基于IFC标准BIM数据库的构建与应用_李犁
四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第39卷第3期2013年6月
收稿日期：2012-05-02作者简介：李犁（1985－），男，硕士研究生，主要从事基于IFC 标准的BIM 数据库的开发与应用研究。通讯作者：邓雪原（1973－），男，博士，英国特许土木工程师，副教
授，
研究方向：建筑CAD 协同设计与集成，基于BIM 技术的建筑协同平台研究。E-mail ：dengxy@sjtu．edu．cn 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAJ01B07－01）；
国家自然科学基金面上项目（51178265）E －mail ：name．lili@163．com
基于IFC 标准BIM 数据库的构建与应用
李
犁，邓雪原
（上海交通大学，上海200240）
摘
要：当前BIM 理念，即在建筑行业中各部门各专业之间协同工作的概念已越来越为国内外研究学者与工程技
术人员所关注。BIM 技术的核心是建筑全生命周期过程中的信息共享与转换。针对这一核心问题，本文介绍了现今国内外对BIM 技术的研究、
开发现状，并分析指出当前BIM 技术发展所存在的问题有：多个工程项目信息无法集中存储；大量BIM 软件在IFC 文件输入输出的过程中发生建筑信息的错误；BIM 应用软件的缺失等。文章指出BIM 技术的实现，需要以基于IFC 标准的BIM 数据库为基础。然后，本文详细阐述了BIM 数据库的构建，以及BIM 数据库输入输出应用接口、基于BIM 数据库简单工程概算功能的开发、结构模型转换功能至BIM 数据库的移植等，并通过实例演示了BIM 数据库的存储、查询、工程概算、结构模型转换等功能的应用，验证了构建基于IFC 标准BIM 数据库的可靠性与应用开发的可行性，为BIM 建筑协同平台的开发及数字城市的实现奠定了基础。关键词：BIM ；IFC 标准；数据库；建筑协同设计；信息共享与转换中图分类号：TU201．4
文献标志码：A
文章编号：1008－1933（2013）03－296－06
Construction and application of the BIM database based on IFC standard
LI Li ，DENG Xueyuan
（Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 200240，China ）
Abstract ：Ｒecently the BIM concept that all professionals carry out collaborative work among domains and departments in construction industry has attracted more and more attention by research scholars and civil engineers around the world．The core of the BIM technology is the information sharing and exchanging among the building life cycle．In view of this key problem ，this article introduces the situation of the BIM research and development in domestic and overseas ，and indicates that there are several common problems existing in the BIM development ，such as ，the information of multiple projects cannot be stored in a centralized database ；the building information is lost or incorrect when importing and exporting IFC model files with popular BIM software ；the application software based on BIM technology is quite few ，etc．The paper points out that the realization of BIM technology shall be based on the BIM database which is based on IFC standard．After that ，this paper discusses how to build the BIM database based on IFC standard ，the application interface of BIM database ，the function of budgetary estimates and the transplantation of structural model conversion to BIM database．Then ，a few examples are given to demonstrate the feasibility and reliability of the BIM database and corresponding applications developed in this research．As a result ，it is concluded that the IFC based BIM database is the foundation of developing building collaborative platform and digital city．
Key words ：BIM ；IFC standard ；database ；building collaborative design ；information sharing and exchange
0引言
自1975年，恰克伊士曼（Chuck Eastman ）提出
BIM 的概念，距今已有37年的时间［1］
。BIM 理念从
最初的提出，到标准的制定，软件的开发，已逐步被
建筑业所广泛认同。目前基于BIM 理念所开发的软件有：匈牙利Graphisoft 公司开发的ArchiCAD 系列，美国欧特克（Autodesk ）公司开发的Ｒevit 系列，以及德国Nemetschek 公司开发的Nemetschek Archi-tect 系列等，现都已被广泛使用。
同时，对于BIM 技术的研究，国外的一些学者，如英国索尔福德大学的Faraj 等人完成开发了基于BIM 技术的WISPEＲ（Web-based IFC Share Project
Environment ）平台，已实现了IFC 文件在数据库中的
存储、工程的概预算、显示等功能［2］
；加拿大基础设
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施研究中心（Centre for Sustainable InfrastructureＲe-search）的Halfawy、Mahmoud M．Ｒ．等人完成了基于BIM技术的建筑信息集成平台的研究，已完成了图形编辑、建筑构件数量统计、工程概预算、工程管理等功能的开发［3］。
我国对BIM技术的研究起步较晚。2003年起，我国的一些学者对BIM技术开始进行研究。其中，清华大学的张建平等人在建筑施工管理领域开发完成了基于IFC标准和工程信息模型的建筑施工4D 管理系统，系统可以将3D建筑信息模型与施工过程相结合，建立建筑工程信息模型以及利用IFC标准在不同系统之间进行数据交换和信息共享［4］；清华大学的马智亮等人也对IFC标准在我国建筑工程成本预算应用中的基本问题进行了探究，提出了适用于我国基于BIM技术的建筑工程预算软件的基本框架［5］；上海交通大学的邓雪原等人完成了基于IFC标准建筑结构模型自动生成和结构模型转换的研究，实现了IFC标准与结构分析软件如ETABS、SAP2000之间的模型转换［6］；北京航空航天大学的刁波等人与中国建筑科学研究院合作完成了PKPM 和IFC模型之间数据交换的研究，已基本实现了PKPM与IFC文件之间的模型转换［7］。然而，在国内还很少有基于IFC标准以BIM数据库为平台的更系统更全面的研究。
虽然目前已有很多软件能够支持IFC文件的输入和输出，但是，这些软件在IFC文件输入输出的过程中，却存在着建筑信息缺失、错误等现象［8-9］。
同时，当前基于BIM技术开发的多种应用软件仍然采用自定义的文件对建筑信息模型进行保存的方式，无法实现对多个工程，多个文件以及大量建筑信息进行集中存储；另一方面，当对储存大量建筑模型信息文件中的某个信息进行改动后，需要对几十兆甚至上百兆字节或更大的项目文件进行保存和更新，这样的做法无法满足BIM技术对于建筑信息共享的要求。这样的问题在未来中国建筑行业全面使用BIM技术、多部门多专业的大量工程师围绕工程项目采用多种应用软件进行建筑全生命过程中的信息共享和转换时会更加突出。
本研究正是为了解决以上问题，通过构建符合IFC标准的建筑信息模型（BIM）数据库，使数据的保存形式完全符合IFC标准中每个对象所包含的属性，从而保证建筑信息模型储存的正确性和完整性。其次，该BIM数据库可以对多个工程项目信息进行集中存储，从而实现多个工程项目信息的共享。同时，为此BIM数据库开发相应的应用接口，如输入、输出、查询等功能；并基于此BIM数据库，对简单工程概算功能、结构模型转换功能进行研究开发，对未来基于BIM技术建筑协同平台的开发进行初步的探索。
1基于IFC标准的BIM数据库的构建
1．1BIM数据库的构建
BIM技术的核心在于建筑全生命周期过程中信息模型的共享与转换，然而如上所述，目前的BIM 软件在IFC文件的输入输出中会出现建筑信息的错误与缺失。如果最基本的建筑信息的共享与传递都无法满足，就无法实现BIM技术的真正意义。为了解决此问题，需要构建基于IFC标准的建筑信息模型（BIM）数据库。BIM数据库的开发基于IFC标准的格式，可以正确、完整的存储IFC文件，并且无信息缺失、错误的输出。进一步在BIM数据库的基础上开发各种BIM应用软件从而真正实现建筑信息模型的共享与转换，这也是BIM技术实现必不可少的关键技术。BIM数据库的开发，需要对IFC标准、IFC文件的格式进行深入的研究。IFC文件由多条IFC语句组成，语句的书写格式完全遵照标准中建筑对象的定义，并通过标准中对映射关系的定义，在语句中引用其他语句的内容，与其他语句产生联系。
并且，BIM数据库可以对多个项目的多个IFC 文件进行存储。鉴于以上分析，本研究中BIM数据库的构建主要包含4张数据表，分别为：①文件管理表，保存IFC文件的项目信息；②语句管理表，保存IFC文件的语句信息；③属性管理表，保存每条语句的属性信息；④映射管理表，保存每条语句的映射信息。
由于此数据库支持存储多个项目的多个IFC文件，为了使每条语句都可以被唯一识别，便于和其相关的语句相映射，需定义ID来使数据库中每条语句可以被唯一识别，以便于在各个表之间建立主键和外键的关系。数据表内容和关系如图1所示。1．2构建方法的创新点
传统的建筑信息模型数据库，以建筑对象为单位构建数据表。然而，IFC标准中含有600多个对象，且关系复杂，这样的构建方式会使数据库非常繁杂。并且，IFC标准不是一成不变的标准，当新版本发布后，IFC标准中的对象、对象的属性以及对象与对象之间的关系发生变化，这就使传统方式构建的数据库需要随之改动，增加了数据库维护的难度。
而本研究所采用的方法，仅使用4张数据表，使得数据结构简单，维护便捷，大大减少数据存储的难度，当标准的内容发生改变时，仅需改动相应对象的
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2013No.3李犁，等：基于IFC标准BIM数据库的构建与应用
图1数据表关系
Fig．1The relation of the data sheets
程序，无需改动数据库本身，就可以满足新版本的要求。
2基于IFC标准的BIM数据库的应用
2．1BIM数据库的开发与测试
基于IFC标准的BIM数据库构建在SQL Server 2005上，并利用Visual Studio2008进行应用接口的开发，开发语言环境为C#。为了对基于IFC标准的BIM数据库的可行性与可靠性进行验证。笔者对BIM数据库的应用进行了IFC文件的输入、输出、查询及应用开发等测试。此次测试的案例使用了上海交通大学BIM研究团队生成的3个IFC建筑信息模型案例，其基本信息见表1。
表1数据库测试案例
Table1Database test cases
梁：700
柱：240
板：135
墙：40
2，249，
613字节43910
这3个案例测试，从案例1到案例3，构件数目、大小、语句数依次增加。测试案例由简单到复杂，对BIM数据库的可行性、可靠性进行由易到难的检验。先将3个测试案例进行BIM数据库的输入输出测试，其项目编号、文件编号、输入输出的时间、文件大小以及语句数见表2。
表2BIM数据库测试结果
Table2Ｒesults for BIM database testing
文件名
输入文件大小
/字节输入时间
输出文件大小
/字节输出时间案例1569，68927?569，6895?
案例22，249，6131'50?2，249，6136?
案例38，054，3226'25?8，054，32210?从测试结果可以看出，在输入输出的过程中，IFC文件的大小、语句数都没有发生变化。从而可以初步认定BIM数据库在建筑信息模型输入输出的过程中，建筑信息的准确性和一致性。从输入输出的时间上来看，信息的传输时间随着建筑信息模型文件大小的增加而增多。输入时间较慢（案例3文件输入BIM数据库的时间在6分钟以上），笔者分析其原因，由于IFC文件包含大量的语句、属性、映射关系，从而在BIM数据库中写入大量数据以及对语句解析的操作消耗了较多的时间。因为需要保证建筑信息模型的完整性，所以这种现象是难以避免的。在后续的研究过程中将通过程序算法、数据库性能的优化减少相应的输入时间。而输出时间全部控制在10秒以内的测试结果是非常好的。
测试完成后，编写程序对输出文件与源文件进行对比分析，可以得出，IFC文件在输入输出BIM数据库的过程中，所有信息都是正确、完整一致的。2．2基于BIM数据库的构件查询
在建筑领域中，建筑设计人员或业主等相关人员，在工作中需要对建筑信息模型中的建筑构件进行查询，所以在目前开发较为成熟的建筑设计软件中，支持通过文件对建筑构件进行查询，以获取某个或某种建筑构件的基本信息。但是，在一个包含了建筑信息模型的文件中，存储了大量的建筑信息。一方面，通过文件进行建筑构件查询的效率是非常低的，另一方面不能同时对多个工程项目中的构件进行查询统计和分析。为了解决上述问题，并进一步检验BIM数据库的可行性，笔者基于BIM数据库，对构件查询功能进行了开发研究。由于在BIM 数据库中，建筑构件的项目编号、文件编号、构件类型、属性以及映射关系都已被完整存储，所以可以通过程序，在BIM数据库中查询所需的建筑构件信息。建筑构件查询的方式分为两种。
1）简单查询
只列出所查询的构件语句，而映射关系，构件不显示。查询可通过语句编号、对象类型、属性或综合查询等方式。图2演示了在多个项目多个文件中，查询BIM数据库中存储的所有梁（IFCBEAM）的语句信息示意。
2）完整查询
892四川建筑科学研究第39卷
图2简单查询
Fig．2Simple searching
列出所查询的构件，以及构件所映射的语句。图3显示了案例2的工程项目模型。在BIM 数据库中查询案例2的建筑构件柱（IFCCOLUMN ）和梁（IFCBEAM ）的所有信息，并对查询所生成的IFC 文
件进行显示（图4、图5）。
图3
完整工程项目模型显示
Fig．3Complete project model show
由此可验证构件查询功能的准确性与有效性。在测试中，由于建筑信息模型存储在BIM 数据库中，
建筑构件的信息、类型、属性都已解析、存储完毕并互相发生关联，这是传统的文件存储方式所没有的。所以通过BIM 数据库对建筑构件进行查询的
方式与文件查询方式相比，
效率是非常高的。2．3基于BIM 数据库的工程概算功能的开发2．3．1
工程概算功能的开发
建筑概算可以对工程项目的建设资金进行初步的估算，它是加强企业管理、实行经济核算、考核工程成本、
编制工程计划的依据；也是工程项目招投标报价和确定工程造价的主要依据，
是建筑设计阶段至关重要的一个环节。为了对基于IFC 标准BIM
数据库的应用做进一步的研究，笔者在BIM 数据库基础上初步开发了工程概算功能。
在IFC2x4beta2版本中，IFC 构件的材料由IFC-ＲELASSOCIATESMATEＲIAL 类定义，几何形态由
Ｒepresentation 属性定义，其常见的定义方法有拉伸描述（SweptSolid ）、边界描述（Brep ）、边框描述（Bounding Box ）等描述方法。例如拉伸描述，首先描述出构件的截面形状，如矩形截面（IfcＲectan-gleProfileDef ）、圆形截面（IfcCircleProfileDef ）等，并通过向已定义好的方向拉伸一定的长度，从而完成构件的几何描述。
工程概算功能开发的基本方法为：在BIM 数据库中，
查询每个构件相应的几何信息，如截面形状、截面尺寸；计算出构件的截面面积，再乘以截面所拉伸的长度，从而得出构件的体积；同时，查询构件相应的材料属性，根据材料的种类，获取此构件的单位
价格；由此得到构件的体积和单位价格，
从而可以计算出该构件的材料价格。对BIM 数据库中每个建筑构件的价格进行计算并汇总后，即可得到数据库中所有项目的材料价格，实现其工程概算的功能。
由此可以看出，通过BIM 数据库进行概算的方法与传统的概算软件是不一样的，传统的概算软件
在概算时需要重新建立概算模型，
造成了设计过程中多专业的重复建模，增加了在设计阶段的时间与工作量上的浪费，而通过基于IFC 标准的BIM 数据库进行概算，可以实现建筑设计师、工程造价师在建筑信息模型上的信息共享与协同工作。2．3．2概算功能演示
下面对已存入数据库中的案例3进行工程概算，如图6所示，输入相应的项目编号、文件编号。并导入一定格式的概算表、价格表。在价格表中列出建筑所用材料的单价，即可进行工程概算。完成概算后在显示界面上列出该建筑所有的建筑结构构
件，
其中包括梁、柱、板、
墙所用的材料、件数、体量、总价等。
图6工程概算结果
Fig．6Project budget results
概算完成后，将生成工程概算详表。由于此次概算的建筑构件数量、规格较多，只在每种构件中选取两种规格在图7中进行显示。并在详表中汇总各
种构件的材料、
体量、价格，并进行计算。当前工程概算的开发具有如下局限性。1）构件种类的局限性
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922013No.3李犁，等：基于IFC 标准BIM 数据库的构建与应用
图7部分详细价格
Fig．7Part of detailed prices
此次概算，只对建筑的结构构件如墙、柱、板、梁的主要材料进行了计算，对其他非结构构件、人工、设备等没有进行计算。但是如果在建筑信息模型中包含了此类信息，采用同样的方法可以对其进行概算。
2）几何描述的限制性
IFC标准中，有多种几何描述形式。本研究鉴于其它描述形式，如边界描述（Brep）、边框描述（Bounding Box）形式等计算较为复杂不易计算，目前仅对建筑工程领域最为常见的拉伸描述（Swept-Solid）形式进行了计算。
3）材料的限制性
当前的BIM软件很少详细表达钢筋混凝土构件中的钢筋，由于钢筋混凝土构件中的纵筋、分布筋、箍筋体量较多，且构造复杂，尚不能在当前的BIM软件中完整表达。所以在测试案例中，建筑的构件材料只显示混凝土的规格，而钢筋部分以及体量则参照工程常用基本配筋率计算。
4）模型的限制性
测试模型只包含建筑的地上部分，地下与基础部分没有包含在本测试模型中进行概算。
2．4基于BIM数据库结构模型转换功能的移植2．4．1结构模型转换功能的移植
上海交通大学邓雪原、秦领等人开发完成了基于IFC标准的建筑结构模型与多种结构有限元模型数据转换功能［6，11］，具体工作有：
1）基于IFC标准的建筑信息模型与通用结构分析模型（Structural General Format，SGF）之间的数据转换；
2）SGF结构分析模型与ETABS结构分析模型之间的数据转换；
3）SGF结构分析模型与SAP结构分析模型之间的数据转换。
然而前期工作存在如下局限性：
1）IFC模型基于文本文件存储，模型的大小、建筑构件的数量受到制约，较难实现大型工程项目IFC模型的转换；
2）IFC模型基于文本文件存储，语句之间的映射关系复杂，使得IFC模型的转换速度较慢，效率较低。针对以上问题，本研究将前期已完成的工作移植到此BIM数据库上，新的结构模型转换功能的流程如图8所示
。
图8模型转换流程
Fig．8Process of exchange model
基于BIM数据库的结构模型转换功能具有如下优势：
1）IFC模型存储在BIM数据库中，模型的大小、建筑构件的数量不再受到制约，从而增大了转换模型的规模；
2）IFC模型存储在BIM数据库中，建筑构件之间已根据映射关系在BIM数据库中建立了联系，有利于计算机的处理，从而大大提高了结构模型的转换效率。
2．4．2结构模型转换功能演示
下面，对已存入数据库中的案例3进行结构模型转换。图9显示了案例3的工程项目模型，图10和图11分别为转换后案例3的ETABS模型和SAP2000模型显示
。
图9案例3源模型显示
Fig．9Original model view of case3
3讨论
通过以上基于IFC标准的BIM数据库的构建、
003四川建筑科学研究第39卷
图10案例3的ETABS 模型
Fig．10Etabs model of case
3
图11案例3的SAP 模型Fig．11SAP model of case 3
建筑构件的查询、工程概算功能的开发、结构模型转
换功能的移植和测试可以得出以下结论：IFC 文件
在BIM 数据库的输入输出过程中，
可以保证建筑信息模型中信息的正确性和完整性，并支持对多个项目的多个IFC 文件进行存储；通过BIM 数据库，可以查询多个项目的建筑构件，并对其进行显示。在此BIM 数据库的基础上，初步完成了简单工程概算
功能的应用开发，
并将前期已完成的结构模型转换功能移植到此BIM 数据库上，从而验证了此数据库应用开发的可行性。
在本文研究的基于IFC 标准的BIM 数据库架
构之上，
还有多项基于BIM 技术应用开发正在进行中，主要有下述两个方面。
1）在BIM 数据库的基础上，研究开发图形显示与编辑平台，使之成为建筑设计软件，设计人员可以在此平台上对其建筑进行设计、编辑等操作，并通过BIM 数据库与其他相关设计人员进行建筑信息模型的共享。
2）在BIM 数据库和已开发完成的简单工程概算功能的基础上，进行工程概预算软件的进一步开发。在BIM 数据库中存储每种建筑构件的定额，与BIM 数据库中的建筑模型信息相结合，从而可以实现工程概预算功能。
4当前工作总结和展望
本文通过研究基于IFC 标准的BIM 数据库的构建、多个工程项目模型的输入、输出、查询、简单工程概算等功能的初步开发，实现了结构模型转换功
能到BIM 数据库的移植。在理论上保证了多个工
程的多个IFC 文件的建筑信息模型可以按照IFC 标准正确、完整的存储在BIM 数据库中，并对基于IFC 标准BIM 数据库的应用开发进行了初步探索。
BIM 技术的真正实现，需要构建基于BIM 技术的建筑协同平台。该建筑协同平台以基于IFC 标准
的BIM 数据库为基础，
研究开发图形显示编辑平台使得建筑信息可以被建筑领域中各部门各专业显
示、
编辑、修改、存储等，从而实现真正意义上的建筑工程协同工作。更多的基于BIM 数据库的应用开发，如建筑协同设计、工程概预算、性能化分析、施工模拟等都可以得以实现。而基于IFC 标准的BIM 数据库的构建，是这个协同平台开发的重要基础。同时，将目前日趋成熟的云存储、云计算技术与本文研究的BIM 数据库相结合，可以将整个城市的建筑信息模型及其相应的地理信息（GIS Geographic In-formation System ）、交通信息等进行存储，并通过正在研究开发的建筑协同图形平台进行显示与编辑，从而实现真正意义上的数字城市。参考文献：
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