 模型的核心层，是一个可实例化的抽象实体类型。通过该实体类的实例化，设置其ProxyType 和Tag 属性对新定义的实体信息进行描述。其中，ProxyType为IfcObject-TypeEnum 枚举类型数据，可以定义几何、过程、控制、资源、项目等类型;Tag 属性用于描述新定义实体的属性值。

3.2 IFC 模型扩展

本课题组在所承担的国家“十一五”课题中，在IFC2x3 版本标准的基础上建立了面向钢筋混凝土结构施工图设计的IFC 扩展模型，如图6 所示。

该模型以建筑结构构件模型为核心，在IFC标准原有结构构件、截面信息、材料信息、配筋信息模型的基础上，扩展了施工图设计模型和结构内力描述模型。

由于建筑结构施工图设计过程中模型信息需要大量地调用操作，所交付的是符合国家图形标准的施工图纸，本课题采用IFC 实体扩展方式建立了施工图设计模型。首先增加了二维结构构件实体(IfcBuildingElement2D)，并派生二维梁、板、柱、墙等子实体，通过标注关联实体(IfcAssociatesDimension)建立二维构件与标注信息的关联。最后，通过关联实体(IfcRelAggregates)建立二维构件与对应的结构构件模型的关联关系。该部分的主要扩展信息如表1 所示。

表1 施工图设计模型主要扩展实体列表

图7 建筑结构施工图设计IFC 扩展模型的应用

表2 结构内力信息属性集扩展列表

3.3 应用验证

在AutoCAD 平台下，利用C#语言开发了基于BIM 的建筑结构施工图设计原型系统BIM-SDDS(BIM-based Structural Drawing Design System)。该系统利用建筑结构施工图设计IFC 扩展模型进行数据封装，支持建筑结构设计模型的IFC 文件导出，供相关应用软件系统使用。

应用实例为3 层钢筋混凝土框架结构，见图7。在本系统的具体应用流程如下:首先，利用BIMSDDS 系统的结构模型导入接口，将Etabs 软件的结构模型(构件信、材料、工程信息等)、结构分析结果(内力、配筋面积等)导入BIM-SDDS 系统;然后，进行建筑结构施工图的设计，形成完整的结构施工图设计信息模型;最后，将建筑结构施工图设计模型导出为IFC 文件模型，并利用广联达GGJ 2009 软件导入IFC 文件，自动生成工程算量模型，进行工程算量分析。

4 结论

本文通过对建筑结构施工图设计的信息模型描述需求和IFC 数据描述及扩展机制进行研究，在建筑结构设计IFC 信息描述模型基础上，利用实体扩展和属性集扩展机制，建立了建筑结构施工图设计的IFC 扩展模型，并基于该IFC 扩展模型，开发了建筑结构施工图设计原型系统。通过应用测试，结构施工图设计模型可自动转换为工程算量模型，进行工程算量计算和分析。研究表明，利用IFC 数据描述及扩展机制建立建筑结构施工图设计信息模型，为实现设计信息的无损交换与充分共享探索了可行的途径和方法。本文主要针对钢筋混凝土结构施工图设计进行信息模型研究，后续研究将进一步扩展、完善模型体系和构建，使之适用于多种结构形式，可面向不同应用的模型转换。

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