IFC标准领域层实体扩展方法研究

陈立春， 赖华辉， 邓雪原， 周 亮， 吕征宇

(1. 上海交通大学土木工程系，上海 200240；2. 国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200080)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)正在全球范围内推动基于 CAD技术的传统建筑行业产生重大变革。对比过去项目中采用分散的图纸进行工作的习惯，BIM 技术则是运用面向对象的方法，采用相互关联的建筑对象信息，实现建筑工程项目的协同设计、施工和运维管理。

BIM 技术是信息技术在土木工程行业的表达方式，对BIM技术的研究正成为国内外土木建筑工程信息技术研究的最大热点[1-2]。BIM技术发展的核心问题是信息共享与转换，而工业基础类(industry foundation class，IFC)标准是解决BIM核心问题的基础[3-4]。IFC标准由国际协作联盟组织(International Alliance for Interoperability, IAI，现名为BuildingSMART)提出，是一个公开的、结构化的、基于对象的信息交换格式，定义描述BIM的标准格式，定义项目全生命周期中各个阶段的数据如何提供、如何存储[5]。

虽然 IFC标准在不断地完善，但是目前还不能在土木工程行业中发挥应有的作用。一方面，IFC标准对于信息的表达还不能完全达到行业中所需要的详细程度[6]。例如，在领域层的电气模块中很多的设施设备(如接地变压器、GIS等)缺少定义；在领域层的结构分析模块中，一些更深入的分析计算概念还未给出定义和描述[7]。另一方面，不同的BIM软件对于IFC标准的支持程度是各不相同的。目前的BIM软件大部分只能较好地支持IFC标准的2×3版本，而且个别主流软件对于IFC标准的文件还存在只能导出不能读入的问题。这种数据信息表达不完善以及应用软件对 IFC标准的支持不充分的现状，在一定程度上制约了 IFC标准在信息交换过程中的应用。

目前，国内外越来越多的企业和研究学者对IFC标准在不断深入的研究。在国际上，美国的Lipman对BIM成像技术在实时钻探检测和控制中的应用进行了深入研究[8]，为IFC标准应用于钢结构设计打下了基础；法国国立布尔戈尼大学的Vanlande等[9]在IFC标准运用于建筑全生命周期的信息管理和共享上进行探究，提高了 IFC文件表达信息的质量。在 IFC标准的扩展研究方面，葡萄牙波尔图大学的Rio等[10]提出了对于IFC标准的结构传感器实体的扩展思路；新加坡的WanCaiyun在基于 IFC标准的网站服务器建设方面提出了建议[11]。在国内，上海交通大学的 BIM团队也在不断探索 IFC标准的实际应用，在 IFC标准的数据库构建[12]以及基于 IFC标准的建筑模型的自动生成[13]等方面都进行了系统的研究；清华大学的马智亮和娄喆[14]对于 IFC标准在工程成本预算中的应用进行了深入的研究。

现在建筑行业数据的共享与交换的需求很大，尤其是在大型复杂的工程项目中，多专业、多部门之间的工作需要相互协调配合，目前没有任何一款软件可以囊括所有的专业功能，专业软件之间的数据交换是不可避免的，使用 IFC标准作为数据转换的中间桥梁，是满足这些需求最高效、最直接的方法。但 IFC标准尚未完整地表达所有构件，导致信息共享或交换时会存在问题，所以需要有一套科学合理的机制扩展 IFC实体，实现有效地信息转换和共享。

本文主要针对 IFC标准在领域层实体信息缺失的问题，提出对 IFC标准的扩展思路并通过实例验证扩展IFC实体方法的可行性。

1 IFC 标准领域层

1.1 IFC标准的四层架构

IFC标准的技术架构分为4层(如图1)，由上至下分别为：领域层(Domain Layer)、共享层(Shared Layer)、核心层(Core Lay er)和资源层(Resource Layer)。

领域层定义特定专业领域所需的实体对象，如电气领域(Electrical D omain)的电缆、变压器、电气设备等。共享层提供通用性的对象与关系，包括建筑服务元素、组件元素、建筑元素、管理元素、设备元素等，可供领域层多个领域使用。核心层定义 IFC模型的基本结构、基础关系和公用概念，其中 Kernel定义核心层最抽象的部分，包括模型的一般结构，如对象类型之间的关系、对象之间的关系等。最底层的资源层定义21类可重复利用的实体与类型，包括几何资源、属性资源、材料资源等。资源层的实体不能独立存在，只能以被其他层引用的方式出现。

1.2 IFC标准对领域层的表达

在 IFC物理文件中，任何一个实体都是通过属性来描述自身的信息，属性分为直接属性、导出属性和反属性。直接属性是指标量或直接信息，如GlobalId、Named等；导出属性是指由其他实体来描述的属性；反属性则是指通过关联实体进行链接的属性，如 HasAssociations通过关联实体IfcRelAssociates可以关联构件的材料信息。

以电气领域层为例，可以表达电气专业构件的 IFC实体存在于 3个层次中：电气领域层(Electrical D omain)、建筑控制领域层(Building Control Domain)、建筑设备共享层(Shared Building Service Elements)。其中，建筑设备共享层的实体是电气领域层以及建筑控制领域层中实体的超类。在IFC2×3版本中，电气领域层只定义了电气专业构件的Type实体，以及类型枚举(TypeEnum)，并没有定义构件实体，电气构件实体通过建筑设备共享层的实体来表达。

1.3 IFC标准扩展的可行性

IFC标准的资源层提供的信息资源已经相当丰富和完善，核心层是对 IFC标准基本概念的定义，共享层所包含的对象类能够满足对象之间关系描述的要求，这 3个层次目前都不存在扩展的需求。实际需求调研表明，IFC标准在领域层的对象及属性表达尚不能满足实际需求，因此需要对领域层进行扩展。

对领域层的扩展可从3个方面进行：①对象类型的扩展，根据设备的几何属性和物理属性，在已有的IFC4中的实体中，找到能够表达该构件的实体，并将这种设备加入到该实体的预定义类型中，新的设备就能够通过已有的IFC实体表达；②对象属性的扩展，对于IFC4中不存在predefinedtype属性的实体，在其属性中加入predefinedtype属性，这样该实体就可以表示多种枚举类型下的设备，这些设备可以用相同的几何属性和物理属性表达；③对象类的扩展，对于某些设备，在IFC4中不存在能够描述它的几何属性以及物理属性的实体，需要扩展新的IFC实体描述这种设备。

2 IFC 标准领域层扩展方法

2.1 IFC标准扩展的整体思路

本研究过程中首先将需要扩展的实体用EXPRESS语言描述，并将其添加到 IFC标准的EXPRESS的文件架构中。将得到的包含新实体的EXPRESS文件导入到 SJTUBIM 平台中，生成SJTUBIM 平台能够读取并显示的实体类(该实体类为C语言程序中的实体类)。在Revit2013软件中创建对应的新增实体的族文件，并导出 IFC文件(该文件为IFC2×3版本)。将得到的IFC文件在SJTUBIM 平台(SJTUBIM 平台能够自动将低版本的 IFC文件转换成 IFC4版本)中打开，如果在平台上，族文件的属性能够准确表达，则证明扩展的方式可行。思路整理如图2所示。

图2 扩展IFC实体的整体思路

SJTUBIM 平台[15]是上海交通大学 BIM 团队自主研发的软件，能够实现对 IFC文件的读入、转换和显示等，具体功能如下：①导入 IFC文件并在模型管理器、属性面板和图形显示区域加载相关内容；②检入IFC文件，对IFC文件进行验证并导入；③导出IFC文件，实现IFC文件从低版本到高版本的转换；④模型组合；⑤子模型导出，子模型是整体模型的一部分，可以作为某单体建筑、部分楼层的组合或某个专业的组合；⑥不同的专业模型转换；⑦生成构件统计量信息；⑧查询，对建筑模型构件的分类查询，查询范围应支持不同的层次；⑨图形可视化。本平台开发了 IFC数据的图形显示功能，构建了图形平台。各模型文件可以直观地在平台中显示，视图菜单中包括三维视图、显示建筑层、显示楼层、显示所有建筑构件和局部隐藏等。

2.2 IFC标准领域层扩展的方法

自定义新的 IFC实体，需将这个实体(Entity)以及类型(Type)加入到它的父级对象下，同时需要加入其自身的属性(如：类型枚举(TypeEnum)、约束(Where)等属性)。修改EXPRESS文件可以手动修改，也可以通过EXPRESS-G视图(EXPRESS-G视图通过树状视图描述层级间的继承关系)来实现。当需要扩展的实体数量很大时，手动修改步骤繁琐而且容易出错，而使用EXPRESS-G视图则可以大大减少繁琐的步骤，降低出错率。EXPRESS-G的树状图由预定义的图形符号表示，以电气专业为例，如图3所示。在实际更新 IFC实体时可以使用专门的EXPRESS的转换软件(如：Express Engine Tools)。

图3 电气专业EXPRESS-G视图

2.3 扩展后IFC模型文件的产生

在EXPRESS架构中添加新的实体类型后，该实体类型的 IFC物理文件需要借助软件得到。在现有的支持IFC标准的软件中，Autodesk Revit可以对这项修改提供有力的支持。

Autodesk Revit是由Autodesk公司开发的三维建模软件，Revit中的所有图元都基于族创建。每个族图元能够在其样板内自定义多种类型，根据族创建者的设计，每种类型可以具有不同的尺寸、形状、材质设置或其他参数变量。族创建过程在预定义的样板中执行，用户可以根据自己的需要在族中加入不同参数，该过程类似于在EXPRESS架构中加入一个新的实体，通过自定义参数的方式赋予族具有的专业属性。

目前Revit软件只能较好地支持对IFC2×3版本文件的输出，所以需要对Revit输出的IFC文件做一定地修改才能得到描述新增实体的IFC4版本文件。

从IFC2×3到IFC4版本的发展，IFC标准对于领域层的描述主要有2个方面的改进：

(1) IFC4版本对实体的表达进一步完善，新增加了具体的构件实体，这些实体从分类上可以理解为将实体进行了更细化的表达，以电气专业的实体IfcFlowTerminal为例(如表1所示)，这一改进使IFC标准对构件的表达更丰富和完善。

表1 在IFC4中新增的电气实体与IFC2×3中的实体的继承关系举例

(2) IFC4版本对部分实体的属性进行了扩展。例如电气领域的部分实体较之旧版本新增加了一个predefinedtype属性，该属性将实体所表示的电气装置进行了预定义(如表2)。predefinedtype属性的增加也为扩展IFC实体提供了一个系统的思路：几何外形相近，所表达的属性信息相同的电气设备，可以加入到某一类实体的预定义类型中进行表达。

表2 IFC4电气专业实体预定义的装置类型举例

本研究中的IFC文件从IFC2×3到IFC4版本的转换通过SJTUBIM平台实现。

2.4 扩展后IFC文件的验证

通过扩展得到的 IFC的模型文件是否为有效的 IFC文件，需要通过校验来判断。校验主要包括4个方面的内容：①检验IFC文件的几何模型是否正确表达；②检验文件中扩展的 IFC实体是否存在；③检验扩展的实体属性是否存在；④检验属性值是否符合要求。

3 实例验证

3.1 添加自定义实体

以电气领域常用的设备 GIS为例，在电气领域添加新的实体IfcGIS(该实体在IFC4的预定义类型中并不存在)。首先需要在 EXPRESS文件中添加对IfcGIS实体名称的定义，然后在IfcGIS的父级对象 IfcEnergyConversionDevice的 IfcEnergy ConversionDeviceType中加入IfcGISType的定义。

在EXPRESS文件中添加自定义实体IfcGIS，IfcGIS实体在 EXPRESS-G视图中的位置如图4所示。

3.2 生成IFC文件

在Revit中创建GIS族，添加自定义的属性到族文件中(如图5)，其中族文件所表示的属性是根据实际的使用需求定义的。将族文件添加到项目中并输出为 IFC2×3文件。根据上一节的描述将Revit软件导出的IFC2×3版本的文件转换为IFC4版本的文件。

图4 新增IfcGIS在EXPRESS-G视图中的表示

图5 新建GIS族及自定义属性

3.3 验证IFC文件

将 Revit中输出的 IFC模型文件导入到SJTUBIM平台中(如图6)。

新增的 IFC实体在 SJTUBIM 平台内可以显示，验证了本文 IFC实体扩展方式是可行的。SJTUBIM 平台能够将构件的属性信息输出为Excel文件，图7为SJTUBIM平台输出的IfcGIS实体的属性文件的部分内容。对照图5中Revit族的属性面板，可知新增加的 IFC实体支持对电气专业构件属性的表达。

图6 新建IFCGIS在SJTUBIM平台中的显示

图7 SJTUBIM平台输出的包含属性信息的Excel表

4 结论与展望

通过以上对扩展 IFC实体的描述，可以得出关于IFC实体扩展的结论：

(1) 通过本文的方法扩展IFC实体是可行的；

(2) 在EXPRESS语言的框架中添加新的实体类型，可以使新的实体在 IFC标准的继承关系中实现表达；

(3) IF C标准的广泛使用需要各个专业软件增强对IFC标准的支持。

虽然 IFC标准已经建立了相对完善的对象类体系，但是要实现对建筑全生命周期内各种数据信息的完整描述，还需要不断地扩展和完善。这项任务需要土木工程行业各个领域的共同努力才能完成。随着土木行业信息化技术的发展，新型设施设备会不断出现，这些对象的属性信息应该及时更新到IFC标准中，才能使IFC标准成为具有实用性的国际标准。

本研究的实现依托于上海交通大学BIM研究团队研发的SJTUBIM平台，平台支持对IFC标准的扩展，支持对 IFC模型文件的读写、存储与转换，支持对 IFC实体构件属性的显示与导出。通过SJTUBIM平台验证了本研究提出的IFC标准扩展方法的可行性。

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