工业基础类IFC—材质和纹理

在我们的 IFC技术交流群（788206534）里，经常会有人提问“如何学习 IFC文档或者其开发”的问题。对于这个问题，我一直没有机会做一个完整的回答，这次我认真回忆了自己关于IFC的学习经历，在此与大家分享。一是要避免无脑地读官方文档，它就像高中时期那本厚厚的英汉大词典，是一个无底洞，而且里面的不同元素之间还是相互关联的，理清这里面的逻辑关系是非常复杂的一件事；二是选择几个乘手的可视化工具，我在《工业基础类IFC—IFC Viewers》里有提到过一些工具，这里再补充两个工具，分别是 IfcQuickBrowser 和 xbimExploer，这两款工具是我目前用的比较多的，前者是IFC文本的树形结构查看器，后者是几何可视化工具且具有丰富的属性查看功能；三是尽早选择一种适合自己的SDK进行按需开发，在熟悉了IFC标准的基本框架和描述方式后，我们应该以目标为导向去解决问题。就我目前了解到的情况而言，多半的需求集中在对 IFC 文件的信息提取和属性扩展两方面，而少数的需求是要需要创建或者转换成 IFC 文件，对于前者其实并不需要你对IFC有多么深入的了解，SDK已经提供给我们很完备的代码解决方案，它们把复杂的部分进行了封装，但你仍然可以从代码里get到基础的 IFC 表达逻辑和关联关系，这是一个非常快的过程，我们还可以轻松地通过代码的智能提示了解它们之间的关系，这对于我们普通开发者而言，足矣。

回到今天的主题，IFC 中的材质表达同样是一个复杂的体系，在准备这篇文章之前，我对此也是浑然不知。说它复杂，其实是因为它的全面性，兼顾了各种形式的材质信息表达、几何材质及纹理，确保了信息的完整性。

一、材质信息

首先材质定义与构件/构件类型的关联关系是通过 IfcRelAssociatesMaterial 来建立的。当然一个构件可能存在一种或多种材质，当只有一种材质时并不难，直接关联一个 IfcMaterial 即可，而有多种材质时，IFC可以从三个维度去描述构件的材质，一是按层（lfcMaterialLayerSet：不同材质之家有明显界限），比如在描述汉堡的材质时，第一层是面包，第二层是沙拉和生菜，第三层是肉，第四层还是面包；二是按成分（lfcMaterialConstituentSet：不同材质相互混合），比如我们在描述混凝土的材质时，它是由水泥、沙子、骨料、添加剂等混合而成；三是按横截面（lfcMaterialProfileSet：不同横截面轮廓的组合），这通常用于几何分析，可以用于定义不同截面位置处的力学特性。另外，值得提醒的是，IFC 2*3 中用于定义多材质的实体- IfcMaterialList，在 IFC 4 版本中被弃用，因为其摸棱两可的定义。

有了材质定义之后，还需要定义它的使用方式，例如对于多层材质来说，层叠加的方向等等。当然，也只有 lfcMaterialLayerSet 和 lfcMaterialProfileSet 才有定义使用方式的必要。这里为了更直观，我们直接拿不同材质类型的 IFC 文件进行说明。

1.1 IfcMaterialLayerSetUsage

案例文件中包含一个多层材质的墙，找到编号#303的墙实体，并在其反向属性中找到其材质的关联实体#305，#305中包含了材质的使用方式#304，在#304中能找到编号为#210的层材质定义，该层材质由#204、#206、#208三个材质共同组成，它们分别定义了各自的层高。

关于构成 IfcMaterialLayerSetUsage 实体的字段信息，可以参考下图，首先是层叠加的方向，该方向仅支持坐标轴定义，AXIS1、AXIS2、AXIS3分别代表X\Y\Z轴，我们可以通过构建局部坐标系来实现各个方向上的层叠加；其次是方向的正负性，不用过多解释；还有距参照线的偏移值，该值可正可负，参照线的定义如下图所示，可以在ShapeRepresentation中找到。根据上述定义，我们可以推断出，这种多层材质的表达也仅限于材质层高固定的情形，对于复杂的多层地质是难以表达的。

1.2 IfcMaterialProfileSetUsage

案例文件中包含一个工字形的梁，找到编号#70的梁实体，并在其反向属性中找到其材质的关联实体#72，#72中包含了材质的使用方式#71，在#71中能找到编号为#66的轮廓材质定义，该轮廓材质由工字形轮廓#64组成。

IfcMaterialProfileSetUsage 最主要的字段信息是CardinalPoint，也就是基点位置。该位置以1-19之间的整数数字表示，分别对应不同的截面轮廓的有效点。如下图所示，案例文件的数值5代表截面轮廓包围盒的中心点。

IFC 支持多种类型的轮廓定义，其中就包括案例文件中采用的参数化轮廓，我们比较熟悉的就是工字形、槽型、圆型、L型、U型等轮廓形状。

二、几何渲染材质和纹理

上述材质信息主要是对材质构成进行描述，并没有定义几何渲染所需的参数信息。而 IFC 将几何渲染参数称为样式Style，如下图所示，对象的几何数据通过IfcStyleItem与样式建立关联。这里我们主要讨论的是面样式IfcSurfaceStyle。IfcSurfaceStyle由多个IfcSurfaceStyleElementSelect组成，一般分为两种情况：带纹理贴图和不带纹理贴图，前者由IfcSurfaceStyleWithTextures和IfcSurfaceStyleRendering组成，后者则只有IfcSurfaceStyleRendering。

IfcSurfaceStyleRendering支持Phong光照模型、基于物理的光照模型和忽略光源的平面光照模型。IfcSurfaceStyleWithTextures用于表达贴图纹理，如下图所示，当对象存在贴图纹理时，其几何表达一般为三角化数据，顶点数组记录在IfcCartesianPointList3D中，UV纹理坐标则记录在IfcTextureVertexList中。

三、小结

虽然 IFC 标准早就提供了贴图纹理相关的实体，但一是ABC厂家并没有集成这块功能，例如Revit导出IFC时，是不会携带贴图纹理的；二是既有的IFC可视化工具均不支持贴图的查看。这方面SZ-IFC倒是做了不少工作，其插件可以导出贴图，而且也有一个专门的查看器，不过贴图文件是以附件形式存在的，数据利用过程中会有些麻烦。