IFC标准在建筑信息模型(BIM)技术中的应用浅析

IFC 标准在建筑信息模型（BIM ）技术中的应用浅析1
李占仓1，2 刘占省1 徐瑞龙1
北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京100039 ；天津职业大学，天津 300410
摘要：基于建筑信息模型（BIM ）技术的应用系统，可以创建虚拟建筑模型。

在工程建设的实施过程中，需要处理大量复杂的工程数据信息，如何有效地组织和利用这些信息，实现与工程项目相关的各单位、以及不同专业应用系统之间的信息交流和共享，是目前我国建设领域信息化亟待解决的问题。

IFC 是建筑行业的数据标准，它通过提供通用的建筑模型和开放的数据交换标准，实现建筑生命周期中不同专业、不同阶段设计软件之间的信息交互与共享。

本文对BIM 技术进行了简要的介绍，然后由建筑信息的交互与共享引出IFC 标准，并对IFC 在BIM 中的应用进行了探讨。

关键词：BIM ，IFC 标准，数据接口
1 建筑信息模型(BIM)技术简介
在建筑的信息时代，将二维建筑信息转变为一个包含真实建筑所有信息的虚拟建筑，并实现横向整个建筑行业内，纵向整个建筑生命周期的信息共享和交流，成为提高建筑业生产效率的一个重要途径。

建筑信息模型（BIM ），是信息技术应用于建筑业的产物。

在建筑设计中，基于 BIM 技术的应用系统所创建的虚拟建筑模型，如图1所示，包含了大量建筑材料、建筑结构、建筑工艺等信息。

该虚拟建筑模型是一个综合数据库，不仅可以用于建筑设计，还可以用于结构设计、工程量统计、物业管理、成本计算等，可以在整个建筑业中管理建筑生命周期的全部信息[1]。

图1 虚拟建筑模型
1.1 BIM 技术的产生
计算机辅助设计 (CAD)技术的应用，让设计师们摆脱了制图板的束缚，使传
业主 承建单位
产品制造商
信息提供者 工程师 政府管理机构 用户 设备管理者 开发商 工程量统计 成本预算
统的纸质图纸电子化，为设计的增添和修改带来了很大的便利。

但是，CAD技术只是通过点、线、面等几何图形机械地表示建筑意图，各个建筑构件之间没有相互的联系和制约，CAD软件只是一种画图工具，二维图形数据在后续阶段的再利用也不理想。

在这种情况下建筑信息模型(BIM)技术产生并发展起来。

BIM 是建筑信息模型（Building Information Model）的简称，这个概念是由美国乔治亚技术学院建筑与计算机专业的查克·伊斯曼博士提出的：“建筑信息模型综合了所有的几何模型信息、功能要求和构件性能，将一个建筑项目整个生命周期内的所有信息整合到一个单独的建筑模型中，而且还包括施工进度、建造过程、维护管理等的过程信息”[2]。

1.2 BIM 技术的原理
BIM是一种基于对象的CAD 技术，用于对建筑进行数字描述。

利用BIM 技术可以在一个模型中存储完整的建筑信息。

BIM 技术创建的建筑信息模型在多个专业学科之间的信息交互，以及在整个建筑生命周期中信息使用方面，具有强大的优势。

根据需要，可以将数据表现为3D 模型、或者2D 施工图，或者转化为二进制数据流输出到其他软件中。

BIM 软件不再是简单的几何绘图工具，操作的对象也不再是点、线、圆等简单的几何对象，而是墙体、门、窗等建筑构件；在计算机上建立和修改的也不再是没有关联的点和线，而是由一个个建筑构件组成的建筑整体[1]，如图2所示。

图2 绘图软件与BIM 软件进行建筑设计的比较
在BIM 应用系统中，建筑构件被数字化的对象通过编码去描述真实的建筑构件[3]。

一个对象有一系列参数来描述其属性。

这些参数信息构成了建筑对象的属性。

例如，一个墙对象是一个具有墙的所有属性的对象，不仅包括几何信息，还包含了材料、保温、隔热性能、墙体规格等。

2 IFC标准简介
BIM技术的虚拟建筑模型，包含了真实建筑的全部信息，但如何使用这些信息，保证不同公司开发的软件无障碍地应用到同一个项目中，保证不同系统之间进行数据和信息的共享和交互，是BIM技术能够得到推广的重要前提，这就需要有国际上统一的数据标准[4]。

2.1 IFC标准的产生
建筑行业从纸质的图纸转到CAD制图大大提高了工作效率，但是不同制图软件支持不同的内部数据格式，比如：Autodesk公司产品AutoCAD的dig格式，
Bentley 公司产品Micro Station 的den 格式，Graph soft 公司产品的Archibald 的gem 格式。

上世纪80年代末期，随着大型机械制造的需求，制造业发展了基于产品模型的数据交互标准(STEP)， ISO-10303标准系列。

该标准系列包含了EXPRESS 语言标准，以及应用该语言来描述的模型数据标准。

制造业中的标准是由行业中的几个主要的制造公司及其合作伙伴推动的。

而建筑业中的合作往往是基于具体的工程项目，合作时间也是根据项目而定，历时往往仅有2~3年左右。

这使得建筑行业更适合于采用类似于开源标准的模式，采用公开的数据格式来推行建筑信息交互的标准[5]。

采用统一的数据格式和交换标准，让不同的应用软件设计基于这个标准的数据接口，就可以实现与其它应用软件的信息交互。

IAI 制定了一种数据标准使绘图信息可以方便的转换和分享，称为IFC 标准。

协同工作的软件有一个共同的核心数据模型，每个软件只要有一个标准的数据接口输入和输出信息，就能和其他软件交换，如图3 所示。

图3 IFC 标准的研究目标
2.2 IFC 标准的体系架构
IFC 体系架构由4个层次所构成，从下到上分别是资源层(Resource Layer)、核心层(Core Layer)、交互层(Interoperability Layer)和领域层(Domain Layer)。

每层中都包含一系列的信息模块，并且遵守如下规则：每个层次只能引用同层次和下层的信息资源；当上层资源发生变动时，下层不会受到影响。

其体系架构见图4[6]。

(1) 资源层位于IFC 架构的最低层，能为其它层所引用。

主要是描述标准中用到的基本信息，不针对具体的行业，是无整体结构的分散信息，它作为描述基础应用于整个信息模型。

其中包括材料资源、几何限制资源和成本资源等。

建筑
工程师
图4 IFC体系架构
(2) 核心层是IFC架构的第2层，能被交互层与领域层引用。

主要提供基础的IFC对象模型结构与基本概念，将资源层信息组织起来，成为一个整体，来反映现实世界的结构。

包括核心和核心扩展2个层次。

(3) 交互层是IFC架构的第3层，主要为领域层服务。

领域层中的模型可以通过该层达到信息交互的目的。

该层主要解决了领域信息交互的问题，并且在该层次对各个系统的组成元素进行了细化。

包括共享空间元素、共享建筑元素、共享管理元素、共享设备元素和共享建筑服务元素5大类
(4) 领域层是IFC架构的最高层。

每一个使用定义在核心和独立资源层上的类信息的模型都是独立的。

其主要作用是深入到各个应用领域的内部，形成专题信息，比如暖通领域、工程管理领域等，还可根据实际需要进行扩展。

3 IFC标准的实现方法探讨
基于IFC标准的应用开发不需要将原有应用全部推翻，重新实现，只需要增加一个符合IFC标准的数据输入和输出接口即可[7]。

IFC标准实现方法需要相应的技术准备和方案的设计。

3.1 技术的准备
由于国内建筑软件开发商普遍不了解“规范化数据描述”技术路线，对数据交换标准也不熟悉，这使得基于IFC标准的应用的实现有一定的技术难度。

技术准备的主要内容是熟悉IFC标准的概况、应用领域和现状，学习支持实现的相关技术，了解IFC的概况、学习EXPRESS语言、熟悉IFC的整体框架。

3.1.1IFC的概况
标准的建立是解决信息交换与共享问题的关键。

国际协同工作联盟发布的建筑业国际工业标准IFC，作为建筑行业的数据交换标准，提供了建筑工程所处理的各种信息描述和定义的规范。

这里的信息既可以描述一个真实的物体，如建筑物的构件，也可以描述一个抽象的概念，如空间、组织、关系和过程等。

IFC大纲是IFC标准的主要内容，给出了IFC标准中各种实体的具体数据结
构定义。

IFC大纲的整体由信息资源层、信息核心层、信息共享层和领域层等4个层次构建。

了解IFC的概况，对我们的技术路线将产生深刻影响。

3.1.2 EXPRESS语言
IFC标准本质上是对建筑物和建筑工程数据的定义。

不同于一般应用数据的定义，它采用了EX-PRESS语言作为数据描述语言定义数据。

EXPRESS语言是一种面向对象的、规范化的数据描述语言。

EXPRESS语言的语法定义可以参考ISO 10303 Part11。

EXPRESS是为了数据描述而设计的语言，它侧重数据描述和定义。

而C++、Java等面向对象程序设计语言侧重点在描述操作。

所以，EXPRESS语言不能编译执行，但它的规范性可以帮助人们理解它的代码，也能被识别程序处理。

3.1.3 IFC的整体框架
IFC标准是目前对建筑物信息描述最全面、最详细的规范，包含的信息量非常丰富。

IFC的总体框架是分层和模块化的，整体分为四个层次，每个层次内又包含若干模块，详见前文。

对于一般的应用开发人员不需要了解IFC标准的全部内容，只需要了解对应部分即可。

3.2 方案设计
方案设计的主要内容是设计数据交换与共享的方式。

目前，主要有两种数据交换与共享的方式: 基于数据访问接口的数据共享和基于数据文件的数据交换[7]。

具体应用哪种方式视应用环境而定，下面分别讨论。

3.2.1 基于数据访问接口的数据共享
基于数据访问接口的共享如图5所示。

未知的系统只要能够操作标准数据访问接口SDAI(Standard Data Access Interface)就能与本系统共享数据。

图5 基于数据访问接口的共享
IFC标准规范本身没有定义数据操作，图中“标准数据访问接口”在ISO 10303 Part 22中定义，目前没有对应的国家标准。

在这种方式中数据存储部分是不需要符合IFC标准的。

所以，可以在已有数据存储的基础上添加一个标准数据访问接口。

这里数据存储是一个笼统的概念，既可以是文件、数据库，也可以只是内存中的一个数据结构。

3.2.2 基于数据文件的数据交换
未知的系统只要能够识别IFC格式的数据文件就能够与本系统交换数据。

IFC标准定义的是建筑工程数据的数据逻辑，例如墙体定义、洞口定义、门窗定
义、墙体与洞口之间的关系、洞口与门窗之间的关系等，但没有定义如何存储这些信息。

设计者可以自己定义如何在实际环境中存储信息。

但为了交换与共享的目的，必须保证文件中数据的逻辑和格式都是开放的、标准的。

遵循IFC标准只是数据逻辑的统一和标准化，还应配有相应的格式。

与IFC标准配套的数据文件格式有两种，一是指符合IFC标准的STEP中性格式文件，这种格式在ISO10303 Part21中定义，对应的国标是GB/T 16656 Part 21；二是指IAI定义的XML文件格式的数据交换。

基于文件交换如图6所示，两个应用系统只要能够识别IFC格式的数据文件就能够相互交换数据[9-10]。

首先由支持IFC标准的应用系统A生成基于IFC标准的建筑模型，该模型包含建筑构件的几何、材料、属性及其相互关系的信息。

这个模型可以保存在一个符合IFC标准的建筑模型文件(*.ifc)中。

另一个要交互的应用系统B可以直接从该模型文件中读取数据，提取所有相关的信息，完成两者交互的目的。

图6基于数据文件的数据交换
4 结论与展望
当前我国在IFC标准的研究和应用上是比较滞后的，主要原因应该有以下几个方面：
(1)虽然IFC标准是为建筑行业量身定做的信息标准，但比较庞大，不好掌握；
(2)在我国知道IFC标准的人员不多，人才缺乏；
(3)某些CAD开发商出于对市场的保护，依然采用独立和封闭的系统；
但是信息集成化是一个难以阻挡的潮流，传统的人工实现信息交互的模式越来越难适应当前社会的发展。

尤其是有些国内的建筑设计公司开始开拓海外市场，这更加需要有一个高效的数据交互方式以提高设计效率；另处，我们也要借鉴IFC标准的数据定义模式，毕竟它是当前优秀的建筑设计模型。

现在我国正在建设创新性国家，创新不等于闭门造车，应该积极吸收国外的先进成果和经验，在此基础上创造出有自己核心竞争力的优秀产品，这才能让我国建筑软件行业继续不断的发展。

参考文献
[1] 李云贵．基于国际标准IFC的工程建设信息共享[J]，2008
[2] 丁士昭，建设工程信息化导论．北京：中国建筑工业出版社，2005
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