第03章：IFC 标准与 BuildingSMART 数据模型基础

要真正理解 Xbim，就必须先理解它所表达的对象 —— IFC（Industry Foundation Classes）。本章不依赖任何代码，专注于厘清 IFC 标准本身。

1. 一份给 BIM 数据的”普通话”

不同 BIM 软件内部用各自的私有数据结构存储建筑模型：Revit 用 .rvt、ArchiCAD 用 .pln、Tekla 用 .db1。它们彼此并不兼容。BIM 的核心价值是全生命周期的协同——设计、施工、运维、监管多方都需要共享同一份数据，所以一种中立的、开放的、跨软件的数据格式必不可少。

IFC 就是这样一个标准：

• 由 buildingSMART International 制定、维护；
• 收录于国际标准 ISO 16739；
• 使用 EXPRESS（ISO 10303-11） 定义数据模型；
• 用 STEP21（ISO 10303-21） 文本格式序列化；
• 同时支持 XML、JSON、压缩 ZIP 等表达形式。

理解 IFC 后再回头看 Xbim 的实体类、接口、序列化器，你会发现它们都是这套标准的”机械翻译”。

2. IFC 的版本演进

Xbim 同时支持 IFC2x3、IFC4、IFC4x3，并在 Xbim.Ifc4.Interfaces 中提供统一接口屏蔽版本差异（详见第 05 章）。

3. IFC 的层次架构

IFC 数据模型是分层的，使用”洋葱模型”自底向上构建：

┌────────────── 领域层（Domain Layer） ──────────────┐
│ IfcArchitectureDomain, IfcStructuralAnalysisDomain,│
│ IfcHvacDomain, IfcElectricalDomain, ...            │
├──────────── 互操作层（Interoperability Layer） ────┤
│ IfcSharedBldgElements, IfcSharedFacilitiesElements,│
│ IfcSharedMgmtElements, IfcSharedComponentElements ,│
│ IfcSharedInfrastructureElements ...                │
├──────────── 核心层（Core Layer） ──────────────────┤
│ IfcKernel, IfcControlExtension,                    │
│ IfcProductExtension, IfcProcessExtension           │
├──────────── 资源层（Resource Layer） ──────────────┤
│ IfcGeometryResource, IfcTopologyResource,          │
│ IfcMaterialResource, IfcMeasureResource,           │
│ IfcDateTimeResource, IfcGeometricModelResource,... │
└────────────────────────────────────────────────────┘

核心约定：上层只能引用下层的实体，反之不行。这种分层使得 IFC 既稳定（资源层很少变动）又能演进（领域层可以独立扩展）。

3.1 资源层（Resource Layer）

提供最底层的数据类型积木，例如：

• IfcMeasureResource：长度、角度、面积、体积等度量类型；
• IfcGeometryResource：点、向量、坐标系、轴系；
• IfcTopologyResource：顶点、边、环、面、壳、实体；
• IfcGeometricModelResource：拉伸体、扫掠体、布尔结果、面表示；
• IfcDateTimeResource、IfcMaterialResource、IfcPropertyResource、IfcCostResource 等。

3.2 核心层（Core Layer）

定义最基础的 BIM 抽象。最重要的几个根类型：

• IfcRoot —— 一切”实体根”的祖先，含 GlobalId、OwnerHistory、Name、Description。
• IfcObjectDefinition —— IfcRoot 的子类，又分：
  • IfcObject：实例（一根具体的墙）
  • IfcTypeObject：类型/族（”M_基本墙: 200mm”）
  • IfcContext：项目/库的上下文容器
• IfcRelationship —— 关系实体的祖先（IFC 用关系实体显式表达对象之间的关联，是其最显著的设计特征之一）。
• IfcPropertyDefinition —— 属性集与类型属性的祖先。

关键概念：GlobalId（GUID）

每个 IfcRoot 都有一个全球唯一 ID，使用 22 字符的 IFC 自定义 base64 编码（不是标准的 GUID 格式）。这是模型对比、版本控制、数据交换的关键锚点。Xbim 中由 Xbim.Ifc4.UtilityResource.IfcGloballyUniqueId 处理。

3.3 互操作层（Interoperability Layer）

定义跨领域共享的 BIM 元素，例如：

• IfcWall、IfcSlab、IfcBeam、IfcColumn、IfcDoor、IfcWindow、IfcStair、IfcRoof；
• IfcFurniture、IfcEquipment；
• IfcDistributionElement（管道、风管、电气元件的基础）。

3.4 领域层（Domain Layer）

每个领域有自己专门的元素：

• 建筑：IfcDoorPanelProperties、IfcCurtainWall；
• 结构：IfcStructuralPointAction、IfcStructuralAnalysisModel；
• 暖通：IfcAirTerminal、IfcDuctSegment、IfcPipeFitting；
• 电气：IfcCableSegment、IfcElectricMotor；
• 基础设施（IFC4x3）：IfcBridge、IfcRailway、IfcRoad、IfcTunnel。

4. IFC 的关键设计模式

理解 IFC 必须掌握以下几个反复出现的模式。它们构成了”读 IFC 模型”的语法。

4.1 对象 / 类型分离

每根真实的墙是一个 IfcWall 实例，其类型/族是 IfcWallType。两者通过 IfcRelDefinesByType 关系关联：

IfcWall (instance) ── IfcRelDefinesByType ──> IfcWallType

属性、材料、几何模板可以挂在 IfcWallType 上，被多个 IfcWall 共享。

4.2 显式关系（Relationships）

IFC 不用 C# 风格的指针表达关联，而是把每一种关联实例化为一个关系实体。例如”楼板属于某个楼层”不是写成 slab.Storey = storey，而是创建一个 IfcRelContainedInSpatialStructure：

IfcRelContainedInSpatialStructure
   RelatingStructure = IfcBuildingStorey  (容器：楼层)
   RelatedElements   = [IfcSlab, IfcWall, IfcColumn, ...]  (内容)

常用关系实体：

这种”关系即实体”的设计虽然繁琐，但具有显式、可被查询、可附加额外信息（关系本身也是 IfcRoot，有 GUID/属性）等好处。

4.3 空间结构（Spatial Structure）

每个 IFC 模型都有一棵空间结构树：

IfcProject
└── IfcSite
    └── IfcBuilding
        ├── IfcBuildingStorey (1F)
        │   └── IfcSpace (Living Room)
        ├── IfcBuildingStorey (2F)
        └── ...

构件（墙、板、柱、门、窗）通过 IfcRelContainedInSpatialStructure 挂在某个空间下。这是后续遍历模型、出量、做空间分析的基础。

4.4 属性集 / 量集（Property Set / Quantity Set）

IFC 把”属性”显式从对象中抽离：

• IfcPropertySet：包含若干 IfcProperty（典型子类 IfcPropertySingleValue、IfcPropertyEnumeratedValue、IfcPropertyTableValue）。
• IfcElementQuantity：包含若干 IfcPhysicalQuantity（长度、面积、体积、计数）。

PSet 的命名通常采用 Pset_XxxCommon 模式（buildingSMART 维护一份标准 PSet 词表）。一个对象可以同时关联多个 PSet（通过 IfcRelDefinesByProperties）。

4.5 几何表达（Representation）

IFC 几何分两层：

• 位置（Placement）：IfcLocalPlacement 形成一棵相对坐标系树，最终对齐到全球或工程坐标系。
• 形状（Representation）：IfcProductDefinitionShape 包含若干 IfcShapeRepresentation，每个又包含若干 IfcRepresentationItem（IfcExtrudedAreaSolid、IfcBooleanResult、IfcFacetedBrep、IfcTriangulatedFaceSet、IfcPolyLine 等）。

每个 IfcShapeRepresentation 标注了 RepresentationType（”SweptSolid”、”Brep”、”MappedRepresentation”、”Tessellation” 等）和 ContextOfItems（”Body”、”Axis”、”FootPrint”），同一个对象常常同时拥有多种表达。

第 11–12 章会详细分析 Xbim.Geometry 是如何把这些隐式描述转成网格的。

5. EXPRESS 数据建模语言简介

EXPRESS 是 ISO 10303-11 定义的面向对象的数据建模语言，IFC schema 文件（.exp）就是用 EXPRESS 写的。它的语法风格近似 Pascal，举例：

ENTITY IfcWall
  SUBTYPE OF (IfcBuildingElement);
  PredefinedType : OPTIONAL IfcWallTypeEnum;
WHERE
  CorrectPredefinedType : ...
END_ENTITY;

EXPRESS 关键概念：

• ENTITY：实体（类）；
• SUBTYPE OF：继承；
• OPTIONAL：可空；
• LIST / SET / ARRAY / BAG：集合；
• WHERE / RULE / FUNCTION：约束/校验规则；
• DERIVE：派生属性；
• INVERSE：反向引用（”我被谁引用”）；
• TYPE / SELECT / ENUMERATION：类型别名、联合、枚举。

Xbim.CodeGeneration 会把这些元素分别映射为：

• ENTITY → C# class
• SUBTYPE → 继承 + 接口
• SELECT → 标记接口（IIfcCurveOrEdgeCurveSelect 等）
• ENUMERATION → C# enum
• INVERSE → C# 计算属性，运行时遍历模型反查

6. STEP21 文件格式

STEP21 是 IFC 最常见的序列化格式（.ifc 扩展名）。它是纯文本的，结构如下：

ISO-10303-21;
HEADER;
FILE_DESCRIPTION(('ViewDefinition [CoordinationView]'),'2;1');
FILE_NAME('SampleHouse.ifc','2024-01-01T00:00:00',...);
FILE_SCHEMA(('IFC4'));
ENDSEC;
DATA;
#1=IFCPROJECT('1xS3BCk291UvhgP2dvNsgp',#2,'Sample House',$,$,$,$,(#20),#7);
#2=IFCOWNERHISTORY(#3,#6,$,.ADDED.,$,$,$,1577836800);
#3=IFCPERSONANDORGANIZATION(#4,#5,$);
...
ENDSEC;
END-ISO-10303-21;

要点：

• 每行以 #<id>=ENTITY(...); 形式定义一个实体实例；
• 实体之间通过 #<id> 引用形成有向图；
• $ 表示空（OPTIONAL 未填）；
• * 表示派生（DERIVE）；
• .ENUM_VALUE. 表示枚举值；
• 'string'、(...)、(#1,#2,#3) 分别为字符串、元组、列表。

第 06 章会展示 Xbim 如何在 Xbim.IO.Step21 中实现这套语法的解析与生成。

7. ifcXML、ifcZIP、ifcJSON

• ifcXML：XML 表达，结构对应 EXPRESS schema，便于与 XSLT、XSD 工具链集成，但体积大；
• ifcZIP：把 .ifc 或 .ifcXML 用 zip 压缩，是大型模型分发的常见格式；
• ifcJSON：尚未正式发布的 JSON 序列化（草案中），Xbim 暂未原生支持。

Xbim 通过 Xbim.IO.Xml 与 IfcStore 自动识别 .ifc / .ifcxml / .ifczip 后缀。

8. MVD：模型视图定义

IFC schema 包含数千个实体，但实际工程中没有任何项目会用全。MVD（Model View Definition）就是 buildingSMART 制定的”用例子集”：

• CoordinationView：建筑/结构/暖通三专业协调，最经典的 MVD；
• ReferenceView：仅做参考查看，禁用复杂参数化；
• DesignTransferView：允许带可编辑信息；
• 基础设施 MVD：桥梁、隧道、公路、铁路（IFC4x3 重点）。

文件头 FILE_DESCRIPTION(('ViewDefinition [CoordinationView]'),...) 会写出 MVD 名称。校验工具会按 MVD 检查模型是否合规。

9. IDS：信息交付规范（新一代校验）

IDS（Information Delivery Specification）是 buildingSMART 较新（2022+）推出的、用 XML 编写的轻量级模型校验规范。它替代了过去庞杂的 mvdXML，可以表达诸如：

• 项目中所有 IfcWall 必须含 Pset_WallCommon.IsExternal；
• 所有外墙必须有”防火等级”属性；
• 所有 IfcSpace 必须有面积与体积量；

Xbim 团队为此专门提供了 Xbim.IDS.Validator。第 15 章会展开。

10. 在 Xbim 中的对应

铺垫这么多 IFC 概念后，我们快速对照 Xbim 的 C# 类：

无论文件是 IFC2x3 还是 IFC4，只要通过 IIfcXxx 接口访问，写出来的代码都能保持一份。

11. 小结

本章我们站在 IFC 标准本身的角度，理解了 Xbim 即将映射到 .NET 的世界：

• IFC 是面向 BIM 的 ISO 标准开放数据模型；
• 它分四层、含数千实体，但有清晰的根类与关系模式；
• 几何分位置和形状两层，形状又分多种 representation；
• 序列化主流是 STEP21 的 .ifc 文本格式，也支持 XML/ZIP；
• buildingSMART 还制定了 MVD、IDS、BCF、COBie 等配套标准。

下一章我们将打开 Xbim.Common，看看 Xbim 是如何把 EXPRESS 元模型搬进 .NET 内存的。