基于工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)BIM全數(shù)據(jù)交互技術(shù)

張其林， 唐子涵， 滿延磊

（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 研發(fā)部，上海 200433）

傳統(tǒng)建筑行業(yè)因高度分散的行業(yè)特性、不同參建方技術(shù)應(yīng)用的不一致性等因素，存在較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)損失現(xiàn)象[1］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出現(xiàn)，推動(dòng)了建筑業(yè)信息化變革的浪潮。BIM技術(shù)旨在以建筑信息為基礎(chǔ)構(gòu)建計(jì)算機(jī)建筑信息模型，使建筑設(shè)計(jì)、建造、管理等各階段信息高度集成，促進(jìn)項(xiàng)目各參與方高效協(xié)同工作[2］，提高設(shè)計(jì)施工效率、控制資源浪費(fèi)。BIM技術(shù)發(fā)展的核心是在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)多專業(yè)領(lǐng)域、多時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享。然而，由于建筑領(lǐng)域設(shè)計(jì)軟件繁多、不同軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型的讀取與輸出機(jī)制不同，信息交互仍存在較大阻礙[3］。迄今為止，國(guó)內(nèi)外仍未能實(shí)現(xiàn)基于一套BIM模型完成的全過(guò)程正向設(shè)計(jì)，不同階段、不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員常需對(duì)其他BIM軟件傳輸?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行大量修改或二次建模，導(dǎo)致模型信息不集成、不連續(xù)，且消耗大量時(shí)間、人力成本。為打破不同BIM軟件間的信息傳輸壁壘，國(guó)際智慧建筑聯(lián)盟制訂了工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Classes，IFC）標(biāo)準(zhǔn)作為國(guó)際通用的BIM數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)[4］，對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、傳遞、共享。IFC標(biāo)準(zhǔn)采用STEP標(biāo)準(zhǔn)與面向?qū)ο蟮腅XPRESS語(yǔ)言描述，具有公開化、結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο蟮忍卣鱗5-6］，按照層級(jí)進(jìn)行劃分的框架具有較強(qiáng)的可讀性與可擴(kuò)展性[7］，是解決BIM數(shù)據(jù)交互問(wèn)題的基礎(chǔ)。

鋼結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前應(yīng)較為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，由于其體系、構(gòu)件、連接類型復(fù)雜多樣，且力學(xué)分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)深化等各階段相對(duì)獨(dú)立，對(duì)高準(zhǔn)確性、高效率的BIM 數(shù)據(jù)交互功能的需求較為迫切。但現(xiàn)有的基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)BIM信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與完整性較低，嚴(yán)重影響了鋼結(jié)構(gòu)BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文提出了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)BIM 全數(shù)據(jù)交互技術(shù)，其中導(dǎo)出技術(shù)最大限度保留了鋼結(jié)構(gòu)模型信息，可獲得較高的BIM軟件IFC數(shù)據(jù)解析支持率；針對(duì)Tekla軟件開發(fā)的專用導(dǎo)入接口，能實(shí)現(xiàn)IFC模型全信息讀取與編輯，打通了鋼結(jié)構(gòu)從計(jì)算、深化到出圖的全信息交互節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)BIM技術(shù)應(yīng)用的高精確性與高效率。

1 鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)IFC數(shù)據(jù)交互研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，建筑設(shè)計(jì)階段對(duì)基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互技術(shù)的研究主要集中于IFC 數(shù)據(jù)映射、信息集成共享與相關(guān)應(yīng)用開發(fā)等方面。Lipman[8］研究了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與IFC 數(shù)據(jù)的映射方法，為IFC 標(biāo)準(zhǔn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)；Wu等[9］從語(yǔ)義與幾何信息的角度出發(fā)提出了一種基于BIM 數(shù)據(jù)集的IFC 數(shù)據(jù)映射優(yōu)化方法；Kang 等[10］設(shè)計(jì)了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息提取、轉(zhuǎn)換與加載框架，并對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)與GIS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了集成研究。諸多研究成果被應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道等多種結(jié)構(gòu)形式的模型轉(zhuǎn)化中[11-13］，使IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范疇得到進(jìn)一步豐富與擴(kuò)展。

目前在基于IFC數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用領(lǐng)域，多數(shù)深化設(shè)計(jì)與實(shí)體建模類BIM軟件均提供IFC格式模型的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，如Revit、Tekla Structure、ArchiCAD、Bentley、Advance Steel等，但其應(yīng)用效果并不盡如人意。許多學(xué)者在研究中指出，IFC數(shù)據(jù)于不同軟件中傳輸時(shí)存在一致性問(wèn)題，Turk Z等[3］通過(guò)IFC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換測(cè)試發(fā)現(xiàn)以IFC標(biāo)準(zhǔn)描述的建筑信息模型在不同BIM軟件間傳遞會(huì)出現(xiàn)信息錯(cuò)誤、構(gòu)件丟失、表達(dá)不一致等現(xiàn)象；Ghang Lee等[15］發(fā)現(xiàn)同一模型在不同軟件中輸出的IFC文件在大小、編號(hào)、描述構(gòu)件所使用的對(duì)象類型與屬性等方面都存在差異。綜上所述，IFC數(shù)據(jù)在BIM軟件間的傳輸主要存在兩方面問(wèn)題：一是模型IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息表達(dá)錯(cuò)誤甚至丟失的現(xiàn)象；二是即使通過(guò)IFC文件獲取到較為完整的鋼結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)，部分BIM 軟件對(duì)模型信息的解析功能仍不夠完善，且不同軟件間IFC數(shù)據(jù)到實(shí)體模型的映射算法不統(tǒng)一、存在信息表達(dá)歧義，難以完整準(zhǔn)確的還原結(jié)構(gòu)模型[16］，影響模型傳輸效率。

在信息導(dǎo)出錯(cuò)誤與丟失方面，以某鋼結(jié)構(gòu)框架模型為例，將其在兩類BIM軟件間以IFC格式進(jìn)行傳輸，模型出現(xiàn)了較為明顯的桿件缺失（見(jiàn)圖1a），且切割過(guò)的板件只保留了實(shí)體外觀，其切割信息、厚度、編號(hào)等關(guān)鍵屬性均丟失，無(wú)法進(jìn)行參數(shù)化二次編輯（見(jiàn)圖1b）。

圖1 IFC模型信息傳輸問(wèn)題Fig.1 Error in transmission of information from IFC model

在信息解析不完全方面，以鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件Tekla Structures 為例，其內(nèi)置 “參考模型” 功能接受*. ifc格式文件導(dǎo)入，但解析所得模型的信息保留率較低，大量零構(gòu)件出現(xiàn)幾何外觀表達(dá)錯(cuò)誤，無(wú)法直接用于深化設(shè)計(jì)與出圖。例如，將某圓管柱IFC 模型導(dǎo)入Tekla，發(fā)現(xiàn)柱身出現(xiàn)了嚴(yán)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(duì)象轉(zhuǎn)換變更管理” 功能，可通過(guò)轉(zhuǎn)換、作為擠壓轉(zhuǎn)換、作為項(xiàng)轉(zhuǎn)換等選項(xiàng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，但即使經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，模型仍存在構(gòu)件丟失現(xiàn)象，如圖2b 所示，且轉(zhuǎn)換無(wú)法批量操作，對(duì)體量較大的建筑模型，逐一轉(zhuǎn)換調(diào)整構(gòu)件并不現(xiàn)實(shí)。綜上，經(jīng)由IFC 標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)模型，常需要工程人員進(jìn)行大量步驟繁瑣的修改調(diào)整，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。因此提升鋼結(jié)構(gòu)IFC 數(shù)據(jù)導(dǎo)出的準(zhǔn)確性與兼容性，針對(duì)部分IFC數(shù)據(jù)解析能力不足的BIM軟件創(chuàng)建相應(yīng)的IFC數(shù)據(jù)解析接口，已成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

圖2 Tekla對(duì)IFC模型的表達(dá)錯(cuò)誤Fig.2 Wrong expression of IFC model by Tekla

2 IFC數(shù)據(jù)與鋼結(jié)構(gòu)模型間的轉(zhuǎn)換

2.1 模型數(shù)據(jù)到IFC數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)

為提升IFC 數(shù)據(jù)導(dǎo)出的完整性、準(zhǔn)確性與兼容性，根據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)下的模型表達(dá)機(jī)制，設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)至IFC 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換流程，整體思路可劃分為模型幾何信息導(dǎo)出與附加屬性導(dǎo)出兩部分。

2.1.1 模型幾何信息導(dǎo)出

模型中構(gòu)件幾何信息可通過(guò)IFC 構(gòu)件類IfcElement 及其派生類描述。構(gòu)件在不同軟件中IFC 類轉(zhuǎn)換差異，是導(dǎo)致幾何信息傳輸錯(cuò)誤的一大原因。例如，梁、柱、板等構(gòu)件分別可轉(zhuǎn)換為IfcBeam類、IfcColumn 類、IfcPlate 類，也 可 統(tǒng) 一 轉(zhuǎn) 換 為IfcBuildingElementProxy 類，研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)BIM 軟件對(duì)前者有更強(qiáng)的解析能力；焊縫、螺栓等連接可轉(zhuǎn)換 為 IfcDiscreteAccessory 類 、IfcMechanical-Fastener類等，經(jīng)測(cè)試不同方式導(dǎo)出構(gòu)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(dǎo)出的構(gòu)件信息擁有最大程度的完整性與兼容性。

導(dǎo)致信息丟失、二次編輯困難的另一原因，是構(gòu)件的幾何實(shí)體項(xiàng)表達(dá)方式差異。若構(gòu)件幾何構(gòu)型規(guī)則，其幾何實(shí)體項(xiàng)IfcGeometricRepresentationItem可通過(guò)IFC拉伸實(shí)體IfcExtrudedAreaSolid、IFC旋轉(zhuǎn)實(shí)體IfcRevolvedAreaSolid 等參數(shù)化實(shí)體表達(dá)，其信息保留率較高，能夠二次編輯。若構(gòu)件形狀復(fù)雜，難以通過(guò)既有IFC參數(shù)化實(shí)體表達(dá)，可采用參數(shù)化程度較低的IFC面片實(shí)體IfcFacetedBrep替代，面片實(shí)體將構(gòu)件擬合為網(wǎng)格化的三角面片，能描述實(shí)體幾何外觀，通用性較強(qiáng)且算法簡(jiǎn)單，是目前BIM軟件對(duì)構(gòu)件的主流轉(zhuǎn)化方式，但其信息保留率低，導(dǎo)出后無(wú)法二次編輯。對(duì)比兩種表達(dá)方式，結(jié)果如表1所示。

表1 IFC幾何實(shí)體項(xiàng)表達(dá)方式對(duì)比Tab.1 Comparison of IFC geometric entity item expressions

為減少B-rep面片實(shí)體帶來(lái)的信息丟失，本研究對(duì)復(fù)雜構(gòu)件優(yōu)先采用CSG（Constructive Solid Geometry）體素構(gòu)造法描述，CSG將復(fù)雜實(shí)體視作簡(jiǎn)單幾何實(shí)體的布爾運(yùn)算結(jié)果，其中簡(jiǎn)單幾何實(shí)體可采用參數(shù)化IFC實(shí)體描述，以提高構(gòu)件信息保留率。例如，基于CSG法創(chuàng)建切割體、被切割體的IFC參數(shù)化幾何實(shí)體，將其視為布爾算子IfcBooleanOperand，應(yīng)用IFC標(biāo)準(zhǔn)提供的union/intersect/difference三種運(yùn)算符執(zhí)行布爾運(yùn)算。若構(gòu)件經(jīng)歷過(guò)線/面切割，可通過(guò)IFC標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)榘肟臻g體深度方向。模型構(gòu)件幾何信息轉(zhuǎn)換思路如圖3所示。

圖3 IFC構(gòu)件幾何信息轉(zhuǎn)換Fig.3 Geometric information conversion of IFC elements

2.1.2 模型附加屬性導(dǎo)出

模型附加屬性包含構(gòu)件截面、材質(zhì)、編號(hào)、組信息等，目前多數(shù)BIM 軟件對(duì)IFC 附加屬性轉(zhuǎn)換處理較少。本文為最大限度保留模型信息，通過(guò)以下三種方式導(dǎo)出其附加屬性：

一為材料屬性，可通過(guò)IfcRelAssociatesMaterial關(guān)聯(lián)構(gòu)件與其材料集IfcMaterial 導(dǎo)出，經(jīng)驗(yàn)證此方式可獲取較高的BIM軟件解析支持率。

二為截面、編號(hào)等基本屬性與常用構(gòu)件附加屬性，可通過(guò)屬性集IfcPropetySet 中的HasProperties引用單值屬性，再以IfcRelDefinesByProperties 建立構(gòu)件與屬性集間關(guān)聯(lián)的方式導(dǎo)出。其中構(gòu)件附加屬性增加了可導(dǎo)出的信息種類，如對(duì)桿件，實(shí)現(xiàn)端部定位點(diǎn)重心坐標(biāo)導(dǎo)出；對(duì)板件，實(shí)現(xiàn)切角類型、切角尺寸導(dǎo)出；對(duì)螺栓、錨栓、鉚釘，實(shí)現(xiàn)規(guī)格、裝配類型、排列方式等信息導(dǎo)出；對(duì)焊縫，實(shí)現(xiàn)類型、角焊縫高度（若為角焊縫）等信息導(dǎo)出。此方式可便捷導(dǎo)出多種自定義屬性，且不受表達(dá)方式限制，思路如圖4所示。

圖4 IFC構(gòu)件屬性轉(zhuǎn)換Fig.4 Attribute conversion of IFC elements

三為目前絕大多數(shù)BIM軟件均未考慮的組信息，包括構(gòu)件組、節(jié)點(diǎn)組等。組信息導(dǎo)出最重要的是同時(shí)保留構(gòu)件自身參數(shù)化信息與依附關(guān)系，經(jīng)研究本文采用IFC 聚合關(guān)系類IfcRelAggregates 描述組，以抽象類 聚 合 元 素 集 IfcElementAssembly 作 為RelatingObject提示組關(guān)系，以RelatedObjects定義組構(gòu)件集合，該方式使組層級(jí)與構(gòu)件屬性均得以保留，實(shí)現(xiàn)了高參數(shù)化水平的組信息轉(zhuǎn)換，思路如圖5所示。

綜上，設(shè)計(jì)如圖6所示的模型IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出流程。

圖6 模型IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出流程Fig.6 Exporting process of model IFC data

經(jīng)上述流程導(dǎo)出的鋼結(jié)構(gòu)模型IFC 文件，可將模型中零構(gòu)件幾何外觀、坐標(biāo)方位、布爾運(yùn)算過(guò)程等幾何信息與零構(gòu)件材料、截面、編號(hào)、組關(guān)系等附加屬性完整準(zhǔn)確的表達(dá)，且映射算法具有較強(qiáng)的兼容性，能夠于主流BIM 軟件中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的幾何構(gòu)型表達(dá)與參數(shù)化構(gòu)件二次編輯。

2.2 IFC數(shù)據(jù)到模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)模型全數(shù)據(jù)交互與二次編輯、出圖，還需完善BIM軟件對(duì)IFC數(shù)據(jù)的解析功能。本文選取常用于施工圖繪制、對(duì)模型可編輯性要求較高的Tekla軟件，研究針對(duì)Tekla 的IFC 數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，設(shè)計(jì)IFC數(shù)據(jù)到Tekla模型數(shù)據(jù)的完整轉(zhuǎn)換流程。

IFC 結(jié)構(gòu)模型可通過(guò)IfcProject 表達(dá)，其依次關(guān)聯(lián)模型場(chǎng)地、建筑、樓層信息，以及模型整體的空間坐標(biāo)方位。解析IfcElement 類，可獲得全部建筑構(gòu)件信息，遍歷其中成員，可逐一轉(zhuǎn)化構(gòu)件。

Tekla中IFC構(gòu)件解析需按一定順序進(jìn)行。部分實(shí)體存在關(guān)聯(lián)實(shí)體，如切割體、被切割體可視為切割結(jié)果的關(guān)聯(lián)實(shí)體，被連接構(gòu)件可視為連接件的關(guān)聯(lián)實(shí)體。以Tekla零件切割為例，執(zhí)行切割的方式為實(shí)例化一個(gè)BooleanPart 對(duì)象，設(shè)置已存在的零件為該對(duì)象的被切割體Father與切割體OperativePart，若該對(duì)象Insert成功，說(shuō)明切割成功。因此這部分IFC實(shí)體解析時(shí)，需滿足其關(guān)聯(lián)實(shí)體均已生成的先決條件，考慮采用拓?fù)渑判蛩悸罚簩?duì)不存在關(guān)聯(lián)實(shí)體的構(gòu)件先行解析，每解析完成一個(gè)構(gòu)件，記錄該構(gòu)件IFC標(biāo)識(shí)符GlobalId 與Tekla 標(biāo)識(shí)符Identifier 間的哈希映射；若當(dāng)前構(gòu)件存在關(guān)聯(lián)實(shí)體，獲取其算子BooleanOperand的IFC標(biāo)識(shí)符GlobalId，判斷哈希表中是否已存儲(chǔ)該GlobalId 作為鍵值，若否，說(shuō)明當(dāng)前構(gòu)件存在布爾算子尚未生成，無(wú)法執(zhí)行切割操作，需暫緩解析。所有關(guān)聯(lián)實(shí)體單向記錄，即解析不存在環(huán)路。

Tekla構(gòu)件創(chuàng)建時(shí)需要設(shè)置屬性，故實(shí)例化構(gòu)件對(duì)象前需先通過(guò)反向?qū)傩訧fcRelDefinesByProperties獲取與當(dāng)前構(gòu)件對(duì)象IfcElement 相關(guān)聯(lián)的屬性集，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)哈希表記錄屬性名與屬性值間的映射關(guān)系。考慮到Tekla中材料庫(kù)、截面庫(kù)設(shè)計(jì)依據(jù)為歐洲規(guī)范，屬性解析前先建立國(guó)標(biāo)與歐標(biāo)間關(guān)于材料、截面類型的轉(zhuǎn)換機(jī)制。

解析螺栓、錨栓等連接構(gòu)件時(shí)，由于螺栓群可圍繞定位點(diǎn)與定位軸線進(jìn)行偏移與旋轉(zhuǎn)，這為栓群位置的確定帶來(lái)較大困難。本研究采用記錄螺栓局部坐標(biāo)系，螺栓創(chuàng)建時(shí)將模型整體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)系，基于構(gòu)件坐標(biāo)層次進(jìn)行螺栓定位，待創(chuàng)建完畢再還原整體坐標(biāo)系的方式，解決了螺栓定位問(wèn)題。屬性賦值階段先設(shè)置螺栓規(guī)格、直徑、裝配類型等基本信息，再通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體的IFC 標(biāo)識(shí)符GlobalId 與此前記錄的已生成Tekla 構(gòu)件的GlobalId 到Identifier 間的哈希映射找到待連接構(gòu)件，綁定其為螺栓的PartToBoltTo 與PartToBeBolted 對(duì)象，完成螺栓實(shí)體導(dǎo)入。零構(gòu)件創(chuàng)建過(guò)程及實(shí)例化相應(yīng)類需賦值的成員變量如圖7所示。

圖7 Tekla零構(gòu)件創(chuàng)建與屬性設(shè)置Fig.7 Component creation and property setting of Tekla

由于拓?fù)渑判蛄鞒檀_保其布爾算子已擁有Tekla實(shí)體，解析布爾類型構(gòu)件時(shí)可直接獲取相應(yīng)實(shí)體并利用實(shí)例化零件切割（BooleanPart）、面切割（CutPlane）等類對(duì)象，執(zhí)行IfcBooleanOperator 記錄的切割或延伸操作，重現(xiàn)并維護(hù)構(gòu)件切割或連接過(guò)程。布爾切割流程及實(shí)例化相應(yīng)類需賦值的成員變量如圖8所示。

圖8 Tekla布爾實(shí)體創(chuàng)建與屬性設(shè)置Fig.8 Boolean entity creation and property setting of Tekla

解析模型組信息時(shí)，從IfcRelAggregates 類獲得組內(nèi)子構(gòu)件的IFC 標(biāo)識(shí)符，利用哈希映射確定對(duì)應(yīng)Tekla構(gòu)件實(shí)體，通過(guò)GetAssembly 方法獲取主零件的Assembly裝配對(duì)象，再將其余構(gòu)件加入該裝配單元，實(shí)現(xiàn)組信息轉(zhuǎn)換。綜上，設(shè)計(jì)如圖9所示的模型 IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程。

圖9 模型IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程Fig.9 Importing process of model IFC data

由于模型中零構(gòu)件均根據(jù)IFC數(shù)據(jù)重建，效果等同于直接在Tekla中手動(dòng)建模，故經(jīng)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(jié)構(gòu)IFC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出技術(shù)的程序依托同濟(jì)大學(xué)自主研發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)3D3S實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)⒊Ｒ?jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出為IFC文件。開發(fā)3D3S軟件系統(tǒng)需要C++編程語(yǔ)言與基于ObjectArx的AutoCAD二次開發(fā)環(huán)境。為將模型信息轉(zhuǎn)換為IFC格式數(shù)據(jù)，使用開源引擎IfcOpenShell，并通過(guò)自主設(shè)計(jì)的各類轉(zhuǎn)換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)ObjectArx中三維實(shí)體類AcDb3dSolid派生的各類構(gòu)件實(shí)體到IFC實(shí)體的轉(zhuǎn)換。

IFC數(shù)據(jù)Tekla專用導(dǎo)入接口的程序則依托基于C#編程語(yǔ)言的Tekla二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，由于IfcOpenShell解析器沒(méi)有C#版本，使用Xbim開源庫(kù)對(duì)IFC文件進(jìn)行解析，并利用Tekla官方應(yīng)用編程界面TeklaOpenAPI提供的類庫(kù)，實(shí)現(xiàn)IFC實(shí)體到Tekla模型中ModelObject類派生的各類構(gòu)件實(shí)體的轉(zhuǎn)換。

由3D3S IFC數(shù)據(jù)通用導(dǎo)出技術(shù)導(dǎo)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(dá)，直接將模型導(dǎo)入至Revit、ArchiCAD、Navisworks等軟件中，可實(shí)現(xiàn)模型幾何構(gòu)型交互，滿足模型中參數(shù)化構(gòu)件的二次編輯，這樣的數(shù)據(jù)接口可視作通用接口；同時(shí)為提升模型轉(zhuǎn)換精度、避免深化階段重復(fù)建模，開發(fā)針對(duì)Tekla的IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，使經(jīng)其導(dǎo)入的模型實(shí)現(xiàn)全信息保留與二次編輯，提升鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)效率，這樣的數(shù)據(jù)接口可視作專用接口。IFC模型轉(zhuǎn)換程序框架如圖10所示。

3.1 通用數(shù)據(jù)接口實(shí)例

為驗(yàn)證研發(fā)的通用數(shù)據(jù)接口工程應(yīng)用可行性，選取某輕鋼廠房模型，經(jīng)由3D3S Solid軟件導(dǎo)出為IFC格式文件。選擇建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用且支持IFC模型解析的BIM軟件Revit、ArchiCAD與Navisworks，導(dǎo)入該IFC文件，所得模型整體與細(xì)部效果如圖11、12所示。

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

圖12 廠房IFC模型細(xì)部導(dǎo)出效果Fig.12 Exporting detailed results for IFC model of workshop

經(jīng)對(duì)比分析，導(dǎo)出的IFC模型信息完整、表達(dá)準(zhǔn)確，參數(shù)化程度較高，在幾類測(cè)試軟件中均體現(xiàn)出較優(yōu)的交互效果。

選取Tekla、Revit、ArchiCAD 3款自帶IFC導(dǎo)出功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，統(tǒng)計(jì)其導(dǎo)出的IFC 模型數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化率，對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表格可見(jiàn)，相較于其余3款BIM軟件，3D3S IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出技術(shù)能夠獲得更高的實(shí)體切割、構(gòu)件局部坐標(biāo)等幾何信息的轉(zhuǎn)化率，并通過(guò)參數(shù)化組信息與構(gòu)件附加屬性豐富了可導(dǎo)出的信息種類，具有較為顯著的信息轉(zhuǎn)化優(yōu)勢(shì)。

表2 不同軟件導(dǎo)出IFC模型的信息轉(zhuǎn)化率對(duì)比Tab.2 Comparison of information conversion rates of IFC models exported by different softwares

3.2 專用數(shù)據(jù)接口實(shí)例

為驗(yàn)證研發(fā)的針對(duì)Tekla的IFC專用數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口的工程應(yīng)用可行性，選取某輕鋼廠房模型與某會(huì)展中心模型，經(jīng)由3D3S Solid軟件導(dǎo)出為IFC格式文件，使用接口導(dǎo)入至Tekla。所得廠房模型及其細(xì)部構(gòu)造如圖13所示，會(huì)展中心模型及其細(xì)部構(gòu)造如圖14所示。

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

圖14 會(huì)展中心IFC模型于Tekla中導(dǎo)入效果Fig.14 Importing results to Tekla for IFC model of exhibition center

對(duì)比使用IFC 數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口前后的Tekla 模型信息轉(zhuǎn)化率，如表3所示。使用導(dǎo)入接口后，模型幾何構(gòu)型、切割信息、附加屬性等轉(zhuǎn)化率大幅提升，并新增深化設(shè)計(jì)所需的關(guān)系信息與組信息導(dǎo)入，基本滿足后續(xù)深化設(shè)計(jì)與圖紙繪制需求，顯著提升計(jì)算模型到深化模型的轉(zhuǎn)化效率。

表3 使用IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口前后模型信息轉(zhuǎn)化率對(duì)比Tab.3 Comparison of model information conversion rates before and after using the IFC data import interface

3.3 全數(shù)據(jù)交互技術(shù)性能分析

從運(yùn)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(gè)螺栓、2 482 段焊縫、6 784 組節(jié)點(diǎn)，經(jīng)IFC 數(shù)據(jù)導(dǎo)出技術(shù)轉(zhuǎn)換得到的IFC 文件大小為246MB，導(dǎo)出用時(shí)8min 11s；導(dǎo)入Revit 軟件，用時(shí)8min 46s，導(dǎo)入ArchiCAD 軟件，用時(shí)3min 37s；應(yīng)用專用數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Tekla 軟件，用時(shí)5min 32s，表現(xiàn)了全數(shù)據(jù)交互技術(shù)較優(yōu)的空間性能與運(yùn)行效率。

從數(shù)據(jù)格式層面分析，中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的工程管理軟件PKPM同樣開發(fā)了導(dǎo)出模型至Tekla 的功能，但其模型存儲(chǔ)為mdb格式，導(dǎo)出與導(dǎo)入均需特定的轉(zhuǎn)換接口，無(wú)法滿足導(dǎo)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(fā)數(shù)據(jù)接口的功能對(duì)比如表4所示，可知使用IFC 格式進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出并開發(fā)基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)入接口通用性較強(qiáng)，且具有 “進(jìn)可攻、退可守” 的優(yōu)勢(shì)。使用專用接口能夠有針對(duì)性的將IFC 模型全部信息導(dǎo)入指定BIM 軟件，無(wú)需重復(fù)建模即可進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、施工圖出圖等流程；使用通用接口則能將IFC模型幾何構(gòu)型與參數(shù)化構(gòu)件全部信息導(dǎo)入主流BIM 軟件，實(shí)現(xiàn)模型整體基于幾何層次的數(shù)據(jù)交互與參數(shù)化構(gòu)件的二次編輯。

表4 不同格式下數(shù)據(jù)接口的對(duì)比Tab.4 Feature comparison of data interfaces in different formats

4 結(jié)論

（1） 本文針對(duì)現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)BIM軟件基于IFC標(biāo)準(zhǔn)下的模型數(shù)據(jù)交互問(wèn)題，研發(fā)了一種全數(shù)據(jù)交互技術(shù)，克服了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有軟件平臺(tái)在鋼結(jié)構(gòu)模型IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出中存在的主要弊端，大幅提升了BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造全過(guò)程中應(yīng)用的準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性與效率。

（2） 為提高IFC模型信息導(dǎo)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(jìn)行零構(gòu)件轉(zhuǎn)換，并采用參數(shù)化程度較高的IFC實(shí)體描述基本構(gòu)件、CSG體素構(gòu)造體描述異形構(gòu)件，減少了因應(yīng)用面片實(shí)體帶來(lái)的鋼構(gòu)件模型參數(shù)大量丟失的現(xiàn)象，提高了模型的可編輯性。除可導(dǎo)出構(gòu)件材料、截面、編號(hào)等基本屬性外，還可導(dǎo)出任意類型鋼構(gòu)件重要的附加信息，能夠滿足鋼構(gòu)件對(duì)可導(dǎo)出信息的嚴(yán)苛要求。

（3） 通過(guò)專用數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)，可將IFC模型完整準(zhǔn)確的傳入Tekla軟件，避免了深化設(shè)計(jì)階段重復(fù)建模，提高了基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)模型深化與出圖效率。

（4） 本文研發(fā)的IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出技術(shù)具有較強(qiáng)的通用性與普適性，所得IFC模型能夠在主流BIM軟件中實(shí)現(xiàn)基于幾何構(gòu)型層次的數(shù)據(jù)交互與參數(shù)化構(gòu)件的二次編輯；IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口具有較強(qiáng)的針對(duì)性，適用于對(duì)模型可編輯性要求較高的情況，通過(guò)專用接口開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)模型全信息轉(zhuǎn)換與二次編輯，使BIM模型呈現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)交互效果。

（5） 本文研究的IFC全數(shù)據(jù)交互技術(shù)已成功應(yīng)用于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程中，與傳統(tǒng)方法相比，可將鋼結(jié)構(gòu)BIM技術(shù)的應(yīng)用效率提高2-3倍，并避免了重復(fù)建模可能帶來(lái)的人為差錯(cuò)。

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，審閱論文并提出修改意見(jiàn)，提供技術(shù)及經(jīng)費(fèi)支持；

唐子涵：調(diào)研及整理文獻(xiàn)，參與研究工作，完成程序編寫，起草并修訂論文；

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