变电构架IFC数据交换研究

满延磊 张其林 常治国

(1. 同济大学土木工程学院，上海 200092；2. 上海同磊土木工程技术有限公司，上海 200433)

前言

BIM由于其优良的特性，自诞生之日起就受到了极大的关注。特别是随着计算机的发展，近几年 BIM应用更是取得了长足的进步[1-2]。在电力行业，由于变电构架的标准化程度更高，BIM应用也更加深入[3]。

在变电构架中，一个完整的BIM模型包含结构、建筑、给排水、暖通等多个专业的内容。由于专业跨度大，目前在电力行业，通常采用的BIM工作流程是不同专业在不同平台设计，然后在Revit中进行整体装配[4]。

本文与山西电力勘测设计院合作，深入研究了结构模型向Revit平台的数据转换。山西电力勘测设计院采用3D3S软件进行结构设计[5]，需要将结构模型中的三维实体信息、塔段属性、塔段包含的杆件等信息导入到Revit中。

经实际调研发现，通过IFC导入Revit是较常用的方式，但是目前在大多数研究中导入到Revit的信息仅限三维实体且导入方式单一[6-8]。

基于此，本文深入研究了 IFC的数据转换，比较了不同的导入方式的优缺点，实现了三维实体信息、塔段属性、塔段包含的杆件等信息向Revit的转换，实现了变电构架的多专业协同。

1 三维实体转换

在IFC中，三维实体的形状由IfcRepresentationItem进行表示，IfcRepre-sentationItem是多种形状的父类[9]。对于三维几何实体，常用的表示方式有两种：一种方式是拉伸等方式形成的实体，用IfcExtrudedAreaSolid来表示；另外一种方式是通过三角面片进行拟合，用IfcFacetedBrep表示。IfcExtrudedAreaSolid与Ifc Faceted Brep均为IfcRepresentationItem的子类。

图1所示为两种表示方式在Revit中的显示效果，图1（a）为拉伸实体表示，图1（b）为三角面片表示，从图中可以看出，在Revit中两种方式显示上基本无差别，曲面显示时由于三角面片对曲面进行了拟合，显示精度略低。

经实际使用比较，此两种有各自的优点和缺点，对比如表1所示。

拉伸实体的优点是数据量小，生成的IFC文件大小一般在10M以下，模型打开速度快，Revit打开时一般在10秒以内，同时模型在Revit中能够进行编辑；拉伸实体的缺点为不同的实体的截面不一致，拉伸方式不一致，编程工作量大，同时对于已经切割过的杆件，无法用拉伸实体表示。

三角面片表示法的优点为任意实体都能表示，表示方式统一，编程工作量小；缺点是数据量大，生成的IFC文件经常在1G以上，模型打开慢，Revit打开时一般在3分钟以上。

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表1 拉伸实体与三角面片拟合对比

因此本文采用折中的方法，对于非切割实体采用拉伸实体表示，对于切割实体用三角面片表示。具体流程如图2所示。

图2 三维实体转换流程

2 塔段信息转换

在变电构架中，杆件以塔段为单位形成组，以组为单位定义属性。在转成IFC文件时，组的信息需要保留。在 IFC中，组有如下常用的三种表达方式：IfcGroup, IfcElementAssembly, IfcMappedItem，本文对此三种方式进行了研究与比较。

（1）IfcGroup

IfcGroup表示集合。IfcGroup从IfcObject派生，而并非从IfcProuct派生，因此IfcGroup是一个抽象的对象，用来表示逻辑上的集合关系。本文用Revit对转换效果进行了测试，发现Revit在导入IFC时并不能识别IfcGroup的信息，因此导入到 Revit中时组别信息丢失。在Revit中的显示如图3(a)所示，三根杆件同属于一个IfcGroup，但是在Revit中并没有显示出来：

图3 三种类在Revit中的表现

（2）IfcElementAssembly

IfcElementAssembly表示部件，一个部件可能由多个小零件组成，因此IfcElementAssembly也表示集合关系。与 IfcGroup不同的是，IfcElementAssembly从IfcProduct派生，因此IfcElementAssembly是一个实体。用Revit对用IfcElementAssem-bly导出的IFC文件进行测试，测试结果表明Revit支持IfcElementAssembly的导入，同一个组的实体在 Revit中是一个整体，但是Revit对IfcElementAssembly的支持存在缺陷，主要表现在以下两个方面：a)Revit表现不稳定，组别信息并不能每次都能识别出来，多数情况下同一个组的实体在Revit中仍然不是一个整体，同时有概率性的组别信息识别不全，如图 3(b)所示，三根杆件属于同一个IfcElementAssembly，但是在Revit中只显示两个杆件属于同一组，这意味着组别信息出错；b)无法正确识别属性。给IfcElementAssembly赋予的属性在Revit中无法识别，Revit中显示的IfcElement-Assembly的属性为其某个子实体的属性。

图4 塔段的转换流程

（3）IfcMappedItem

IfcMappedItem表示图块，图块中可以包含若干子实体，因此IfcMappedItem也可以表示集合关系。经过实际测试，Revit支持IfcMappedItem的表示法，在Revit中同一组的实体均作为一个整体出现，且能正确的转换属性，Revit中的表现如图3(c)所示。

经过上述的比较分析，本系统最终选择了IfcMappedItem的方式。整个流程如图4所示，一个塔段对应一个 IfcBuildingElementProxy，提取塔段中的所有杆件，塔段中的所有杆件通过IfcMappedItem生成一个 IfcProductDefi-nitionShape，将 IfcProduct Definition Shape赋值给IfcBuilding Element Proxy，这样完成将所有的杆件形状作为一个图块显示，最后根据塔段的类型给IfcBuildingElementProxy附加不同的属性：

需要注意的是，使用IfcMappedItem时，组内的实体是单纯的几何实体，而不具有物理意义，因此组内的几何实体无法附加自定义属性。但是对于变电构架来说，属性均是以组为单位定义的，因此通过IfcMappedItem转换可以接受。

3 模型组装

经实际测试，通过IfcMappedItem表示的实体在导入到Revit之后为一个族，族的形状由多个几何实体形成的几何图块来表示，此时在 Revit中无法捕捉，而Revit并没有将坐标系开放给用户，因此导入到 Revit中的结构模型无法与其他专业的模型进行精确的组装。

本文对此进行了特别的处理。当导出到IFC时，将坐标原点也导出到IFC中。IFC中没有表示“点”的实体，本文采用球来表示坐标原点，同时 IFC中的单纯的几何实体没法加入到模型中，必须定义一个有实际意义的单元，然后将几何实体作为形状属性附加到单元上。本文定义了IfcCivilElement表示此具有实际意义的单元，通过 IfcSphere定义几何形状，然后将IfcSphere作为属性附加到IfcCivilElement中，生成的用来定位的坐标球如图5左下角所示。

图5 用于组装定位的球体（左下角）

在进行模型组装时，在Revit中打开中心捕捉可以捕捉到球心，通过坐标原点反算出需要移动的距离，从而将模型进行精确组装。

4 实例展示

本研究与山西电力勘测设计院合作进行。图6是3D3S中设计的750kV格构式变电构架，图中左边对话框中是塔段信息。

图6 结构模型在3D3S中的显示

图7是通过IFC导入到Revit中后与其他专业的模型组合，在Revit中塔段为一个整体，且以组为单位转换了属性。

图7 结构、建筑、给排水、暖通总图

图8 塔段在Revit中的属性显示

5 讨论

IFC的目的是提供一种通用的文件格式供各行各业共享数据。但是经过实际调研发现市面上软件对IFC标准支持力度仍有待提高[10;11]，主要表现在以下两方面：

（1）软件支持的IFC实体不全面。比如前文中提到的IfcGroup以及IfcElementAssembly，Revit支持这两种实体的导出，但是不支持导入。

（2） IFC标准包含的内容非常广泛，常常在细节部分存在多义性，不同的软件对IFC标准的理解不同也可能导致数据共享失败。比如在IFC官方文档中，IfcShapeRepresentation的属性 Represen-tationIdentifier以及RepresentationType标识为可选属性(OPTIONAL)，但是在实际测试中发现，此两个属性不赋值会导致Revit无法读取实体形状。另外在 IFC官方文档中，IfcParameterizedProfileDef中的 Position属性可以不设置，不设置表示不对截面进行平移或者旋转操作，但是在导入 Revit时 Position不设置的话会导入失败。DDS-CAD是一款支持打开IFC文件的小软件，此款软件无上述问题。

由于以上两个原因，单纯的通过 IFC来交换数据很可能达不到实际的要求。在本系统中，通过IfcMappedItem的导入方式可以满足工程的实际需求。若有其他需求，比如要求塔段是一个整体，同时塔段内部的杆件也需要附加属性，由于Revit的导入支持的力度不够，目前单纯通过IFC文件交换数据还很难实现。这时就需要在Revit中开发插件，对其IFC导入功能进行扩充。

6 总结

本文针对当前主流的变电构架BIM工作流程，对变电构架结构模型通过IFC文件向Revit转换做了深入的研究，主要研究内容如下：

（1）分析对比了在IFC中用拉伸实体以及三角面片表示三维实体的优缺点，最终确定了在变电构架中采用二者结合的方式；

（2）尝试了IFC中三种组的表达方式，最终确认Revit不支持 IfcGroup以及 IfcElementAssembly的导入，但是Revit支持IfcMappedItem的表达方式，虽然IfcMappedItem能够存储的信息比前二者少，但是基本能够满足本项目的需求；

（3）针对导入的IfcMappedItem无法在Revit捕捉而导致无法与其他专业的模型进行精确装配的问题，本文设计了增加坐标原点进行辅助定位的方式，实现了多专业模型的精确装配；

（4）指出了目前通过IFC进行数据交换时存在的缺陷，通过IFC进行无损的数据交换仍需要进行第三方辅助开发。