铁路站房建筑信息模型IFC数据扩展与验证

(1．中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063； 2.上海交通大学，上海 200240)

1 引言

为了有序、高效地推进铁路行业BIM技术的应用，中国铁路BIM联盟于2013年5月启动铁路工程BIM标准的研究工作，并于2014年初完成中国铁路BIM标准体系框架研究。通过借鉴国际数据标准IFC，中国铁路BIM联盟研究并发布《铁路工程信息模型数据存储标准1.0》，该标准是中国铁路BIM标准体系的重要组成部分，为实现铁路BIM应用中跨平台、跨应用的信息存储提供支持[1]。

BIM技术发展的核心问题是信息共享与转换，而IFC标准是解决BIM技术发展核心问题的基础[2-3]。IFC(Industry Foundation Classes)标准是由国际协作联盟组织(International Alliance for Interoper-ability，IAI，现名为buildingSMART)提出的公开的、结构化的、基于对象的信息交换格式。IFC标准定义了BIM数据的标准格式，表达了项目全生命周期中各阶段的数据交换及存储的方式[4]。目前，国内外多数BIM软件已研发了IFC数据的输入与输出接口。

现有的IFC标准主要面向一般建筑的设施设备，对于特殊领域的信息表达还不能达到行业中所需要的详细程度，制约了IFC标准在铁路行业信息交换过程中的应用。铁路行业数据的共享与交换的需求很大，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，采用IFC标准作为数据转换的中间桥梁，是满足交换需求最高效、最直接的方法。同时，IFC标准的实体及属性扩展与验证方法具有通用性，可在铁路标准其他领域予以借鉴[4]。

开展铁路站房工程项目设施设备数据IFC数据扩展与验证技术的研究，可以提高铁路工程全生命周期数据信息共享与交换的完整性与有效性，为铁路建设的可持续发展提供准确、可靠数据源带来重要的保障。

2 IFC数据实体转换研究

2.1 IFC标准版本差异分析

目前Revit2017及更高版本支持IFC4标准输出，而绝大多数BIM软件仅支持IFC2×3版本的输出。下文为这两代版本IFC标准的差异介绍[6]。

(1)IFC2×3

IFC2×3标准是2006年出版的“IFC2×平台”第3版，是当前稳定的IFC版本，也是目前BIM软件支持的最为普遍的交互数据执行标准。

(2)IFC4

IFC4版本于2013年发布。IFC4在建筑服务、结构领域进行若干扩展，在几何和其它资源部件领域进行强化，同时拥有大量的质量改进和新的压缩文件格式。

从IFC2×3到IFC4版本的发展，IFC标准主要有2个方面的改进[4]：

IFC4版本进一步完善对实体的表达，新增若干构件实体类，细化实体的表达，使IFC标准对构件的表达更丰富和完善。

IFC4版本对实体的属性也进行了扩展。部分实体相较IFC2×3版本新增加了一个PredefinedType属性，该属性对表达实体的构件类型进行预定义。

2.2 IFC标准格式转换方法

IFC标准格式转换是将BIM通用数据IFC由低版本的标准转换至IFC4。前文提到Revit2017及更高版本可直接导出IFC4，但实验证明，若将低于Revit2017版本创建的模型直接导入到2017以及更高的版本，即使输出IFC4标准的文件，实体类也与其导出的IFC2×3版本的实体类相同。为了使早期的模型文件得以有效的处理分析，实现不同版本标准的转换，本研究开发了IFC标准的格式转换软件(以下简称“转换软件”)。

表1 IFC实体语句中对族信息的表达关系图解析

要实现实体类的转换，首先需要识别出IFC 2×3版本中的实体所表示的与Revit相对应的族文件，以项目中一牛腿构件为例，该牛腿IFC语句的“name”属性为“X26DF751DD571FX0〗X2725B817FX0： 600x500-300/400： 194239”，该属性与Revit族信息的对应关系如表1所示。由此可知通过IFC标准中实体name一栏的字符串可与Revit族建立联系，从而判断出该构件的类型。通过对实体name属性的修改，如添加可供转换软件识别的标识符号“BEAM_”，通过该符号定位待转换的IFC2×3版本实体类，并将其替换成IFC 4版本中所对应的实体类。

该软件的工作原理如图1所示：

图1 IFC实体转换软件工作原理图

3 IFC实体扩展研究

IFC文件中出现未命名实体类主要分为以下几种情况：

1)目前已有的IFC标准中无该实体类；

2)该IFC文件版本较早，部分未命名实体为IFC4标准新规定的类，早期版本未定义该类；

3)绘图人员未采用实体对应的族绘制该实体；

4)多种类型的构件形成的一个组合体，该组合体导出的IFC文件为一个未命名实体。

针对情况1，采用实体扩展的方法，情况2和3可采用实体转换的方式为未命名实体找到对应的实体类，情况4在数据处理要求不高的情况下可以忽略，或者按正确的族类型重新绘制。

3.1 IFC实体扩展方法

IFC实体的扩展是在原有IFC标准的模型框架中，增加新的实体类型及属性。一般地，IFC标准的每一次版本升级更多地采用增加实体类型方法。例如在IFC2×3中定义了实体类型数据653个，而在IFC4中实体类型数据已经增加到812个[7]。

通过增加实体类型的方式扩展IFC标准需要注意的问题是：新扩展实体需要建立与已有实体的派生和关联关系，避免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IAI组合值的相关规定和程序进行。如果扩展的实体具有适用性和一般性，可以建议标准编写委员会将这些实体纳入到新版标准中，即根据增加实体所处的领域和特点，将其纳入IFC框架中。

以下将介绍实体及属性的扩展思路。

(1)欠缺实体扩展

自定义新的IFC实体，首先需明确新增实体类的名称以及其在IFC模型框架中的继承关系。在EXPRESS文件中将这个实体(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)。

根据修改后的EXPRESS文件对相关的IFC文件显示操作平台进行调整，可有效显示扩展后的实体类。

(2)构件属性的扩展

IFC4版本对部分实体的属性进行了扩展。例如部分实体较旧版本新增加了一个predefinedtype属性，该属性将实体所表示的装置进行了预定义。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设备，可以加入到某一类实体的预定义类型中进行表达。

IfcBuildingElementProxy在IFC2×3版本中有8个属性，在转换为IFC4版本时需要添加PredefinedType这个属性。若IFC2×3版本实体的属性数为9个，在转换为IFC4版本时则需要把原来的CompositionType属性替换为predefinedtype。

表2 安江站设施设备Revit实体对象映射关系

构件名称映射IFC实体(Ifc2×3)混凝土—矩形梁IfcBeam矩形—柱IfcColumn楼板IfcSlab窗IfcWindow基本墙:内墙/外墙IfcWallStandardCase门:单扇门/双扇门IfcDoor基本屋顶IfcRoof栏杆扶手IfcRailing幕墙构件IfcMember蝶阀-D71型/标准IfcFlowControl复合天花板IfcCovering候车室座椅IfcFurnishingElement

3.2 IFC扩展验证

扩展后得到的IFC的实体类是否有效，需要通过以下步骤进行判断：

检验扩展后IFC文件的几何模型是否正确表达； 检验文件中扩展的IFC实体类是否存在； 检验扩展的实体属性是否存在以及该属性值是否符合要求。

该验证可在上海交通大学BIM研究中心自主研发的天磁BIM协同设计软件(简称NMBIM平台)[8]进行。

4 案例分析

4.1 案例介绍

安江站地处湖南省洪江市安江镇，站中心里程为DK40+950，该站房设计最高聚集人数为600人。车站总建筑面积为5 982m2，其中并入通信、信号、电力、间休等生产工艺房屋。站房主体轴线总长120.6m，轴线总宽36.6m，建筑高度18.00m(檐口最高点至室外地面高度)。站房的±0.000标高相对于绝对标高(黄海高程)182.246m。

本站设2个站台， 5股道，中心里程站台面标高182.178m，与站房室内地面高差0.120m，站房形式为线侧平式站房。旅客进出站形式采用下进下出，旅客跨线设施为8m宽进、出站共用地道一座。

安江站BIM项目选择采用Revit 2016平台开展本项目工作。其建筑模型如图2所示，圆角翼闸模型如图3所示。

表2列举了安江站建筑、结构、管线综合以及精装修的部分设施设备构件Revit实体与IFC实体的映射关系。

4.2 案例测试

图4为扩展前的圆角翼闸，其实体在NMBIM平台中显示的名称为IfcBuildingElementProxy。

图2 安江站建筑Revit模型

图3 圆角翼闸Revit模型

图4 圆角翼闸扩展前

图5 圆角翼闸扩展后

图6 圆角翼闸属性扩展

扩展步骤

1)编辑圆角翼闸(IfcTurnstile)实体的EXPRESS表达

首先需要在EXPRESS文件中添加对IfcTurnstile实体名称的定义，然后在IfcTurnstile的父级对象IfcBuildingElement的IfcBuildingElementType中加入IfcTurnstileTYPE的定义。

圆角翼闸的EXPRESS表达如下：

ENTITY IfcTurnstile

SUBTYPE of IfcBuildingElement；

PredefinedType：OPTIONAL IfcTurnstileTypeEnum；

WHERE

CorrectPredefinedType：NOT(EXISTS(PredefinedType))OR(PredefinedType<>IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)OR((PredefinedType=IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)and EXISTS(SELFIfcObject.ObjectType))；

CorrectTypeAssigned：(SIZEOF(IsTypedBy)=0)OR(′IFCSHAREDBLDGELEMENTS.IFCTURNSTILETYPE′ in TYPEOF(SELFIfcObject.IsTypedBy[1].RelatingType))；

END_ENTITY；

ENTITY IfcTurnstileType

SUBTYPe of IfcBuildingElementType；

PredefinedType：IfcTurnstileTypeEnum；

WHERE

CorrectPredefinedType：(PredefinedType<>IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)OR((PredefinedType=IfcTurnstileTypeEnum.USERDEFINED)and EXISTS(SELFIfcElementType.ElementType))；

END_ENTITY；

TYPE IfcTurnstileTypeEnum=ENUMERATIOn of(

SWING，

WING，

TRIPOD，

USERDEFINED，

NOTDEFINED)；

END_TYPE；

2)将Revit导出的IFC2×3模型进行实体转换；

3)通过EXPRESS文件，在NMBIM平台的数据库中加入新扩展实体的信息；

4)在NMBIM平台上验证扩展后的IfcTurnstile实体。

表3 实体转换

实体类实体名称属性个数扩展前IFC2×3IfcBuildingElementProxy8扩展后IFC4IfcTurnstile9

由图5可知扩展后的圆角翼闸实体类可在NMBIM平台上有效的表达。其新增的predefinedtype属性Swing可在IFC中正确的表达，如图5所示。

5 结论

国际标准IFC4可满足中小型站房项目绝大多数基本结构构件及设施设备的表达需求。

安江站建筑信息模型大多数构件都可以使用IFC4标准定义的实体及属性来表达，只有一部分设施设备例如圆角翼闸、站房标识文字、梯子等建筑共享的设施设备需要扩展。IFC标准目前还不能完全达到铁路站房项目所需要的详细程度，进行扩展研究是有必要的。

本研究结合天磁平台制定出一套方法补充自定义IFC实体及属性的内容，通过实验证明本研究扩展IFC实体的方法是正确的。通过在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。因此该扩展方法具有通用性，可在铁路标准其他领域予以借鉴。

本研究可使早期版本的IFC2×3数据升级为最新的IFC4版本并纠正由于BIM软件建模的不规范导致的IFC数据命名分类问题。而正确、合理的实体名称分类保证了IFC数据在日后的施工及运维管理中站房工程项目数据的完整性与有效性，达到多方之间数据有效的共享与交换的要求，实现站房工程项目数据的可持续使用的目的。