基于IFC的隧道施工信息集成模型及管理信息系統(tǒng)

姜諳男， 鄭 帥， 趙龍國(guó)， 吳洪濤， 段龍梅

(1. 大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026， 2. 吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021)

隧道施工是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，由于前期勘探信息匱乏，預(yù)設(shè)計(jì)方案有一定盲目性[1]，因此“觀察法施工”“信息化施工”等強(qiáng)調(diào)反饋控制的施工理念得到重視[2,3]。隧道施工過程涉及繁雜而抽象的信息數(shù)據(jù)，建立可視化的隧道管理信息系統(tǒng)(Manage Information System，MIS)顯得尤為必要。朱合華等[4]建立了基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)(in frastructure Smart Service System，iS3)平臺(tái)框架，形成一套針對(duì)巖體隧道的精細(xì)化采集、分析與服務(wù)系統(tǒng)并應(yīng)用。王國(guó)欣等[5]實(shí)現(xiàn)了隧道三維計(jì)算機(jī)空間模型與可視化施工順序表現(xiàn)。姜諳男等[6]建立隧道的可視化反分析平臺(tái)，基于可視化類庫(kù)(Visualization Toolkit，VTK)對(duì)隧道施工中圍巖應(yīng)力、應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)位移等結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像顯示。

隨著信息采集手段和分析方法的不斷進(jìn)步，目前包括監(jiān)控量測(cè)信息、地質(zhì)信息、施工過程分析信息等在內(nèi)的隧道施工信息量呈爆炸式增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)多元性與格式不統(tǒng)一的矛盾日益突出。如何采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和可視化手段來共享和分析隧道施工多元信息成為有待解決的重要問題。建筑信息模型BIM(Building Information Modeling) 通過共同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC(Industry Foundation Classes)集成工程各類信息，成為土木建筑行業(yè)的熱點(diǎn)[7]。Hegemann等[8]基于IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了隧道TBM(Tunnel Boring Machine)施工的模型，并開發(fā)了顯示IFC模型的軟件。Li等[9]建立了基于BIM的地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)的分析系統(tǒng)，并針對(duì)基坑進(jìn)行應(yīng)用。Zhou Ying等[10,11]從盾構(gòu)管片拼裝施工方面對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展。孫鈺杰等[12]提出基于IFC 的水電設(shè)備運(yùn)行可視化管理模式，并在此基礎(chǔ)上使用C#語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

基于BIM的工程管理信息系統(tǒng)已經(jīng)逐漸引起重視，IFC為行業(yè)提供了信息集成的公共數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這也是土木工程信息管理的發(fā)展趨勢(shì)。但將BIM與隧道施工反饋分析相結(jié)合的研究還不多見。本文首先研究隧道IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展和集成信息模型表達(dá)方法，然后進(jìn)行基于IFC的反饋分析MIS的開發(fā)，并進(jìn)行初步的工程應(yīng)用。

1 隧道施工反饋分析流程

1.1 隧道施工反饋分析方法

圍巖支護(hù)系統(tǒng)具有開放的復(fù)雜的系統(tǒng)特點(diǎn)，人工觀測(cè)、監(jiān)控量測(cè)和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等多種手段獲取多元信息可以看作該系統(tǒng)的輸出。開挖方法和支護(hù)方案是該系統(tǒng)的輸入。隧道施工過程反饋分析表現(xiàn)在一方面通過多元信息進(jìn)行系統(tǒng)的辨識(shí)，即獲得圍巖的等級(jí)和圍巖參數(shù)；另一方面通過施工方案調(diào)整實(shí)現(xiàn)控制，使地下工程的穩(wěn)定狀態(tài)向預(yù)期目標(biāo)轉(zhuǎn)化。隧道反饋分析流程見圖1。

圖1 隧道反饋分析流程

反饋分析中的信息獲取區(qū)域包含了掌子面前方、掌子面、掌子面后方的不同空間位置；分析方法包含了統(tǒng)計(jì)分析、模式識(shí)別和智能優(yōu)化等算法。

本文將BIM模型和其IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)引入隧道施工反饋分析過程。分析流程如下：

(1)利用Revit軟件創(chuàng)建隧道BIM模型，通過IFC擴(kuò)展形成隧道參數(shù)化組件庫(kù)。

(2)將采集的多元信息及有關(guān)屬性通過EXPRESS語(yǔ)言添加到BIM模型的擴(kuò)展組件庫(kù)。然后導(dǎo)出為 IFC 格式的模型文件。調(diào)用自主開發(fā)的反饋分析計(jì)算模塊，進(jìn)行圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)、圍巖參數(shù)識(shí)別和監(jiān)測(cè)信息預(yù)警。

(3)調(diào)用施工方案優(yōu)化計(jì)算程序獲得開挖施工方案和支護(hù)參數(shù)。在此過程中的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)也會(huì)實(shí)時(shí)地更新到BIM集成信息模型中。多種分析計(jì)算模型與BIM模型讀寫交互，支持IFC的各類主流BIM平臺(tái)均可查詢?；贗FC標(biāo)準(zhǔn)的隧道反饋分析模式見圖2。

圖2 基于IFC的隧道反饋分析模式

1.2 基于IFC的隧道反饋分析MIS設(shè)計(jì)

在圖2的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)建立了基于IFC的反饋分析MIS。系統(tǒng)功能分為六大模塊，即BIM模型庫(kù)操作(IFC數(shù)據(jù)三維圖形交互)、監(jiān)測(cè)信息管理、圍巖分級(jí)、有限元分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)以及分析報(bào)告等模塊，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 反饋分析MIS功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用SQL Server 2010數(shù)據(jù)庫(kù)，與一般MIS相比其顯著特點(diǎn)是：(1)可以進(jìn)行BIM模型數(shù)據(jù)解析以及三維模型可視化；(2)包含了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)、圍巖參數(shù)識(shí)別和隧道工法選擇以及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的專業(yè)計(jì)算模塊；(3)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與BIM集成模型的雙向數(shù)據(jù)傳遞，并實(shí)現(xiàn)IFC信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的映射備份；(4)采用BIM建模軟件Revit和結(jié)構(gòu)分析軟件ABAQUS之間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)BIM有限元的正反計(jì)算。上述計(jì)算方法經(jīng)過驗(yàn)證測(cè)試，在此不再詳述，可參考文獻(xiàn)[13]。以下介紹IFC模型信息表達(dá)方法、IFC模型解析和可視化顯示等內(nèi)容。

2 隧道施工IFC信息模型集成

2.1 隧道模型IFC擴(kuò)展及參數(shù)化建模

隧道BIM模型包括隧道空間幾何模型和相關(guān)集成信息。IFC標(biāo)準(zhǔn)是BIM的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)提供了比較完善的建筑實(shí)體模型，但是這些模型還只是針對(duì)房建領(lǐng)域，不能適應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)特征。所以，將BIM引入隧道領(lǐng)域首先需要擴(kuò)展IFC模型。

IFC主要有三種擴(kuò)展方式：(1)基于IfcProxy實(shí)體的擴(kuò)展；(2)基于屬性集的擴(kuò)展；(3)基于實(shí)體定義的擴(kuò)展。由于屬性集的擴(kuò)展具有較好的靈活性，不需要改變?cè)瓉淼腎FC模型結(jié)構(gòu)，本文用其進(jìn)行隧道動(dòng)態(tài)施工分析及反饋相關(guān)信息的表達(dá)。拓展隧道空間幾何模型(種類和結(jié)構(gòu))則需要基于實(shí)體定義的擴(kuò)展，利用參數(shù)化建模，即通過調(diào)整構(gòu)件形狀和幾何尺寸的參數(shù)來動(dòng)態(tài)修改模型。

通過PredifinedType和IfcProperty分別表達(dá)隧道實(shí)體和相關(guān)多元屬性信息。多個(gè)同類屬性IfcProperty屬于一個(gè)IfcPropertySet Definition構(gòu)建屬性集。利用IfcRelDefinesByProperties實(shí)現(xiàn)隧道構(gòu)件實(shí)體與其屬性集之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2 隧道種類IFC實(shí)體擴(kuò)展

隧道種類可以按照形狀、功能、分部等來區(qū)分。利用IFC的擴(kuò)展來表達(dá)隧道種類或分部，需要在IFC的空間結(jié)構(gòu)超類IfcSpatial Structure Element類下添加子類IfcTunnel和IfcTunnelPart，分別表示隧道整體空間的實(shí)體和表示隧道分部。一座隧道整體IfcTunnel，在空間上由若干個(gè)IfcTunnelPart組成。

IfcTunnel包括整個(gè)隧道的位置、空間幾何信息等，還可以通過預(yù)定義類型屬性和功能屬性的方式添加隧道形式類型屬性(IfcTunnelType)和功能類型屬性(IfcTunnelFunctionType)；IfcTunnelPart是針對(duì)隧道的洞門、洞身、隧道線形等更小的分部種類來進(jìn)行表達(dá)的實(shí)體子類。IfcTunnelTypeEnum，IfcTunnelFunctionTypeEnum和IfcTunnelPartTypeEnum的數(shù)據(jù)類型均為枚舉實(shí)體。

其中給出IfcTunnelPartTypeEnum的EXPRESS描述為：

TYPE IfcTunnelPartTypeEnum = ENUMERATION OF(PORTAL,OPEN-CUTTUNNEL,UNDER-CUTTUNNEL,TUNNELCHAMBER,SHEDTUNNEL,USERDEFINED,NOTDEFINED);END_TYPE。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)IFC實(shí)體擴(kuò)展

隧道結(jié)構(gòu)如襯砌、錨桿、鋼架等是隧道重要的組成部分，也應(yīng)進(jìn)行IFC的實(shí)體擴(kuò)展。方法是通過其語(yǔ)法中物理結(jié)構(gòu)元素超類IfcElement，該類包含了所有物理組件的通用元素、外形表達(dá)等信息。在IfcElement下依次逐級(jí)添加子類IfcCivilElement和IfcTunnelElement。IfcTunnelElement是所有隧道結(jié)構(gòu)的抽象超類，再添加系列子類包括圍巖(IfcTunnelSuroundingRock)、錨桿(IfcSystemAnchorBolt)、鋼拱架(IfcSystemSteelFrame)、 初襯(IfcInitialSupportShotcrete)、二襯(IfcTunnelLiningStructure)、超前支護(hù)(IfcTunnelAdvanceSupport)、仰拱充填(IfcTunnelInvertFilling)、開挖工法(IfcTunnelExcavationMethod)等。具體的XPRESS-G視圖見圖4。圖中表達(dá)了新增的隧道IFC實(shí)體子類和原有IFC實(shí)體超類的繼承關(guān)系。通過以上子類實(shí)體的添加，可建立典型隧道物理模型結(jié)構(gòu)見圖5。通過預(yù)先建立的構(gòu)件族庫(kù)，根據(jù)具體的工程設(shè)計(jì)信息實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。

圖4 隧道物理結(jié)構(gòu)的 EXPRESS-G視圖

圖5 隧道BIM典型的組件結(jié)構(gòu)

隧道建設(shè)過程中，針對(duì)地質(zhì)條件或圍巖等級(jí)的不同，需要采取對(duì)應(yīng)的開挖施工工法，也需要進(jìn)行相應(yīng)實(shí)體的擴(kuò)展。主要涉及到臺(tái)階法、預(yù)留核心土法、中隔壁法，單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等五種開挖工法，通過Revit軟件對(duì)典型的施工工法進(jìn)行三維建模(圖6)。

圖6 隧道施工工法BIM模型庫(kù)

為模型中每一個(gè)組成部分賦予順序標(biāo)識(shí)，并通過時(shí)間序列控制在Naviswork軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行開挖工法的動(dòng)態(tài)展示。隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)計(jì)算過程在前述的隧道反饋分析系統(tǒng)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，計(jì)算獲得圍巖級(jí)別后，在平臺(tái)中可以調(diào)用相應(yīng)開挖工法的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行4D展示。動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)流程見圖7。

圖7 動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)流程

2.4 隧道多元信息IFC屬性擴(kuò)展

在上述隧道組件建立基礎(chǔ)上需要關(guān)聯(lián)映射相關(guān)的信息。由于隧道施工涉及的信息繁多，需要對(duì)隧道施工信息進(jìn)行分類整理。依據(jù)隧道動(dòng)態(tài)施工流程及反饋分析功能，可將隧道施工信息分為監(jiān)測(cè)信息、圍巖信息、支護(hù)信息以及隧道工法信息。根據(jù)IFC語(yǔ)法，要分別進(jìn)行屬性集和屬性的自定義。屬性集自定義包含屬性集的名稱、屬性集的適用實(shí)體。屬性自定義包含屬性名稱、屬性類型和數(shù)據(jù)類型。結(jié)合隧道動(dòng)態(tài)施工信息表達(dá)的需要，建立了傳感器信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、分級(jí)信息、反分析信息、水文信息、節(jié)理信息、錨桿信息、襯砌信息、鋼架信息、施工工法信息的屬性集的定義，見表1。

表1 基于屬性集的隧道動(dòng)態(tài)施工信息表達(dá)

表1中的每個(gè)屬性集又包含了具體的屬性，限于篇幅，僅列出傳感器信息屬性、圍巖分級(jí)指標(biāo)屬性分別見表2，3。通過對(duì)上述屬性集和屬性進(jìn)行定義，利用系統(tǒng)內(nèi)嵌IFC數(shù)據(jù)讀寫程序?qū)崿F(xiàn)反饋分析過程的IFC信息的更新，將過程分析和最終計(jì)算結(jié)果信息同步寫入IFC模型，實(shí)現(xiàn)了基于IFC的隧道施工多元信息的更新和表達(dá)。

表2 傳感器信息屬性集合

表3 隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)屬性

3 基于IFC的管理信息系統(tǒng)開發(fā)

3.1 IFC解析及圖形引擎技術(shù)

基于上節(jié)所述的隧道IFC模型，將隧道施工過程所采集的各項(xiàng)信息、監(jiān)測(cè)信息、學(xué)習(xí)樣本組、學(xué)習(xí)結(jié)果以及工程施工信息等由讀寫程序?qū)懭肽Ｐ?。集成信息模型保存為純文本IFC 中性文件(擴(kuò)展名為.ifc)和IFC 模式文件(擴(kuò)展名為.exp)。隧道圍巖分級(jí)、參數(shù)反分析和支護(hù)優(yōu)化各功能模塊采用已有研究成果，可參考相關(guān)文獻(xiàn)[13]。

IFC數(shù)據(jù)解析和三維圖形引擎是本文管理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)?？紤]從底層開發(fā)IFC數(shù)據(jù)解析程序需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而目前免費(fèi)的IFCsvr，IFC Engine DLL 等組件均具有IFC數(shù)據(jù)的解析功能，其中IFCsvr組件無法將BIM模型幾何信息直接轉(zhuǎn)化為三維圖形引擎常用的三角網(wǎng)格，而IFC Engine DLL在該方面優(yōu)勢(shì)明顯。該組件集成了幾何實(shí)體的布爾運(yùn)算的一般功能，能夠?qū)缀螌?shí)體進(jìn)行三角網(wǎng)格剖分，極大地方便了實(shí)體的模型操作與顯示。并具有解析效率高、平臺(tái)支持度廣等特點(diǎn)。因此，本文選擇了IFC Engine DLL 組件作為 IFC 數(shù)據(jù)解析程序的開發(fā)基礎(chǔ)。

在 IFC Engine DLL組件基礎(chǔ)上，采用Visual C# 編程平臺(tái)、WinForm界面框架和Sql Server 2010作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和Direct3D 圖形引擎進(jìn)行開發(fā)。Direct3D 提供了強(qiáng)大的三維圖形功能， 并具有很好的模型顯示效果，實(shí)現(xiàn)IFC模型交互。

SQL Server2010數(shù)據(jù)庫(kù)作為IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的映射存儲(chǔ)，保證了系統(tǒng)開發(fā)的效率以及模塊功能的兼容性。開發(fā)的基于IFC的隧道MIS主界面見圖8。

圖8 基于IFC的隧道MIS主界面

3.2 系統(tǒng)初步應(yīng)用

3.2.1 工程概況

現(xiàn)將該系統(tǒng)應(yīng)用于甄峰嶺隧道工程，該隧道位于吉林省和龍市北部西城鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道分左右兩幅，兩洞的間距32～40 m，隧道長(zhǎng)度約5 km。以該隧道LK65+870—LK65+950區(qū)段為例分析，在關(guān)鍵斷面安裝了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多點(diǎn)位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、土壓力盒四種，安裝位置為拱頂、拱腰、拱腳五處，用于測(cè)量圍巖變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、初襯內(nèi)拱架軸力和圍巖壓力。施工過程還進(jìn)行了常規(guī)監(jiān)控量測(cè)和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。該區(qū)段原設(shè)計(jì)為按照Ⅳ級(jí)圍巖考慮，采用臺(tái)階法施工。

3.2.2 圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)

結(jié)合甄峰嶺現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，輸入指標(biāo)確定為回彈強(qiáng)度值、完整性系數(shù)、節(jié)理延展性、地下水發(fā)育狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與地應(yīng)力六項(xiàng)，輸出結(jié)果為對(duì)應(yīng)位置的BQ值對(duì)應(yīng)的圍巖等級(jí)。調(diào)用系統(tǒng)的圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)功能模塊，通過解析和調(diào)用前述建立的甄峰嶺隧道IFC施工信息集成模型，讀取圍巖分級(jí)指標(biāo)及學(xué)習(xí)樣本，完成該區(qū)段的BQ法與DE-ANN法圍巖級(jí)別的判定，兩種方法得到的圍

巖等級(jí)都為Ⅴ級(jí)。根據(jù)該圍巖分級(jí)結(jié)果，系統(tǒng)推薦宜采用的工法是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，推薦工法界面見圖9。

圖9 系統(tǒng)計(jì)算輸出推薦工法

3.2.3BIM有限元反分析及錨固參數(shù)優(yōu)化

利用前述的BIM有限元技術(shù)和智能優(yōu)化算法，進(jìn)行圍巖的參數(shù)反分，BIM有限元反分析有關(guān)界面見圖10。

圖10 BIM有限元反分析有關(guān)界面

輸入隧道拱頂位移大約為22.5 mm、拱腰處位移大約為18 mm，經(jīng)過智能算法優(yōu)化迭代，反分析得到圍巖的參數(shù)為彈性模量1.10 MPa，泊松比0.37。與前述分析得到圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)是一致的。

基于前述反分析結(jié)果，調(diào)用錨固參數(shù)優(yōu)化模塊進(jìn)行了錨固參數(shù)優(yōu)化。以拱頂?shù)某两滴灰坪凸把諗课灰撇怀^警戒值作為穩(wěn)定性約束，以工程造價(jià)最小為目標(biāo)，調(diào)用后臺(tái)智能優(yōu)化算法的隧道圍巖錨固參數(shù)優(yōu)化程序，得到最優(yōu)的錨固支護(hù)方案的支護(hù)參數(shù)為：錨桿長(zhǎng)度3 m、徑向間距1.4 m、直徑21 mm，初襯厚度為24 cm。系統(tǒng)輸出優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)界面見圖11。

圖11 系統(tǒng)計(jì)算輸出的支護(hù)參數(shù)

對(duì)于上述區(qū)段采用常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)圍巖BQ分級(jí)方法以及常規(guī)數(shù)值模擬進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，與本系統(tǒng)給出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有較好的一致性。按照系統(tǒng)給出的結(jié)果對(duì)實(shí)際工程調(diào)整了方案，方案實(shí)施后獲得預(yù)期的施工效果。從而說明本系統(tǒng)的功能是可行有效的。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)隧道施工信息繁雜抽象及數(shù)據(jù)異構(gòu)性造成的共享困難的問題，本文分析了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的隧道動(dòng)態(tài)反饋分析系統(tǒng)功能模塊和數(shù)據(jù)流程，闡述了IFC標(biāo)準(zhǔn)拓展方法，從隧道空間結(jié)構(gòu)表達(dá)、物理結(jié)構(gòu)表達(dá)和屬性集合等方面拓展了隧道構(gòu)件及信息IFC表達(dá)方式，建立了隧道施工分析的BIM信息集成模型，實(shí)現(xiàn)了隧道多元信息在不同的BIM平臺(tái)的共享。本擴(kuò)展方法支持通過buildingSMART對(duì)IFC格式官方認(rèn)證的所有BIM 軟件所導(dǎo)出的隧道構(gòu)件IFC物理文件。

借助 IFC Engine DLL 和 Direct3D圖形引擎，開發(fā)了IFC模型屬性讀寫、格式解析和三維可視化的反饋分析MIS，進(jìn)行程序編寫，為隧道反饋分析提供了一種新的與BIM模型信息交互操作的解決方案。對(duì)開發(fā)隧道管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用表明，建立的BIM信息模型可靠，計(jì)算結(jié)果合理，克服了數(shù)據(jù)異構(gòu)性導(dǎo)致的管理和利用效率低的問題。該系統(tǒng)為隧道施工信息分析管理提供了先進(jìn)的手段。