基于IFC 標準的隧道工程信息傳遞研究

周雅莉 胡 珉 喻 鋼

(1.上海大學-上海城建(集團)公司建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心，上海 200072;2.上海大學土木工程系，上海 200072;3.上海大學悉尼工商學院，上海 200072)

1 引言

建設工程全生命周期的過程中涉及到多個參與方，各參與方涉及的專業(yè)領域不同，應用的專業(yè)軟件不同，信息表達的方式也不同，如何高效地促進各參與方之間的協(xié)同工作一直以來都是工程管理中的難點和熱點。BIM 是近年在建筑工程領域應用最為廣泛的新技術，它從根本上解決項目從規(guī)劃、設計、施工到維護管理等各階段應用系統(tǒng)之間的信息斷層，形成面向項目全生命周期的、具有高度集成性的建筑工程信息化模型。作為BIM 技術的主流數(shù)據(jù)交換標準IFC 標準提供了一個不依賴于任何具體信息管理系統(tǒng)、適合于計算機處理的建筑數(shù)據(jù)表示和交換標準［1］。IFC 能夠使不同的應用軟件通過標準的數(shù)據(jù)接口，進行數(shù)據(jù)交換和共享，它定義了建筑工程項目全生命周期的數(shù)據(jù)格式，是目前應用范圍最廣、內(nèi)容最為全面的BIM 數(shù)據(jù)標準［2］。然而正是由于它的內(nèi)容豐富、涉及的領域廣，使得其在針對特定交換需求時，詞義表達不夠精確，且內(nèi)容高度冗余，并不能夠直接使用，因此需將其具體化。IDM 標準就是用來實現(xiàn)這一目的的標準。它是對建筑工程項目分階段按一定流程和交換目的的定義，擬精確定義每一業(yè)務模塊，將IFC 標準分步實施。IDM 標準中確定的信息交換的具體內(nèi)容則通過MVD 標準來表達，MVD 標準定義了模型視圖的標準化格式，每一個特定的MVD 將IDM 標準中特定的交換需求與IFC 標準中的實體和關系對象綁定，按一定功能組織方式進行表達，并在軟件中測試認證，以達到利用IFC 標準在軟件中實現(xiàn)信息交換的目的。

目前國內(nèi)外對IFC 標準及IDM 標準都有所研究，涉及暖通、電氣、給排水、材料管理等多個領域。而對MVD 標準的研究主要集中在歐美國家，目前通過BSI(Building SMART International)官網(wǎng)認證的有效MVD 標準主要涉及設備管理、預制混凝土信息交換、建筑規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設計分析、HVAV 設計、景觀設計、道路設計等專業(yè)。本文著重對模型視圖的定義進行了研究，在參考其他專業(yè)模型視圖的基礎上，結(jié)合最新版本的IFC 標準IFC4，對隧道工程中的造價、進度、安全等信息傳遞進行研究。

2 BIM 標準具體實施流程

完整項目信息交換過程涉及到上述的所有標準以及一些實施手冊和指南，整個過程不僅復雜，而且每一步都需要精確操作、反復檢驗，過程中涉及了IFC 標準的研究人員、軟件開發(fā)商以及項目中的各參與方，過程中任何一個小的失誤都可能使得IFC 標準最終不能應用到BIM 軟件中。

正常的BIM 標準實施流程應該是，首先定義好IDM 標準中的流程圖(Process Map，PM)，提出相關的交換需求(Exchange Requirements，ER)，利用MVD 說明書將交換需求表達成MVD，其次是軟件的支持性進行測試，最終在BIM 驗證階段應用［3］。因此將IFC完整地應用到一個建筑工程項目中需要經(jīng)歷設計、實施、軟件認證和BIM 使用四個階段。(圖1)

圖1 BIM 實施流程圖

2.1 方案設計階段(需求定義)

設計階段是利用IDM 進行需求定義的階段，IDM定義了兩類以上的應用軟件信息交換時(如建筑設計軟件及進度分析軟件)的商業(yè)流程以及需要進行交換的信息。首先對建筑全生命周期過程中的各工程階段進行明確的劃分，然后利用業(yè)務流程建模標記法(Business Process Modeling Notation，BPMN)繪制出實際的業(yè)務流程圖，并對每個工程節(jié)點各專業(yè)人員所需的交流信息進行詳細的定義，以此達到在全生命周期某一特定階段的信息需求標準化，并將需求提供給軟件商，與IFC 標準映射，制定出MVD 標準，形成最終的解決方案［4］。如建筑設計軟件及進度分析軟件進行信息傳遞時，需要先設計出信息傳遞的業(yè)務流程圖，其次從對方的模型中提取自己需要的內(nèi)容，并最終作為自身專業(yè)交流模型的一部分，深化完善與本專業(yè)相關的BIM 模型部分。

在該階段中，關鍵是流程圖和交換需求的確定，BIM 使用者需要真正地作出決策，這樣才能制定出能夠滿足交換需求的標準。

2.2 解決方案階段

針對設計階段中的商業(yè)流程和交換需求，需要制定特定的解決方案，提供一套完整的信息概念描述，MVD 就是為了解決這個問題而產(chǎn)生的，它基于上述階段中的交換需求，從IFC 模型中派生出來，是IFC 數(shù)據(jù)模型的子集。

MVD 分為“概念”、“視圖”和“描述文檔”三大模塊［5］。“概念”是MVD 的核心，視圖表達了“概念”之間的上下層次關系和構(gòu)造，描述文檔則描述了“概念”以及MVD 的屬性、架構(gòu)、功能和目標等信息。每一個MVD 是分為非IFC 的通用形式和與IFC 綁定形式兩種序列進行表達的。因此“概念”也有兩種表達方式，其中非IFC 的通用形式是給沒有IFC 知識和軟件開發(fā)經(jīng)驗的普通用戶查看的，相當于表達了信息交換需求，用藍色標記(如圖2，此處以深灰色替代藍色)，而IFC 綁定形式(MVD“概念”)是將通用“概念”與IFC 標準中的相關實體或關系對象進行綁定，利用IFC 模型來交換所需數(shù)據(jù)，是給具有IFC 知識的程序開發(fā)人員查看的，旨在將通用“概念”和IFC 標準綁定并在軟件中實現(xiàn)，用橙色標記(如圖3，此處以淺灰色替代橙色)。

2.3 軟件實施、認證測試階段

一旦MVD 被制定并發(fā)布，就需要實現(xiàn)對各供應商軟件的支持，包括對軟件中IFC 數(shù)據(jù)交換詳細的技術支持，這里需要依次對每一個“概念”進行測試以確認它們的實施符合MVD 規(guī)則。認證的結(jié)果將以通用的MVD 格式進行公開，以便最終用戶可以檢查、確認。

除了對“概念”進行驗證，還要進行軟件的有效性測試，即檢驗軟件所輸出的信息與交換需求定義是否一致，確保在特定的商業(yè)規(guī)則下交換需求能完全被滿足。有效性測試執(zhí)行時必須使用為確定交流需求中特定部分而設計，事先已知其功能的測試文件，測試文件中屬性值的設定在不同的地方可能因為不同的商業(yè)規(guī)則而有所差異。

2.4 BIM 認證、應用階段

經(jīng)過認證的軟件產(chǎn)品并不能確保IFC 數(shù)據(jù)在最終的項目中能夠順利地交換。最終用戶必須遵循BIM 指南中描述的進行數(shù)據(jù)交換。BIM 認證確保最終用戶可以成功地上傳一個被認證的應用程序所輸出的BIM 模型。BIM 認證結(jié)束后會出具BIM 認證報告，列出該BIM 中滿足和不滿足交換需求的內(nèi)容。

3 隧道工程BIM-5D 模型視圖定義

隧道工程全生命周期過程中，涉及大量的數(shù)據(jù)、人員信息，如何管理這些數(shù)據(jù)，并使各參與方之間進行協(xié)同工作是BIM 需要解決的問題。目前，越來越多的項目中采用了BIM-5D 管理平臺對項目進行管理，使得各參與方能夠及時準確的獲取項目信息。BIM-5D 就是在3D 建筑信息模型基礎上，融入“時間進度信息”與“成本造價信息”形成的五維建筑信息模型。

本文以盾構(gòu)隧道工程為研究對象，通過對項目全生命周期過程中物理模型與投資分析模型、物理模型與進度分析模型以及物理模型與安全分析模型之間信息傳遞視圖模型的定義，實現(xiàn)BIM -3D 模型與進度信息、成本信息以及安全信息之間的融合，最終構(gòu)成該盾構(gòu)隧道工程的BIM-5D 管理平臺。

下文所定義的視圖模型以及文檔都是以與IFC4進行綁定了的形式進行的定義和描述，視圖定義和文檔描述都是按照MVD 的標準格式進行的。首先是對模型視圖進行了定義(圖4)，根據(jù)各專業(yè)涉及到的需求信息列出“概念”，并按照一定的層次組合成視圖模型，視圖中涉及到的每一個“概念”，在文檔描述中都有對應的說明(圖5)，文檔描述中還包括了“概念”以及MVD 的屬性、架構(gòu)、功能和目標等信息。該視圖只是對這幾項主要交換信息進行總體的定義，實際每一項都需要有詳細的視圖定義，才能實現(xiàn)真正的信息交換，構(gòu)建出BIM-5D 平臺。

4 結(jié)論

通過信息建筑模型和各模型的信息協(xié)同，可以實現(xiàn)BIM -5D 施工管理平臺(圖5)，通過BIM-5D 信息模型，可以獲取到工程的造價，進度和安全信息，還可以進行相關的統(tǒng)計分析，極大的提高了工程管理過程中信息溝通和管理的效率。

BIM 的一個基本前提是物業(yè)設施生命周期內(nèi)不同階段的利益相關者之間通過協(xié)同合作來插入、抽取、更新或修改BIM 過程信息以支持和反映不同利益相關者的角色，因此BIM 價值的最大化實現(xiàn)需要依賴于不同項目成員和應用軟件之間的信息準確、快速的傳遞。本文研究了如何利用BIM 標準進行隧道項目工程中信息的傳遞。為構(gòu)建BIM -5D 平臺提供了基礎，不過本文對于視圖的描述只是停留在主體部分，并未展開進行詳細定義，今后將在這方面繼續(xù)分析研究。

［1］滿慶鵬，孫成雙.基于IFC 標準的建筑施工信息模型［J］.土木工程學報，2011，S1 期(S1):239-243.

［2］See R，Karlshoej J，Davis D.An Integrated Process for Delivering IFC Based Data Exchange［J］.2012-09-16.

［3］明星.基于MVD 的建筑與結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換研究［D］.上海交通大學，2014.

［4］周成，鄧雪原.IDM 標準的研究現(xiàn)狀與方法［C］//計算機技術在工程設計中的應用——第十六屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集.2012:22-27.

［5］劉安申.基于BIM -5D 技術的施工總承包合同管理研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學，2014.