基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片信息模型研究

陳 聰1 李亞巍 王志華4 余群舟 王晨雯

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司 總工程師辦公室, 武漢 430070; 2. 湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心, 武漢 430074; 3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 武漢 430074;4. 上海隧道工程有限公司，上海 200032)

國際公共交通聯(lián)盟(UITP)主席弗里茨潘姆佩爾在《地方公共交通之世界形勢》的報告里指出：在20世紀(jì)末，人類世界最嚴(yán)峻的問題之一就是第三世界國家大城市的交通運(yùn)輸問題[1]。

在中國城市軌道交通運(yùn)營線路中，地鐵仍然是艷壓群芳，獨(dú)占鰲頭。由于地鐵具有高速、準(zhǔn)時、安全、載客量大、不占用地上空間，所以地鐵已經(jīng)成為當(dāng)今解決城市交通擁擠問題的重要手段之一[2]。丁烈云等提到國內(nèi)地鐵工程日益繁榮，信息自動化技術(shù)也越來越多地運(yùn)用到地鐵工程中[3]。城市地鐵多數(shù)是在地下隧道中運(yùn)行的，地鐵的快速發(fā)展，必然帶來地鐵隧道的大量建設(shè)，隧道質(zhì)量問題也將接踵而至[4]。

盾構(gòu)法在地鐵施工中具有十分明顯的優(yōu)勢，盾構(gòu)法具有施工速度快、對周圍環(huán)境影響小、安全性高等優(yōu)點。管片檢測是隧道質(zhì)量控制的重要技術(shù)手段。管片檢測是指對管片全壽命周期內(nèi)各階段進(jìn)行檢測，以保證設(shè)計、生產(chǎn)和拼裝質(zhì)量符合設(shè)計和國家強(qiáng)制性規(guī)范要求。然而，目前管片檢測仍然采用人工工作方法，各參建方由于檢測軟件不統(tǒng)一，檢測數(shù)據(jù)保存格式不一致，不能滿足檢測數(shù)據(jù)交換和共享，同時存在信息處理慢、容易丟失等問題，給檢測信息的處理帶來了困難。如何借助信息化手段，提高檢測信息的處理效率，實現(xiàn)檢測信息的集成化管理和共享，逐漸成為一種趨勢。

本文在分解管片全生命周期質(zhì)量活動要點的基礎(chǔ)上，分析各階段管片檢測信息，并通過IFC標(biāo)準(zhǔn)對管片檢測信息進(jìn)行表達(dá)與拓展，最后借助BIM技術(shù)實現(xiàn)管片檢測信息的集成化管理。為實現(xiàn)全過程、全生命周期的檢測信息管理和各參建方之間檢測信息的共享和交換提供了可靠的基礎(chǔ)，方便實現(xiàn)多方協(xié)同工作，提高管片檢測工作的效率和質(zhì)量，從而提高管片、管環(huán)及成型隧道質(zhì)量。

1 相關(guān)研究

1.1 盾構(gòu)管片檢測現(xiàn)狀

當(dāng)今地鐵建設(shè)工程如雨后春筍，層出不窮，未來幾十年仍是地鐵建設(shè)的高峰期。隧道作為管片拼裝的產(chǎn)成品，究其質(zhì)量問題背后的原因大多數(shù)都是因為管片質(zhì)量不合格。管片檢測是貫穿管片全生命周期的質(zhì)量管理活動，對后期隧道質(zhì)量影響深遠(yuǎn)。

在國內(nèi)的隧道建設(shè)項目中，管片檢測仍以人工檢測為主，為了提高現(xiàn)場檢測的實時性和可靠性，會通過加大人員投入，進(jìn)行多次重復(fù)檢測，比如獨(dú)立的第三方和施工方都會分別進(jìn)行復(fù)測工作。另一方面，傳統(tǒng)的檢測模式會造成各參建方之間存在信息流通不暢的現(xiàn)象，同時檢測數(shù)據(jù)通過工作人員進(jìn)行對比分析，工作繁瑣，且易出錯，降低了檢測工作效率，造成大量資金浪費(fèi)。國內(nèi)關(guān)于管片檢測技術(shù)的創(chuàng)新有：張仁鑫等[5]，在分析管片拼裝階段存在的管片錯臺、管片破損與開裂等質(zhì)量問題的基礎(chǔ)上，以信息可視化技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，在盾構(gòu)管片拼裝現(xiàn)場環(huán)境中，定位安置虛擬質(zhì)量檢測模型，通過真實場景與虛擬質(zhì)量檢測模型差異對比，完成盾構(gòu)管片拼裝質(zhì)量檢測。周瑩等[6]，將工業(yè)測量系統(tǒng)中的激光跟蹤測量系統(tǒng)應(yīng)用到管片檢測中，通過三維激光掃描技術(shù)采集管片實體三位數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，平面擬合、曲面擬合等，以判斷管片的尺寸是否符合設(shè)計精度要求，實現(xiàn)三維構(gòu)建的全面放映。潘國榮等[7]，對管模檢測的傳統(tǒng)和現(xiàn)階段新興的檢測方法做出分析和比較，提出采用配備高精度垂直和水平編碼器的徠卡激光跟蹤儀器的LTD600檢測系統(tǒng)，改變了以往傳統(tǒng)檢測方法不能對鋼模的弧長尺寸進(jìn)行檢測的現(xiàn)狀，使管模測量更加精確。張君錄等[8]，自創(chuàng)一種盾構(gòu)管片外部滲壓計的安裝方法，并在湛江灣隧道中進(jìn)行實驗，成功監(jiān)測到管片外部的水壓力、土壓力、管片內(nèi)部鋼筋應(yīng)力和管片間接觸應(yīng)力。

西方發(fā)達(dá)國家，隧道建設(shè)開始時間與國內(nèi)相比較早，目前多數(shù)處于運(yùn)營階段，隧道表明滲漏水、表面脫落等現(xiàn)象在相當(dāng)大部分隧道中都存在。因此，這些國家目前主要關(guān)注隧道工程運(yùn)營階段的維護(hù)和安全使用問題，大多數(shù)國家采用先進(jìn)檢測技術(shù)掌握工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)等。

1.2 盾構(gòu)管片檢測信息采集

管片全生命周期檢測工作主要包括管片設(shè)計信息(后期檢測工作的標(biāo)準(zhǔn))、管片出廠檢測、成環(huán)管片檢測以及成型隧道檢測等四個主要內(nèi)容。

1.2.1 設(shè)計階段信息采集

通過對管片模板圖中信息提取及與設(shè)計人員交談，采集通用管片實體信息，分為管片、管環(huán)、隧道、隧道軸線、直線、緩和曲線、圓曲線7個實體，見表1所示。

表1 管片實體信息

1.2.2 生產(chǎn)階段信息采集

生產(chǎn)階段采集管片出廠檢測信息。管片出廠檢測是在管片生產(chǎn)完成之后，出廠之前，由管片生產(chǎn)單位和第三方檢測機(jī)構(gòu)對管片進(jìn)行的檢測，是管片投入使用前的最后一道質(zhì)量控制工序。

管片出廠檢測包括：混凝土抗壓強(qiáng)度、外觀質(zhì)量、尺寸偏差、水平拼裝、滲漏檢驗、抗彎性能檢驗及抗拔性能檢驗七個檢測項目。

1.2.3 拼裝與竣工驗收階段信息采集

拼裝階段主要是采集成環(huán)管片檢測信息。成環(huán)管片檢測是對管片拼裝的過程質(zhì)量進(jìn)行控制，是階段性事中控制。

成環(huán)管片檢測包括隧道軸線檢測和管片拼裝檢測。隧道軸線檢測是指檢查成環(huán)管片中心點位置與設(shè)計軸線中心點位置的偏差；管片拼裝檢測是指對拼裝成環(huán)后的管環(huán)的姿態(tài)等進(jìn)行檢查，詳見表2所示。

隧道竣工驗收階段主要是采集成型隧道檢測信息。成型隧道檢測是隧道投入使用前，對其進(jìn)行的最后一道質(zhì)量控制，是事后控制。

隧道竣工驗收階段檢測分為襯砌外觀質(zhì)量檢測、成環(huán)管片檢測和隧道軸線檢測要求詳見表3-4所示。

2 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片檢測信息模型

2.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)

IFC標(biāo)準(zhǔn)是IAI組織制定的使用形式化的EXPRESS數(shù)據(jù)語言來描述建筑工程數(shù)據(jù)的交換標(biāo)準(zhǔn)[9]。IFC標(biāo)準(zhǔn)的目的[10]：①支持工程項目全生命周期各階段信息的共享和交換；②支持信息在不同領(lǐng)域之間的共享和交換，而不是局限于某個特定的領(lǐng)域。

IFC模型體系結(jié)構(gòu)是IFC標(biāo)準(zhǔn)的綱領(lǐng)，就相當(dāng)于人體的脊椎，給出了IFC標(biāo)準(zhǔn)中各種實體的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。

IFC模型體系結(jié)構(gòu)由四個概念層次組成。第一個概念層次是資源層，它提供了用來描述模型的基本信息子模塊，這些模塊提供了資源定義，是整個數(shù)據(jù)模型信息描述的基礎(chǔ)；資源層的實體由于沒有GlobalId(全球唯一標(biāo)識值)，不能獨(dú)立地被使用，處在IFC模型模塊體系結(jié)構(gòu)最底層。第二個概念層次是核心層，是IFC數(shù)據(jù)模型的基本框架，包含一個內(nèi)核子模塊和幾個核心擴(kuò)展子模塊，包含了最抽象的實體定義；該概念層及以上層中的實體均繼承了父類屬性中的GlobalId屬性，它們可以作為獨(dú)立的實體。第三個概念層是協(xié)同層，由5個共享子模塊組成，這些模塊包含了在多個領(lǐng)域中共用的的產(chǎn)品、過程等實體，這些實體定義主要用于領(lǐng)域之間的建筑信息共享和交換。第四個層次是領(lǐng)域?qū)?，提供?個不同部門領(lǐng)域子模塊，形成各個部門的專題領(lǐng)域信息；每個子模塊包含了在特定領(lǐng)域內(nèi)部進(jìn)行交換和共享的產(chǎn)品和過程等實體。四個概念層次相互之間有嚴(yán)格的調(diào)用關(guān)系，即遵守“重力原則”：一個類型可以引用同層或低層次的類型，但不能引用高層次的類型(GBT25507-2010工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范)。這樣上層資源變動時，下層資源不受影響，保證信息描述的穩(wěn)定。

2.2 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片信息表達(dá)與擴(kuò)展

管片檢測全生命周期中各參建方所使用的管片檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)各不相同，為了實現(xiàn)管片檢測信息的集成化管理，使信息在各參建方交換暢通無阻，則需要采用遵循共同標(biāo)準(zhǔn)的管片檢測信息模型作為信息表達(dá)和交換的方式，實現(xiàn)檢測信息與BIM的集成。因此需要一種公開的數(shù)據(jù)格式，支持各軟件之間信息共享。IFC標(biāo)準(zhǔn)正是建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述的開放性國際標(biāo)準(zhǔn)，也是一種可擴(kuò)展的中性數(shù)據(jù)交換機(jī)制，這為管片檢測信息模型的擴(kuò)展和管片檢測信息與BIM的集成提供了可能。

2.2.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)對管片實體的擴(kuò)展

IfcSpatialStructureElement是泛化的空間元素，可以用來定義一個空間結(jié)構(gòu)。IfcBuilding是IfcSpatialStructureElement的子類，代表一個建筑物，同理可以在IfcSpatialStructureElement擴(kuò)展另一個子類IfcTunnel代表隧道空間。IfcObject是所有抽象超類，代表所有物理、抽象的事物。管片作為隧道的襯砌，類似于建筑中的梁、板和柱等建筑構(gòu)件，所以可以采用類似于IFC標(biāo)準(zhǔn)對建筑構(gòu)件實體信息的表達(dá)方式，通過實體擴(kuò)展，對隧道構(gòu)件進(jìn)行表示。IfcTunnel與IfcConcreteSegmentRing(管環(huán))的組合關(guān)系，用實體關(guān)系IfcRelAggregation，表示一種無序的組合關(guān)系。IfcConcreteSegmentRing與IfcConcreteSegment(管片)通過關(guān)系實體IfcRelNests，表達(dá)了每環(huán)管環(huán)都是管片按照固定的順序拼裝(由拼裝點位決定)而成的。隧道軸線通過實體IfcCompositeCurve(曲線段)的屬性Predfined by，屬性值為TunnelAxis來表示，并通過IfcRelAggregation與IfcTunnel連接，見圖1所示。

表2 成環(huán)管片檢測允許偏差

表3 襯砌外觀質(zhì)量檢測要求

表4 成環(huán)管片檢測允許偏差

圖1 IFC標(biāo)準(zhǔn)對管環(huán)實體表達(dá)

2.2.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)隧道設(shè)計軸線的擴(kuò)展

隧道設(shè)計軸線是由直線、緩和曲線和圓曲線組成的曲線集合。用IfcCompositeCurve表示隧道設(shè)計平面曲線(或豎曲線)。IfcCompositeCurveSegment定義一個有界曲線及其用于構(gòu)造復(fù)合曲線的過渡信息，該定義的唯一目的就是定義組成復(fù)合曲線的曲線段。IfcCartesianPoint定義在笛卡爾坐標(biāo)系中通過其坐標(biāo)定義的點，可以用它來表示曲線的銜接點(裁剪點)。

直線可以用IfcPolyline(折線)表達(dá)；緩和曲線可以由IfcTrimmedCurve(剪裁曲線)表達(dá)，屬性BasisCurve取IfcEllipse(橢圓)；圓曲線可以由IfcTrimmedCurve(剪裁曲線)表達(dá)，屬性BasisCurve取IfcCircle(圓)。同理，可以采用上述方法對隧道的豎曲線進(jìn)行表達(dá)。

2.2.3 IFC對檢測項目實體的擴(kuò)展

IfcControl(控制)用來表示控制或限制其它對象利用率、過程或資源等的抽象實體，它可以被視為監(jiān)管、命令或其它需要應(yīng)用于對象上必須滿足的要求和規(guī)定。管片檢測被認(rèn)為是對管片的一種質(zhì)量控制，所以可以以實體IfcControl為基礎(chǔ)，擴(kuò)展得到抽象實體IfcTestSchedule，屬性Name，屬性值為檢測隧道名稱；屬性Number，屬性值為檢測對象編號；屬性Description，屬性值為檢測隧道管片全生命周期檢測；屬性TestObject，屬性值為管片/成環(huán)管片/隧道；屬性TestUnit屬性值為管片生產(chǎn)方/檢測機(jī)構(gòu)/施工方/監(jiān)督方；屬性ProjectPhase表示檢測階段，分為生產(chǎn)/拼裝/竣工驗收階段；屬性Diameter表示圓形隧道直徑，為可選屬性。IfcAppearanceQuality(外觀質(zhì)量)、IfcPerformanceTest(性能檢測)、IfcSizeDeviation(尺寸偏差)、IfcHorizontalAssembling(水平拼裝)、IfcSegmentAssemblingTest(管環(huán)拼裝檢測)、IfcTunnelAxisTest(隧道軸線檢測)、IfcLiningTest(襯砌檢測)是IfcTestSchedule的七個子類，見圖2所示。

圖2 IFC標(biāo)準(zhǔn)對管片檢測實體表達(dá)

檢測通過父類實體IfcTestSchedule表示，通過關(guān)系實體IfcRelAssignToControl與檢測對象連接。IfcAppearanceQuality(外觀質(zhì)量)、IfcSizeDeviation(尺寸偏差)、IfcHorizontalAssembling(水平拼裝)、IfcPerformanceTest(性能檢測)的檢測對象為管片實體，IfcSegmentAssemblingTest(管環(huán)拼裝檢測)和IfcTunnelAxisTest(隧道軸線檢測)的檢測對象為管環(huán)(或成型隧道)實體，IfcLiningTest(襯砌檢測)的檢測對象是成型隧道實體。七個檢測大類的具體檢測類型通過Predefined_Type 屬性表達(dá)。以IfcPerformanceTest為例參考定義如下：

TYPEIfcPerformanceTestTypeEnum=ENUMERATIONOF(IfcConcreteStrenthTesting,IfcLeakage,IfcBendingTest, IfcPullOut); END_TYPE;

2.2.4 IFC對檢測項目屬性集擴(kuò)展

IfcPropertySet可以定義一個動態(tài)擴(kuò)展屬性集，這就好比將一組實例(事件)定義的共同屬性信息放在一個容器內(nèi)，是一個包含類，在一個屬性樹中包含多個屬性，單獨(dú)屬性表達(dá)的語義信息就是它們名字的含義。

通過對上述檢測項目檢測數(shù)據(jù)記錄分析，管片檢測項目共需要三個檢測數(shù)據(jù)成員。

(1)檢測屬性集1擴(kuò)展

IfcSizeDeviation(尺寸偏差)、IfcHorizontalAssembling(水平拼裝)、IfcSegmentAssemblingTest(管環(huán)拼裝檢測)、IfcTunnelAxisTest(隧道軸線檢測)的子類檢測項目通過定義一個新的動態(tài)屬性集Pset_Test1來描述這類檢測項目的屬性。每個屬性集通過兩張表格進(jìn)行定義，屬性集Pset_ Test1的定義見表5-6所示。

(2)檢測屬性集2擴(kuò)展

IfcAppearanceQuality(外觀質(zhì)量)、IfcLiningTest(襯砌外觀質(zhì)量檢測)的子類檢測項目通過定義一個新的動態(tài)屬性集Pset_Test2來描述這類檢測項目的屬性，屬性集Pset_Test2的定義見表7-8所示。

(3)檢測屬性集3擴(kuò)展

IfcPerformanceTest(性能檢測)的三個子類檢測項目通過定義一個新的動態(tài)屬性集Pset_Test3來描述這類檢測項目的屬性。屬性集Pset_Test3的定義如表9-10所示。

表5 Pset_Test1屬性集定義

表6 Pset_ Test1中屬性定義

表7 Pset_Test2屬性集定義

表8 Pset_Test2中屬性定義

表9 Pset_Test3屬性集定義

表10 Pset_Test3屬性定義

在檢測項目的屬性集建立完成后，則要建立屬性集與檢測項目之間的映射關(guān)系，詳見圖3所示。

2.3 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片檢測信息模型與集成

2.3.1 管片檢測信息模型

通過對管片檢測信息實體、關(guān)系、屬性和屬性集的擴(kuò)展與表達(dá)，可以得出基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片檢測信息模型，其中管片的檢測項目有外觀質(zhì)量檢測、性能檢測、尺寸偏差和水平拼裝四個檢測大類；管環(huán)的檢測項目有管片拼裝檢測、軸線檢測兩個檢測大類；成型隧道檢測在管環(huán)檢測大類的基礎(chǔ)上增加襯砌檢測，共三個檢測大類。

圖3 基于屬性集的檢測項目實體的信息描述與關(guān)聯(lián)

圖4 管片檢測IFC信息集成過程

以基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片檢測信息模型為基礎(chǔ)，借用BIM技術(shù)，通過檢測信息數(shù)據(jù)在BIM中的存儲和操作，實現(xiàn)管片檢測與BIM的集成，利用BIM軟件的導(dǎo)出功能生成管片檢測的IFC文件。管片生產(chǎn)階段，檢測方可以從IFC文件中提取出自己所需要檢測項目的，即：外觀質(zhì)量檢測、性能檢測、尺寸偏差檢測和水平拼裝檢測；管片拼裝階段，檢測方從IFC文件中提取出自己所需要管片拼裝檢測和隧道軸線檢測兩個檢測大類；成型隧道竣工驗收階段，檢測方從中提出襯砌外觀質(zhì)量檢測、管片拼裝檢測和隧道軸線檢測三個檢測大類，各參建方基于相同的管片檢測BIM模型，保證檢測信息的單一性、準(zhǔn)確性和可傳遞性。

2.3.2 管片檢測信息集成

管片檢測信息集成包括管片信息集成和檢測信息集成兩方面。由于管片信息在全生命周期各個階段幾乎不變，可以在設(shè)計階段完成后采用手動添加管片參數(shù)，實現(xiàn)管片信息集成。管片檢測信息在不同階段的檢測項目和檢測值不同，所以首先建立管片檢測信息的全生命周期的BIM模型，但屬性值均為空，導(dǎo)出IFC文件。在全生命周期不同階段，各檢測方根據(jù)自己需要，提取所需的檢測信息，并對IFC文件進(jìn)行讀寫操作，將各方的檢測數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入到IFC文件，得到集成了全生命周期各方檢測信息的IFC文件，工作流程詳見圖4所示。

3 結(jié)論

目前地鐵建設(shè)進(jìn)入到了一個高峰期，盾構(gòu)法由于具有施工速度快、對周圍環(huán)境影響小、安全性高等自身優(yōu)勢，已在隧道施工方法種占據(jù)主導(dǎo)地位。在盾構(gòu)法隧道中，管片全生命周期質(zhì)量直接決定整個隧道工程的質(zhì)量。管片檢測技術(shù)是指在隧道施工中，對管片、管環(huán)及成型隧道進(jìn)行質(zhì)量管理的一種重要技術(shù)手段，然而采用人工工作的方法，存在信息處理慢、信息不共享等問題。本文通過對管片全生命周期檢測信息采集，構(gòu)建基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片全生命周期檢測信息模型，實現(xiàn)檢測信息與BIM的集成。