基于IFC与gbXML标准的建筑信息模型与绿色建筑分析软件互操作性测试与评估

陈 远，康 虹，范运昌



基于IFC与gbXML标准的建筑信息模型与绿色建筑分析软件互操作性测试与评估

陈 远，康 虹，范运昌

(郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001)

绿色建筑和建筑节能是建筑行业可持续发展的重要因素，然而建筑信息模型(BIM)软件种类繁多、数据标准各异、软件之间的数据传递经常丢失信息。为解决不同软件之间的“信息孤岛”问题和互操作性问题，分析了基于工业基础类标准(IFC)和gbXML标准的绿色建筑模型的结构框架，选取BIM建模软件ArchiCAD和绿色建筑性能分析软件Ecotec,对基于IFC和gbXML标准的软件之间的互操作性进行了测试和评估，确定了建筑信息模型在交互过程中的问题。针对相关问题本文提出了减少IFC标准中的信息冗余、提高IFC标准领域层对绿色建筑信息的支持、提高资源层对相关信息定义的针对性等建议。

建筑信息模型；工业基础类标准；gbXML；绿色建筑评估

虽然基于BIM的绿色建筑分析具有很大的潜力，但是BIM软件种类繁多、数据标准各异、软件之间的数据传递极易丢失信息，因此软件之间的“信息孤岛”问题和互操作性问题亟待解决。工业基础类(Industry Foundation Classes，IFC)和gbXML标准均是BIM技术的重要开放性数据标准，一定程度上提高了BIM相关软件之间的互操作性。但是，在实际工程的应用过程中，互操作性问题引起的数据丢失、重复建模、分析结果错误等问题时有发生。因此，有必要对基于IFC和gbXML标准的BIM建模软件与绿色建筑分析软件之间的信息传递进行测试与评估，分析基于IFC标准和gbXML标准的绿色建筑分析模型的内容，确定BIM交互过程中信息丢失的原因，并针对BIM互操作性问题提出具体的改进方法和建议。

1 基于IFC与gbXML的绿色建筑分析模型数据标准

IFC标准是建筑信息模型中开放性的数据模型标准，能够使BIM应用软件具有更好的数据交换性和互操作性，在土木建筑工程领域有着广泛的应用[1]。IFC标准能够很好地描述建筑实体信息，是BIM的数据共享与信息传递的主要标准，并且能够整合建筑设计、施工和运维，在提高生产效率方面具有很大的潜力[2]。但是IFC标准面向建筑全生命周期，存在信息冗余和实体定义不精确等问题，不能够完全满足工程项目各阶段的信息管理的需求[3]。

因此，针对设计阶段绿色建筑分析所需信息的具体需求，应对绿色建筑相关信息在IFC标准中的定义和映射进行分析和总结，建立起基于IFC标准的绿色建筑分析模型，是解决BIM建模软件与绿色建筑性能分析软件之间的互操作性问题的基础。图1所示为基于IFC标准的绿色建筑分析模型，根节点为IfcSite，通过IfcRelAggreates实体与IfcBuilding、IfcBuildingStorey、IfcSpace等建筑构件实体建立建筑信息模型的空间结构。IFC模型是基于IfcSystem进行暖通设备、给排水等系统的划分及其派生子类的实现。IfcSpace是模型中的基础空间，通过属性IfcRelSpaceBoundary与其他构件元素形成实际或虚拟边界，并通过属性IfcRelAssignsToGroup相互关联形成IfcZone。IfcMaterialDefinition是模型中所有材料信息实体的父类，IfcMaterial通过IfcRelAssociatesMaterial与构件元素IfcElement关联一起。

图1 基于IFC标准的绿色建筑分析模型

针对IFC对绿色建筑分析软件支持较差等问题，Bentley公司在2000年发布gbXML标准1.0，在2015年推出最新的gbXML标准6.01。gbXML是一个行业支持的架构，用于在不同的建筑设计软件工具之间共享建筑信息。常见的BIM建模软件和绿色建筑分析软件均支持gbXML标准[4]。gbXML V-6.01共有346个元素和167个数据类型，涵盖了建筑环境、几何形状、空间分割、系统设备和人员信息等[5]。如图2所示，基于gbXML标准的绿色建筑分析模型以Cpmpus元素为根节点，关联Building和场地元素，BuildingStoreyId关联建筑楼层元素和空间元素，Construction包含构件材质信息，Weather包含位置气象信息，AirLoop、LightingSystem等元素提供建筑设备系统信息[6]。

互操作性是指在不同参与者间进行数据管理和信息交换的能力，基于建筑信息模型的绿色建筑分析最主要的问题是软件之间的互操作性问题，而问题的根源是数据标准问题。目前，IFC标准和gbXML标准在信息交换方面的问题包括[7-8]：

(1) IFC标准数据内容覆盖建筑全生命周期，同时也存在信息冗余问题。

(2) 不同公司BIM建模软件有多种方式定义相同的建筑构件及其关系，因此在信息传递过程中统一定义建筑构件存在困难。

根据广泛地收集和整理湖北省有关的苔类文献，以及根据《中国生物物种名录（第一卷）·植物：苔藓植物》［32］同种异名整理归纳总结，得出湖北省苔类植物共35科61属200种（包含两个问题物种：Plagiochasma sp.这个物种在李粉霞等［24］一文中，并没有明确具体物种；Metzgeria temperata Kuwah.这个物种目前存疑，没有对应中文名），本名录采用的排列系统根据文献［32］排列；希望未来会有更多苔类植物的新纪录种丰富这份湖北省苔类名录。

(3) 虽然gbXML标准主要面对绿色建筑性能分析，但目前主流BIM建模软件不能完全支持gbXML，并且存在gbXML文件对模型要求较高，可操作性较差等问题。

图2 基于gbXML标准的绿色建筑分析模型

因此有必要对基于IFC、gbXML标准的BIM与绿色建筑分析软件之间的互操作性进行测试与评估，分析BIM在数据传递过程中信息丢失的原因，并针对基于BIM的绿色建筑分析互操作性问题提出具体的改进方法和建议。

2 基于IFC与gbXML标准的BIM与绿色建筑分析软件互操作性测评

2.1 测评方法及步骤

本文选取混凝土框架结构3层办公楼(图3)，其中2、3层南侧为玻璃幕墙的基础实验样例，来测评BIM建模软件与绿色建筑性能分析软件之间数据互操作性问题。虽然具有代表性建模软件包括Revit和ArchiCAD等，都能够支持IFC与gbXML标准，但是通过测评，Revit对IFC的支持较弱，信息丢失严重，不能满足基于IFC标准的互操作性测试的要求，因此测试选择的建模软件为Graphisoft ArchiCAD(包括gbXML插件)，绿色建筑性能分析软件为Autodesk Ecotec。测试步骤包括：①BIM建模软件创建实验样例的建筑信息模型，并将模型导出为IFC与gbXML格式；②使用ifcviewer软件检查IFC模型的完整性，并将IFC格式文件导回建模软件以检查基于IFC标准的模型信息完整性情况；③将从ArchiCAD导出的IFC、gbXML标准的模型文件，导入Ecotect中进行日照时长分析、建筑热环境分析和光环境分析，并将模拟分析结果与Ecotect在统一条件下自建模型进行分析的结果进行对比，以评估基于IFC与gbXML标准的建筑信息模型在进行绿色建筑分析时结果的准确性；④对测试结果进行分析，查找基于IFC与gbXML标准的建筑信息模型在数据传递过程中信息丢失的原因，并针对具体的互操作性问题提出改进方法和建议。

图3 互操作性测试基础实验模型

2.2 IFC标准建筑信息模型数据完整性检查

首先将ArchiCAD建立的建筑信息模型实验样例导出为IFC标准的文件，再将导出的IFC文件导入到IFC检查软件IfcViewer进行IFC模型的完整性检查，以确保测试模型的完整性。结果如图4所示，模型核心数据基本无丢失现象，建筑整体、各楼层和构件信息完整，基于IFC标准的BIM合乎操作性测试要求。再将测试模型导回ArchiCAD并与原模型进行对比，结果显示模型整体及各构件信息基本完好，为进一步检查构件属性信息，如图5所示，选取窗(IfcWindow)实体作为检查对象，导入前后窗属性信息基本一致，满足互操作性测试要求。

图4 ArchiCAD导出IFC模型完整性检查

图5 IFC模型导回ArchiCAD“窗”属性信息完整性检查

2.3 基于IFC、gbXML标准的模型文件分析

在软件互操作性测试开始前，有必要对IFC与gbXML文件本身的建筑构件信息进行分析，以确定是文件本身不包含该建筑构件信息，还是信息传递过程中建筑构件信息丢失。Ecotect进行建筑性能模拟分析是基于区域(Zone)进行，因此对于文件的分析选取典型构件“窗”和“区域”，分析IFC文件的描述是否与原始BIM建模信息相符，以确定导出的模型文件是否有信息的丢失。

图6为在ArchiCAD中设置模型构件材质信息，图7为导出的IFC文件中“窗”实体信息的描述，图8为导出的IFC文件中“区域/空间”信息的描述。通过对比可以看出，通过ArchiCAD可自定义建筑构件材质信息以及相对应的构件IFC属性。导出的IFC文件中IfcWindow实体代表窗构件，窗属性信息和材质信息(包括防火等级、热传递系数、隔音系数等)均有包含。区域(Zone)信息由IfcSpace实体构成，位置信息则是通过坐标点IFCCARTESIANPOINT、IFCDIRECTION表示。

图6 在通过ArchiCAD设置模型构件材质信息

图7 导出的IFC文件中“窗”实体信息的描述

分析结果显示，IFC文件中包含建筑构件的属性、材质、物理属性和建筑区域信息。而对于gbXML标准，通过本文第一部分基于gbXML的绿色建筑分析模型数据标准的探讨，gbXML文件包含建筑构件的属性信息、建筑区域信息、构件几何尺寸信息，但建筑构件材质信息(如防火等级、热传递系数、透光率)等并未包含。

图8 导出的IFC文件中“区域/空间”信息的描述

2.4 基于IFC标准的BIM互操作性评估

将基础测试模型的IFC文件导入Ecotect，如图9所示，Ecotect可以基本读取建筑整体的几何尺寸和体积等宏观信息。如图10所示，Ecotect读取建筑构件细部构造信息的能力较差，建筑结构柱位置整体位移，幕墙玻璃嵌板位置改变，空间形状旋转，因此导致原有封闭空间消失。对于具体的建筑构件在导入Ecotect以后，如图11所示，“窗”构件属性和材质信息都有信息变化和丢失情况；如图12所示，区域(Zone)信息有丢失情况。

图9 IFC文件导入Ecotect

图10 IFC文件导入Ecotect部分信息发生变化

图11 IFC文件导入Ecotect“窗”属性信息发生变化

图12 IFC文件导入Ecotect“区域” (Zone)信息发生变化

为了评估基于IFC标准的建筑信息模型导入Ecotect以后进行绿色建筑分析的结果，测试将IFC格式的模型文件导入Ecotect中进行日照时长分析、建筑热环境分析和光环境分析，并将模拟分析结果与Ecotect在统一条件下自建模型分析的结果进行对比。对比结果如图13所示，对比建筑日照分析结果(图13(a)、(b))，IFC导入模型与Ecotect自建模型在同一环境条件下分析结果基本一致，因此通过IFC标准可以共享建筑面积、体积等几何信息。对比光环境分析结果(图13(c)、(d))，IFC导入模型与Ecotect自建模型光环境分析在同一条件下分析结果相差较大，IFC导入模型分析结果无参考价值。根据前文分析并结合对比结果，IFC模型本身携带的信息中包含构件属性、材质和区域信息，但是将IFC模型导入Ecotect后建筑构件材质、采光、透光率等物理属性信息则不能通过互操作性实现共享。对比建筑热环境分析结果(图13(e)、(f))，IFC导入模型的热环境模拟结果各项指标均为零，而Ecotect自建模型在相同条件下模拟结果具有参考价值。因此，IFC导入模进行建筑室内能耗分析时，建筑构件物理属性信息、区域(Zone)信息、材质等与建筑内部热能模拟相关信息，均不能通过互操作性实现。

图13 IFC模型与Ecotect自建模型分析结果对比

综合以上分析，基于IFC的BIM和Ecotect能共享的信息包括建筑位置信息、建筑外观几何信息、建筑构件几何尺寸等与建筑形状有关的信息，不能共享的信息包括建筑构件属性、构件材质、建筑房间区域(Zone)、建筑设备选型等信息。因此，基于IFC标准的建筑信息模型导入Ecotect，可以进行建筑日照分析、建筑构件遮阳计算、建筑外部风环境模拟等只需建筑几何尺寸信息的模拟项目。

2.5 基于gbXML标准的建筑信息模型互操作性评估

gbXML标准主要以区域(Zone)为分析基础，由内外墙、屋面、楼板、门、窗等围护结构组成。测试将基于gbXML标准的建筑信息模型导入Ecotect，并将模拟分析结果与Ecotect在统一条件下自建模型分析结果进行对比。为模拟建筑室内空调能耗，设置模型条件为办公室(8 m2/人)，空调类型为全空调系统，模拟结果如图14所示，可以看出gbXML导入模型与Ecotect自建模型的建筑能耗分析结果基本一致。图15所示为自然采光模拟结果，可以看出gbXML导入模型与Ecotect自建模型的分析结果基于一致。

图14 gbXML模型与Ecotect自建模型能耗分析结果对比

综合以上分析，基于gbXML的BIM和Ecotect能共享的信息包括建筑体型、面积、区域(Zone)，体积以及建筑构件属性信息。因此根据前文gbXML标准的描述以及传递建筑信息的类型，通过gbXML标准，Ecotect可以对BIM进行太阳辐射、热环境、光环境、声环境等绿色建筑分析。

图15 gbXML模型与Ecotect自建模型采光分析结果对比

3 BIM与绿色建筑软件互操作性问题及改进方法

根据互操作性测评结果，其中存在的问题可分为BIM数据标准层面的问题和BIM工具层面的问题。第一类问题体现在IFC和gbXML数据标准本身不能完全包含绿色建筑性能分析所需信息，或者标准本身包含相关信息，但不同软件对同一构件的定义不一致，导致在不同软件之间信息传递存在数据丢失问题。BIM工具层面的问题体现在不同公司的工具软件采用的数据标准不同，相同公司的软件之间数据交互的互操作性较好，而不同公司之间数据交互的互操作性较差。具体问题包括：

(1) IFC标准涵盖建筑信息较全面，理论上面向全生命周期任一阶段信息交互，但是IFC标准中信息具有大量的冗余，信息共享过程中易丢失数据，各软件对IFC标准支持性有待提高。

(2) IFC标准中的领域层缺乏对绿色建筑领域相关信息的支持，资源层中虽包含绿色建筑信息，但缺乏针对性，构件属性绿色建筑定义不够清晰。

(3)支持gbXML标准的BIM建模软件较少，应用范围受限制。虽然与Ecotect互操作性较好，但标准文件不包含建筑构件材质、物理属性信息等重要信息。

(4) 不同公司开发的BIM建模软件采用的数据标准不同，不同公司软件之间数据交互的互操作性较差。

(5) BIM建模软件对IFC、gbXML标准的支持存在较大差别，Revit对IFC支持较差，而ArchiCAD对IFC支持较好，但不直接支持gbXML标准，需要通过插件才能导出gbXML文件。

(6) 绿色建筑分析软件对IFC标准支持较差，虽然IFC文件可以导入绿色建筑分析软件，但建筑构件属性、物理属性、构件材料信息、房间/区域(Zone)等重要信息均有数据丢失的现象。

针对互操作性存在第一类的问题，可以通过减少IFC标准中绿色建筑相关信息的大量冗余，提高IFC标准领域层对绿色建筑相关信息的支持，提高资源层对绿色建筑相关信息定义的针对性，并且提高不同软件对IFC实体构件解析的能力。

针对第二类BIM工具软件的问题，首先尽可能的选用同一公司软件，减少因数据标准不统一造成的信息传递问题。其次，针对丢失的信息可以在绿色建筑分析软件中进行手工二次添加和属性的设置，可有效改善BIM建模软件与绿色建筑分析软件的互操作性问题。

4 结 论

基于BIM的绿色建筑分析对于土木建筑工程行业的可持续性发展具有重要意义，解决不同软件之间的“信息孤岛”问题和互操作性问题是BIM应用的关键。本文探讨了IFC和gbXML标准的绿色建筑分析模型的结构框架、包含内容、以及存在问题，对基于IFC和gbXML标准的BIM建模软件与绿色建筑分析软件之间的信息传递进行测试与评估，分析了基于IFC标准和gbXML标准的绿色建筑分析模型的内容，确定了建筑信息模型在交互过程中BIM数据标准层面的问题和BIM工具层面的问题，并针对不同类型的问题提出具体的改进方法和建议。

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IFC and gbXML Based Test and Evaluation for the Interoperability Between BIM Modeling Software and Green Building Performance Analysis Software

CHEN Yuan, KANG Hong, FAN Yunchang

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)

Green building and building energy conservation are important factors in the sustainable development of the construction industry. However, BIM (building information modeling) has a wide range of software and various data standards, and loss of information is frequent during the data transfer. Thus solving the “information island” problem and the interoperability issues between different software is the key for BIM application. This paper first analyzes the green building framework based on IFC (industrial foundation classes) and gbXML standards, and chooses BIM modeling software ArchiCAD and green building performance analysis software Ecotec to test and evaluate the interoperability, so as to identify the problems of BIM data standards and BIM tools in the process of BIM data transfer. The paper provides specific improvement methods and suggestions to solve the problems, including reducing the information redundancy for IFC formats, increasing the support to green building area in the IFC standard, and improving the accuracy for the definition of green building information in the IFC resource layer.

building information modeling; industrial foundation classes standard; gbXML; green building evaluation

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030530

A

2095-302X(2018)03-0530-08

2017-08-30；

2017-12-10

陈 远(1975-)，男，江苏泰兴人，副教授，博士。主要研究方向为建筑业信息化。E-mail：chen_yuan@zzu.edu.cn