基于IFC的数据模型和几何可视化解析

摘 要：建筑工程行业从业者期望出现一种可以将设计、建造、建筑物业主、经营者创建沟通并提供处理工程项目所需要的即时相关信息的新技术，即BIM技术。然而，由于信息模型集合的复杂性，在实际工程项目对建筑信息模型的使用中，很多商用软件公司采用自行开发的建筑信息模型运用规范和框架，并采用自己创建的软件生态系统进行信息共享，使得每个公司开发出来的产品所描述的信息并不能被有效的互用。

关键词：BIM技术;数据标准;信息共享

0引言

在桥梁工程领域，无论是在科研方面或实际应用方面，BIM 技术的探索主要集中于桥梁工程的施工与管理阶段，且各个环节仍是各自相互独立运作，大多数还是局限于单个过程中的某个环节，从设计到施工以及后期运营维护之间的信息数据传递都需要大量人力介入对非结构化数据进行手动解析，这样使得各个过程之间的信息传递效率相当低下，工作量陡增[1]。

为解决信息互用和共享困难的实际情况，本文以钢板组合梁桥的IFC文件创建和几何可视化展示为例，介绍基于IFC文件的信息描述和数据传递的流程。

1基于IFC数据标准的几何信息描述

1.1采用IFC数据标准的必要性

IFC数据标准由国际协同工作联盟（International Alliance for Interoperability，IAI）制定，旨在解决建筑全生命周期中信息互用困难，信息数据交换低下的问题。通过定义用于描述工程项目中产品、人员、过程、资源等信息的公开、中立的数据模型，以此作为不同软件应用平台之间的信息转递中介，来支持建筑行业内不同软件、信息系统之间的数据共享[2]。引入IFC数据标准之后的信息传递模式将发生如下图所示的变化。

1.2 IFC数据架构

IFC数据标准基本架构是用来描述和处理工程项目各种信息的结构框架，根据面向对象的设计思想，将工程项目全生命周期中需要处理的实际信息分门别类，并将需要定义的数据规划组织，通过创建一定的层级关系，更好的描述不同分类标准下的数据组成[3][4]。IFC的数据架构定义了共4个层级，分别为资源层，核心层，互用层和领域层，与常见的软件框架一样，四个层级由下往上逐层给上一层级提供服务，每个层级之间不能相互调用。只能往下引用对应的层级。

1.3 IFC实体语义描述及映射

IFC数据实体采用EXPRESS语言描述，EXPRESS语言是STEP标准面向对象的形式化的数据建模语言，EXPRESS不是计算机编程语言，而是一种规范化、面向对象的数据描述语言。因此首先需要采用EXPRESS描述文件对实体进行描述，之后与对应的编程语言建立映射关系，最后通过预编译系统将语义索引的地址开放供编程语言调用来获取对应的实体描述信息[5]。IFC数据标准中的实体均需要对应的语义描述和映射关系确定，下面以简单的实例来介绍实体对应信息的描述，如对IfcObject实体的EXPRESS语言描述，在相关的技术文档中采用如图2所示的EXPRESS描述语言。

可以看到，采用EXPRESS语言對IfcObject实体的信息描述相当简单，即定义了IfcObject实体的属性为抽象类型，作为IfcObjectcDefination实体的子类，并定义了反属性，条件属性等，定义的属性类型均用黑体关键字给出。根据对应的EXPRESS描述的信息，可以对IFC文件中包含实体的类型进行写入和语义解析，这与对应的IfcObject实体定义一致。

由IfcObject实体属性示意图看到，对于EXPRESS语言描述的语义，在数据文件中可以找到对应的实体属性。该实体属性可以被编程语言使用，并通过文件索引反向找到EXPRESS语义描述。

这里以IfcObject实体为例简单介绍了IFC文件实体语义描述和对应映射关系确定，对于IFC文件中的700多个不同的实体的语义关系的建立采取同样的模式。即定义对应的EXPRESS描述文件，并定义相关的数据结构，通过编译器预编译开放语义关系文件索引，最后通过调用数据结构实现实体语义的调用来实现IFC数据实体的描述。在建立语义映射关系之后，使用编程语言调用对应的文件索引地址去调取对应的EXPRESS描述，来实现IFC文件的读写，并存储相关信息。

2简支钢板梁桥各个部分数据模型的创建

简支钢板梁桥的模型创建需要对模型的各个组件进行单独描述并组装，为了避免重复描述，本文以主梁为例，介绍数据模型的创建过程。

主梁在IFC技术文档中有多种描述方式，为了更加准确的表达并为后续加劲板的定位以及主梁的精细化程度，这里采用IfcElementAssembly作为主梁的表达实体，其中的IfcElementAssembly又以IfcPlate作为聚合的子实体。这样主梁的几何表达模型可以精细到单独的板单元，从而可以保留对板单元之间连接关系信息描述的定义。为了适应道路线型的变化，采用IfcSectionedSolidHorizontal实体对IfcPlate实体的几何体特征进行描述。以IfcElementAssembly作为主梁表达实体的最终几何表达如图4所示。可以看到采用IfcSectionedSolidHorizontal实体描述的纵梁板单元适应线型走向。

3结语

BIM模型的几何表达是这些信息传递的容器，它应存放丰富的信息，并将这些分散独立的信息通过可视化进行直观展示，从而给全生命周期中的决策行为提供可靠的信息支撑。

在传统的设计和建模中，工程人员首先需要依靠以往经验拟定出大致的尺寸，并做相关的计算得出初步的方案，再将拟定方案的数据进行有限元模型的验证。最后将验证通过的数据作为三维建模的几何尺寸，重新创建一个三维模型作为可视化表达。这一设计过程完全可以简化为生成一个IFC格式的文件，并将其链接到对应的有限元模型和计算模型中，后续的设计变动和主要结构的变更通过修改IFC文件达到对应模型和计算模型的变更，从而减少变更之后重复建模和重复计算的分析的工作。

参考文献

[1] Fuller S， Petersen S. LIFE-CYCLE COSTING MANUAL for the Federal Energy Management Program， NIST Handbook 135， 1995 Edition[R]. 1996.

[2] Wikipedia.Building Information Modeling[EB/OL].[2020-2-17]. https：//zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BB%BA%E7%AF%89%E4%BF%A1%E6%81%AF%E6%A8%A1%E5%9E%8B.

[3] Chipman T， Costin A， Eastman C， et al. Bridge Information Modeling Standardization--Report Introduction[G]//Rep. to National Institute of Building Sciences， April， Washington， DC. 2016.

[4] 陈家烨. 基于BIM与数据映射技术的结构信息传递[D]. 大连理工大学， 2016.

[5] 吕凯垣，徐俊.基于IFC4×1的桥梁信息建模与结构分析模型数据映射[D].上海.同济大学，2019

作者简介：傅仲敏（1994—），男，浙江金华，硕士，主要研究方向为桥梁设计。