面向BIM的橋梁工程分類編碼體系研究

王小寧1， 2 王逸凡1， 2 劉 高1， 2 張秋信2 馬白虎 鐘榮煉

(1.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100088； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088； 3.貴州省公路開發(fā)有限責(zé)任公司，貴陽 550000)

1 引言

1.1 標(biāo)準(zhǔn)的意義

根據(jù)交通運(yùn)輸部公路現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 2016年末，全國公路總里程469.63萬km，公路橋梁80.53萬座。隨著我國公路基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，公路的通行能力和運(yùn)輸效率顯著提升，物流業(yè)迅速發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠保障。

建筑信息模型(BIM)技術(shù)集成現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，以3D模式直觀表述，實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的信息流通、共享和協(xié)同工作，促進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)過程的信息化發(fā)展。為推進(jìn)BIM技術(shù)在公路水運(yùn)工程中的應(yīng)用，交通運(yùn)輸部在2017年12月29日發(fā)布指導(dǎo)意見，旨在提高該領(lǐng)域信息化水平及項(xiàng)目建設(shè)品質(zhì)。

不同地區(qū)、不同公司采用不同的橋梁專業(yè)分類編碼體系及數(shù)據(jù)格式，為應(yīng)用BIM技術(shù)帶來一系列問題，阻礙項(xiàng)目信息的傳遞及標(biāo)準(zhǔn)化管理，如模型不能重用，信息不一致及信息孤島現(xiàn)象等。采用統(tǒng)一橋梁工程分類編碼標(biāo)準(zhǔn)是推動(dòng)BIM技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展的必要前提。

1.2 研究現(xiàn)狀

美國編制基于IFC的國家BIM標(biāo)準(zhǔn)，以ISO 12006-2框架為參考依據(jù)，對(duì)建筑工程建設(shè)過程中信息進(jìn)行分類編碼[1]。

佘健俊、成虎等對(duì)比分析工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)(EBS)和項(xiàng)目工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)的區(qū)別和聯(lián)系，研究工程系統(tǒng)的組成及EBS的應(yīng)用方法[2]。楊龍闡述IFC標(biāo)準(zhǔn)、EBS分解標(biāo)準(zhǔn)和WBS分解標(biāo)準(zhǔn)等，參照以上標(biāo)準(zhǔn)制訂元素分類及編碼準(zhǔn)則，建立一套適合鐵路工程實(shí)體模型的元素編碼表[3]。宋子婧、章征等分析EBS與工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)的區(qū)別以及在特大型橋梁全生命周期的發(fā)展變化，并對(duì)EBS的編碼方法和作用進(jìn)行分析[4]。

2014年中國鐵路BIM聯(lián)盟以聯(lián)盟名義《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》。共包含軌道、路基、橋涵、隧道、站場(chǎng)、環(huán)保、通信、信號(hào)、信息等[5]，參照建筑工程BIM標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鐵路工程范圍內(nèi)信息模型的分類及編碼做出詳細(xì)要求。同年，中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)發(fā)布《中國市政設(shè)計(jì)行業(yè)BIM實(shí)施指南》，BIM設(shè)計(jì)考慮規(guī)劃和設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，BIM設(shè)計(jì)目標(biāo)為二維視圖和統(tǒng)計(jì)報(bào)表從BIM模型中得到，讓BIM技術(shù)成為廣大設(shè)計(jì)人員生產(chǎn)工具，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，其中對(duì)市政工程構(gòu)筑物拆分及命名規(guī)則提出總體要求。

圖1 鐵路及市政工程相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)及指南

公路行業(yè)目前還沒有形成國家或者行業(yè)層面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及指南，對(duì)信息模型的分解、命名及編碼規(guī)則還沒有形成統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)。

1.3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

IFC 標(biāo)準(zhǔn)采用 EXPRESS(ISO 10303-11:1994)語言定義，是面向?qū)ο蟮娜S數(shù)據(jù)共享及交換標(biāo)準(zhǔn)，其定義應(yīng)用范圍為貫穿于工程全生命期數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)[9-11]。IFC標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)分為四層：領(lǐng)域?qū)?、共享層、核心層與資源層。資源層主要定義實(shí)體與類型等基本概念，不能獨(dú)立存在，依賴于其它層對(duì)其應(yīng)用； 核心層定義結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)的關(guān)系及其他概念信息； 信息傳遞的相關(guān)概念定義在共享層； 領(lǐng)域?qū)佣x對(duì)象的屬性信息。IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用主要集中在建筑領(lǐng)域，國內(nèi)專家及學(xué)者正在進(jìn)行橋梁工程相關(guān)IFC對(duì)象定義及擴(kuò)展法人相關(guān)研究。

IFD標(biāo)準(zhǔn)的作用是保障信息在共享和傳遞過程中的準(zhǔn)確性。IFC標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)象、信息等都在IFD標(biāo)準(zhǔn)中都具有唯一標(biāo)示碼。通過IFD標(biāo)準(zhǔn)軟件間信息交換不因?yàn)閲?、地區(qū)、文化等不同而產(chǎn)生偏差。

EBS分解標(biāo)準(zhǔn)定義功能面和專業(yè)元素概念，功能面是指工程總系統(tǒng)中具有使用功能的產(chǎn)品或服務(wù)[12]，例如一座特大型橋梁可以分為主橋、引橋、灘橋等功能區(qū)。每一個(gè)功能面由多個(gè)專業(yè)工程元素組成，例如主橋分為橋梁工程及交通工程等。專業(yè)工程元素可以繼續(xù)分解為多個(gè)子元素，例如橋梁工程可以分為下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)等。

WBS分解標(biāo)準(zhǔn)是將項(xiàng)目系統(tǒng)分解成可管理的工作任務(wù)，根據(jù)分解對(duì)象的不同又衍生出組織分解結(jié)構(gòu)、資源分解結(jié)構(gòu)及文檔分解結(jié)構(gòu)。WBS主要包括層級(jí)結(jié)構(gòu)、編碼及分解結(jié)構(gòu)詞典三個(gè)要素，層級(jí)結(jié)構(gòu)是項(xiàng)目管理系統(tǒng)任務(wù)從總體到局部細(xì)化工作的樹狀結(jié)構(gòu)； 編碼是對(duì)工作分解結(jié)構(gòu)中每一項(xiàng)工作都進(jìn)行唯一編碼形成編碼系統(tǒng)，在日常項(xiàng)目管理中編碼系統(tǒng)是資源安排、成本核算及進(jìn)度安排等工作的重要參照； 分解結(jié)構(gòu)詞典是對(duì)工作進(jìn)行詳細(xì)定義和補(bǔ)充說明[13]。

2 分類體系研究

信息模型分類是根據(jù)模型的屬性和特征，依照特定的原則和方法將信息模型進(jìn)行分解和分類，形成多層級(jí)的分類體系。分類的主要方法包括：線分法、面分法和混合分類法。

2.1 分類原則

橋梁工程信息模型中對(duì)象的分類應(yīng)遵循如下基本原則：

(1)適用性

分類要基于全生命周期考慮，滿足不同項(xiàng)目階段、不同管理精度的要求，既滿足項(xiàng)目前期階段(規(guī)劃階段、方案階段)又滿足項(xiàng)目中期及后期階段(建設(shè)階段、運(yùn)營階段等)的管理需求。

(2)系統(tǒng)性

分類應(yīng)按照特定的分類方法形成一個(gè)多層級(jí)合理的分類體系。同一層級(jí)不能相互包含，層級(jí)之間具有隸屬關(guān)系，上層級(jí)可包含下層級(jí)。

(3)擴(kuò)展性

分類應(yīng)保證在不影響已有分類體系的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行補(bǔ)充和完善，滿足不同管理精度及不同管理階段的需要。

2.2 分類方法

信息分類的主要方法包括：線分法、面分法和混合分法。線分法將目標(biāo)物按屬性或特征分解成若干個(gè)層級(jí)的類目，同一層級(jí)類目為并列關(guān)系，不同層級(jí)類目是隸屬關(guān)系。面分法將分類對(duì)象按照屬性和特征分解成若干面，每個(gè)面可繼續(xù)分成若干獨(dú)立的面，若干獨(dú)立的面組著在一起，形成復(fù)合類目?；旌戏诸惙ㄊ蔷€分法和面分法的融合，首先將對(duì)象按照分成若干面，再在面內(nèi)采用線分法對(duì)每個(gè)類目進(jìn)行層級(jí)分解，混合分類法可較好適用于復(fù)雜對(duì)象的分類，其中最典型的就是OminClass分類法[14]。

本文在吸收及總結(jié)各方面分類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上形成一套面向BIM的橋梁工程元素分類標(biāo)準(zhǔn)(IFD)，為橋梁工程信息模型分解提供另外一種思路。同樣基于ISO 12006-2框架，采用OminClass分類法中面分法將《橋梁工程信息模型分類表》按不同特征和屬性進(jìn)行分類形成11張表，每張表中對(duì)象再采用線分法分為多層級(jí)的表格。

表1 橋梁工程信息模型分類

表編號(hào)分類名稱備注01按功能分公路橋、鐵路橋、公鐵兩用橋等02按形式分梁橋、斜拉橋、懸索橋等03按元素分主梁、橋墩等04建設(shè)項(xiàng)目階段規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等05建設(shè)行為投資、規(guī)劃、報(bào)建等06組織角色設(shè)計(jì)單位、施工單位等07專業(yè)領(lǐng)域橋梁工程、交通工程等08工具塔吊、腳手架等09材料瀝青、水泥等10屬性形狀、尺寸、重量等11產(chǎn)品場(chǎng)地、預(yù)制件等

3 編碼體系研究

信息模型編碼是將信息模型中的對(duì)象賦予計(jì)算機(jī)容易識(shí)別的符號(hào)，形成編碼集合。整個(gè)信息模型是一個(gè)大的編碼集合，集合中每一個(gè)編碼代表信息模型中的某類對(duì)象。

信息模型中具有相同屬性和特征的對(duì)象分為一類，具有相同的編碼符號(hào)。類別編碼在信息模型的編碼集合中具有唯一性，這可保證信息模型在不同專業(yè)及不同應(yīng)用系統(tǒng)之間能夠正確解析。

3.1 編碼原則

橋梁工程信息模型中元素的編碼應(yīng)遵循如下基本原則：

(1)唯一性

在分類編碼體系中，每一個(gè)類別有且僅有一個(gè)編碼，一個(gè)編碼也只對(duì)應(yīng)一個(gè)元素類別。

(2)規(guī)范性

在分類編碼體系中，編碼結(jié)構(gòu)及格式應(yīng)保持一致。對(duì)編碼中使用的符號(hào)給與解釋說明。

(3)擴(kuò)展性

元素分類編碼時(shí)應(yīng)考慮冗余余量，滿足未來不斷擴(kuò)展的需要。

3.2 編碼方法

層級(jí)編碼以對(duì)象層級(jí)分類為基礎(chǔ)，將對(duì)象編碼成為順序遞增可擴(kuò)展的類。對(duì)象編碼由表格編碼和層級(jí)編碼(第一級(jí)、第二級(jí)等)組成，表格編碼和層級(jí)編碼都由2位數(shù)字組成。采用“-”連接分類與層級(jí)碼，采用“.”連接層級(jí)碼。在項(xiàng)目建設(shè)的不同階段，項(xiàng)目對(duì)編碼的精確度要求不一樣，單一類目的編碼并不能精確的描述對(duì)象，將不同編碼與“+”、“-”、“<”、“>”符號(hào)一起使用可以準(zhǔn)確地描述復(fù)雜對(duì)象。

不同的運(yùn)算符號(hào)代表不同的含義，“+”將多個(gè)代碼組合在一起；“/”表示單個(gè)表中的分類對(duì)象代碼段，“/”前代碼為起點(diǎn)，“/”后代碼為終點(diǎn)，“<”“>”用于表示分類對(duì)象間的隸屬或主次關(guān)系[15]。

元素編碼一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分類編碼結(jié)構(gòu)圖

表編號(hào)來源于《橋梁工程信息模型分類》，如“編3”對(duì)應(yīng)橋梁工程信息模型分類表中的元素表。層級(jí)編碼對(duì)應(yīng)元素表中的某個(gè)元素，每一個(gè)層級(jí)編碼對(duì)應(yīng)元素分類表中的相應(yīng)層級(jí)的編碼對(duì)象。

本文著重介紹橋梁工程分類編碼體系，把需要編碼的對(duì)象分解為樹狀層級(jí)結(jié)構(gòu)，部分分類表格如表2-4所示。

表2 按功能分橋梁(部分)

編碼第一級(jí)第二級(jí)備注01-01橋梁01-01.01公路橋01-01.02鐵路橋01-01.03公鐵兩用橋01-01.04人行天橋01-01.05管線橋

表3 按形式分橋梁(部分)

編碼第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)備注02-01橋梁02-01.01懸索橋02-01.01.01單塔02-01.01.02雙塔02-01.01.03多塔02-01.02斜拉橋02-01.02.01單塔02-01.02.01雙塔02-01.02.01多塔

表4 橋梁元素分類表(部分)

編碼第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)03-01橋梁03-01.01下部結(jié)構(gòu)03-01.01.01基礎(chǔ)03-01.01.01.01樁基礎(chǔ)03-01.01.01.01.01承臺(tái)03-01.01.01.01.02樁基03-01.01.01.02沉井03-01.01.01.03地連墻03-01.01.01.04………03-01.01.02墩臺(tái)

4 分類與編碼體系應(yīng)用

4.1 EBS編碼

EBS是工程結(jié)構(gòu)在信息系統(tǒng)的數(shù)字化描述，將實(shí)際工程結(jié)構(gòu)拆分為滿足管理需要的最小單元。EBS編碼結(jié)構(gòu)形式為樹狀層級(jí)結(jié)構(gòu)，是分類編碼的實(shí)例化編碼形式。本文將EBS編碼形式定義如圖3所示。

圖3 EBS編碼結(jié)構(gòu)圖

編碼形式中的分幅位置可根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行層級(jí)的調(diào)整，整個(gè)EBS的編碼層級(jí)不固定，根據(jù)項(xiàng)目需要，管理人員可進(jìn)行不同層級(jí)的編碼，滿足復(fù)雜項(xiàng)目的使用要求； 每一個(gè)元素編碼由兩部分組成：元素類型編碼和實(shí)例化編碼，中間用“：”連接，“：”前的編碼為元素類型編碼，其可與《橋梁工程信息模型分類表》中元素類型表的分類編碼進(jìn)行一一映射，“：”后的編碼為這個(gè)元素的實(shí)際編號(hào)，如“02：001”中“02”與《橋梁元素分類編碼表》中的樁基礎(chǔ)編碼保持映射，“001”表示001號(hào)樁基。

以平塘特大橋主塔基礎(chǔ)和引橋基礎(chǔ)為例，根據(jù)上述編碼結(jié)構(gòu)可表示為：PTQ-01-01-01：015-03-01-01： 01(平塘特大橋—橋梁工程—下部結(jié)構(gòu)-15#索塔—不分幅—基礎(chǔ)—承臺(tái))和PTQ-01-01-02：020-01-01-02： 001(平塘特大橋—橋梁工程—下部結(jié)構(gòu)-20#橋墩—左幅—基礎(chǔ)-001號(hào)樁基)。

工程系統(tǒng)按照“功能面”及“工程要素”進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，分解對(duì)象編碼形成EBS編碼集合。EBS編碼集合反映工程項(xiàng)目的實(shí)體結(jié)構(gòu)，信息模型分類編碼可確定橋梁元素的類型。兩種編碼保證映射關(guān)系，并且聯(lián)合使用形成工程項(xiàng)目編碼體系，其可反映工程實(shí)體的結(jié)構(gòu)層次，又可使信息模型在不同專業(yè)信息系統(tǒng)共享及流轉(zhuǎn)過程中，元素能被正確解析出相應(yīng)類型及附帶的屬性信息。

4.2 分類與編碼體系作用

在設(shè)計(jì)階段，技術(shù)人員按照EBS編碼規(guī)則及對(duì)應(yīng)的分類編碼表可進(jìn)行橋梁元素標(biāo)識(shí)符的編碼工作，此編碼具有唯一性。在BIM模型建模過程中，建模人員可將確定的唯一編碼賦予BIM模型。BIM模型附加的結(jié)構(gòu)化信息及非結(jié)構(gòu)化信息就可無損傳遞給施工階段。

在施工階段，技術(shù)人員基于相同的分類編碼規(guī)則及EBS編碼規(guī)則就可以接受設(shè)計(jì)階段傳遞的BIM模型，并提取模型上附加的屬性信息。施工期項(xiàng)目管理工作是基于WBS展開的，WBS是將項(xiàng)目涉及的各項(xiàng)內(nèi)容按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行分解，直至分解成內(nèi)容單一、便于管理的工作單元，是對(duì)工作任務(wù)的分解。WBS與EBS的編碼是高度類似，密不可分的，根據(jù)設(shè)計(jì)模型上附加的編碼可以快速形成一套適合于施工期項(xiàng)目管理工作的WBS編碼。

5 結(jié)論

建立一套適合全生命周期的編碼規(guī)則體系是實(shí)現(xiàn)BIM模型信息交互的重要保障。通過對(duì)國內(nèi)外建筑、鐵路、公路及市政領(lǐng)域信息分類與編碼體系的研究分析，結(jié)合橋梁工程的特點(diǎn)，本文將橋梁工程中的對(duì)象分為11張分類表，并制定EBS編碼結(jié)構(gòu)形式。分類編碼可以確定元素的類別屬性，EBS編碼可以確定橋梁工程構(gòu)件的唯一性，兩者結(jié)合對(duì)BIM模型信息傳遞及項(xiàng)目管理工作提供重要保障，提出一套適用于橋梁工程BIM技術(shù)應(yīng)用需要的分類與編碼體系。

本文提出的分類與編碼體系只經(jīng)過部分項(xiàng)目的應(yīng)用，分類編碼表中關(guān)于附屬結(jié)構(gòu)及交通工程的內(nèi)容還需進(jìn)一步完善，編碼體系的應(yīng)用還局限在設(shè)計(jì)及施工階段，運(yùn)維階段的應(yīng)用暫未開展。