高速公路建設(shè)項目中的IFC 創(chuàng)新應(yīng)用探討

肖 波 冉光炯 白 皓 黎丁實(shí)

（1、四川高速公路建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司,四川 成都610047 2、四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都610041）

目前公路工程BIM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)依賴Bentley、Autodesk 等多個軟件平臺,尚無統(tǒng)一的文件格式；同時,由于業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),不同的BIM生產(chǎn)單位所生產(chǎn)的數(shù)據(jù)格式不盡相同。這極大的影響了公路工程項目的BIM數(shù)據(jù)交互與共享,阻礙了BIM在公路工程行業(yè)的應(yīng)用與推廣。

工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Class,IFC）標(biāo)準(zhǔn)是目前廣泛采用的公開建筑信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。IFC 標(biāo)準(zhǔn)最初于1997 年由國際協(xié)同工作聯(lián)盟（Industry Alliance for Interoperability,IAI,現(xiàn)已更名為BuildingSMART,bSI）發(fā)布,為工程建設(shè)行業(yè)提供了一個中性、開放的建筑數(shù)據(jù)表達(dá)和交換標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)已修訂至ISO 16739-2018（即IFC4x2）。業(yè)內(nèi)已開展IFC的研究與應(yīng)用,但在建設(shè)項目實(shí)際應(yīng)用中,基于IFC 的數(shù)據(jù)與幾何模型的交付與共享等過程中,仍出現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)丟失、失真與幾何異常等問題。同時,由于公路工程從業(yè)人員對IFC 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識不足,導(dǎo)致基于IFC 的數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用思路受到質(zhì)疑,延緩了IFC 的深入推廣與應(yīng)用。

本文總結(jié)多個項目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),介紹在公路工程中IFC 的應(yīng)用,針對多平臺多單位的數(shù)據(jù)協(xié)同與交互提出解決方案,并探討當(dāng)前IFC 標(biāo)準(zhǔn)在公路工程領(lǐng)域進(jìn)一步推廣須解決的問題。

1 IFC 的擴(kuò)展

1.1 專業(yè)擴(kuò)展

圖1 IFC 體系結(jié)構(gòu)

IFC 標(biāo)準(zhǔn)自下而上分為資源層Resource layer、核心層Core layer、共享層Interoperability layer 和領(lǐng)域?qū)覦omain layer 共4個層級,如圖1 所示。其中領(lǐng)域?qū)訛椴煌I(lǐng)域的集合,形成各個領(lǐng)域的專題信息,這一層定義了最終的專業(yè)化的實(shí)體。目前IFC Schema 在領(lǐng)域?qū)佣x建筑控制、消防管理、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)分析、HVAC、電氣、建筑與施工管理8 個模塊,尚無針對公路工程專門的模塊。為更好的適應(yīng)公路工程的應(yīng)用需求,在領(lǐng)域?qū)訑U(kuò)展了路基路面、橋梁、隧道等專業(yè)領(lǐng)域。

1.2 IFC 實(shí)體類型的擴(kuò)展

IFC 標(biāo)準(zhǔn)提供的實(shí)體類型有限,需要對IFC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展以滿足公路工程的應(yīng)用需求。IFC 標(biāo)準(zhǔn)提供了三種擴(kuò)展機(jī)制：基于IfcProxy 實(shí)體的擴(kuò)展；通過增加實(shí)體定義的擴(kuò)展；基于屬性集的擴(kuò)展。

筆者采用基于屬性集擴(kuò)展的方法。屬性集是屬性的集合,對事物及概念的描述可以通過多條屬性存放于屬性集中。屬性集擴(kuò)展提供了一種擴(kuò)展信息描述的靈活方式,通過屬性完成對信息的描述,方便了實(shí)體擴(kuò)展的使用。按照屬性來源不同,IFC標(biāo)準(zhǔn)將屬性集分為預(yù)定義（PreDefined） 屬性集和自定義（UserDefined）屬性集。本方法不需要新增實(shí)體定義并定義新舊實(shí)體的關(guān)系,避免了與IFC 標(biāo)準(zhǔn)體系的內(nèi)部沖突。

2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與IFC 的結(jié)合

由于BIM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)涉及到多家參與方,為保證應(yīng)用對數(shù)據(jù)的一致性提出很高要求。在建設(shè)方的推動下,制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對IFC 體系下公路工程領(lǐng)域尚未明確的幾個要素進(jìn)行統(tǒng)一約定,主要包括以下幾個方面：

2.1分類系統(tǒng)

信息模型的分類系統(tǒng)是數(shù)據(jù)生產(chǎn)與傳遞流轉(zhuǎn)的基礎(chǔ),IFC作為一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),也需要與之相應(yīng)的分類系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)的解譯等工作。與建筑行業(yè)不同,公路工程行業(yè)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。在《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51269-2017）的基礎(chǔ)上,吸收公路工程行業(yè)相關(guān)研究成果,并結(jié)合本地區(qū)項目應(yīng)用實(shí)際,制定出公路工程的信息分類標(biāo)準(zhǔn),主要涵蓋基礎(chǔ)類型、材料、屬性等。每種類型對應(yīng)相應(yīng)的編碼,將編碼作為信息傳遞的載體,寫入IFC 文件。

2.2 存儲結(jié)構(gòu)

為便于數(shù)據(jù)的管理及使用,需要定義不同類型之間的層次關(guān)系與約束類型。關(guān)系與約束在符合IFC 標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)體類定義的基礎(chǔ)上,還應(yīng)符合公路工程行業(yè)的應(yīng)用習(xí)慣。如上部結(jié)構(gòu)（實(shí)體名IfcBridgePart）通過連接關(guān)系空間包含（IfcRelContainedInspatialStructure）了T 梁（實(shí)體名IfcBeam）、橋面板（IfcSlab）、橫隔板（IfcSlab）等。路面存儲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 路面存儲結(jié)構(gòu)

2.3 屬性信息

IFC 標(biāo)準(zhǔn)中對每個IFC 實(shí)體類型均有預(yù)定的屬性集,如IFC4x2 標(biāo) 準(zhǔn) 中 對 IfcBeam 有 BeamCommon、ConcreteElementGeneral 等5 個屬性集,每個屬性集的屬性個數(shù)從4 到19 個不等,但I(xiàn)FC 標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)定的屬性集并不完全適應(yīng)國內(nèi)公路工程行業(yè)的應(yīng)用需求。從滿足各個階段的應(yīng)用需求出發(fā),需要對各個基礎(chǔ)類型的屬性進(jìn)行有針對性的梳理與自定義。IFC4x2 體系主要包括有界值、枚舉、列表、單值、表格型等6種類型的屬性,結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),采用IfcPropertySingleValue 類型對屬性進(jìn)行表達(dá),值型與枚舉型屬性表達(dá)分別為：

#73=IFCPROPERTYSINGLEVALUE （'41-05.13.01.00', $ ,IFCTEXT（'{"unit":"91-02.02.02.00","value":"90"}',$）;

#74=IFCPROPERTYSINGLEVALUE （'41-07.01.07.00', $ ,IFCTEXT（'{"unit":"","value":"46-01.07.03.00"}'）,$）;

圖3 屬性類型

3 存在的問題

經(jīng)過多個項目的實(shí)踐,IFC 在公路工程中已經(jīng)落地并取得了較好的效果,但其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用還面臨著以下幾個問題：

（1）IFC 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并沒有涵蓋公路工程的所有領(lǐng)域,甚至對于公路工程的基礎(chǔ)類型支持也尚顯不足。目前公路工程所使用的部分實(shí)體與關(guān)系類型是基于建筑工程領(lǐng)域進(jìn)行的擴(kuò)展,但建筑工程領(lǐng)域IFC 缺少規(guī)劃、管理以及運(yùn)營方面的擴(kuò)展,這些因素都限制了IFC 在公路工程的進(jìn)一步應(yīng)用。

（2）目前行業(yè)層面的公路工程模型信息標(biāo)準(zhǔn)尚未推出,對于基礎(chǔ)類型、儲存結(jié)構(gòu)與屬性信息的要求也沒有統(tǒng)一規(guī)定。這嚴(yán)重影響了模型數(shù)據(jù)的交互與共享,阻礙了IFC 標(biāo)準(zhǔn)的推廣。

（3）由于BIM 數(shù)據(jù)的生產(chǎn)軟件眾多,且BIM 軟件對導(dǎo)出IFC 格式的支持程度各有差異,這要求各家BIM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)單位需要在各自的軟件上進(jìn)行定制化的開發(fā)以適應(yīng)IFC 標(biāo)準(zhǔn)的要求,提高了生產(chǎn)單位的使用門檻,不利于進(jìn)一步的推廣。

4 高速公路BIM 系統(tǒng)

為了解決現(xiàn)有公路工程IFC 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用問題,在前文已完成公路工程IFC 標(biāo)準(zhǔn)體系下實(shí)體類型擴(kuò)展與數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)上,初步開發(fā)建立了一套高速公路工程全生命周期標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺。

4.1 BIM數(shù)據(jù)融合

BIM 數(shù)據(jù)融合將建管系統(tǒng)進(jìn)度、設(shè)計變更、工序檢查、計量支付、試驗(yàn)檢測、質(zhì)檢評定等功能與BIM模型構(gòu)件掛鉤,如圖4所示。通過WBS 及EBS 結(jié)構(gòu)樹實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合,實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件層級與建設(shè)過程中各環(huán)節(jié)所涉及的資料及報表相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可視化,確保工程建設(shè)全過程信息存儲和數(shù)據(jù)深度融合。

圖4 BIM 數(shù)據(jù)融合

圖5 試驗(yàn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)與動態(tài)監(jiān)控

圖6 隧道圍巖——APP 填報與查看

4.2 質(zhì)量管控

平臺通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室、拌合站、鋼筋加工場各方面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和自動分析,如圖5 所示。對設(shè)備進(jìn)行改造以達(dá)到對數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺采集的效果,設(shè)備會在試驗(yàn)結(jié)束后,自動采集試驗(yàn)室人員的試驗(yàn)結(jié)果,獨(dú)立于人員操控,保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效；采集后的數(shù)據(jù)將自動保存至本地,并上傳至云端以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行儲存?zhèn)浞?；?shù)據(jù)上傳后,通過IFC 讀寫程序自動同步給BIM模型,與工程項目設(shè)計要求進(jìn)行對比驗(yàn)證,如發(fā)現(xiàn)不合格的情況,會以手機(jī)短信的方式通知相關(guān)人員,及時進(jìn)行修正；數(shù)據(jù)庫還支持歷史數(shù)據(jù)查詢、總結(jié)分析等功能。

4.3 隧道圍巖判別

通過海量的圍巖數(shù)據(jù)和最新的機(jī)器學(xué)習(xí)功能,圍巖輔助判別模塊能通過定性的數(shù)據(jù)分析出集成模型IFC 文件中相應(yīng)位置的圍巖級別。

現(xiàn)場施工人員通過APP 可以簡單的勾選出已列出的定性選項,從而把現(xiàn)場的圍巖信息和照片精準(zhǔn)地錄入到系統(tǒng)相應(yīng)IFC 文件中,如圖6 所示。

云端系統(tǒng)在接收到現(xiàn)場數(shù)據(jù)后,通過機(jī)器學(xué)習(xí)功能自動判斷出現(xiàn)場圍巖等級。如果輔助判別的現(xiàn)場圍巖級別和設(shè)計級別不一致,則由現(xiàn)場的監(jiān)理、設(shè)計代表、地質(zhì)專家、業(yè)主等進(jìn)行一系列決斷且留下記錄,為相應(yīng)的襯砌變更提供依據(jù)。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了在公路工程領(lǐng)域IFC 的應(yīng)用實(shí)踐,詳細(xì)闡述了IFC 標(biāo)準(zhǔn)體系下實(shí)體類型擴(kuò)展與數(shù)據(jù)交互等方面的實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)項目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),基于目前的技術(shù)手段以及數(shù)據(jù)一致性上取得了較好的效果,能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多家生產(chǎn)單位跨平臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)交付、數(shù)據(jù)融合的需求。在一定程度上滿足了參建各方尤其是建設(shè)單位對數(shù)據(jù)交付的要求,但一些基礎(chǔ)性的缺陷依然存在,全行業(yè)大規(guī)模推廣尚需時日,且這還需要工程參與各方以及軟件廠商共同努力,推動整個行業(yè)進(jìn)入新階段。