基于工業基礎類標準的鋼結構BIM全數據交互技術

張其林， 唐子涵， 滿延磊

（1. 同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2. 上海同磊土木工程技術有限公司 研發部，上海 200433）

傳統建筑行業因高度分散的行業特性、不同參建方技術應用的不一致性等因素，存在較為嚴重的資源浪費與經濟損失現象[1］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出現，推動了建筑業信息化變革的浪潮。BIM技術旨在以建筑信息為基礎構建計算機建筑信息模型，使建筑設計、建造、管理等各階段信息高度集成，促進項目各參與方高效協同工作[2］，提高設計施工效率、控制資源浪費。BIM技術發展的核心是在統一的數據管理平臺下實現多專業領域、多時間節點的數據共享。然而，由于建筑領域設計軟件繁多、不同軟件對結構模型的讀取與輸出機制不同，信息交互仍存在較大阻礙[3］。迄今為止，國內外仍未能實現基于一套BIM模型完成的全過程正向設計，不同階段、不同領域的設計人員常需對其他BIM軟件傳輸的模型進行大量修改或二次建模，導致模型信息不集成、不連續，且消耗大量時間、人力成本。為打破不同BIM軟件間的信息傳輸壁壘，國際智慧建筑聯盟制訂了工業基礎類（Industry Foundation Classes，IFC）標準作為國際通用的BIM數據交互標準[4］，對設計信息進行存儲、傳遞、共享。IFC標準采用STEP標準與面向對象的EXPRESS語言描述，具有公開化、結構化、面向對象等特征[5-6］，按照層級進行劃分的框架具有較強的可讀性與可擴展性[7］，是解決BIM數據交互問題的基礎。

鋼結構作為當前應較為廣泛的建筑結構形式之一，由于其體系、構件、連接類型復雜多樣，且力學分析、設計驗算、結構深化等各階段相對獨立，對高準確性、高效率的BIM 數據交互功能的需求較為迫切。但現有的基于IFC 標準的數據交互技術對鋼結構BIM信息傳輸的準確性與完整性較低，嚴重影響了鋼結構BIM技術的推廣應用。本文提出了基于IFC標準的鋼結構BIM 全數據交互技術，其中導出技術最大限度保留了鋼結構模型信息，可獲得較高的BIM軟件IFC數據解析支持率；針對Tekla軟件開發的專用導入接口，能實現IFC模型全信息讀取與編輯，打通了鋼結構從計算、深化到出圖的全信息交互節點，實現了鋼結構BIM技術應用的高精確性與高效率。

1 鋼結構行業IFC數據交互研究現狀及存在的問題

目前，建筑設計階段對基于IFC 標準的數據交互技術的研究主要集中于IFC 數據映射、信息集成共享與相關應用開發等方面。Lipman[8］研究了鋼結構設計標準與IFC 數據的映射方法，為IFC 標準在鋼結構設計中的應用打下基礎；Wu等[9］從語義與幾何信息的角度出發提出了一種基于BIM 數據集的IFC 數據映射優化方法；Kang 等[10］設計了基于IFC標準的信息提取、轉換與加載框架，并對IFC標準與GIS標準進行了集成研究。諸多研究成果被應用于建筑、橋梁、隧道等多種結構形式的模型轉化中[11-13］，使IFC標準的應用范疇得到進一步豐富與擴展。

目前在基于IFC數據交互的應用領域，多數深化設計與實體建模類BIM軟件均提供IFC格式模型的導入導出功能，如Revit、Tekla Structure、ArchiCAD、Bentley、Advance Steel等，但其應用效果并不盡如人意。許多學者在研究中指出，IFC數據于不同軟件中傳輸時存在一致性問題，Turk Z等[3］通過IFC數據轉換測試發現以IFC標準描述的建筑信息模型在不同BIM軟件間傳遞會出現信息錯誤、構件丟失、表達不一致等現象；Ghang Lee等[15］發現同一模型在不同軟件中輸出的IFC文件在大小、編號、描述構件所使用的對象類型與屬性等方面都存在差異。綜上所述，IFC數據在BIM軟件間的傳輸主要存在兩方面問題：一是模型IFC數據導出時會出現信息表達錯誤甚至丟失的現象；二是即使通過IFC文件獲取到較為完整的鋼結構模型數據，部分BIM 軟件對模型信息的解析功能仍不夠完善，且不同軟件間IFC數據到實體模型的映射算法不統一、存在信息表達歧義，難以完整準確的還原結構模型[16］，影響模型傳輸效率。

在信息導出錯誤與丟失方面，以某鋼結構框架模型為例，將其在兩類BIM軟件間以IFC格式進行傳輸，模型出現了較為明顯的桿件缺失（見圖1a），且切割過的板件只保留了實體外觀，其切割信息、厚度、編號等關鍵屬性均丟失，無法進行參數化二次編輯（見圖1b）。

圖1 IFC模型信息傳輸問題Fig.1 Error in transmission of information from IFC model

在信息解析不完全方面，以鋼結構詳圖設計軟件Tekla Structures 為例，其內置 “參考模型” 功能接受*. ifc格式文件導入，但解析所得模型的信息保留率較低，大量零構件出現幾何外觀表達錯誤，無法直接用于深化設計與出圖。例如，將某圓管柱IFC 模型導入Tekla，發現柱身出現了嚴重的板件、螺栓缺失，如圖2a所示。Tekla 2020及以上版本增加了 “起始IFC 對象轉換變更管理” 功能，可通過轉換、作為擠壓轉換、作為項轉換等選項對構件進行調整，但即使經過轉換，模型仍存在構件丟失現象，如圖2b 所示，且轉換無法批量操作，對體量較大的建筑模型，逐一轉換調整構件并不現實。綜上，經由IFC 標準傳輸的鋼結構模型，常需要工程人員進行大量步驟繁瑣的修改調整，嚴重影響設計效率。因此提升鋼結構IFC 數據導出的準確性與兼容性，針對部分IFC數據解析能力不足的BIM軟件創建相應的IFC數據解析接口，已成為解決問題的關鍵所在。

圖2 Tekla對IFC模型的表達錯誤Fig.2 Wrong expression of IFC model by Tekla

2 IFC數據與鋼結構模型間的轉換

2.1 模型數據到IFC數據的轉換流程設計

為提升IFC 數據導出的完整性、準確性與兼容性，根據IFC標準下的模型表達機制，設計模型數據至IFC 數據的轉換流程，整體思路可劃分為模型幾何信息導出與附加屬性導出兩部分。

2.1.1 模型幾何信息導出

模型中構件幾何信息可通過IFC 構件類IfcElement 及其派生類描述。構件在不同軟件中IFC 類轉換差異，是導致幾何信息傳輸錯誤的一大原因。例如，梁、柱、板等構件分別可轉換為IfcBeam類、IfcColumn 類、IfcPlate 類，也 可 統 一 轉 換 為IfcBuildingElementProxy 類，研究發現多數BIM 軟件對前者有更強的解析能力；焊縫、螺栓等連接可轉換 為 IfcDiscreteAccessory 類 、IfcMechanical-Fastener類等，經測試不同方式導出構件的信息完整度，決定采用IfcDiscreteAccessory 類描述焊縫連接，IfcMechanicalFastener 類描述螺栓等連接，使模型導出的構件信息擁有最大程度的完整性與兼容性。

導致信息丟失、二次編輯困難的另一原因，是構件的幾何實體項表達方式差異。若構件幾何構型規則，其幾何實體項IfcGeometricRepresentationItem可通過IFC拉伸實體IfcExtrudedAreaSolid、IFC旋轉實體IfcRevolvedAreaSolid 等參數化實體表達，其信息保留率較高，能夠二次編輯。若構件形狀復雜，難以通過既有IFC參數化實體表達，可采用參數化程度較低的IFC面片實體IfcFacetedBrep替代，面片實體將構件擬合為網格化的三角面片，能描述實體幾何外觀，通用性較強且算法簡單，是目前BIM軟件對構件的主流轉化方式，但其信息保留率低，導出后無法二次編輯。對比兩種表達方式，結果如表1所示。

表1 IFC幾何實體項表達方式對比Tab.1 Comparison of IFC geometric entity item expressions

為減少B-rep面片實體帶來的信息丟失，本研究對復雜構件優先采用CSG（Constructive Solid Geometry）體素構造法描述，CSG將復雜實體視作簡單幾何實體的布爾運算結果，其中簡單幾何實體可采用參數化IFC實體描述，以提高構件信息保留率。例如，基于CSG法創建切割體、被切割體的IFC參數化幾何實體，將其視為布爾算子IfcBooleanOperand，應用IFC標準提供的union/intersect/difference三種運算符執行布爾運算。若構件經歷過線/面切割，可通過IFC標準下的半空間體IfcHalfSpaceSolid予以描述，切割面即為半空間體邊界面，切割面法向為半空間體深度方向。模型構件幾何信息轉換思路如圖3所示。

圖3 IFC構件幾何信息轉換Fig.3 Geometric information conversion of IFC elements

2.1.2 模型附加屬性導出

模型附加屬性包含構件截面、材質、編號、組信息等，目前多數BIM 軟件對IFC 附加屬性轉換處理較少。本文為最大限度保留模型信息，通過以下三種方式導出其附加屬性：

一為材料屬性，可通過IfcRelAssociatesMaterial關聯構件與其材料集IfcMaterial 導出，經驗證此方式可獲取較高的BIM軟件解析支持率。

二為截面、編號等基本屬性與常用構件附加屬性，可通過屬性集IfcPropetySet 中的HasProperties引用單值屬性，再以IfcRelDefinesByProperties 建立構件與屬性集間關聯的方式導出。其中構件附加屬性增加了可導出的信息種類，如對桿件，實現端部定位點重心坐標導出；對板件，實現切角類型、切角尺寸導出；對螺栓、錨栓、鉚釘，實現規格、裝配類型、排列方式等信息導出；對焊縫，實現類型、角焊縫高度（若為角焊縫）等信息導出。此方式可便捷導出多種自定義屬性，且不受表達方式限制，思路如圖4所示。

圖4 IFC構件屬性轉換Fig.4 Attribute conversion of IFC elements

三為目前絕大多數BIM軟件均未考慮的組信息，包括構件組、節點組等。組信息導出最重要的是同時保留構件自身參數化信息與依附關系，經研究本文采用IFC 聚合關系類IfcRelAggregates 描述組，以抽象類 聚 合 元 素 集 IfcElementAssembly 作 為RelatingObject提示組關系，以RelatedObjects定義組構件集合，該方式使組層級與構件屬性均得以保留，實現了高參數化水平的組信息轉換，思路如圖5所示。

綜上，設計如圖6所示的模型IFC數據導出流程。

圖6 模型IFC數據導出流程Fig.6 Exporting process of model IFC data

經上述流程導出的鋼結構模型IFC 文件，可將模型中零構件幾何外觀、坐標方位、布爾運算過程等幾何信息與零構件材料、截面、編號、組關系等附加屬性完整準確的表達，且映射算法具有較強的兼容性，能夠于主流BIM 軟件中實現準確的幾何構型表達與參數化構件二次編輯。

2.2 IFC數據到模型數據的轉換流程設計

為實現模型全數據交互與二次編輯、出圖，還需完善BIM軟件對IFC數據的解析功能。本文選取常用于施工圖繪制、對模型可編輯性要求較高的Tekla軟件，研究針對Tekla 的IFC 數據導入接口，設計IFC數據到Tekla模型數據的完整轉換流程。

IFC 結構模型可通過IfcProject 表達，其依次關聯模型場地、建筑、樓層信息，以及模型整體的空間坐標方位。解析IfcElement 類，可獲得全部建筑構件信息，遍歷其中成員，可逐一轉化構件。

Tekla中IFC構件解析需按一定順序進行。部分實體存在關聯實體，如切割體、被切割體可視為切割結果的關聯實體，被連接構件可視為連接件的關聯實體。以Tekla零件切割為例，執行切割的方式為實例化一個BooleanPart 對象，設置已存在的零件為該對象的被切割體Father與切割體OperativePart，若該對象Insert成功，說明切割成功。因此這部分IFC實體解析時，需滿足其關聯實體均已生成的先決條件，考慮采用拓撲排序思路：對不存在關聯實體的構件先行解析，每解析完成一個構件，記錄該構件IFC標識符GlobalId 與Tekla 標識符Identifier 間的哈希映射；若當前構件存在關聯實體，獲取其算子BooleanOperand的IFC標識符GlobalId，判斷哈希表中是否已存儲該GlobalId 作為鍵值，若否，說明當前構件存在布爾算子尚未生成，無法執行切割操作，需暫緩解析。所有關聯實體單向記錄，即解析不存在環路。

Tekla構件創建時需要設置屬性，故實例化構件對象前需先通過反向屬性IfcRelDefinesByProperties獲取與當前構件對象IfcElement 相關聯的屬性集，采用數據結構哈希表記錄屬性名與屬性值間的映射關系?？紤]到Tekla中材料庫、截面庫設計依據為歐洲規范，屬性解析前先建立國標與歐標間關于材料、截面類型的轉換機制。

解析螺栓、錨栓等連接構件時，由于螺栓群可圍繞定位點與定位軸線進行偏移與旋轉，這為栓群位置的確定帶來較大困難。本研究采用記錄螺栓局部坐標系，螺栓創建時將模型整體坐標系轉換為局部坐標系，基于構件坐標層次進行螺栓定位，待創建完畢再還原整體坐標系的方式，解決了螺栓定位問題。屬性賦值階段先設置螺栓規格、直徑、裝配類型等基本信息，再通過關聯實體的IFC 標識符GlobalId 與此前記錄的已生成Tekla 構件的GlobalId 到Identifier 間的哈希映射找到待連接構件，綁定其為螺栓的PartToBoltTo 與PartToBeBolted 對象，完成螺栓實體導入。零構件創建過程及實例化相應類需賦值的成員變量如圖7所示。

圖7 Tekla零構件創建與屬性設置Fig.7 Component creation and property setting of Tekla

由于拓撲排序流程確保其布爾算子已擁有Tekla實體，解析布爾類型構件時可直接獲取相應實體并利用實例化零件切割（BooleanPart）、面切割（CutPlane）等類對象，執行IfcBooleanOperator 記錄的切割或延伸操作，重現并維護構件切割或連接過程。布爾切割流程及實例化相應類需賦值的成員變量如圖8所示。

圖8 Tekla布爾實體創建與屬性設置Fig.8 Boolean entity creation and property setting of Tekla

解析模型組信息時，從IfcRelAggregates 類獲得組內子構件的IFC 標識符，利用哈希映射確定對應Tekla構件實體，通過GetAssembly 方法獲取主零件的Assembly裝配對象，再將其余構件加入該裝配單元，實現組信息轉換。綜上，設計如圖9所示的模型 IFC數據導入流程。

圖9 模型IFC數據導入流程Fig.9 Importing process of model IFC data

由于模型中零構件均根據IFC數據重建，效果等同于直接在Tekla中手動建模，故經上述流程解析得到的IFC模型能夠較好的滿足二次編輯與出圖需求。

3 鋼結構IFC數據轉換技術應用實例

IFC數據導出技術的程序依托同濟大學自主研發的鋼結構設計平臺3D3S實現，能夠將常見的鋼結構模型導出為IFC文件。開發3D3S軟件系統需要C++編程語言與基于ObjectArx的AutoCAD二次開發環境。為將模型信息轉換為IFC格式數據，使用開源引擎IfcOpenShell，并通過自主設計的各類轉換函數，實現ObjectArx中三維實體類AcDb3dSolid派生的各類構件實體到IFC實體的轉換。

IFC數據Tekla專用導入接口的程序則依托基于C#編程語言的Tekla二次開發實現，由于IfcOpenShell解析器沒有C#版本，使用Xbim開源庫對IFC文件進行解析，并利用Tekla官方應用編程界面TeklaOpenAPI提供的類庫，實現IFC實體到Tekla模型中ModelObject類派生的各類構件實體的轉換。

由3D3S IFC數據通用導出技術導出的IFC模型具有普適性，能夠在支持IFC文件讀取的主流BIM軟件中表達，直接將模型導入至Revit、ArchiCAD、Navisworks等軟件中，可實現模型幾何構型交互，滿足模型中參數化構件的二次編輯，這樣的數據接口可視作通用接口；同時為提升模型轉換精度、避免深化階段重復建模，開發針對Tekla的IFC數據導入接口，使經其導入的模型實現全信息保留與二次編輯，提升鋼結構深化設計效率，這樣的數據接口可視作專用接口。IFC模型轉換程序框架如圖10所示。

3.1 通用數據接口實例

為驗證研發的通用數據接口工程應用可行性，選取某輕鋼廠房模型，經由3D3S Solid軟件導出為IFC格式文件。選擇建筑結構設計常用且支持IFC模型解析的BIM軟件Revit、ArchiCAD與Navisworks，導入該IFC文件，所得模型整體與細部效果如圖11、12所示。

圖11 廠房IFC模型整體導出效果Fig.11 Exporting integral results for IFC model of workshop

圖12 廠房IFC模型細部導出效果Fig.12 Exporting detailed results for IFC model of workshop

經對比分析，導出的IFC模型信息完整、表達準確，參數化程度較高，在幾類測試軟件中均體現出較優的交互效果。

選取Tekla、Revit、ArchiCAD 3款自帶IFC導出功能的結構設計軟件，統計其導出的IFC 模型數據信息轉化率，對比結果如表2所示。由表格可見，相較于其余3款BIM軟件，3D3S IFC數據導出技術能夠獲得更高的實體切割、構件局部坐標等幾何信息的轉化率，并通過參數化組信息與構件附加屬性豐富了可導出的信息種類，具有較為顯著的信息轉化優勢。

表2 不同軟件導出IFC模型的信息轉化率對比Tab.2 Comparison of information conversion rates of IFC models exported by different softwares

3.2 專用數據接口實例

為驗證研發的針對Tekla的IFC專用數據導入接口的工程應用可行性，選取某輕鋼廠房模型與某會展中心模型，經由3D3S Solid軟件導出為IFC格式文件，使用接口導入至Tekla。所得廠房模型及其細部構造如圖13所示，會展中心模型及其細部構造如圖14所示。

圖13 廠房IFC模型于Tekla中導入效果Fig.13 Importing results to Tekla for IFC model of workshop

圖14 會展中心IFC模型于Tekla中導入效果Fig.14 Importing results to Tekla for IFC model of exhibition center

對比使用IFC 數據導入接口前后的Tekla 模型信息轉化率，如表3所示。使用導入接口后，模型幾何構型、切割信息、附加屬性等轉化率大幅提升，并新增深化設計所需的關系信息與組信息導入，基本滿足后續深化設計與圖紙繪制需求，顯著提升計算模型到深化模型的轉化效率。

表3 使用IFC數據導入接口前后模型信息轉化率對比Tab.3 Comparison of model information conversion rates before and after using the IFC data import interface

3.3 全數據交互技術性能分析

從運行效率層面分析，以輕鋼廠房模型為例，模型dwg 文件大小為216MB，共有13 666 根桿件、12 076 塊板件、1 953 個螺栓、2 482 段焊縫、6 784 組節點，經IFC 數據導出技術轉換得到的IFC 文件大小為246MB，導出用時8min 11s；導入Revit 軟件，用時8min 46s，導入ArchiCAD 軟件，用時3min 37s；應用專用數據接口導入Tekla 軟件，用時5min 32s，表現了全數據交互技術較優的空間性能與運行效率。

從數據格式層面分析，中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發的工程管理軟件PKPM同樣開發了導出模型至Tekla 的功能，但其模型存儲為mdb格式，導出與導入均需特定的轉換接口，無法滿足導出模型供主流BIM軟件共享的要求。使用IFC格式與其他格式開發數據接口的功能對比如表4所示，可知使用IFC 格式進行數據導出并開發基于IFC 標準的導入接口通用性較強，且具有 “進可攻、退可守” 的優勢。使用專用接口能夠有針對性的將IFC 模型全部信息導入指定BIM 軟件，無需重復建模即可進行深化設計、施工圖出圖等流程；使用通用接口則能將IFC模型幾何構型與參數化構件全部信息導入主流BIM 軟件，實現模型整體基于幾何層次的數據交互與參數化構件的二次編輯。

表4 不同格式下數據接口的對比Tab.4 Feature comparison of data interfaces in different formats

4 結論

（1） 本文針對現有鋼結構BIM軟件基于IFC標準下的模型數據交互問題，研發了一種全數據交互技術，克服了國內外現有軟件平臺在鋼結構模型IFC數據導入導出中存在的主要弊端，大幅提升了BIM技術在鋼結構設計建造全過程中應用的準確性、經濟性與效率。

（2） 為提高IFC模型信息導出的完整性與兼容性，選取BIM軟件解析支持率較高的IFC類進行零構件轉換，并采用參數化程度較高的IFC實體描述基本構件、CSG體素構造體描述異形構件，減少了因應用面片實體帶來的鋼構件模型參數大量丟失的現象，提高了模型的可編輯性。除可導出構件材料、截面、編號等基本屬性外，還可導出任意類型鋼構件重要的附加信息，能夠滿足鋼構件對可導出信息的嚴苛要求。

（3） 通過專用數據接口的設計，可將IFC模型完整準確的傳入Tekla軟件，避免了深化設計階段重復建模，提高了基于BIM技術的鋼結構模型深化與出圖效率。

（4） 本文研發的IFC數據導出技術具有較強的通用性與普適性，所得IFC模型能夠在主流BIM軟件中實現基于幾何構型層次的數據交互與參數化構件的二次編輯；IFC數據導入接口具有較強的針對性，適用于對模型可編輯性要求較高的情況，通過專用接口開發能夠實現模型全信息轉換與二次編輯，使BIM模型呈現良好的數據交互效果。

（5） 本文研究的IFC全數據交互技術已成功應用于實際鋼結構工程中，與傳統方法相比，可將鋼結構BIM技術的應用效率提高2-3倍，并避免了重復建?？赡軒淼娜藶椴铄e。

作者貢獻聲明：

張其林：提出研究思路，指導研究方案，設計論文框架，審閱論文并提出修改意見，提供技術及經費支持；

唐子涵：調研及整理文獻，參與研究工作，完成程序編寫，起草并修訂論文；

滿延磊：調研及整理文獻，參與研究工作，指導程序編寫，審閱并修訂論文。