基于工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化實(shí)體模型數(shù)據(jù)交互技術(shù)

張其林，舒沈睿，滿(mǎn)延磊

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，上海 200433）

21 世紀(jì)初，建筑信息模型（BIM）的概念被正式提出，并在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)建筑產(chǎn)業(yè)的信息化革命。建筑信息模型以三維實(shí)體模型為主，將建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等全壽命周期內(nèi)的信息集為一體，便于建筑工程各方人員協(xié)同工作［1］。作為建筑信息模型的主要組成部分，建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型早在設(shè)計(jì)階段就已建立。為避免重復(fù)建模，同時(shí)作為BIM 協(xié)同工作的基礎(chǔ)，實(shí)體模型中的各類(lèi)信息需要完整傳遞至業(yè)內(nèi)各方，供各方人員讀取、編輯、使用及完善。由此可見(jiàn)，建筑結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型的數(shù)據(jù)交互非常重要，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體模型各類(lèi)數(shù)據(jù)交互的研究迫在眉睫。

1 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體模型數(shù)據(jù)交互

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)概述

實(shí)體模型數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵就是模型信息的無(wú)障礙互通共享。然而，由于建筑工程領(lǐng)域各類(lèi)軟件所支持的模型文件格式不同，結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的數(shù)據(jù)交互實(shí)際上非常困難，常發(fā)生信息錯(cuò)誤、信息丟失的現(xiàn)象。為了提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述格式，國(guó)際智慧建筑聯(lián)盟（Building SMART International）制訂了建筑工程領(lǐng)域的公共數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)——工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)（IFC）標(biāo)準(zhǔn)［2］。采用數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言Express 編寫(xiě)IFC 格式數(shù)據(jù)，囊括建筑工程領(lǐng)域各專(zhuān)業(yè)的各種數(shù)據(jù)類(lèi)型，可準(zhǔn)確描述各類(lèi)建筑信息。由于IFC 標(biāo)準(zhǔn)引入了封裝、繼承與多態(tài)的面向?qū)ο笏枷?，因此采用IFC標(biāo)準(zhǔn)描述的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確、層次清晰、擴(kuò)展性與可讀性高等優(yōu)點(diǎn)［3］。在IFC標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)6個(gè)版本中，目前應(yīng)用較為廣泛的是IFC2x3 版本。利用IFC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，就是將實(shí)體模型的數(shù)據(jù)改寫(xiě)為符合IFC 標(biāo)準(zhǔn)的*.ifc 格式文件，供其他支持IFC 標(biāo)準(zhǔn)的建筑軟件打開(kāi)、讀取與編輯，然后將建筑結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)傳遞至行業(yè)各方［3］。

1.2 IFC格式數(shù)據(jù)交互研究及商業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，對(duì)使用IFC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的研究主要集中于各類(lèi)信息尤其是幾何信息的表達(dá)方式上。相關(guān)研究指導(dǎo)了IFC 格式文件中拉伸實(shí)體［4］、面片擬合實(shí)體及曲線桿件［5-6］、力學(xué)結(jié)構(gòu)與荷載信息［7］的表示方法。此外，針對(duì)不同具體的結(jié)構(gòu)形式，橋梁［8］、高鐵接觸網(wǎng)［9］、道路［10］等多種實(shí)體模型的IFC格式文件轉(zhuǎn)化方法及IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展也得到了一定的研究。這些成果主要著眼于幾何信息的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，為各類(lèi)BIM模型轉(zhuǎn)化成IFC格式數(shù)據(jù)提供了理論指導(dǎo)。然而，現(xiàn)有研究并未深入討論如何保留基本三維外觀以外的其他模型信息，因此依然無(wú)法避免信息錯(cuò)誤與信息丟失等問(wèn)題的發(fā)生，難以和IFC 格式數(shù)據(jù)交互的實(shí)際需求［11］接軌。

在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)深化軟件或BIM 軟件中均有提供IFC 格式數(shù)據(jù)的交互功能，但從效果看，幾何信息粗糙、參數(shù)化程度低導(dǎo)致的信息錯(cuò)誤與信息丟失現(xiàn)象依然存在［12-13］。如圖1所示，某鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)軟件在IFC格式數(shù)據(jù)交互過(guò)程中出現(xiàn)了支托板幾何數(shù)據(jù)顯示錯(cuò)誤的現(xiàn)象。此外，對(duì)于一些通用BIM 實(shí)體建模軟件如Revit、ArchiCAD、VectorWorks、AdvanceSteel 及proStructure 等，實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成IFC格式數(shù)據(jù)后，構(gòu)件幾何尺寸、切割信息、桿件參數(shù)有丟失的風(fēng)險(xiǎn)。如圖2所示，一旦發(fā)生參數(shù)丟失，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)體將退化成為無(wú)屬性的三維實(shí)體，喪失建筑結(jié)構(gòu)的特性。這些問(wèn)題的產(chǎn)生，部分是由于IFC 標(biāo)準(zhǔn)尚不完善［14］，大部分則是由于IFC 格式數(shù)據(jù)交互算法不夠嚴(yán)密［15］。在實(shí)際工程中，為處理上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)與建模人員往往需要在第三方軟件中手動(dòng)修改IFC 模型，其工作量不亞于重新建模。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)實(shí)體模型IFC 格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到完善的程度。

1.3 當(dāng)前問(wèn)題及改進(jìn)策略分析

圖1 幾何數(shù)據(jù)表達(dá)錯(cuò)誤Fig.1 Mistakes of geometrical data representation

圖2 信息丟失Fig.2 Losses of information

現(xiàn)有IFC格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)已可較為準(zhǔn)確地描述模型幾何造型，但信息丟失現(xiàn)象依然嚴(yán)重。與力學(xué)分析模型不同，結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型造型復(fù)雜，完整描述建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體模型需要大量的細(xì)節(jié)參數(shù)，這就要求軟件開(kāi)發(fā)人員為各類(lèi)模型參數(shù)編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的IFC格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法，十分繁瑣。為簡(jiǎn)化生成IFC 格式文件的流程，許多軟件均采用參數(shù)化程度較低的轉(zhuǎn)換方式，如將復(fù)雜構(gòu)件整體表達(dá)為B-rep 面片實(shí)體，而非若干掃掠實(shí)體的布爾運(yùn)算集合。這樣處理的好處是無(wú)需編寫(xiě)截面、軸線、空間變換、布爾運(yùn)算等各類(lèi)參數(shù)的轉(zhuǎn)換算法，帶來(lái)的缺陷就是參數(shù)全部丟失，生成的IFC格式文件為純粹的三維圖形，結(jié)構(gòu)信息無(wú)法提取，幾乎沒(méi)有建筑及結(jié)構(gòu)層面的意義，并且難以在現(xiàn)有IFC 格式數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和使用。因此，這樣的IFC 格式數(shù)據(jù)交互無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

基于上述分析，現(xiàn)有實(shí)體模型IFC 格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中信息錯(cuò)誤、信息丟失等問(wèn)題屢屢發(fā)生，從根本上是由轉(zhuǎn)換算法的參數(shù)化程度較低導(dǎo)致的。為改進(jìn)此問(wèn)題，提出了一種針對(duì)復(fù)雜建筑實(shí)體模型的參數(shù)化IFC格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)。如圖3所示，與非參數(shù)化方法不同的是，參數(shù)化數(shù)據(jù)交互技術(shù)不僅著眼于幾何信息的準(zhǔn)確表達(dá)，還希望通過(guò)IFC 格式數(shù)據(jù)交互的完善，盡可能將實(shí)體模型的截面、軸線、空間變換、布爾運(yùn)算等各類(lèi)參數(shù)完整轉(zhuǎn)換為IFC格式數(shù)據(jù)。生成的IFC格式文件將純?nèi)S實(shí)體升級(jí)為建筑信息模型，可無(wú)障礙提取結(jié)構(gòu)信息，便于行業(yè)各方使用及二次編輯，實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體模型數(shù)據(jù)高水平的互聯(lián)互通。

圖3 參數(shù)化與非參數(shù)化IFC格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)Fig.3 Parametricandnon-parametricdataexchange method of IFC formate

2 IFC格式數(shù)據(jù)的參數(shù)化表達(dá)

2.1 構(gòu)件幾何信息的參數(shù)化表示

2.1.1 幾何實(shí)體描述方式

實(shí)體模型構(gòu)件幾何信息的參數(shù)化交互是整個(gè)數(shù)據(jù)交互過(guò)程中最主要的部分。IFC標(biāo)準(zhǔn)支持多種實(shí)體描述方式。其中，應(yīng)用最廣泛的為掃掠實(shí)體IfcSweptAreaSolid（見(jiàn)圖4a）及B-rep 邊界實(shí)體IfcFacetedBrep（見(jiàn)圖4b）。

掃掠實(shí)體IfcSweptAreaSolid 包括了拉伸實(shí)體、旋轉(zhuǎn)實(shí)體等類(lèi)型，是從某一基本截面著手，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作生成。掃掠實(shí)體完整保留了截面、方位等各類(lèi)參數(shù)，是一種參數(shù)化程度較高的實(shí)體表達(dá)方式，但缺陷在于通用性低，僅適用于規(guī)則的幾何造型，難以描述異形構(gòu)件。

B-rep邊界實(shí)體IfcFacetedBrep由表面網(wǎng)格化的三角面片擬合而成。對(duì)于建筑構(gòu)件而言，B-rep邊界實(shí)體包含的信息為該實(shí)體表面的擬合面片，并不包括構(gòu)件實(shí)體的截面、長(zhǎng)度、方位、布爾運(yùn)算等信息，參數(shù)化程度很低。B-rep 邊界實(shí)體的主要優(yōu)勢(shì)在于極強(qiáng)的通用性。只要網(wǎng)格劃分合理，擬合面片精度符合要求，就可準(zhǔn)確地描述任意不規(guī)則實(shí)體，如曲線桿、曲面板等沒(méi)有掃掠特征的異形構(gòu)件。2種實(shí)體表達(dá)方式對(duì)比如表1所示。

2.1.2 布爾運(yùn)算

實(shí)體建模過(guò)程中，往往需要在掃掠實(shí)體構(gòu)件端部、節(jié)點(diǎn)等部位進(jìn)行切割、合并等操作。經(jīng)過(guò)這些操作后，實(shí)體不再是完全規(guī)則的掃掠實(shí)體。若按照非參數(shù)化方法直接使用B-rep 邊界實(shí)體描述，則相當(dāng)于只轉(zhuǎn)換了切割、合并操作后的結(jié)果，并未記錄切割信息與建模的過(guò)程，導(dǎo)致幾何實(shí)體內(nèi)大量建模參數(shù)丟失，后續(xù)亦難以對(duì)模型進(jìn)行修改，這也是非參數(shù)化方法的重要缺陷及信息丟失的主要原因。

圖4 IFC實(shí)體表達(dá)方式Fig.4 IFC solid representation methods

表1 IFC實(shí)體表達(dá)方式對(duì)比Tab.1 Comparison of IFC solid representation methods

為大幅減少B-rep邊界實(shí)體的數(shù)量，提高IFC格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)的參數(shù)化程度，需要引入IFC布爾運(yùn)算來(lái)表達(dá)三維實(shí)體的切割、合并等操作。IFC標(biāo)準(zhǔn)支持布爾并（union）、交（intersect）、差（difference）3種運(yùn)算，可將實(shí)體模型構(gòu)件的切割、合并等幾何運(yùn)算視為若干實(shí)體的布爾運(yùn)算結(jié)果。圖5為一典型IFC布爾差運(yùn)算的二叉樹(shù)表示。布爾運(yùn)算二叉樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)為參與運(yùn)算的實(shí)體，稱(chēng)為布爾算子（IfcBooleanOperator），非葉子結(jié)點(diǎn)為并、交、差等布爾運(yùn)算符（IfcBooleanOperand）。對(duì)該二叉樹(shù)進(jìn)行中序遍歷即可得到布爾運(yùn)算的表達(dá)式，最終得到的運(yùn)算結(jié)果（IfcBooleanResult）即為切割、合并完成的實(shí)體模型。

圖5 IFC布爾運(yùn)算二叉樹(shù)Fig.5 Binary tree of IFC Boolean operation

IFC標(biāo)準(zhǔn)中參與布爾運(yùn)算的布爾算子可以為任意實(shí)體或布爾運(yùn)算結(jié)果。一般而言，為保證模型的參數(shù)化水平和參數(shù)化編輯性，參與布爾運(yùn)算的實(shí)體均應(yīng)為參數(shù)化實(shí)體。如圖6所示，在建筑領(lǐng)域，大多數(shù)細(xì)節(jié)構(gòu)造可采用掃掠實(shí)體的布爾運(yùn)算結(jié)果表示，這一類(lèi)實(shí)體保留了構(gòu)件本身及切割信息在內(nèi)的所有參數(shù)，參數(shù)化程度最高，被稱(chēng)為CSG 體素構(gòu)造實(shí)體（IfcCsgSolid）。對(duì)某些較為復(fù)雜的細(xì)節(jié)構(gòu)造，如不規(guī)則曲面切割，則必須引入帶有B-rep 邊界實(shí)體的布爾運(yùn)算。這類(lèi)實(shí)體保留了部分掃掠實(shí)體特征，在B-rep邊界實(shí)體范圍內(nèi)為面片擬合，參數(shù)化水平略高于純B-rep邊界實(shí)體，低于CSG體素構(gòu)造實(shí)體。

布爾運(yùn)算不僅涉及實(shí)體范疇，還應(yīng)包括面切割。在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，使用面進(jìn)行布爾運(yùn)算是非法的，必須將面轉(zhuǎn)換為實(shí)體。若切割面為平面，則可將切割面轉(zhuǎn)換為一類(lèi)特殊的實(shí)體，即半空間體（IfcHalfSpaceSolid）。如圖7所示，半空間體由邊界面與深度方向定義，邊界面即為切割面，深度方向即為切割方向。顯然，半空間體切割是一種參數(shù)化較高的方式。若切割面為曲面，則無(wú)法用半空間體替代，一般需要轉(zhuǎn)換為B-rep實(shí)體進(jìn)行表達(dá)，參數(shù)化程度較低。

圖6 2種IFC布爾運(yùn)算實(shí)體Fig.6 Two types of IFC Boolean solid

圖7 半空間體定義Fig.7 Definition of half-space solid

2.1.3 空間方位參數(shù)

在非參數(shù)化方法中，由于構(gòu)件被表達(dá)成B-rep邊界實(shí)體，其端點(diǎn)、朝向等方位參數(shù)被轉(zhuǎn)化為擬合面片的方位信息。若需要對(duì)構(gòu)件的空間方位進(jìn)行編輯，則只能修改擬合面片的坐標(biāo)，難以精準(zhǔn)定位截面形心等特征點(diǎn)。

在參數(shù)化方法中，大多數(shù)構(gòu)件采用拉伸實(shí)體或CSG體素構(gòu)造實(shí)體描述，保留了空間方位信息，避免了信息丟失及二次修改困難的問(wèn)題。桿件等拉伸實(shí)體的空間位置均采用樓層坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系與桿件坐標(biāo)系等3 層坐標(biāo)體系表示，定義于屬性O(shè)bjectPlacement。如圖8 所示，局部坐標(biāo)系定義了構(gòu)件相對(duì)樓層坐標(biāo)系的局部空間位置，控制構(gòu)件的插入位置；桿件坐標(biāo)系定義了桿件截面與軸線相對(duì)于局部坐標(biāo)系的位置，控制構(gòu)件的偏心與朝向。若要修改構(gòu)件的空間方位，則只需直接修改3 個(gè)坐標(biāo)系的相應(yīng)參數(shù)。

2.2 構(gòu)件屬性參數(shù)

2.2.1 材料參數(shù)與自定義屬性參數(shù)

材料參數(shù)與自定義屬性參數(shù)描述建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料、編號(hào)、截面名稱(chēng)等參數(shù)，通常采用關(guān)聯(lián)屬性表示。關(guān)聯(lián)屬性是將某一構(gòu)件與其對(duì)應(yīng)的材料（IfcMaterial）或?qū)傩约↖fcPropertySet）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而附加材料信息或桿件編號(hào)、截面名稱(chēng)、表面處理等其他屬性。材料及屬性的關(guān)聯(lián)采用IfcRelAssociatesMaterial 與IfcRelDefinesByProperties等IFC關(guān)聯(lián)實(shí)體表達(dá)。關(guān)聯(lián)實(shí)體首先引用構(gòu)件，再引用材料或?qū)傩约?。定義材料屬性時(shí)需要寫(xiě)入材料的名稱(chēng)；定義屬性集時(shí)，需要同時(shí)寫(xiě)入屬性項(xiàng)目名稱(chēng)與屬性值。

圖8 桿件的空間坐標(biāo)體系Fig.8 Coordinate system of bars

2.2.2 組信息

組信息包括構(gòu)件組信息與節(jié)點(diǎn)組信息。當(dāng)構(gòu)件成組時(shí)，組內(nèi)的子構(gòu)件被關(guān)聯(lián)為一個(gè)整體，組成為構(gòu)件加工廠進(jìn)行加工及運(yùn)輸?shù)幕締卧谏罨O(shè)計(jì)、施工管理中具有重要的意義。

雖然現(xiàn)有主流BIM 軟件都有組的概念，但是ArchiCAD、VectorWorks 等許多大型通用BIM 建模軟件并不支持將組信息轉(zhuǎn)換為IFC格式數(shù)據(jù)。在少數(shù)支持組信息轉(zhuǎn)換的軟件中，構(gòu)件組與梁、柱、板、零件平級(jí)，同屬于構(gòu)件的范疇。如圖9 所示，“組-構(gòu)件”層次被簡(jiǎn)化為單一的“組”層次，導(dǎo)致子構(gòu)件信息大量丟失。這是由于IFC 標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)件無(wú)法相互引用，子構(gòu)件被整合為組時(shí)必須放棄構(gòu)件的身份，只作為純粹的三維實(shí)體塊被組引用，進(jìn)而丟失了材質(zhì)、編號(hào)、截面名稱(chēng)等屬性。

圖9 “組”層次與“組-構(gòu)件”層次Fig.9 ‘Group’level and‘group-elements’level

為保留組內(nèi)各子構(gòu)件的屬性，參數(shù)化數(shù)據(jù)交互方法采用了聚合關(guān)系IfcRelAggregates 描述組信息，聚合關(guān)系描述構(gòu)件之間整體與部分的關(guān)系。如圖10所示，采用聚合關(guān)系描述組時(shí)，組不再是一種構(gòu)件，而是構(gòu)件之間的一種關(guān)系。聚合關(guān)系中的“整體”（RelatingObject）用抽象的IfcElementAssembly 表示，提示此處存在組關(guān)聯(lián)。子構(gòu)件則形成集合，作為聚合關(guān)系中的“部分”（RelatedObjects）。通過(guò)聚合，“組-構(gòu)件”的層次不變，子構(gòu)件的構(gòu)件屬性及其他相關(guān)屬性也得以保留，避免了信息丟失的發(fā)生。

圖10 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化組信息示例Fig.10 Example of IFC standard-based parametric group information

2.3 IFC格式數(shù)據(jù)的參數(shù)化框架

結(jié)合上文所述的參數(shù)化數(shù)據(jù)交互方法及對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有研究與應(yīng)用成果，得到如圖11所示的實(shí)體模型參數(shù)化轉(zhuǎn)換為IFC格式數(shù)據(jù)的基本框架。

圖11 實(shí)體模型IFC格式數(shù)據(jù)框架Fig.11 Hierarchy of IFC formate data of solid model

模型數(shù)據(jù)框架首先需要定義模型的基本空間。IFC標(biāo)準(zhǔn)中的模型空間依次為場(chǎng)地空間、建筑空間與樓層空間。各樓層空間內(nèi)又通過(guò)局部坐標(biāo)系定義了該樓層的各個(gè)構(gòu)件方位。各樓層空間之間的坐標(biāo)體系采用依次繼承的相對(duì)坐標(biāo)系IfcLocalPlacement。

構(gòu)件是結(jié)構(gòu)實(shí)體模型中的基本單元，包括梁與支撐、柱、板、墻及螺栓、錨栓、抗剪鍵、焊縫等其他構(gòu)件，布置于給定的模型空間內(nèi)。各類(lèi)構(gòu)件均由抽象類(lèi)IfcBuildingElement 派生。表2 為構(gòu)件轉(zhuǎn)化為IFC格式數(shù)據(jù)所需的主要數(shù)據(jù)類(lèi)型。構(gòu)件的幾何實(shí)體由其表示屬性IfcProductDefinitionShape 表示，主要包括拉伸實(shí)體、布爾運(yùn)算以及少量的B-rep邊界實(shí)體。構(gòu)件的屬性通過(guò)各類(lèi)關(guān)聯(lián)信息表示，包括組信息、材料信息及自定義屬性。

表2 實(shí)體模型IFC格式數(shù)據(jù)Tab.2 IFC formate data of solid model

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 程序設(shè)計(jì)

為將上述參數(shù)化實(shí)體數(shù)據(jù)交互技術(shù)實(shí)例化，在同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)軟件3D3S Solid的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)實(shí)體模型數(shù)據(jù)交互技術(shù)。3D3S Solid由C++語(yǔ)言與AutoCAD 開(kāi)發(fā)接口ObjectArx 對(duì)AutoCAD 二次開(kāi)發(fā)而成。在3D3S Solid 中獲取實(shí)體模型數(shù)據(jù)，使用開(kāi)源的IfcOpenShell引擎生成IFC格式文件，設(shè)計(jì)了自動(dòng)提取模型信息并生成IFC 格式數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)程序。

提取出3D3S Solid 三維實(shí)體信息后，其IFC 格式數(shù)據(jù)由各實(shí)體的writeIFC（）虛函數(shù)生成。三維實(shí)體的父類(lèi)為ObjectArx 中的三維實(shí)體類(lèi)AcDb-3dSolid，而IfcOpenShell 接口為外部接口，無(wú)法直接將AcDb3dSolid 轉(zhuǎn)化為IFC 實(shí)體，故在ObjectArx 開(kāi)發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)了派生自IfcOpenShell 接口類(lèi)的子類(lèi)IFC_Fty 以 對(duì) 接 IfcOpenShell 與 ObjectArx。IFC_Fty 的成員函數(shù)可讀取ObjectArx 中的各種類(lèi)實(shí)例，也可以執(zhí)行C++、ObjectArx 及IfcOpenShell的命令。在writeIFC（）中執(zhí)行IFC_Fty 的各成員函數(shù)，可生成模型幾何信息、切割信息、關(guān)聯(lián)屬性的IFC 格式數(shù)據(jù)，并將IFC 格式數(shù)據(jù)傳遞給IfcOpenShell。程序結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 程序結(jié)構(gòu)Fig.12 Program structure

3.2 案例驗(yàn)證

選取某一實(shí)際會(huì)展中心工程的3D3S Solid 模型，通過(guò)IFC導(dǎo)出功能生成該模型的IFC格式文件，并在Revit、ArchiCAD、NMBIM 等軟件中打開(kāi)。Revit 與ArchiCAD 為BIM 建模設(shè)計(jì)軟件。NMBIM為上海交通大學(xué)自主研發(fā)的BIM協(xié)同管理平臺(tái)［16］，具有國(guó)產(chǎn)自主、嚴(yán)格遵循IFC標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)復(fù)雜大型模型兼容性更強(qiáng)且優(yōu)化效果更好等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于會(huì)展中心等龐大模型。經(jīng)過(guò)校核，模型中各類(lèi)信息均被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的IFC 實(shí)體，并且被各類(lèi)軟件準(zhǔn)確表達(dá)。會(huì)展中心實(shí)體模型IFC格式數(shù)據(jù)交互效果如圖13所示。

圖13 會(huì)展中心實(shí)體模型IFC格式數(shù)據(jù)交互效果Fig.13 IFC formate data-exchange results for solid model of exhibition center

圖14 為采用Express 語(yǔ)言描述的會(huì)展中心某構(gòu)件組參數(shù)化IFC 格式數(shù)據(jù)示例。如圖14 所示，#17601 描述了構(gòu)件組信息，組#17601 及子構(gòu)件梁#6360、板#6679―#8011、螺栓#8102 等均被聚合關(guān)系#20269所引用。梁#6360的幾何信息是由梁本身的拉伸實(shí)體#6080 與#6286 等切割實(shí)體經(jīng)過(guò)布爾差運(yùn)算而成，梁的空間信息繼承自局部坐標(biāo)系#38 與桿件坐標(biāo)系#6079，梁的各類(lèi)其他屬性#6283―#6285 組成屬性集#6418，被屬性關(guān)聯(lián)#6419 引用。板#6679―#8011與螺栓#8102等子構(gòu)件的IFC格式數(shù)據(jù)與梁#6360相似。上述數(shù)據(jù)構(gòu)成了一個(gè)完整的構(gòu)件組信息表達(dá)。

圖14 某構(gòu)件組IFC格式數(shù)據(jù)示例Fig.14 Example of IFC formate data for an element group

模型的參數(shù)化程度是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。選取前文提及的3款支持IFC格式文件導(dǎo)出功能的BIM建模軟件，完成實(shí)體模型的建模并導(dǎo)出IFC 格式數(shù)據(jù)，最后與采用參數(shù)化數(shù)據(jù)交互技術(shù)的3D3S Solid軟件進(jìn)行信息保留率的對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。表3 中，信息保留率指的是模型信息可成功轉(zhuǎn)化為相應(yīng)IFC信息的數(shù)量百分比。模型中各類(lèi)信息數(shù)量可從軟件的統(tǒng)計(jì)功能中讀取或計(jì)算得出，IFC 格式文件中各類(lèi)信息數(shù)量可通過(guò)IFC格式文件解析軟件IfcViewer以IFC參數(shù)的類(lèi)名為關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)得出。

表3 各軟件IFC格式數(shù)據(jù)交互測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of IFC formate data-exchange for different modeling softwares

由表3 可見(jiàn)，各軟件均準(zhǔn)確地將所有構(gòu)件以各種方式轉(zhuǎn)化為IFC 格式數(shù)據(jù)，但所得IFC 格式數(shù)據(jù)的參數(shù)化程度不同。除極少量異形構(gòu)件及B-rep面片切割體外，3D3S Solid 中構(gòu)件的空間方位、截面、切割信息均被參數(shù)化轉(zhuǎn)換，而其余軟件至多參數(shù)化轉(zhuǎn)換了純拉伸實(shí)體，無(wú)法參數(shù)化轉(zhuǎn)換布爾運(yùn)算實(shí)體，參數(shù)化程度低。有的軟件則將所有構(gòu)件轉(zhuǎn)換為Brep面片實(shí)體，丟失了全部的方位、截面及切割信息。此外，3D3S Solid采用了參數(shù)化的組信息交互技術(shù)，而其余軟件有些非參數(shù)化地轉(zhuǎn)換了組信息，導(dǎo)致子構(gòu)件屬性信息丟失，有些則無(wú)法轉(zhuǎn)換組信息。由表3可見(jiàn)，所述參數(shù)化數(shù)據(jù)交互技術(shù)保留了97.90%的實(shí)體模型參數(shù)，高于現(xiàn)有商業(yè)應(yīng)用技術(shù)30%～40%，并且基本符合IFC 格式數(shù)據(jù)交互中避免信息錯(cuò)誤、信息丟失的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體模型IFC格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)參數(shù)化程度較低、信息錯(cuò)誤及信息丟失嚴(yán)重的現(xiàn)狀，提出了參數(shù)化的IFC 格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)。該技術(shù)的運(yùn)用可極大提高IFC格式數(shù)據(jù)交互的信息完整性與參數(shù)化程度，顯著降低模型修改和重建所需的工作量。參數(shù)化IFC格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)重點(diǎn)改進(jìn)了布爾運(yùn)算與組信息的表達(dá)方式，如：采用IFC布爾運(yùn)算記錄了模型構(gòu)件的細(xì)節(jié)建模過(guò)程，保留了模型幾何實(shí)體的切割、合并等信息；采用組信息表示聚合關(guān)系，保留了“組-構(gòu)件”的層次關(guān)系及子構(gòu)件屬性參數(shù)。布爾運(yùn)算及組信息聚合關(guān)系的引入是避免實(shí)體模型IFC格式數(shù)據(jù)信息錯(cuò)誤、信息丟失的重要舉措。在3D3S Solid 實(shí)體建造軟件的基礎(chǔ)上使用C++語(yǔ)言及ObjectArx二次開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了所提出的IFC 格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。經(jīng)測(cè)試，通過(guò)該功能生成的IFC格式數(shù)據(jù)文件能夠在主流BIM軟件中準(zhǔn)確表達(dá)并能二次編輯，信息完整度好。相較現(xiàn)有主流IFC 格式數(shù)據(jù)交互技術(shù)，參數(shù)化交互技術(shù)的模型信息保留率提高了30%～40%，可顯著促進(jìn)建筑行業(yè)各方的數(shù)據(jù)互通與協(xié)同工作，提高工作效率。

作者貢獻(xiàn)聲明:

張其林：提出研究思路，指導(dǎo)研究方案，設(shè)計(jì)論文框架，審閱論文，提供技術(shù)及經(jīng)費(fèi)支持。

舒沈睿：調(diào)研及整理文獻(xiàn)，參與研究工作，參與程序編寫(xiě)，起草并修訂論文。

滿(mǎn)延磊：調(diào)研及整理文獻(xiàn)，參與研究工作，指導(dǎo)程序編寫(xiě)，審閱并修訂論文。