基于IFC標準的樓層平面尺寸標注自動生成方法研究

侯文龍，鄧雪原

(上海交通大學土木工程系，上海 200240)

隨著計算機硬件和軟件技術的不斷發(fā)展，眾多學者和研究機構一直積極探尋建筑行業(yè)的信息化發(fā)展道路。如今，擁有先進理念的BIM技術逐漸在全球范圍內改變著傳統(tǒng)建筑行業(yè)的工作方式。國內越來越多的企業(yè)開始認識到BIM的價值，并逐步用以輔助工程項目的建造。BIM 理念貫穿全生命周期，但各階段缺乏有效管理集成，要想大規(guī)模運用到建筑業(yè)，急需推行BIM綜合應用模式[1]。建筑項目各專業(yè)根據(jù)自身需求和特定軟件的優(yōu)勢，采用不同的BIM專業(yè)軟件進行專業(yè)設計。因而，BIM技術不僅應滿足三維模型的可視化，還要在同一項目中集成多方數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建筑項目的數(shù)據(jù)共享與交換[2]。但不同專業(yè)軟件之間各不相同的數(shù)據(jù)格式，給多專業(yè)協(xié)同帶來了困難。工業(yè)基礎類(industry foundation class，IFC)標準的研發(fā)，給實現(xiàn)各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)互通、解決信息孤島的問題提供了解決思路[3]。

協(xié)同不只是三維模型的簡單合并。美國國家BIM標準(NBIMS)提出，BIM技術應該使得不同參與者可協(xié)同提取和插入信息[4]。建筑項目的大量信息以數(shù)據(jù)的方式附著在三維模型中，詳盡表達了項目的物理和功能特性，為設計、分析、建造和運維提供了非常完備的數(shù)據(jù)源。但在項目全生命周期中，并非每一位參與者都需要項目的所有細節(jié)信息。從業(yè)者在完成指定工作時，希望復雜的模型能得到簡化，需要的信息能被快速、直觀表達。如管理人員想查詢設備在樓層中的空間位置，只需設備的定位信息，模型的其他大量細節(jié)信息將是多余的。因此，將工作者關注的信息從模型中解析出來，簡化抽象成合適的表達方式，可避免冗余信息給人員和設備造成不必要的負擔，有利于提高建筑信息模型的使用效率。

二維信息是三維模型重要的簡化和輔助表達。雖然二維圖紙缺乏真實感、協(xié)調性差，但時下我國設計行業(yè)依然采用基于CAD技術生成的二維圖紙進行協(xié)作和交流[5]。究其根本，縱然有三維正向設計一時難以普及的技術限制，內在而言，二維圖紙在表達項目信息時的固有優(yōu)勢，也使得二維 CAD在短時間內難以被BIM技術完全取代。例如施工圖中，二維圖紙在平面布置和空間定位的表達上直觀明了，同時也以剖面圖的形式清晰地描繪出構件大樣做法。這些簡潔的二維信息極大地提高了設計、施工和運維等專業(yè)人員的工作效率。如此一來，在BIM應用中引入二維信息就顯得十分必要。

在BIM協(xié)同設計中，研究基于IFC標準的二維信息表達方式，實現(xiàn)從IFC文件中提取尺寸標注信息，并向其中自動添加尺寸標注實體，以解決針對不同專業(yè)模型構件需采用不同軟件進行標注的問題，使得各專業(yè)模型構件可集成在同一平臺中進行整體標注。這樣既能滿足多專業(yè)協(xié)同與數(shù)據(jù)互通，又可充分發(fā)揮二維信息的優(yōu)勢，提高了BIM協(xié)同工作的效率。在二維信息中，平面尺寸標注描繪了構件的尺寸和空間定位，是BIM協(xié)同應用不可或缺的輔助信息，最為重要。平面尺寸標注實體的表達涵蓋了對三維模型中構件的形狀與位置信息的提取和轉換，在二維信息的自動生成中具有典型性，是本文的研究重點。

基于 IFC標準的二維信息自動生成主要涉及模型解析和二維實體表達兩個方面，國內外已有學者做了相關探索。在基于 IFC標準的二維實體表達方面，KIM和SEO[6]研究了基于IFC標準的二維實體擴展，提出注釋實體 IfcAnnotation等二維信息的表達機制，為基于 IFC標準的二維信息自動生成提供了理論依據(jù)。在模型信息提取領域，陳遠和逯瑤[7]提出使用JAVA語言讀取IFC模型的空間結構組成信息和與其連接的建筑構件信息的方法，滿慶鵬和孫成雙[8]提出通過建立與 IFC 數(shù)據(jù)實體一致的類和結構體以表達施工信息，這些研究為基于 IFC標準的二維信息提取提供理論指引和技術支持。

另外，在二維圖紙自動生成領域，王勇和張建平[9]提出在 Visual Studio.NET平臺下利用AutoCAD二次開發(fā)技術實現(xiàn)基于BIM的結構施工圖設計，KIM等[10]通過對IFC模型進行切割投影的方式自動生成DWG和PDF格式的二維施工圖。以上自動生成DWG或PDF格式的二維施工圖研究，在一定程度上滿足了三維模型對二維圖紙的需求，避免了設計中的返工，但PDF或DWG格式的圖紙依然與三維模型之間存在數(shù)據(jù)交換的壁壘?；诖?，文獻[5]研究了基于IFC標準的單片墻體的尺寸標注自動生成方法，表達了單個構件的尺寸標注，對基于IFC標準的二維信息自動生成研究具有開創(chuàng)性價值。然而單個構件的尺寸標注表達對整個建筑而言并不完善，樓層的完整尺寸標注自動生成仍需進一步研究。

綜上，本文以建筑三維模型為研究對象，從構件信息提取和標注實體生成 2個方面入手，解析IFC文件，定義尺寸標注信息的提取、轉換和存儲方式，建立尺寸標注對象IfcAnnotation的空間定位和形狀表達機制，實現(xiàn)基于IFC標準的樓層平面尺寸標注的自動生成，并通過上海交大自主研發(fā)的NMBIM協(xié)同平臺驗證結果。

1 基于IFC標準的標注信息分析

樓層平面尺寸標注主要是對樓層中墻、梁、柱、門、窗等構件進行空間定位。尺寸標注實體的建立需要首先獲取構件的形狀和位置信息。軸網(wǎng)作為建模時重要的輔助線，是構件空間定位的重要依據(jù)；墻體及其關聯(lián)的門窗開洞信息既能反映構件尺寸和位置，又很好地體現(xiàn)了 IFC標準中構件相互之間的關聯(lián)關系。因此本文以樓層中的軸網(wǎng)、墻體和門窗等對象作為研究重點，提取所有表征標注對象位置和尺寸的點(以下簡稱“標注點”)，根據(jù)實體的關聯(lián)關系，利用坐標轉換，將樓層所有標注點信息整合進 4個數(shù)組，作為建立尺寸標注實體的參數(shù)。

1.1 軸網(wǎng)標注信息

軸網(wǎng)在IFC標準中用IfcGrid實體表達。IfcGrid的屬性“UAxes”、“VAxes”分別表征了 2個方向的軸線集合。以圖1所示3×4的定位軸線為例，在其局部坐標系的xoy平面中，“UAxes”表示垂直于x軸的軸線，“VAxes”表示垂直于y軸的軸線。

圖1 定位軸線的IFC表達

利用文本工具查看A軸的描述語句如下：

表達軸線的IfcGridAxis實體指向IfcPolyline，并通過2個IfcCartesianpoint實體表達軸線的端點。如本案例A軸的端點坐標在局部坐標系中分別為(4000.,3000.)與(4000.,-10000.)，在三維坐標系中，z坐標分量缺省則默認為0。軸線端點坐標見表1。

表1 軸線端點坐標

表1中元素下標的第1個值表示軸號，第2個值用1表示起點，2表示終點。將同類軸線端點分為2組，分別存入數(shù)組。以存儲n條UAxes類型軸線為例，數(shù)組長度Len滿足：Len=n+3，數(shù)組首元素存儲軸線類型標記值 1.0(VAxes類型則存儲-1.0)，第1～n號元素存儲單根軸線端點中不變的分量xi，第n+1號元素存儲ymin(起點的y坐標分量)或ymex(終點的y坐標分量)，第n+2號元素存儲z坐標值。將UAxes整合為數(shù)組AU1與AU2，VAxes整合為AV1與AV2，形式為

1.2 墻體標注信息

在IFC標準中，墻體門窗之間的關聯(lián)關系如圖2所示。IfcWallStandardCase通過反屬性IfcRelVoids Element關聯(lián)開洞實體 IfcOpeningElement；IfcOpeningElement通過反屬性 IfcRelFillsElement關聯(lián)IfcDoor 或 IfcWindow。IfcOpeningElement通過IfcRectangleProfileDef描述開洞截面，該矩形在墻體軸線上的投影線段端點即為標注點。提取實體IfcRectangleProfileDef的屬性中表達矩形“寬度”的值，并結合其Position屬性定義的截面中心，便可得出標注點坐標。

圖2 墻體與門窗之間的關聯(lián)

在IFC標準中，模型對象通過ObjectPlacement屬性同時描述了本級(局部)坐標系和該局部坐標系關聯(lián)的上一級坐標系。本級坐標系下的點(x0,y0,z0)在上一級坐標系中的表達可以通過式(5)計算得出(向量表示坐標軸，點O表示原點)

圖3所示的墻體示意圖中，墻體軸線端點A，B的坐標可以通過幾何表達中描述軸線“Axis”的實體獲取。提取開洞矩形截面端點C，D的坐標，結合式(5)，得出其在IfcRectangleProfileDef的局部坐標系x o y′′′、IfcExtrudedAreaSolid的局部坐標系o′-x′y′z′及墻體局部坐標系o-xyz下的坐標(表2)。

圖3 墻體與開洞坐標系關聯(lián)關系

表2 門窗標注點坐標

再將C，D投影到墻體軸線(與墻體局部坐標系的x軸重合)，投影點為E，F(xiàn)，則E，F(xiàn)坐標分別為(Cx,0,0)與(Dx,0,0)。

最后將墻體中的n個標注點統(tǒng)一轉換至樓層坐標系下，采用與軸網(wǎng)類似的信息存儲方式，即在樓層坐標系下，平行于x軸的墻體標注點信息數(shù)組為wx=(1.0,x0,x1,···,xn-1,y0,z)，平行于y軸的標注點信息數(shù)組為wy=(-1.0,y0,y1,···,yn-1,x0,z)。斜向布置的墻體可根據(jù)標注需求，投影至樓層坐標系的2個坐標軸方向，按wx與wy相同的方式存儲信息。

1.3 標注信息整合

1.3.1 墻體位置判定

本文為建立符合規(guī)范的平面尺寸標注，重點以樓層中的外墻及其關聯(lián)的門窗洞口作為標注對象。因此需要依據(jù)標注點數(shù)組區(qū)分出“外墻”和“內墻”。外墻篩選的方法是：在相互平行的m片墻體中，將墻體i的中點往兩側投影，若中點只能投影到一側墻體上，則i為外墻；若中點能同時投影到兩側墻體上，則i為內墻。

在投影判斷中，記墻體i的標注點數(shù)組為wi=(x0,x1,x2,···,xni)，ni表示數(shù)組長度。為判斷墻體k的中點是否投影到墻體i上(wi[0]=wk[0])，記墻體k的中點坐標分量若表明墻體k的中點落在墻體i上，記墻體i為墻體k的“投影墻”。墻體k的“投影墻”集合記為kS。若以樓層局部坐標系的y軸正方向為正北方向，墻體k的類別判定依據(jù)如下：

(3)若 ?wi∈Sk∧?wj∈Sk(i≠j)，滿 足wi[ni-2]＜wk[nk-2]＜wj[nj-2]，則k為內墻。

1.3.2 標注信息合并

樓層平面“東、南、西、北”四側的外墻集合，分別記為SE，SS，SW，SN。將外墻的所有標注點投影至圖4所示樓層平面的外包矩形ABCD的4條邊上，并將各邊上的標注點分別整合進數(shù)組WE，WS，WW，WN中。下文給出整合方法。

圖4 樓層平面外包矩形

給定集合S′，記其整合后數(shù)組為W′，且W′[0]=w0[0](w0∈S′)。 首 先，對 ?wi∈S′，將wi[1]～wi[ni-3](ni為數(shù)組wi的長度)依次存入W′，并合并重復點；再令，z=w0[n0-1]；最后，將xm，z依次存入W′中。整合后的數(shù)組WE，WS，WW，WN形式為

其中nE，nS，nW，nN分別為WE，WS，WW，WN的元素數(shù)目；數(shù)組WS，WN分別對應DC與AB上的標注點；數(shù)組WW，WE分別對應AD與BC上的標注點。

2 基于IFC標準的標注對象生成

2.1 對象定義

在IFC標準中，幾何實體由空間定位、形狀表達和關聯(lián)屬性 3個部分組成。尺寸標注對象采用IfcAnnotation實體表達。如圖5所示，IfcAnnotation實體通過ObjectPlacement屬性表達空間定位，描述實體的局部坐標系和上級坐標系之間的相對關系；通過 Representation屬性對應的實體 IfcProduct Definitionshape表達幾何形狀。IfcProduct Definitionshape通過Representations屬性關聯(lián)實體IfcShapeRepresentatin，并通過Items屬性將尺寸標注中的所有要素封裝成集合。尺寸標注中的要素可分為線條和文字兩類，分別對應實體IfcPolyline和IfcTextLiteralWithExtent，并最終通過IfcPolyline的端點坐標(Points屬性)、IfcTextLiteralWithExtent的內容(Literal屬性)和位置(Placement屬性)等參數(shù)表達。

圖5 IfcAnnotation結構

2.2 空間定位

尺寸標注對象的空間定位(ObjectPlacement)屬性對應 IfcLocalPlacement實體。IfcLocalPlacement通過PlacementRelTo屬性指向局部坐標系關聯(lián)的上一級坐標系；通過 RelativePlacement屬性指向IfcAxis2Placement實體以建立對象的局部坐標系。

本文運用以下原則建立尺寸標注的空間定位體系：①關聯(lián)的上一級坐標系指向樓層的局部坐標系；②令被標注對象與尺寸標注實體上下排列時，如圖6所示，局部坐標系的原點定義為從左到右第一道尺寸線與尺寸界線的交點，z軸方向與樓層坐標系的z軸方向平行，y軸垂直指向被標注對象，x軸沿尺寸線方向。圖中參數(shù) Δ1為尺寸偏移量，Δ3為尺寸界線超出尺寸線距離，Δ2+Δ3為尺寸線長度，Δtext為文字偏移量，AL為箭頭長度。

圖6 標注實體局部坐標系

以外墻為例(軸網(wǎng)對應的建立方式與外墻相同)，如圖7所示，樓層平面外墻的標注點投影至外包矩形ABCD的四邊，標注點數(shù)組對應表達式(6)～(9)，應建立 4個尺寸標注對象，各自的尺寸線分布在矩形EFGH的四邊。根據(jù)空間定位原則，4個尺寸標注對象局部坐標系的原點分別對應圖的P2，P4，P6和P8。建立數(shù)組WE，WS，WW，WN對應的局部坐標系(RelativePlacement屬性)的表達見表3。

圖7 局部坐標系原點

表3 尺寸標注局部坐標系

2.3 幾何表達

根據(jù)對象的局部坐標系，結合尺寸偏移量、文字偏移量、尺寸界線長度和箭頭樣式(本文采用與尺寸線成θ角且長度為LA的斜線)等參數(shù)，分別建立尺寸標注對象對應的IfcPolyline(尺寸線、尺寸界線、箭頭)和 IfcTextLiteralWithExtent(標注文字)實體，構成IfcAnnotation的形狀表達。

IfcPolyline通過 Points屬性關聯(lián)端點坐標(IfcCartesianPoint)；IfcTextLiteralWithExtent通過Literal屬性關聯(lián)標注文字值，通過Placement屬性關聯(lián)文字位置。下文利用提取的樓層平面標注點數(shù)組，得出組成尺寸標注實體的線段的端點坐標、標注文字及其位置。

圖8 線性連續(xù)尺寸標注示意圖

當x0=1.0時，Pi的坐標為：當x0=-1.0 時，Pi的坐標為：。

記通過Pi的尺寸界線的端點分別為Li1與Li2，通過Pi的箭頭的端點分別為Ai1與Ai2，坐標見表4。第i道尺寸線上的標注文字為，位置為。

表4 尺寸標注界線與箭頭端點坐標

最后，將各個端點坐標賦值給IfcPolyline實體Points屬性對應的端點IfcCartesianPoint實體，將文字內容和文字位置參數(shù)賦值給 IfcTextLiteralWith Extent實體的Literal屬性和Placement屬性，一起構成標注對象的形狀表達。結合前文的空間定位，共同組成完整的尺寸標注IfcAnnotation實體。

3 案例驗證

本文的案例模型采用ARCHICAD軟件建立，模型表達了某建筑的一個局部樓層和一個二層小樓建筑，并按照建筑需求在相應外墻分別布置門窗。使用ARCHICAD的導出功能，將模型文件導出為IFC文件，該IFC文件導入到上海交大BIM研究中心自主研發(fā)的 NMBIM 協(xié)同平臺(2.0版本)上展示，如圖9所示。

圖9 模型添加尺寸標注前

采用本文研究的方法，形成樓層平面尺寸標注自動生成程序模塊，設置好尺寸標注樣式等預設參數(shù)，運行程序，自動生成樓層平面尺寸標注的IFC文件，和原模型文件共同打開。局部樓層模型的細部、軸線、和滿外三道尺寸標注自動生成的結果如圖10(a)所示；建筑整體2個樓層添加四周細部尺寸的結果如圖0(b)所示。結果表明該方法可以成功生成樓層平面X方向和Y方向的尺寸標注，并且尺寸標注界線原點與標注點的位置一一對應，參數(shù)正確，樣式符合要求，可見樓層平面標注信息通過本文提出的方法可被正確提取，基于IFC標準的二維尺寸標注對象可準確表達。

圖10 模型添加尺寸標注后

4 結論與展望

本文從樓層構件平面尺寸標注信息提取和標注實體生成兩個方面出發(fā)，提出基于 IFC標準的樓層平面尺寸標注自動生成方法，可以得出如下結論：

(1)通過本文提出的基于IFC標準的平面尺寸標注信息的提取、轉換和存儲的一般方法，可使復雜的樓層模型信息得到簡化。IFC模型中軸網(wǎng)、墻體和門窗等構件的幾何和空間位置信息可以被準確解析和提取，并通過有效轉換，從而得出其在平面中的定位，此方法還可應用于通過位置信息篩選樓層構件的研究。

(2)提出了基于 IFC 標準的尺寸標注IfcAnnotation實體的建立方法。從空間定位和幾何表達兩個方面，得出IfcAnnotation實體形狀的一般化表達，并形成其與被標注對象的信息關聯(lián)，可推廣至更多的平面注釋自動生成方法研究。

(3)基于IFC標準的尺寸標注自動生成，不局限于專業(yè)BIM軟件各自的數(shù)據(jù)格式，解決了專業(yè)軟件各自標注的不便和信息割裂問題，為多專業(yè)協(xié)同設計與出圖提供技術支持。

本文針對樓層平面尺寸標注自動生成的方法進行了研究，而基于IFC標準的構件剖面信息和二維圖例的自動生成仍需完善。筆者目前已開展相關工作，進一步研究基于IFC標準的二維剖面及圖例信息自動生成方法。