建筑施工IFC数据描述标准的研究 清华大学

1、第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集 上海2011Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.建筑施工IFC数据描述标准的研究王勇，张建平，胡振中 (清华大学土木工程系，北京 100084)【摘要】 IFCC标准是是国际协协同工作作联盟IIAI发发布的建建筑产品品数据描描述标准准，IFCC标准提供供了建筑筑产品大部部分信息息模型的定义和和描述。但但是，在建筑筑施工领领域IFFC标准准的模型型体系尚尚不完善善，无法法完全满足足建筑施施工IFFC数据据描述的的需求。本本文通过过对IFFC标准准的体系系结

2、构、数数据描述述方法、扩展机制和应用流程的系统研究，建立面向建筑施工的IFC数据扩展模型，编制了建筑施工IFC数据描述标准，并通过工程实际应用验证了模型和标准的可行性和适用性，提出了对IFC标准进一步研究和应用的建议。【关键词】IFCC标准；EXPPRESSS语言言；信息模模型；数数据交换换；建筑筑施工Reseaarchh onn IFFC-bbaseed DDataa Deescrripttionn Sttanddardds iin CConsstruuctiionWang Yonng, Zhaang Jiaanpiing，HU Zheenzhhongg(Depaartmmentt off

3、Ciivill Ennginneerringg, TTsinnghuua UUnivverssityy, BBeijjingg 10000884, Chiina)Abstrractt: TThe Inddusttry Fouundaatioon CClasssess (IIFC) deevellopeed bby IInteernaatioonall Allliaancee foor IInteeropperaabillityy (IIAI) haas bbeenn knnownn ass a commmonn prroduuct moddel forr daata excchannge an

4、dd moodell shhariing. Inn arrchiiteccturre ddesiign, enntitty ttypees aand prooperrty setts iin IIFCss arre nnearrly enooughh too meeet thee neeedss. HHoweeverr, iin tthe connstrructtionn, eentiity typpes aree innsuffficciennt ffor datta ddesccripptioon. Theerefforee, wwe aanallysees tthe demmandd f

5、oor ddataa deescrripttionn inn coonsttrucctioon iin mmainnlannd CChinna, andd exxtennd tthe IFCC moodell. AAt llastt, wwe ttestt thhe eexteensiion moddel by somme rreall prrojeectss annd ggivee soome sugggesstioons forr fuurthher ressearrch. Key wwordds: Inddusttry Fouundaatioon CClasssess, EEXPRRES

6、SS,Innforrmattionn Moodell, IInfoormaatioon EExchhangge, Connstrructtionn.1概述IFC（IInduustrry FFounndattionn Cllassses）标标准11是由由国际协协作联盟盟（IAAI，Intternnatiionaal AAlliiancce ffor Intterooperrabiilitty）专专为建筑筑行业制制订的建建筑产品品数据描描述标准准。IFFC标准准自19997年年发布第第一个版版本以来来，已经经历了66个较大大版本的的更替。目目前，IIFC标标准已经经正式成成为ISSO标准准，其标标

7、准号为为ISOO/PAAS 1167339:2200552，最新新的正式式版本是是IFCC2x33。IFCC标准模模型的建建立借鉴鉴了工业业STEEP标准准的许多多成功经经验。与与STEEP标准准一样，IFC标准也采用EXPRESS语言45进行建筑产品模型的定义。在最新版的的IFCC标准IFFC2xx3Fiinall3中，共共定义实实体类型型数据6653个个，预定定义属性性集3112条，但但是随着着对IFFC研究究和应用用地深入入，研究究者们发发现IFFC现有有的模型型体系不不能满足足现实中中对信息息数据描描述的需需求，于于是提出出了各种种对IFFC模型型进行扩扩展的方方案，并并进行了了实践。

8、Schein J.等4通过EXPRESS-G语言建立了针对建筑自动化系统的信息模型，通过该模型使建筑自动化领域的应用软件可以在设计、运行及维护阶段的不同阶段间实现标准化的信息交换与共享。Yu K.等5针对物业管理领域开发了计算机集成的物业管理框架，并扩展了IFC标准，提出了用于物业管理的信息模型。Mahmoud Halfawy等6开发了AEC智能体模型用于基于IFC的信息集成，并以脚手架系统为例描述了其实现方法，通过增加IFC实体的方式实现智能体建模。【基金项目】 “十一五”国家科技支撑计划资金资助项目（2006BAJ01B07-03）【作者简介】 王 勇(1979)，男，河北人，博士研究生，

9、从事BIM、IFC、智能CAD技术的研究。近些年我国国也积极极地进行行IFCC标准的的推广工工作，于于20007年发发布了建建筑工业业行业【基金项目】 “十一五”国家科技支撑计划资金资助项目（2006BAJ01B07-03）【作者简介】 王 勇(1979)，男，河北人，博士研究生，从事BIM、IFC、智能CAD技术的研究。2IFCC模型的的结构IFC标准准是一个个基于面面向对象象的数据据模型体体系。该该模型体体系既可可以描述述真实的的物理对对象，如如梁、柱柱、墙等等建筑构构件，也也可以表表示抽象象的概念念，如空空间、组组织、关关系和过过程等9。IFCC模型体体系由类类型定义义、函数数、规则则和

10、预定定义属性性集组成成。其中中，类型型定义又又可分为为：定义义类型（Defined Type）、枚举类型（Enumeration）、选择类型（Select Type）和实体类型（Entity Type）。实体类型是IFC标准中数据模型的核心，它通过定义类型、枚举类型、选择类型以及实体的属性值引用进行实体的定义。IFC标准准的数据据模型结结构可以以划分为为四个功功能层次次，即资资源层、核核心层、交交互层和和领域层层，如图图1所示。每每个层次次都包含含一些信信息描述述模块，并并且遵守守一个原原则“重力力原则”：每个个层次只只能引用用同层次次和下层层的信息息资源，而而不能引引用上层层资源。这这样上层

11、层资源变变动时，下下层资源源不受影影响，保保证信息息描述的的稳定。图1 IFFC模型型的层次次结构IFC标准准的各个个功能层层又可以以细分为为多个独独立的子子模块，IFC2x3的模型结构如图2所示3。其中，各层所定义的内容如下：1）资源层层资源层定义义IFCC标准中中用来描描述模型型的基本本信息，如如人员信信息、属属性信息息、材料料资源信信息、几几何和拓拓扑信息息、价值值等。这这些基本本信息面面可以被被上面各各层使用用，它们们是整个个信息模模型的数数据描述述基础。2）核心层层核心层定义义IFCC数据模模型的基基本框架架，定义义模型的的最抽象象的概念念。它将将资源层层的信息息用一个个整体框框架组

12、织织起来，使使他们相相互联系系和连接接，组成成一个整整体，真真实反映映现实世世界的结结构。核核心层中中的IffcKeerneel数据据模型提提供了代代理（PProxxy）、对对象类型型（Obbjecct TTypee）和属属性（PProppertty）等等定义。3）交互层层交互层定义义多个领领域中所所共用概概念和对对象，它它主要用用来解决决不同领领域（建建筑设计计、施工工管理、设设备管理理等）之之间信息息交互的的问题。4）领域层层领域层针对对建筑行行业不同同部门领领域的特特点，定定义该领领域的基基本概念念，形成成各个领领域的专专题信息息。如建建筑领域域、结构构构件、暖暖通空调调、消防防管道、施

13、施工管理理、物业业管理等等。领域域层连同同协作层层和核心心层，提提供了用用于应用用软件信信息交换换的主要要数据模模型。图2 IFFC的模模型结构构图3IFC模型型的类型型定义在在各功能能层中的的分布如如表1所示。资资源层定定义了用用于信息息描述的的基本元元素，包包括全部部分布在在该层的的定义类类型、主主要分布布在该层层的选择择类型及及函数、半半数以上上的实体体类型。资资源层内内的实体体不能独独立使用用，需依依赖于上上层实体体而存在在。核心心层、交交互层及及领域层层中的非非抽象实实体则直直接用于于信息交交换，这这些实体体均由IIfcRRoott继承。表1 IIFC模模型元素素在各功功能层中中的分

14、布布项目资源层核心层交互层领域层定义类型117000枚举类型41143972选择类型43003实体类型3529896114函数35111规则1100预定义属性性集05781172注：表中数数据统计计来源IIFC22x3。3IFCC标准的的扩展机机制虽然IFCC标准经经过近些些年发展展已经日日臻成熟熟，但是是IFCC的模型型体系提提供的实实体类型型和属性性仍无法法满足现现实的信信息交换换的需求求，使用用人员可可以按照照IFCC标准的的模型架架构对IIFC的的数据模模型进行行扩展。作作为开放放的标准准体系，IFC标准对模型的扩展主要提供以下三种扩展机制10，即基于IfcProxy实体的扩展、通过增

15、加实体定义的扩展及基于属性集的扩展。3.1基于于IfccProoxy实实体的扩扩展基于IfccProoxy实实体的扩扩展方式式是利用用IfccProoxy实实体对原原模型体体系中未未定义的的信息进进行实体体扩展，如如图3所示。IfccProoxy实实体是一一个可实实例化的的抽象实实体类型型。通过过实例化化该实体体，并通通过其属属性PrroxyyTyppe和Tagg对新定定义的实实体信息息进行描描述。其其中，PProxxyTyype为为IfccObjjecttTyppeEnnum枚枚举类型型数据，可可以定义义几何、过过程、控控制、资资源、项项目等类类型的实实体；TTag属属性描述述新定义义实体的

16、的属性值值。图3 基于于IfccProoxy实实体的扩扩展模型型93.2 基基于增加加实体类类型的扩扩展通过增加实实体类型型的扩展展方式已已经超出出了原有有IFCC标准的的模型框框架，是是对IFFC模型型本身定定义的扩扩充和更更新，一一般地IIFC标标准的每每一次版版本升级级更多地地采用增增加实体体类型方方法。例例如在IIFC22x3中中定义了了实体类类型数据据6533个，而而在IFFC2xx4RCC中实体体类型数数据已经经增加到到8122个。通通过增加加实体类类型的方方式扩展展IFCC标准需需要注意意的问题题是：新新扩展实实体需要要建立与与有实体体的派生生和关联联关系，避避免新增增实体引引起

17、模型型体系的的歧义和和冲突。此此外，通通过增加加实体的的扩展需需要按照照IAI组合值值的相关关规定和和程序进进行。本文的研究究中主要要采用增增加实体体类型的的方式在在IFCC2x33Finnal大纲模模型的基基础上对对IFC模型进进行实体体扩展。通通过对国国内建筑筑施工领领域数据据模型描描述的需需求进行行深入调调研，共共选取了了成本管管理、进进度管理理、质量量管理、施施工安全全、绿色色施工5个子领领域进行行了增加加实体类类型的扩扩展，共共扩展新新增实体体91个，基基本可以以满足在在建筑施施工领域域利用IFC标准进进行数据据描述的的需求。（a）EXXPREESS语言定定义 （b）EXPPRESS

18、S-GG图描述述图4 流水水施工进进度计划划实体的的IFC定义图4描述了了如何在在原有IFC模型体体系上定定义新的的实体类类型。施施工流水水（_IffcFllowPProccesss）实体体派生自自IFC标准已已有实体体过程（IfccProocesss）实体体，表示示工程项项目流水水施工过过程中某某专业施施工队组组针对某某个施工工段采取取的一次次流水施施工。该该实体的的属性包包括：流流水施工工施工过过程、计计划开始始时间、计计划结束束时间、实实际开始始时间、实实际结束束时间、计计划持续续时间、实实际持续续时间7个属性性。流水水施工实实体通过过关联类类（IfccRellAsssignnsTooP

19、roocesss）实体体与施工工段（_IffcCoonsttrucctioonSeectiion）实体体建立关关联。流流水施工工之间通通过关联联类（IfccRellSeqquennce）实体体进行关关联，定定义紧前前紧后关关系。3.2 基基于属性性集的扩扩展基于属性集集的扩展展方式是是IFC标准提提供的又又一种模模型扩展展方式。属属性集可可以理解解成属性性的集合合，通过过属性集集里的属属性可以以实现对对信息的的描述。作作为构成成属性集集的基本本单元，IFC标准中中的属性性可以分分成复杂杂属性和和简单属属性两类类，简单单属性又又可以细细分为简简单值、枚枚举、列列表、引引用等类类型。按照属性集集来

20、源的的不同，IFC的属性性集分为为预定义义属性集集和自定定义属性性集。预预定义属属性集是是IFC标准中中已经定定义的属属性集，随随着IFC标准的的发展，预预定义属属性集的的数量也也在不断断增加，在IFC2x3中包含了预定义属性集312个。自定义属性集为用户根据自身的需要扩展IFC模型提供了途径。本文的研究中对建筑施工领域的信息进行了梳理，在IFC2x3Final的基础上建立了126条属性集描述。表2给出了了土方开开挖工程程质量验验收记录录属性集集的定义义。通过过该例展展示利用用IFC属性集集扩展IFC模型的的方法。土方开挖工程质量验收记录属性集适用于新扩展的检验批验收实体，在该实体的基础上扩展

21、了标高检验项、边长检验、边坡检验3个属性，各属性的取值按照表2的定义进行选取。表2 土土方开挖挖工程质质量验收收记录属属性集的的定义属性集定义义属性集名称称土方开挖工工程质量量验收记记录属性性集可适用的实实体检验批验收收实体 （_IfccInsspecctioonLootAcccepptioon）应用类型值值定义属性定义属性名称属性类型属性值类型型说明标高检验IfcPrropeertyySinngleeVallueIfcBoooleean标高偏差是是否在容容许范围围内边长检验IfcPrropeertyySinngleeVallueIfcBoooleean边长偏差是是否在容容许范围围内边坡检验I

22、fcPrropeertyySinngleeVallueIfcReeal边坡角度3.4 三三种扩展展方式的的比较上述的三种种各具特特点，适适用于不不同的应应用需求求。基于于IfccProoxy实体的的扩展方方式灵活活、简便便，主要要适用于于一般用用户在不不破坏IFC标准模模型结构构的基础础上进行行IFC的扩展展应用；通过增增加实体体类型的的扩展方方式已经经超出了了原有IFC标准的的模型体体系，是是对IFC标准模模型的扩扩充，一一般在IFC标准的的版本升升级中大大量采用用；而基基于属性性集的扩扩展方式式则介于于两者之之间，自自定义属属性集可可用于一一般用户户的模型型扩展需需求，预预定义属属性集可可

23、实现对对IFC标准的的更新。表3给出了三种扩展方式的对比情况。表3 三三种扩展展方式的的对比对比项基于IfccProoxy实体的的扩展实体扩展属性集扩展展易用性容易困难较容易版本兼容性性好不宜保证介于连两者者之间类型安全类型不安全全类型安全类型安全运行效率较低较高介于连两者者之间4面向建建筑施工工的IFC扩展模模型4.1 模模型扩展展的限定定本研究主要要目的是是满足我我国建筑筑施工领领域利用用IFC标准进进行信息息模型描描述的需需要。但但是建筑筑施工领领域涉及及到内容容过于繁繁多，而而且大量量信息不不适于用用信息模模型进行行描述。我我们首先先参照相相关规范范、规程程对建筑筑施工领领域的各各个子

24、领领域进行行相关概概念、术术语的梳梳理，按按照重要要性与可可描述性性双重标标准的考考核，最最终选定定成本管管理、进进度管理理、质量量管理、施施工安全全、绿色色施工5个子领领域进行行IFC模型的的扩展11-30。本文文扩展的的模型可可满足上上述涉及及子领域域IFC数据描描述的基基本需求求。使用用者可以以参照本本文的扩扩展方法法，根据据自身需需求对IFC模型进进行应用用扩展。同同时，我我们会在在后续的的研究中中对扩展展模型体体系进行行进一步步的扩充充、完善善，并且且争取通通过相关关途径纳纳入国际际IFC标准的的模型体体系。4.2模型型扩展的的流程本文的研究究按照调调查研究究、理论论与技术术研究、扩

25、扩展模型型构建、应应用验证证、修改改完善的的流程进进行，详详细流程程设计见见图5。图5 IFFC模型扩扩展的流程（1）调查查研究通过大量的的文献检检索和调调研，深深入地调调查国内内外IFC标准的的相关研研究和应应用现状状，特别别是了解解IAI组织的的结构、各各国IFC标准的的应用情情况、IFC标准扩扩展的方方法和流流程等，在在此基础础上确定定课题的的总体研研究方案案。通过对建筑筑施工管管理领域域进行调调研、分分析和专专家访谈谈，确定定对施工工成本管管理、施施工进度度管理、施施工质量量管理、施施工安全全、绿色色施工5个子领领域进行行IFC模型扩扩展。同同时，分分析、整整理各个个子领域域的信息息化

26、数据据描述的的需求。（2）理论论和技术术研究在调查研究究和理论论学习的的基础上上，系统统地研究究IFC标准的的模型体体系、扩扩展机制制、关联联机制、EXPPRESSS 语言描描述方法法等。在在IFCC2x33版本标标准的基基础上，研研究IFC的现有有模型结结构、属属性集扩扩展机制制和实体体扩展机机制。（3）建立立扩展模模型根据国内建建筑施工工领域IFC数据描描述的需需求，在在IFCC2x33标准模模型的基基础上利利用新增增实体的的方法扩扩展进行行标准扩扩充。同同时，建建立新增增实体的的派生及及关联关关系，利利用EXPPRESSS语言和EXPPRESSS-GG图进行行定义。对对于不便便于通过过新

27、增实实体的方方式进行行定义的的属性，通通过定义义属性集集的方法法进行定定义。（4）应用用验证利用本课题题组开发发的面向向建筑设设计与施施工的BIM建模系系统（BIMMMS）和基基于BIM的工程程项目4D动态管管理系统统（4D BIMM-GCCPSUU）进行行扩展模模型验证证。首先先，利用用BIMMMS系统建建立包含含建筑成成本信息息和资源源信息的的BIM模型，通通过系统统的IFC解析接接口导出出为基于于扩展模模型的IFC文件。然然后，在在4D BIMM-GCCPSUU中导入IFC文件进进行4D进度、成成本、资资源管理理，验证证扩展模模型的可可行性。（5）修改改完善通过应用验验证和应应用推广广，

28、发现现扩展模模型存在在的问题题和不足足，在此此基础上上进行新新的一轮轮迭代扩扩展工作作，推动动模型扩扩展体系系的完善善。4.3 扩扩展模型型的结构构在IFC22x3标准的的模型体体系中，已已有部分分与建筑筑施工相相关的数数据模型型7。对于于成本管管理、进进度管理理、施工工安全3个子领领域，IFC标准中中已有一一定数量量的实体体定义，本本研究在在原有模模型的基基础上通通过新增增实体和和属性集集进行扩扩展。而而在质量量管理、绿绿色施工工2个子领领域，原原有IFC标准中中没有该该方面的的信息，需需要分别别建立全全新的模模型描述述体系。整整个IFC扩展模模型的结结构如图图6所示。图6 面向向建筑施施工

29、的IFC扩展模模型4.4 扩扩展模型型的描述述方法应用IFCC标准的的模型定定义方式式，本研研究采用用EXPPRESSS语言进进行实体体模型的的定义。对对于新增增的实体体，同时时提供EXPPRESSS文本定定义和EXPPRESSS-GG图描述述。为了了 与IFC标准中中原有的的实体进进行区分分，本文文新增的的实体以以下划线线（_）开头头。本文在对IIFC标准的的模型体体系、扩扩展方法法，以及及国内建建筑施工工领域IFC数据描描述需求求深入研研究的基基础上，对对施工成成本管理理、施工工进度管管理、施施工质量量管理、施施工安全全、绿色色施工5个子领领域进行行了实体体扩展和和属性集集扩展，模模型扩展

30、展情况见见表4。表4 本文文新扩展展模型信信息统计计对比项IFC2xx3本文新增施工成本管管理相关关实体1721施工进度管管理相关关实体2116施工质量管管理相关关实体025施工安全相相关实体体1917绿色施工相相关实体体012IFC属性性集3121265模型应应用本文的研究究成果在在“十一五”国家科科技支撑撑计划课课题“基于BIM技术的的下一代代建筑工工程应用用软件研研究”所开发发的应用用软件中中进行模模型和标标准的验验证、检检验，其其中包括括基于BIM的工程程项目4D动态管管理系统统（4D BIMM-GCCPSUU）、基于BIIM的建建筑工程程4D施工安安全与冲冲突分析析系统（BIMM-C

31、SSAM）、基于BIM的建筑筑成本预预测软件件（BIMMCCEE）以及基于于BIMM的建筑施施工优化化与管理系系统（BIMM-COOMS）等。这些软软件在广州珠珠江新城城西塔、青青岛跨海海大桥、上上海国际际金融中心心、海军99331工程等大型工工程项目目进行示示范应用用，从而而验证了了本文提提出的IFC扩展模型型和标准准的可行行性和适适用性。6结语目前，IFFC标准已已经成为为国际公公认的建建筑信息息交换的的数据标标准。但但是，IFC标准定定义的模模型体系系不能满满足建筑筑各领域域信息描描述的需需要。各各个国家家的相关关机构需需要根据据本国自自身的需需求对IFC标准的的模型体体系进行行扩展。本

32、本文结合合我国建建筑施工工领域信信息化数数据描述述的需求求，对IFC标准进进行了实实体扩展展和属性性集扩展展。IFC标准的的扩展工工作是一一项繁杂杂而且庞庞大的工工作，需需要更多多的研究究人员进进行系统统、深入入地研究究。随着着研究的的深入还还要解决决以下两两个问题题：（1）标准准的适用用性问题题：本文文扩展的的IFC数据描描述标准准可满足足国内施施工领域域基本的的数据描描述需求求，但由由于现实实应用场场景的复复杂性、多多样性，本本文扩展展的实体体类型和和属性集集需要根根据实际际应用需需求做进进一步扩扩充、修修订和完完善。（2）标准准的兼容容性问题题：本文文的研究究是在IFCC2x33 fii

33、nall大纲的的基础上上对国际际IFC标准进进行了实实体扩展展和属性性集扩展展，本文文新扩展展内容可可能与后后续的IFC版本存存在兼容容性问题题，建议议通过相相关途径径，将国国内的相相关研究究纳入国国际IFC标准的的框架之之内，解解决与后后续IFC版本的的兼容性性问题。7致谢本文研究承承蒙 “十一五”国家科科技支撑撑计划（20006BAAJ011B077-033）的资资助。建建筑施工工IFCC数据描描述标准准参编人员员，除作作者外还还包括：清华大大学的马马智亮、陆陆宁、李李丁、余余芳强、张张修德、张张旭磊、范范喆、刘刘强、魏魏振华、娄娄喆，广广联达软软件股份份有限公公司的邱邱世勋、王王鹏翊、杨

34、杨立福。参考文献Interrnattionnal allliannce forr Innterropeerabbiliity. Inndusstryy Foounddatiion Claassees 20111-88-211. htttp:/wwww.bbuilldinngsmmartt.coom/.TC 1884/SSC 44. IInduustrry FFounndattionn Cllassses, Reeleaase 2x, Pllatfformm Sppeciificcatiion (IFFC2xx Pllatfformm) S. USSA: ISOO, 220088.Thomaas

35、 LLiebbichh, IIFC22x EEdittionn 3，Moddel Suppporrt GGrouup (MSGG) oof bbuilldinngSMMARTT, 220066.Scheiin JJ. AAn iinfoormaatioon mmodeel ffor buiildiing auttomaatioon ssysttemss JJ.AAutoomattionn inn Coonsttrucctioon, 20007, 16(2):1255-1339.Yu K, Frroesse TT, GGrobblerr F. A devveloopmeent fraamewwo

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