清华大学 土木工程系, 北京 100084
收稿日期: 2016-05-16
基金项目: 国家“八六三”高技术项目（2013AA041307）；国家自然科学基金面上项目（51278274）；清华大学—广联达BIM中心项目（RCBIM）
作者简介: 林佳瑞(1987-),男,博士研究生.
通讯作者: 张建平,教授,E-mail:zhangjp@tsinghua.edu.cn
摘要：该文提出一种基于建筑信息模型（building information modeling，BIM）数据标准工业基础类（industry foundation classes，IFC）的绿色性能分析数据转换与共享方法。首先，通过分析IFC标准与常用绿色性能分析数据格式gbXML的结构及其对绿色性能信息的描述机制，建立了二者主要信息元素之间的映射关系；并提出了IFC向gbXML的自动转换方法，实现了绿色性能分析数据的转换与共享。最后，将上述方法在实际案例中进行了测试验证。结果表明：该方法实现了IFC向gbXML的自动转换，支持不同参与方与应用之间绿色性能分析数据的交换与共享，有效降低了信息重复建模成本，提高了效率。
关键词： 建筑信息模型(BIM) 工业基础类(IFC) 绿色性能分析 数据转换
Data conversion and sharing for building performance analyses based on IFC
LIN Jiarui, ZHANG Jianping
Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:An IFC-based data conversion algorithm was developed to automatically convert BIM model data to gbXML format for building performance information sharing. The IFC and gbXML data were mapped and related in an automatic conversion algorithm. The algorithm was validated with different project data sets to show that the algorithm allows performance information sharing among different stakeholders by eliminating reworking of the data models and improving efficiency.
Key words: building information modeling (BIM)industry foundation classes (IFC)building performance analysisdata conversion
建筑业信息化水平低、存在“信息孤岛”等问题严重制约着不同专业、不同应用间的信息共享与协同工作[1]，使得建筑绿色性能分析及评价工具的普及应用困难，难以将绿色建筑理念落到实处，无法应对建筑业日益严峻的资源浪费、能源消耗的挑战。
建筑信息模型 (building information modeling，BIM) 技术[2]的提出，可有效解决建筑业面临的“信息孤岛”问题，实现不同参与方、不同应用之间的信息共享。当前，国际标准化组织发布的BIM数据标准工业基础类 (industry foundation classes，IFC) 已可较为完善地描述建筑工程各专业有关信息[3]，成为国际建筑业数据交换的事实标准，得到大量软件工具的支持[4]。然而，尽管IFC对建筑性能分析数据的支持已非常好，但大多数性能分析软件在IFC数据导入及使用上仍存在问题[5]。同时，针对建筑性能分析软件格式多样、信息共享困难的问题，美国制定的gbXML (green building XML) 标准已成为建筑绿色性能分析领域公认的数据标准[6]，较好实现了建筑性能分析信息的交换与共享。
本文选取了IES-VE、 OpenStudio、 Ecotect、 eQUEST、 EnergyPlus等典型建筑性能分析软件，分析了其对IFC及gbXML等数据格式的支持及不足，结果如表 1所示。 其中，eQUEST及EnergyPlus可通过第三方软件间接导入gbXML，EnergyPlus还可通过IFCtoIDF等[7-8]工具间接导入IFC模型数据。 各软件均已支持gbXML，且支持程度较好，但各软件对IFC的支持能力仍较差，存在数据导入不稳定等问题。可见，基于IFC实现建筑领域不同参与方之间的信息交换虽然最为可行，但当前建筑性能分析数据的交换与共享仍然依赖gbXML等格式。
表 1 绿色性能分析软件对比分析
| 软件名称 | 支持的格式 | 存在的问题 |
| IES-VE | IFC、gbXML | IFC不稳定，gbXML较好 |
| OpenStudio[9] | gbXML、IFC | gbXML较好，IFC不稳定 |
| Ecotect | IFC、gbXML | IFC、gbXML不稳定 |
| eQUEST[10] | gbXML | 不直接支持gbXML，不支持IFC导入 |
| EnergyPlus | gbXML、IFC | 不直接支持gbXML或IFC |
表选项
鉴于gbXML提出较晚，当前支持gbXML数据导出的建筑设计与建模软件还较少。据IFC标准及gbXML标准编制组织官方统计资料，当前支持IFC数据导出的设计与建模软件已有45种之多，而支持gbXML数据导出的仅有15种。因此，基于IFC标准可实现绝大多数软件之间建筑性能分析信息的转换与共享，有效减少数据重复建模成本，提高效率。
因此，针对建筑性能分析难以充分利用设计BIM模型的问题，本文通过分析IFC与gbXML的模型结构及其对绿色性能信息的描述机制，建立了二者主要信息元素的映射关系，提出了IFC向gbXML的转换方法，实现了基于IFC的绿色性能分析数据转换与共享。最后，通过实际案例测试与分析，对提出的有关方法进行了验证。
1 IFC模型与gbXML模型的映射关系1.1 基于IFC的绿色性能分析模型结构以IFC标准最新版本IFC4[11]为基础，本文梳理出基于IFC的绿色性能分析模型结构，如图 1所示。
模型的空间分解结构以场地实体IfcSite为根节点，并通过IfcRelAggregates建立与建筑实体IfcBuilding、 楼层实体IfcBuildingStorey及空间或房间实体IfcSpace的逐层包含关系。因为IFC模型采用IfcSpace统一表达房间及空间划分，所以场地、建筑、楼层等实体的分解中均可包含IfcSpace (见图 1左侧部分)。IfcRelContainedInSpatialStructrue用于表达各空间分解层级与各构件实体的包含关系，例如场地实体与其中的树木、植被、水体、道路等实体 (统一由IfcGeographicElement表达) 的关系以及建筑、楼层、空间等与其中的建筑构件、机电设备等实体 (由IfcElement及其子类表达) 的包含关系。
IFC模型通过IfcRelSpaceBoundary实体表达空间及构成其边界的建筑构件IfcElement的关联关系，并通过该实体引用的IfcConnectionGeometry实体表达空间及其边界构件的连接面。
IfcMaterialDefinition及其子类型则用于表达构件、设备等实体的材料信息，并通过实体IfcRelAssociatesMaterial关联到构件实体IfcElement。
此外，IfcTimeSeriesSchedule用于描述空间划分实体的使用计划，并由IfcRelAssignsToControl建立二者的关联关系。建筑的不同子系统的划分则一般基于IfcSystem及其子类实现，具体到给排水、供暖通风、强弱电系统等则采用IfcDistributionSystem进行表达。各系统与构件、设备的管理关系则通过 IfcRelAssignsToGroup描述。
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| 图 1 基于IFC的绿色性能分析模型结构 |
| 图选项 |
1.2 基于gbXML的绿色性能分析模型结构gbXML模型主要用于建筑能耗、光照、通风等性能分析数据交换，其结构如图 2所示。模型结构以gbXML元素为根节点，对空间分解、水暖电系统、场地设施及运行计划、材料信息、气候等元素进行组织。
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| 图 2 基于gbXML的绿色性能分析模型结构 |
| 图选项 |
模型空间分解结构以场地元素Campus为根节点，直接关联建筑元素Building及场地设施元素Vegetation和Transportation； Building下则进一步关联楼层BuildingStorey和空间Space，BuildingStorey和Space的关系通过buildingStoreyId表达。空间的边界则通过SpaceBoundary表达，并基于其surfaceIdRef属性建立与形成空间边界的建筑构件Surface的关联关系。
材料信息、运行计划和气候信息在gbXML中则分别通过Construction、 Schedule和Weather等元素描述。材料与构件的关联关系和空间划分与运行计划的关联关系则分别通过constructionIdRef和scheduleIdRef描述。
建筑系统外的其他水暖电系统由LightingControl、 LightingSystem、 HydronicLoop、 AirLoop等元素表达。 Space则可通过AirLoopId、 AirLoopEquipmentId、 HydronicLoopId、 HydronicLoopEquipmentId、 LightingControlIdRef、 LightingSystemIdRef等建立与相应设备及系统的关系。
1.3 IFC模型与gbXML模型对比及其映射关系由上述IFC及gbXML对绿色性能信息的描述机制可知： 1) 在数据关联关系表达上，IFC模型均采用关系实体进行描述，而gbXML则通过属性或者关联对象Id来描述； 2) 模型空间分解上，二者基本一致，都是按照场地、建筑、楼层、空间的层级顺序进行划分； 3) 水暖电系统信息描述上，IFC模型将其统一视为IfcDistributionSytem，有关设施设备则统一处理为IfcDistributionElement及其子类，而gbXML则明确分为暖通、水、照明3个系统。
综上可知，两种模型表达的信息基本一致，但在数据组织结构上具有一定的差异，信息实体或属性之间并不存在完全的一一对应关系。例如，绿化和道路信息在IFC模型中均通过IfcGeographicElement表达，而在gbXML中分别采用Vegetation和Transportation进行表达。为实现二者的数据转换，研究通过分析梳理二者的信息描述标准，建立了IFC模型与gbXML模型实体映射关系，如表 2所示。 其中，“.”符号之前为实体或元素类型名称，之后为属性名称。
表 2 IFC模型与gbXML模型的映射关系
| 类别 | 条目 | IFC实体/属性 | gbXML元素/属性 |
| 基本信息 | 计量单位 | IfcUnit | lengthUnit,areaUnit,volumeUnit,temperatureUnit |
| 正北方向 | IfcGeometricRepresentationContext.TrueNorth | Azimuth | |
| 文档历史 | IfcOwnerHistory | DocumentHistory | |
| 地理位置 | IfcSite.RefLatitude,IfcSite.RefLongitude | Location | |
| 空间组织结构信息 | 场地 | IfcSite | Campus |
| 建筑 | IfcBuilding | Building | |
| 楼层 | IfcBuildingStorey | BuildingStorey | |
| 空间 | IfcSpace,IfcZone | Space,Zone | |
| 空间边界 | IfcRelSpaceBoundary | SpaceBoundary,Surface.AdjacentSpaceId | |
| 空间层级 | IfcRelAggregates, | Campus.Building, | |
| 关系 | IfcRelContainedInSpatialStructure | Building.BuildingStorey,Building.Space | |
| 构件 | IfcBuildingElement及其子类 | Surface,surfaceTypeEnum | |
| 水暖电设备 | IfcDistributionElement及其子类 | LightingControl,AirLoopEquipment,HyfronicLoopEquipment | |
| 绿化及道路 | IfcGeographicElement | Vegetation,Transportation | |
| 材料信息 | IfcMaterialDefinition,IfcMaterial,IfcMaterialLayer,IfcMaterialLayerSet | Material,Layer,Construction | |
| 其他信息 | 计划成本 | IfcTimeSeriesSchedule | Schedule,YearSchedule,WeekSchedule,DaySchedule |
| IfcCostItem,IfcCostValue | Cost |
表选项
2 绿色性能分析模型转换方法综合考虑上述IFC模型与gbXML模型不同实体或属性映射关系的差异以及不同信息描述方式的差异，本文采用基于规则的方法实现IFC模型向gbXML模型的信息转换。首先，研究根据IFC实体类型建立了基本规则，将IFC模型信息按照实体类型进行分类，并进行分别处理，其中IFC实体与gbXML元素具有一一对应关系的可直接转换； 其次，对IFC模型中的关系实体，需根据其关联的实体类型，转换为gbXML模型对应元素的属性； 再次，针对一种IFC实体对应多种gbXML实体的情况，研究进一步根据IFC实体属性建立转换规则，实现模型转换； 最后，针对多种IFC实体对应一种gbXML元素的情况，则根据对应gbXML元素属性信息的特点，综合考虑IFC实体的类型和属性信息建立相应的转换规则。此外，以上未包括的其他情况则需进行单独处理。有关规则描述及其示例如表 3所示。
表 3 IFC模型向gbXML模型的转换规则分类及示例
| 序号 | 类别 | 规则说明 | 示例 |
| 1 | 一一对应 | IFC模型的实体类型与gbXML元素类型具有意义对应关系，可直接进行转换。 | IFC模型中的文档历史IfcOwnerHistory可直接转换为gbXML模型中的DocumentHistory。 |
| 2 | 关系实体转换 | IFC模型中的描述不同实体关联关系的实体(关系实体)，需根据关系实体关联的IFC实体类型转换为对应gbXML元素的属性。 | 对于IFC模型中的IfcRelAggregates关系实体，当其RelatingObject属性的类型是IfcSite且RelatedObjects属性的类型时IfcBuilding时，应相应更新IfcSite实体对应的Campus元素的Building属性。 |
| 3 | 一对多转换 | IFC模型中一种实体需对应转换为gbXML模型中的多种元素，此时需考虑IFC实体的属性值将其转为不同的gbXML元素。 | IfcGeographicElement可转换为Vegetation或Transportation，需根据IfcGeographicElement.ObjectType判定。例如，当其ObjectType为"Road"时，就将其转换为Transportation。 |
| 4 | 多对一转换 | IFC模型中的多种实体对应转换为gbXML模型中的一种元素，此时需根据gbXML元素及其属性信息特点，在转换时将IFC实体的类型和属性信息转换为对应gbXML实体的属性。 | IFC模型中，墙IfcWall、板IfcSlab等都应转换为gbXML中的Surface，并设置Surface的surfaceType属性。考虑到gbXML将板又分为UndergroundSlab、SlabOnGrade等多种类型，转换时需根据板的标高将surfaceType设为不同的值。 |
| 5 | 其他 | 以上未包含的其他情形。 | 后续材料信息转换的情况。 |
表选项
根据上述对上述转换规则的适应程度，本文将基于IFC的绿色性能信息分为几何信息及非几何信息2类。前者包括空间组织、空间划分、构件等信息，后者则包括材料、运行计划、计量单位等信息。
2.1 几何信息转换基于IFC的绿色性能分析模型的几何信息主要包括建筑空间分解层级信息、空间划分信息、构件信息等，IFC模型与gbXML模型对该部分信息的描述相似度较高，可直接按照表 3第1—4类规则进行转换，接下来分别介绍空间分解层级、空间划分、构件各部分的转换方法。
1) 空间分解层级信息转换。
IFC模型和gbXML模型采用了相同的空间层级分解方法，因此其有关信息的转换过程较为简单，可从IFC模型依次提取场地、建筑、楼层等实体，按照表 3第1类规则直接转换为gbXML模型的对应元素。同时，参照表 3第2类规则更新gbxml模型元素属性，以构建gbXML模型不同层级的包含关系。
2) 空间划分及建筑构件信息转换。
基于图 1的IFC模型结构，可以从中提取出各空间实体的边界、不同空间实体的邻接关系等，从而实现空间划分信息的转换，并辅助进行建筑构件的转换。以上述IFC模型结构为基础，可建立图 3的建筑空间划分信息转换流程。
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| 图 3 空间划分信息转换流程 |
| 图选项 |
建筑性能分析过程涉及的复杂异形构件或异形空间划分边界很少，且gbXML仅对四边形支持能力较好[5]，已满足性能分析对几何信息的描述要求[12]。因此，本文在上述转换过程中仅对形状规则的墙、梁、板、柱、门、窗等构件及空间边界进行处理，且直接采用IfcConnectionGeometry对应的几何关联平面生成gbXML中构件Surface的信息，转换过程如图 4所示。
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| 图 4 建筑构件信息转换流程 |
| 图选项 |
2.2 非几何信息的转换基于IFC的非几何信息主要包括材料信息、运行计划信息、计量单位等信息，IFC模型中该部分主要信息的组织结构与gbXML模型差异较大，需单独进行处理，接下来以材料信息为例介绍相应转换方法。
IFC模型中所有材料信息有关实体均继承于IfcMaterialDefinition，包括IfcMaterialLayerSet、 IfcMaterialLayer、 IfcMaterial等，可分别表达多层材料、单个材料层和其他普通材料。而在gbXML模型中，则通过Construction、 Layer和Material分别表示多层材料、单个材料层和其他普通材料。同时，考虑到gbXML中的构件与材料的关联关系通过constructionIdRef表达，因此所有IFC模型中的材料均需转换为Construction元素。对IfcMaterial、 IfcMaterialLayerSet等不同IFC实体类型应采用不同的转换规则和流程实现其信息向gbXML的转换，如图 5所示。
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| 图 5 材料信息转换流程 |
| 图选项 |
3 案例分析验证为验证以上IFC模型向gbXML模型的转换方法，本文选择了常用BIM软件Revit 2015版内置的示例项目rac_advanced_sample_project，并利用Revit将数据导出为gbXML和IFC模型，用于上述转换方法的验证。该示例项目具有BIM模型建模规范、数据完善等特点，且Revit软件历经多个版本迭代对IFC和gbXML格式数据的导出支持较好，为方法验证提供了有力条件。
本文转换方法验证结果见图 6，图 6a和6b 分别为Revit直接导出的gbXML模型和本文基于Revit导出的IFC转换生成的gbXML模型在FZK Viewer中的显示效果。可以看出，显示效果基本一致，转换效果良好。此外，图 6c和6d 则分别是IES-VE软件导入IFC模型和本文基于IFC生成的gbXML模型的效果，前者具有空间不封闭等明显错误，而后者则不存在此类问题。同时，本文基于IFC转换生成的gbXML模型导入IES-VE后可直接进行能耗分析，结果如图 7所示。
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| 图 6 模型数据转换验证 |
| 图选项 |
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| 图 7 IES-VE能耗分析结果 |
| 图选项 |
由以上应用验证可知，通过本文方法生成的gbXML模型可直接用导入IES-VE等绿色性能分析软件进行绿色性能分析，可有效避免此类软件对IFC数据支持能力较差的问题，减少数据重复建模工作，提高工作效率，降低有关绿色性能分析软件的应用难度。
4 结 论针对当前建筑绿色性能分析过程中数据交换与共享困难的问题，本文通过分析基于IFC和gbXML的绿色性能分析模型结构，梳理二者对绿色性能分析信息的描述方式，建立了二者相关实体与属性的映射关系。提出了IFC模型向gbXML模型的自动转换方法，并重点分析了空间组织结构信息和材料信息的转换方法。最后，利用有关数据对提出的转换方法进行了应用验证。结果表明： 该方法可实现IFC向gbXML的自动转换，支持不同参与方与应用之间绿色性能分析数据的交换与共享，有效降低信息重复建模成本，提高工作效率，推动建筑绿色性能分析软件的普及应用。
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