基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的水利大壩工程施工期進(jìn)度成本信息模型的創(chuàng)建

魏興存

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都 610072)

水利大壩工程項(xiàng)目施工中，對于工程設(shè)計(jì)效率、信息共享和生命周期提出的要求比較高，但是當(dāng)前以上表現(xiàn)均存在一定不足，從而導(dǎo)致對水利大壩工程發(fā)展具有不利影響。IFC標(biāo)準(zhǔn)是由國際協(xié)同聯(lián)盟IAI(the International Alliance for Interoperability)編制完成的工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范，在實(shí)際應(yīng)用中能夠通過對象實(shí)體以及屬性集實(shí)現(xiàn)對建筑產(chǎn)品、過程以及控制等相關(guān)特征的描述分析，進(jìn)而完成建筑工程項(xiàng)目的信息描述。IFC標(biāo)準(zhǔn)在建筑工程中的應(yīng)用，是通過EXPRESS語言實(shí)現(xiàn)對其幾何模型以及工程屬性信息的表達(dá)，建構(gòu)IFC中性文件，也就能夠通過商業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)不同施工主體的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息共享[1-2]。本次研究中基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對水利大壩工程施工期施工進(jìn)度和成本信息研究，完成相應(yīng)的模型建構(gòu)，提升施工進(jìn)度以及成本信息交換效率，進(jìn)而為工程項(xiàng)目的協(xié)同施工控制以及決策提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 研究思路

IFC標(biāo)準(zhǔn)適合在計(jì)算機(jī)處理中應(yīng)用，同時(shí)對具體信息管理系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)沒有太大依賴性的描述和交互標(biāo)準(zhǔn)，在這一標(biāo)準(zhǔn)下可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用軟件間的數(shù)據(jù)共享。通常在IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息存儲中，常用的方式為ifeXML文件或IFC中文件[3]，且需要在專業(yè)IFC數(shù)據(jù)解析工具的應(yīng)用下解析相關(guān)信息。本次研究中基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，針對水利大壩工程施工期“三維幾何模型-進(jìn)度-成本”集成信息模型邏輯結(jié)構(gòu)展開分析，完成水利大壩工程施工期進(jìn)度成本信息動態(tài)可視化分析，最后將其在實(shí)際工程中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對工程施工中進(jìn)度、資源以及成本信息的動態(tài)變化可視化展示。

2 施工進(jìn)度和成本上下文信息表達(dá)

本次針對已經(jīng)獲取的各類施工進(jìn)度和成本上下文信息，在數(shù)據(jù)流圖和IFC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合應(yīng)用下進(jìn)行表達(dá)，對于IFC標(biāo)準(zhǔn)下的施工階段實(shí)時(shí)工程屬性信息變化在數(shù)據(jù)流圖的應(yīng)用下展示，以能夠生成不同施工主體的共享信息，以此提高工程實(shí)時(shí)信息反饋以及交互效率。

2.1 數(shù)據(jù)流圖

數(shù)據(jù)流圖是針對數(shù)據(jù)流或信息流走向以及加工展開分析的方法之一，針對邏輯系統(tǒng)中的不同信息流整體或局部處理、流轉(zhuǎn)采用流程圖展示出來[4]。在應(yīng)用中，通常是從數(shù)據(jù)傳遞和加工視域著手，采用某種機(jī)制處理分析所輸入的信息，在圖形應(yīng)用下表示輸出結(jié)果。本次在數(shù)據(jù)流圖思想應(yīng)用下，將施工現(xiàn)場所得施工進(jìn)度和成本上下文信息看成是“輸入”，通過IFC標(biāo)準(zhǔn)對以上信息實(shí)施“加工”，從而體現(xiàn)出施工作業(yè)前后邏輯關(guān)系、施工資源工程量信息、施工工期信息和成本信息等實(shí)體和屬性，以上相關(guān)信息即為“輸出”，在相應(yīng)的信息模型中輸入。本次數(shù)據(jù)流程圖見圖1，選用的是變換型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流程圖，呈現(xiàn)出線性狀態(tài)。

圖1 交換型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流程圖

2.2 基于IFC和數(shù)據(jù)流圖的施工上下文信息表達(dá)

在建構(gòu)施工信息模型中，要先了解信息模型所獲取的數(shù)據(jù)，并對其系統(tǒng)加工方法和系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)有一定認(rèn)識。其中，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的輸入主要為：①基于BIM建模技術(shù)建構(gòu)模型中存在的不同構(gòu)件幾何信息以及工程屬性信息，主要包括構(gòu)件體系、施工工序、施工工期以及成本等；②通過施工現(xiàn)場的無線傳感器所獲取的信息，主要為施工中原材料消耗量、工人數(shù)量、機(jī)械設(shè)備等上下文信息[5]。另外是基于IFC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流圖系統(tǒng)的加工環(huán)節(jié)，在此過程中主要為輸入數(shù)據(jù)流類型、功能層次以及之間關(guān)系等，不但要應(yīng)用到IFC模型中預(yù)定義集，也需要考慮到是否需要自定義屬性集，考慮到外部實(shí)體上下文信息變化對關(guān)聯(lián)對象屬性的影響等等，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化文件數(shù)據(jù)的描述，主要為PPT、Word文件等。

系統(tǒng)中輸出信息即為在IFC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用下，針對原始BIM模型構(gòu)件實(shí)施轉(zhuǎn)化所得幾何屬性以及工程屬性信息、現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息。對于通過處理以及加工所得數(shù)據(jù)即為高級上下文，施工中的所有參與方可以對其共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息交互，便于實(shí)現(xiàn)對進(jìn)度計(jì)劃、資源使用計(jì)劃和成本計(jì)劃的控制。施工數(shù)據(jù)流輸入和輸出方式見圖2，采用直線型方式將上下文信息數(shù)據(jù)在系統(tǒng)流圖中流入和流出，基于IFC實(shí)現(xiàn)對相關(guān)信息的加工。

圖2 施工數(shù)據(jù)流輸入和輸出方式

3 施工進(jìn)度成本信息模型建構(gòu)

3.1 施工進(jìn)度上下文信息模型

在針對施工進(jìn)度上下文信息模型建構(gòu)中，先要了解到IFC中的施工進(jìn)度概念表達(dá)方式。針對施工作業(yè)過程，可以采用實(shí)體IfcProcess及IfcWorkTask描述。第一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)對任何相對獨(dú)立施工過程的描述，如混凝土工程等；第二個(gè)為前者子類實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)對詳細(xì)施工任務(wù)描述分析，如施工工期、施工工序以及施工工藝等。另外，各個(gè)IfcWorkTask均與一個(gè)或多個(gè)建筑構(gòu)件相對應(yīng)，也就是IfcProduct。所以針對 IfcProcess 和 IfcProduct之間的一對多映射關(guān)系，可以在關(guān)系實(shí)體 IfcRelAssignsToProcess實(shí)施描述，也能夠?qū)崿F(xiàn)對施工任務(wù)和建筑構(gòu)件關(guān)系的定義。其中IfcWorkPlan為施工計(jì)劃，不同IfcWorkTask實(shí)例組合即可以建構(gòu)而成不同施工計(jì)劃。針對不同用途，能夠依照實(shí)際需求結(jié)合特定的 IfcWorkTask 實(shí)例，進(jìn)而完成特定 IfcWorkPlan 實(shí)例建構(gòu)[6-7]。如在施工過程中，針對某一施工任務(wù)，通過成本信息以及成本計(jì)劃關(guān)聯(lián)即可以獲取項(xiàng)目成本計(jì)劃；通過關(guān)聯(lián)工期信息以及進(jìn)度計(jì)劃，也能夠制定完成相應(yīng)的工程進(jìn)度計(jì)劃；也能夠?qū)@一施工任務(wù)進(jìn)行分解，進(jìn)而獲取更加周密的施工計(jì)劃等。所以在施工進(jìn)度信息模型建構(gòu)中，IfcWorkTask 實(shí)體即為基本單元。

基于IFC標(biāo)準(zhǔn)下，同一實(shí)體能夠在不同等級施工計(jì)劃中應(yīng)用，不必在各級別中均實(shí)施新實(shí)體定義。如在IfcWorkTask 實(shí)例應(yīng)用下，可以實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目整體到具體分部分項(xiàng)工程的施工計(jì)劃信息描述。所以在分解關(guān)系的實(shí)體 IfcRelNestsProcesses應(yīng)用下，可以實(shí)現(xiàn)對所有層級施工計(jì)劃的分解，將其劃分為子計(jì)劃以及子任務(wù)。

如在水利大壩工程結(jié)構(gòu)柱施工中，可以完成施工作業(yè)前后順序信息模型建構(gòu)。結(jié)合相應(yīng)的施工進(jìn)度和工序順序，可以將其分成3個(gè)分項(xiàng)工程，分別為鋼筋綁扎、模板支護(hù)以及混凝土澆筑等，初始屬性集中即為{IfcSteeling，IfcFormworking，IfcConcreting}?？梢曰贗FC標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)及規(guī)則，針對BIM構(gòu)件工程擴(kuò)展在屬性以及屬性集關(guān)聯(lián)、擴(kuò)展性實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展及派生，也可以對此關(guān)系實(shí)施描述。假設(shè)同一施工流水段僅對某一根結(jié)構(gòu)柱實(shí)施施工，施工順序即為先扎鋼筋籠、再支模板、混凝土澆筑，必須要嚴(yán)格依照施工工序?qū)嵤┦┕?。可采?IfcRelSequenceTo 和IfcRelSequencedFrom實(shí)現(xiàn)對緊前工序和緊后工序邏輯關(guān)系的表達(dá)，進(jìn)而作為擴(kuò)展關(guān)系在初始屬性集中加入，即屬性集轉(zhuǎn)變成為{IfcRelSequencedFrom ，IfcSteeling，IfcRelSequenceTo ；IfcRelSequencedFrom，IfcFormworking，IfcRelSequenceTo；IfcRelSequencedFrom，IfcConcreting，IfcRelSequenceTo}。針對施工順序可以在甘特圖的應(yīng)用下表示，見圖3，邏輯關(guān)系信息流的數(shù)據(jù)流圖表示見圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)柱施工作業(yè)前后邏輯關(guān)系

圖4 數(shù)據(jù)流圖表示結(jié)構(gòu)柱施工作業(yè)前后邏輯關(guān)系

基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)和不同實(shí)體類型的對應(yīng)，以上度量數(shù)字也具備有度量值 IfcMeasureValue，因此實(shí)際施工中，需要在IFC規(guī)則應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)不同工序?qū)Χ攘繉?shí)體及其屬性值需求分析。在圖4中，可以實(shí)現(xiàn)對施工任務(wù)分項(xiàng)工程實(shí)體實(shí)施分解，完成分項(xiàng)工程實(shí)體子模型，進(jìn)而正確調(diào)用相應(yīng)的信息。

3.2 施工作業(yè)工期信息模型

各個(gè)BIM建構(gòu)中，均存在幾何屬性集以及工程屬性集，包括多個(gè)屬性以及實(shí)體實(shí)例。在構(gòu)件工程屬性集中，針對施工任務(wù)或建筑構(gòu)件初始時(shí)間能夠采用 IfcStartTime表示，且對其結(jié)束時(shí)間采用 IfcFinishTime描述；屬性集均為基于資源層模塊 IfcDateTimeSelect轉(zhuǎn)變所得實(shí)體類型。對于資源層中實(shí)體類型IfcTimeMeasure，可以采用 IfcDuration 和 IfcTotalFloat子類實(shí)體類型對其替代，實(shí)現(xiàn)對不同施工構(gòu)件作業(yè)持續(xù)時(shí)間以及總浮動時(shí)間實(shí)施描述，即為工期信息描述重要信息?；贗FC標(biāo)準(zhǔn)，對于建筑構(gòu)件施工任務(wù)工期信息，即可以在核心層擴(kuò)展模塊實(shí)體和屬性方式的應(yīng)用下將其動態(tài)展示出來[8]。

以結(jié)構(gòu)柱施工作為研究對象，針對3個(gè)分項(xiàng)工程，即鋼筋綁扎、模板支護(hù)以及商品砼澆筑等，假設(shè)結(jié)果構(gòu)筑施工的人工需求數(shù)量為2人、3人以及3人，所需施工時(shí)間分別為2天、1天以及1天。在此情況下，若同時(shí)展開多根結(jié)構(gòu)柱施工，本次以3根為例，依照施工經(jīng)驗(yàn)通常施工中會采用搭接方式提高分項(xiàng)工程施工工期緊湊性，在施工段A、B以及C中實(shí)施分布。在此過程中，在建模原則下，即可以實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件、施工工序以及施工進(jìn)度計(jì)劃的吻合。所以最終可以得出本次施工總工期為8天，與之前各根施工工期4天相比，施工工期有明顯縮短，減少4天，見圖5。

圖5 不同施工段間結(jié)構(gòu)柱施工網(wǎng)絡(luò)圖

3.3 資源成本上下文信息模型

基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，針對一般意義上資源可以在實(shí)體 IfcResource進(jìn)行描述，施工資源可以采用子類實(shí)體 IfcConstructionResource定義。結(jié)合施工管理習(xí)慣，通常情況下會將施工資源分成以下幾種，分別為和人相關(guān)人力資源、和材料相關(guān)物料資源及工具等設(shè)備資源，均可以在構(gòu)件幾何屬性信息以及施工工期數(shù)據(jù)等應(yīng)用下，獲取以上資源信息。在針對施工進(jìn)度信息或施工任務(wù)分析過程中，相應(yīng)的建筑構(gòu)件和施工資源存在一對多映射關(guān)系，通過對以上屬性數(shù)據(jù)的提取及變化，即可以完成不同類型資源成本上下文信息模型的建構(gòu)。

關(guān)于這一點(diǎn)，可以在以上施工進(jìn)度信息模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對不同資源項(xiàng)數(shù)量信息的計(jì)算，針對具體工程項(xiàng)目可以結(jié)合定額或清單計(jì)價(jià)規(guī)范獲取當(dāng)?shù)貎r(jià)格信息，即能夠得出相應(yīng)建筑構(gòu)件或施工任務(wù)成本信息的計(jì)算分析。針對施工成本計(jì)算中，先要將工程劃分為不同子項(xiàng)目，隨后對其各個(gè)子項(xiàng)目成本計(jì)算，采用IfcCostItem進(jìn)行表示?？梢砸勒战ㄖ?gòu)件中存儲屬性，實(shí)現(xiàn)子項(xiàng)目劃分，如施工工藝、幾何特征、施工材料等。例如施工材料的分類，主要為直接工程材料以及間接工程材料，墻體能夠分成石膏墻、磚墻等不同類型，繼續(xù)細(xì)分也能夠?qū)⒋u墻分為實(shí)心磚墻以及空心磚墻等，需要在物料資源成本模型中對其進(jìn)行詳細(xì)的描述分析[9-10]。針對建筑構(gòu)件成本信息計(jì)算中，特別是施工物料成本信息中，均可以在 IfcCostItems應(yīng)用下依照不同類別實(shí)施計(jì)算。針對不同工程項(xiàng)目施工成本信息計(jì)算，主要即為針對人力、物料以及設(shè)備資源的計(jì)量分析，均屬于是施工構(gòu)件中的工程屬性以及幾何屬性信息。針對與施工任務(wù)具有關(guān)聯(lián)性的建筑構(gòu)件，可采用IfcBulidingElementType表示。

4 案例分析

結(jié)合基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的水利大壩工程施工期進(jìn)度成本信息模型建構(gòu)路線，對于IFC文件分析過程中，將IFC Engine DLL 插件作為解析工具，SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫平臺，以O(shè)penGL作為三維圖形顯示引擎，以我國南部某水利大壩工程碾壓混凝土施工作為研究對象，進(jìn)而完成大壩施工期進(jìn)度成本信息動態(tài)可視化管理系統(tǒng)建構(gòu)。在關(guān)于某壩段碾壓混凝土結(jié)合構(gòu)件和大壩WBS節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性分析過程中，在實(shí)體三維參數(shù)化模型以及定額規(guī)范的應(yīng)用下，完成大壩右岸溢流壩段工程量清單的統(tǒng)計(jì)分析，通過系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動統(tǒng)計(jì)。通過系統(tǒng)應(yīng)用可以看出，這一系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)大壩信息的一系列信息智能化操作，主要是完成三維動態(tài)繪制、交互式信息查詢和動態(tài)模擬等，有助于有效實(shí)現(xiàn)對大壩工程項(xiàng)目施工進(jìn)度以及成本控制的綜合探討，以便不同施工單位對相關(guān)信息的全面掌握，可以顯著提升水利大壩工程項(xiàng)目的管理質(zhì)量。

5 結(jié) 語

通過以上研究，基于在IFC標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)論主要為：

1) 結(jié)合水利大壩工程施工現(xiàn)場相關(guān)上下文信息類型，針對存在的信息交換效率不高情況，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于施工進(jìn)度和成本上下文信息的研究?；谝陨闲畔?，可以在IFC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體和屬性應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)對其描述，且在構(gòu)件屬性中對以上信息進(jìn)行存儲。

2) 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息描述功能，可以建構(gòu)完成工程施工進(jìn)度成本上下文信息模型，結(jié)合不同構(gòu)件及其所在施工工序中的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對不同關(guān)系實(shí)體的定義，進(jìn)而完成相應(yīng)的信息模型建構(gòu)。結(jié)合構(gòu)件中存在的工期信息，即能夠完成施工作業(yè)工期信息模型建構(gòu)?；谶M(jìn)度信息模型實(shí)現(xiàn)對工程施工中人力、物料以及設(shè)備等施工資源的信息統(tǒng)計(jì)分析，完成相應(yīng)的成本信息子模型建構(gòu)，有助于實(shí)現(xiàn)對水利大壩工程施工進(jìn)度成本的綜合分析。

3) 結(jié)合實(shí)際案例發(fā)現(xiàn)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的水利大壩工程施工期進(jìn)度成本信息模型，可以實(shí)現(xiàn)對水利大壩工程施工期進(jìn)度和成本控制的全面掌握，進(jìn)而顯著提升工程管理質(zhì)量