一種基于IFC的地形模型共享方法

牛作鵬，李國(guó)杰

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

BIM(building information modeling，建筑信息模型)是一個(gè)含有屬性信息的三維或N維建筑模型，其目的是使項(xiàng)目各參建方都可以在三維或N維建筑模型中獲取、編輯、操作模型信息，從而在全壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)模型信息傳遞與共享，降低風(fēng)險(xiǎn)和錯(cuò)誤，提升協(xié)作效率。BIM技術(shù)作為一種革命性的技術(shù)，它代表著建筑工程行業(yè)信息化發(fā)展的方向[1]。

BIM技術(shù)的應(yīng)用已貫穿設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的全壽命周期過(guò)程，但BIM技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域方面的研究和使用不多。鄧江鋒[2]基于某運(yùn)動(dòng)場(chǎng)及訪客中心項(xiàng)目，探索了BIM技術(shù)在土石方測(cè)量中的應(yīng)用；楊田[3]基于傾斜攝影建立真三維模型的關(guān)鍵技術(shù),以實(shí)例研究BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用,探索了傾斜攝影測(cè)量與BIM技術(shù)的有效結(jié)合；周薇[4]研究了BIM技術(shù)在測(cè)量各領(lǐng)域的應(yīng)用,分析各種應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題。

測(cè)繪數(shù)據(jù)作為水運(yùn)工程信息模型基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，已貫穿設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的全壽命周期過(guò)程，但一個(gè)完整的建筑項(xiàng)目具有多部門、多專業(yè)，各部門、各專業(yè)分工不同必然導(dǎo)致使用不同的BIM工作軟件，但不同的BIM工作軟件存在不同的數(shù)據(jù)文件格式，使得不同部門、不同專業(yè)應(yīng)用BIM過(guò)程中存在模型信息傳遞及共享效率低的問(wèn)題。本文以東營(yíng)某港區(qū)一液體散貨泊位工程為例，研究基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的地形模型通過(guò)IFC實(shí)現(xiàn)共享的方法，為解決BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中的地形模型共享存在的屬性信息丟失問(wèn)題提供一條有效的解決途徑。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)及擴(kuò)展機(jī)制

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

IFC(industry foundation class，工業(yè)基礎(chǔ)類)標(biāo)準(zhǔn)是一種開(kāi)放的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換和表達(dá)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),具有較強(qiáng)的描述能力,通過(guò)基于對(duì)象的描述方式來(lái)表達(dá)較為復(fù)雜的建筑對(duì)象信息,滿足不同BIM應(yīng)用系統(tǒng)之間在橫向上的模型信息數(shù)據(jù)交換,解決建筑物全壽命周期在縱向上的數(shù)據(jù)管理,IFC標(biāo)準(zhǔn)于1997年發(fā)布第1個(gè)版本,目前已有6個(gè)較大版本的更替,IFC標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)正式成為ISO標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ISO16739:2013),IFC4Add2是最新的版本號(hào)[5]。雖然IFC標(biāo)準(zhǔn)源于建筑領(lǐng)域，并不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換內(nèi)容和適用性的擴(kuò)充和完善，但還不能完全覆蓋所有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域范圍，因此行業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者正在對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展基于其整體框架的領(lǐng)域擴(kuò)展研究。

1.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)包含領(lǐng)域?qū)?domainlayer)、共享層(sharedlayer)、核心層(corelayer)和資源層(resourcelayer)，見(jiàn)圖1。領(lǐng)域?qū)佣x某一領(lǐng)域資源實(shí)體或?qū)佼a(chǎn)品及過(guò)程，目的是實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)部信息傳遞和共享；共享層定義多個(gè)領(lǐng)域共用的資源實(shí)體或?qū)佼a(chǎn)品及過(guò)程，目的是實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域間信息傳遞和共享；核心層定義最常用實(shí)體和IFC核心架構(gòu)及核心擴(kuò)展架構(gòu)；資源層定義IFC基本資源，如幾何、屬性、材料、成本、數(shù)量等。

圖1 IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)

1.3 IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展機(jī)制

由于IFC標(biāo)準(zhǔn)所定義的實(shí)體類型尚未覆蓋所有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域范圍，因此，IFC標(biāo)準(zhǔn)提供了新增實(shí)體定義擴(kuò)展和屬性集擴(kuò)展兩種擴(kuò)展機(jī)制[6]，以滿足對(duì)其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域?qū)嶓w定義的需求。

1)新增實(shí)體定義擴(kuò)展方式。新增實(shí)體定義擴(kuò)展方式主要用于IFC標(biāo)準(zhǔn)版本更迭，它是基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在繼承關(guān)系，對(duì)現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充和更新，以增添新的實(shí)體定義，進(jìn)而建立新的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，達(dá)到解決新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的信息表達(dá)和信息交換問(wèn)題。

2)屬性集擴(kuò)展方式。屬性集擴(kuò)展方式是通過(guò)自定義屬性集(user-defined PSETs)進(jìn)行擴(kuò)展，見(jiàn)圖2。通過(guò)IFC標(biāo)準(zhǔn)核心層的IfcBuildingElementProxy實(shí)體和自定義屬性集，共同描述所需表達(dá)的實(shí)體和屬性信息。IfcBuildingElementProxy繼承于IfcObject，用PredefinedType屬性表示擴(kuò)展實(shí)體的類型，其枚舉值包含PARTIAL、COMPLEX、ELEMENT、NOTDEFINED、USERDEFINED等。

圖2 IFC數(shù)據(jù)模型與自定義屬性集的關(guān)系

2 地形模型創(chuàng)建及共享

2.1 基于Civil 3D的地形模型創(chuàng)建

在測(cè)繪工作中，地形模型又稱數(shù)字高程模型，即在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，通過(guò)密集的地形模型點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)表達(dá)地面高低起伏的形態(tài)。地形模型點(diǎn)可以是隨機(jī)分布的，也可以是規(guī)則分布的。而在BIM設(shè)計(jì)軟件Civil 3D 中，數(shù)字地形模型又被稱為“曲面”[7],Civil 3D可通過(guò)任何一種測(cè)量源數(shù)據(jù)(點(diǎn)數(shù)據(jù)、等高線、特征線、二維地形圖DWG數(shù)據(jù)、DEM文件和LandXML文件等)生成曲面，也可以混合使用多種測(cè)量源數(shù)據(jù)，只要把這些測(cè)量源數(shù)據(jù)逐一添加至所創(chuàng)建曲面的定義目錄下即可。

圖3 地形模型創(chuàng)建技術(shù)路線

2.2 地形模型的屬性集定義

屬性信息是物理及功能特征的載體，也是信息模型的重要組成部分。從過(guò)程角度看，信息模型的創(chuàng)建就是以建筑模型作為信息載體，將屬性信息集成到幾何模型的過(guò)程，本文以Civil 3D創(chuàng)建的地形模型作為信息交換的載體。而對(duì)于地形模型屬性集的定義，可基于Civil 3D自有功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)“管理”“定義特性集”對(duì)地形模型進(jìn)行設(shè)置。參照中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CCCC SY302—2019《水運(yùn)工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)測(cè)量專業(yè)模型信息細(xì)度的要求，分別設(shè)置“非幾何信息”和“幾何信息”兩個(gè)子類特性集[8]，按照《水運(yùn)工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》再對(duì)兩個(gè)子類特性集進(jìn)行屬性內(nèi)容設(shè)置。見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量專業(yè)模型信息細(xì)度

2.3 地形模型共享

1)專用中間文件格式。專用中間文件格式是一個(gè)由軟件廠商研制并公開(kāi)發(fā)行，旨在實(shí)現(xiàn)其他廠商軟件與該廠商軟件之間的數(shù)據(jù)交換，最常見(jiàn)的專用中間格式是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的DXF格式。由于專用中間文件格式具有廠商的特殊要求，因此它們的完整性相對(duì)較差，比如專用中間文件格式在傳遞模型的屬性信息時(shí)存在信息丟失的情況。

2)公共數(shù)據(jù)模型格式。目前，最常見(jiàn)的公共數(shù)據(jù)模型格式是基于三維數(shù)據(jù)表達(dá)的IFC，它能夠描述幾何形狀、構(gòu)件屬性等。公共數(shù)據(jù)模型格式能有效地將構(gòu)件幾何信息和構(gòu)件屬性關(guān)聯(lián)起來(lái)，貫穿于建筑項(xiàng)目全壽命周期中，可滿足各個(gè)階段的信息傳遞和共享，提高了信息間共享的準(zhǔn)確性和效率。

綜上所述，使用專用中間文件格式的間接共享具有一定局限性，而國(guó)際化、開(kāi)放的公共數(shù)據(jù)模型格式IFC，能夠有效地避免因?qū)Ｓ弥虚g文件格式間接共享產(chǎn)生的局限性。

3 案例分析

本文技術(shù)研究基于東營(yíng)某港區(qū)一液體散貨泊位工程，該工程位于東營(yíng)某港區(qū)一突堤北側(cè)根部、一港池南側(cè)區(qū)域，工程規(guī)模為建設(shè)2個(gè)10萬(wàn)噸級(jí)液體散貨泊位，碼頭岸線長(zhǎng)度636 m。地形模型BIM設(shè)計(jì)范圍包括液體散貨泊位碼頭結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)水域部分、生產(chǎn)輔助區(qū)域部分建(構(gòu))筑物。

3.1 地形模型創(chuàng)建

使用原始測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)Civil 3D創(chuàng)建的曲面是最為準(zhǔn)確、直接的方式。本項(xiàng)目原始測(cè)量數(shù)據(jù)主要為水域部分的測(cè)深點(diǎn)數(shù)據(jù)和項(xiàng)目地形圖DWG文件數(shù)據(jù)，對(duì)于需要表現(xiàn)局部地區(qū)細(xì)節(jié)特征的地形復(fù)雜區(qū)域，野外采集的離散地形點(diǎn)數(shù)據(jù)不足以表達(dá)地形高低起伏真實(shí)現(xiàn)狀，采用集成二維地形圖DWG數(shù)據(jù)中的等高線及手繪特征點(diǎn)、特征線等方式進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域細(xì)化，生成反映項(xiàng)目地表形態(tài)的地形模型，見(jiàn)圖4。

圖4 基于Civil 3D創(chuàng)建的地形模型

3.2 屬性集定義

基于Civil 3D自有功能，并參照Q/CCCC SY302—2019《水運(yùn)工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，實(shí)現(xiàn)對(duì)地形模型屬性集的細(xì)度定義。具體設(shè)置流程如下：選擇Civil 3D“管理”選項(xiàng)卡中的“特性集數(shù)據(jù)”面板；進(jìn)入“定義特性集”中“樣式管理器”對(duì)話框，新建一個(gè)“特性集定義”；參照標(biāo)準(zhǔn)要求命名特性集為“非幾何信息(地形)”，并設(shè)置特性集應(yīng)用對(duì)象為“三角網(wǎng)曲面”和“實(shí)體(三維)”。同樣設(shè)置流程完成“幾何信息(地形)”屬性集的設(shè)置。見(jiàn)圖5。

圖5 地形模型屬性集

3.3 地形模型共享

現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)人員主要通過(guò)Revit完成建筑物的BIM設(shè)計(jì)，并基于Revit自有“鏈接CAD”功能，通過(guò)Autodesk公司開(kāi)發(fā)的專用中間文件格式DXF實(shí)現(xiàn)地形模型跨平臺(tái)共享，以集成地形模型和建筑物模型，專用中間文件格式DXF的完整性相對(duì)較差，地形模型跨平臺(tái)共享會(huì)出現(xiàn)地形模型屬性信息丟失的問(wèn)題。如圖6所示，基于Civil 3D創(chuàng)建的地形模型以專用中間文件格式DXF導(dǎo)入Revit中后，地形模型屬性信息丟失。

圖6 基于DXF格式的地形模型共享

基于以上情況，本文考慮采用公共數(shù)據(jù)模型格式IFC進(jìn)行地形模型跨平臺(tái)共享，如圖7所示，將Civil 3D創(chuàng)建的地形模型，以IFC格式導(dǎo)入Revit中實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)共享，未出現(xiàn)專用中間文件格式DXF共享時(shí)模型屬性信息丟失的情況，保留了屬性信息的完整性，提高了信息間傳遞和共享的效率及準(zhǔn)確性。

圖7 基于IFC的地形模型共享

4 結(jié)語(yǔ)

1)基于Civil 3D完成案例項(xiàng)目地形模型的創(chuàng)建，并參照Q/CCCC SY302—2019《水運(yùn)工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，完成地形模型屬性集的細(xì)度定義，實(shí)現(xiàn)地形模型與屬性信息的有效關(guān)聯(lián)。

2)基于IFC的地形模型數(shù)據(jù)共享技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的地形模型在不同軟件間信息的準(zhǔn)確、高效地跨平臺(tái)傳遞和共享，避免地形模型屬性信息丟失，保留了屬性信息的完整性，提高模型信息互用效率。