IFC標準下隧道智能管理系統(tǒng)建立與應(yīng)用

鄭 帥， 姜諳男， 趙龍國， 張 勇， 申發(fā)義， 苗 偉

(1.大連海事大學 交通運輸工程學院道橋所, 遼寧 大連 116026; 2.吉林省高速公路集團有限公司， 吉林 長春 130000)

0 引言

建筑信息模型(Building Information Model， BIM)將傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維交互模式，實現(xiàn)了工程設(shè)施(建設(shè)項目)物理信息的三維數(shù)字化直觀表達。更加重要的是，BIM在幾何模型的基礎(chǔ)上承載了設(shè)計、施工、監(jiān)測、運維等多方建筑相關(guān)信息，這些信息不是單純的羅列于模型后臺數(shù)據(jù)庫中，而是依據(jù)相應(yīng)標準存儲于各個模型構(gòu)件內(nèi)，大幅提高了信息管理與交互效率。

當前BIM主流建模平臺(例如Revit)與相應(yīng)數(shù)據(jù)標準(例如IFC)偏重于對房屋建筑領(lǐng)域的表達，在隧道、基坑等巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用方法還不完善[1]。針對這個問題，已有學者進行了相關(guān)探索。BIM模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成和管理方面，王超[2]提出了基于IFC標準的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的集成和表達方法，并對Revit平臺進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的集成和可視化管理。SMARSLY[3]等通過擴展IFC標準實現(xiàn)了對語義模型的描述和表達。LIU[4]等對IFC、SensorML等標準進行了研究，分析了上述標準對傳感器信息的支持程度，最終分別實現(xiàn)了SensorML對傳感器類型信息的描述和IFC標準對傳感器實體信息的描述。此外，RIAZ[5]等完成了現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM系統(tǒng)的集成，對施工環(huán)境的安全性進行分析及預(yù)警。ATTAR[6]等通過對辦公樓房間內(nèi)照度、溫度、濕度等數(shù)據(jù)進行采集并集成到BIM系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對上述數(shù)據(jù)的可視化的查詢進而分析了建筑的性能。結(jié)構(gòu)模型的力學計算和分析方面，鄧雪原[7]等通過提取 IFC 標準模型中的信息，對BIM模型與結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換進行探索，并生成了能夠被ETABS 和 SAP2000所識別的結(jié)構(gòu)模型。李艷妮[8]等完成則是從數(shù)據(jù)接口開發(fā)的角度實現(xiàn)了Revit軟件與 SAP2000 軟件模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。張劍濤[9]等探討了 IFC 文件與PKPM軟件之間的轉(zhuǎn)換。宋杰[10]、方海龍[11]等采用 Revit API 對Revit進行二次開發(fā)，編寫了模型信息提取及APDL命令流轉(zhuǎn)化插件，實現(xiàn) Revit 和 ANSYS 之間的轉(zhuǎn)換。

當前，BIM的信息集成功能日趨完善，但是尚缺乏對這些集成信息有效處理與應(yīng)用。對于隧道工程而言，施工過程中逐步揭露的巖體信息是反映巖體性質(zhì)的最直觀判據(jù)，通過對這些信息的處理進行動態(tài)的施工調(diào)整是新奧法隧道施工所重點強調(diào)的內(nèi)容之一。因此，本文首先對IFC標準進行隧道領(lǐng)域拓展，形成了隧道信息的IFC存儲規(guī)范；然后，開發(fā)相應(yīng)計算功能模塊，對工程信息進行處理，最終建立了隧道智能管理系統(tǒng)平臺。

1 工程概況

甄峰嶺隧道屬于吉林省龍蒲高速公路段，是一條連接西城鎮(zhèn)與松江鎮(zhèn)的山嶺隧道工程。施工區(qū)域為長白山系北側(cè)支脈，隧道區(qū)地面高程918.50～1345.50m，最大相對高差427m左右。隧道采用分離式斷面布置形式，包含左右兩幅，左幅長5497m，右幅長5561m，為特長隧道。隧道整體采用暗挖形式，實際施工狀態(tài)如圖1所示。

圖1 隧道施工實況

甄峰嶺隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，工程量大且工法轉(zhuǎn)換頻繁。施工過程中設(shè)計大量的數(shù)據(jù)存儲、交互與讀取過程，以其為背景，探索建立BIM智能管理系統(tǒng)。

2 基礎(chǔ)模型建立

2.1 族庫模型構(gòu)件

隧道結(jié)構(gòu)外形特征及內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，隧道模型創(chuàng)建對于以現(xiàn)代建筑建模見長的BIM建模軟件Revit來說是一個挑戰(zhàn)。Revit雖然在項目中提供墻、梁、窗以及樓板等構(gòu)件樣板，顯然這些構(gòu)件在隧道建模中無法進行使用，在此嘗試通過Revit提供的參數(shù)化族建模方式創(chuàng)建隧道構(gòu)件族庫，然后通過在項目中進行裝配的形式建立工程模型。

在Revit軟件中，依次進行族樣版選擇、參照平面選取與幾何模型繪制、專業(yè)屬性參數(shù)添加、模型檢查與驗證。各步驟均為Revit自帶功能，在此不再贅述詳細操作過程，最終隧道參數(shù)化構(gòu)建族模型如圖2所示。

(a) 襯砌族構(gòu)件

2.2 族庫拼裝與特殊模型

Revit系統(tǒng)中提供了模型坐標系、視圖坐標系、族坐標系和鏈接模型坐標系等多種形式下的坐標定位。本文在族坐標系下完成了族庫中隧道構(gòu)件族模型的創(chuàng)建，而建立隧道項目即完成族構(gòu)件的組合時，為統(tǒng)一各個族構(gòu)件的相對位置，則采用了模型坐標進行模型定位。

在此通過將隧道各族構(gòu)件載入到項目并按照隧道中心線坐標進行定位，同時對部件的尺寸參數(shù)進行修改，依次完成隧道襯砌、臨時支撐結(jié)構(gòu)、錨桿等構(gòu)件的拼裝。拼裝形成的隧道局部渲染效果與隧道彎曲段段BIM模型如圖3、圖4所示。

圖3 隧道局部組合渲染模型

圖4 隧道彎曲段模型

限于隧道工程的特殊性，對于不同的地質(zhì)條件需采用相應(yīng)的開挖工法，因此需建立隧道開挖工法BIM模型庫以滿足不同情況下隧道開挖形式的BIM展示需求。仍采用前述方法，分別對臺階法、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5種開挖工法模型進行模型建立，建立結(jié)果如圖5所示。

圖5 隧道開挖工法BIM模型庫

3 IFC標準拓展與解析

工業(yè)基礎(chǔ)類(Industry Foundation Class，IFC)標準是BIM軟件之間信息交互的通用規(guī)范。在現(xiàn)階段，雖然IFC標準中已經(jīng)定義了許多較為詳細的實體及類型用于描述BIM模型對象空間和物理信息，但這些實體并沒有考慮到隧道結(jié)構(gòu)的特征，無法用于直接描述隧道結(jié)構(gòu)。

隧道工程區(qū)別于一般工程的特點是構(gòu)件類型以及幾何外觀，在IFC標準中幾何外觀屬性是由資源層所定義的特定類型實體進行描述。實際需求調(diào)研表明，IFC標準的資源層、核心層、共享層所包含的對象類能夠滿足基礎(chǔ)調(diào)用需求，因此對IFC標準領(lǐng)域?qū)訉嶓w進行擴展。

3.1 實體拓展

自定義新的IFC實體，首先需基于IFC標準進行隧道空間結(jié)構(gòu)及物理元素的表達，明確新增實體類的名稱以及其在IFC模型框架中的繼承關(guān)系。并利用EXPRESS語言完成隧道新增實體及其對應(yīng)類型枚舉的定義，然后在官方提供的標準EXPRESS文件(即IFC標準內(nèi)容文件)基礎(chǔ)上將自定義隧道實體以及類型加入到它的父級對象下，同時需要加入類型枚舉、約束等其自身的屬性。分別從空間結(jié)構(gòu)與實體元素表達兩個方面介紹拓展方式。

a. IFC標準對建筑領(lǐng)域的空間結(jié)構(gòu)的描述是通過將空間結(jié)構(gòu)的超類Ifc Spatial Structure Element派生為IfcBuilding(建筑)、Ifc Building Storey(樓層)、IfcSite(場地)和Ifc Space(空間)等空間描述子類的方式，根據(jù)空間布置將項目整體模型分解為各個子集合。通過對現(xiàn)有IFC標準對房建工程項目的空間結(jié)構(gòu)描述方式進行借鑒，本文在現(xiàn)有空間結(jié)構(gòu)的超類所派生的子類基礎(chǔ)上添加表示隧道整體空間的實體Ifc Tunnel和表示隧道分部空間的實體Ifc Tunnel Part，用以專門進行隧道空間結(jié)構(gòu)描述及表達。

五要加強水土流失綜合治理，保護和改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。繼續(xù)推進長江上中游、黃河上中游、東北黑土區(qū)、西南石漠化地區(qū)等重點區(qū)域水土流失綜合治理，進一步加大革命老區(qū)水土流失治理力度。突出加強以小流域為單元的坡耕地水土流失綜合治理，力爭到2020年建成1億畝標準化、規(guī)?；?、設(shè)施配套化的旱澇保收基本農(nóng)田和高標準梯田。依法強化預(yù)防保護和監(jiān)督檢查，有效防止人為水土流失，實施清潔小流域工程，開展農(nóng)村水環(huán)境綜合整治，改善農(nóng)村人居環(huán)境。

b. 隧道物理元素表達可參考建筑結(jié)構(gòu)物理元素的實體描述方式，其定義隧道結(jié)構(gòu)實體類同樣需要包含通用元素、外形表達等信息，故可首先添加土木領(lǐng)域結(jié)構(gòu)抽象超類Ifc Civil Element，并將其與建筑領(lǐng)域結(jié)構(gòu)元素抽象超類Ifc Building Element放置于IFC框架機制的相同位置層次，使其同樣繼承于IFC標準中表示物理結(jié)構(gòu)元素的超類Ifc Element，然后在Ifc Civil Element下添加Ifc Tunnel Element，用于作為所有隧道結(jié)構(gòu)元素的抽象超類從而派生圍巖(Ifc Tunnel Surounding Rock)、錨桿(Ifc System Anchor Bolt)、鋼拱架(Ifc System Steel Frame)等構(gòu)成隧道結(jié)構(gòu)的主要組件進行隧道結(jié)構(gòu)元素的描述。

參照上述過程，將第2節(jié)中所建立的模型生成為IFC文件，并采用C#語言開發(fā)了檢索程序，進行隧道領(lǐng)域相應(yīng)實體的明確定義寫入，如圖6所示。其意義在于明確了各隧道組成結(jié)構(gòu)的分類信息，便于BIM概念在隧道工程中的進一步推廣應(yīng)用。

圖6 隧道IFC標準拓展寫入

3.2 屬性拓展

對于IFC中已拓展的隧道實體，參照實際工程需求對各實體進行屬性拓展，具體屬性集劃分及具體屬性定義可依據(jù)實際功能需求進行界定。遵循IFC基本格式規(guī)范，將相關(guān)屬性名稱及屬性值以屬性集的形式寫入至拓展實體中，完成隧道領(lǐng)域IFC屬性拓展目的，并開發(fā)圖6所示相應(yīng)C#檢索程序?qū)崿F(xiàn)自動化讀寫過程。

在實體拓展基礎(chǔ)上進行屬性拓展意義在于能夠從根本上實現(xiàn)隧道領(lǐng)域具體信息的跨平臺交流。拓展后的、以IFC文件為表述載體的隧道信息不僅能夠在自主開發(fā)平臺中進行調(diào)用展示，同時能夠在Revit通用平臺中進行讀取，說明能夠?qū)崿F(xiàn)拓展信息的跨平臺交互目的，完成了隧道領(lǐng)域信息的規(guī)范化無損交流。拓展結(jié)果在自主開發(fā)平臺與Revit中的讀取結(jié)果分別見圖7、圖8。

圖7 自編譯平臺的效果展示

圖8 Revit平臺的拓展結(jié)果展示

4 隧道智能管理系統(tǒng)

我國隧道多采用新奧法進行施工，新奧法的核心思想是關(guān)注圍巖特性，充分利用其自身穩(wěn)定性進行針對性支護。施工過程中，及時獲取圍巖信息，并根據(jù)相關(guān)信息進行穩(wěn)定性評價與支護方案優(yōu)化等動態(tài)設(shè)計過程是新奧法施工的關(guān)鍵所在，當前隧道動態(tài)施工尚未形成有效的動態(tài)設(shè)計體系與相應(yīng)的智能管理系統(tǒng)，為了實現(xiàn)這個目標，在前述IFC標準在隧道領(lǐng)域拓展基礎(chǔ)上，開發(fā)隧道智能管理系統(tǒng)，初步建立了隧道工程的智能化管理系統(tǒng)，為隧道智能施工進行了有益的探索與嘗試。

所建立的智能管理系統(tǒng)主要包括自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、圍巖分級與工法推薦、圍巖參數(shù)反分析等核心功能，系統(tǒng)主界面如圖9所示，各主要功能應(yīng)用實例將一一介紹。

圖9 隧道智能管理系統(tǒng)

4.1 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

通過前文已建立方法，對自動化監(jiān)測終端進行BIM建模，并將相應(yīng)信息寫入至拓展的IFC標準中。自動化監(jiān)測系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)通過GPRS上傳至云端后存儲于服務(wù)器中，通過IFC讀寫程序?qū)⒎?wù)器上的傳感器測量數(shù)據(jù)同步到本地BIM模型，點擊查詢功能鍵，實現(xiàn)對IFC標準隧道信息集成模型相應(yīng)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢分析、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)曲線查看以及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)預(yù)警，如圖10、圖11所示。

圖10 自動化監(jiān)測模塊

圖11 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢與預(yù)警

4.2 分級預(yù)測與工法推薦

甄峰嶺隧道地質(zhì)復(fù)雜，變異性大且地層交錯變化，因此在施工過程中進行及時有效的圍巖等級評價是十分必要的。程序編寫過程中，分別采用DE-ANN和BQ兩種方法進行分級計算，綜合非線性映射結(jié)果與經(jīng)典公式計算結(jié)果對比驗證共同確定巖體實際狀態(tài)，計算界面見圖12。

該圍巖分級模塊提供BIM分級參數(shù)查看以及BIM分級參數(shù)修改等圍巖參數(shù)操作選項，用于將查詢及修改隧道集成模型IFC文件中的圍巖分級指標屬性參數(shù)。點擊“圍巖級別預(yù)測按鈕”，程序?qū)Ξ斍敖缑嫠@示的BIM圍巖分級指標參數(shù)進行分級計算，最終兩種分級方式所得結(jié)果都將顯示于操作界面，供用戶對比分析以確保分級的準確性，與此同時，該動態(tài)圍巖分級結(jié)果也及時寫入至相應(yīng)IFC文件。

圖12 隧道圍巖分級計算界面

動態(tài)圍巖分級進入圍巖分級信息可視化查詢功能模塊后，鼠標左鍵點選可視化隧道模型或IFC文件結(jié)構(gòu)樹形架構(gòu)中的圍巖或地質(zhì)體模型，圍巖分級信息解析顯示窗口則實時更新相應(yīng)圍巖分級信息。分級結(jié)果的BIM展示如圖13所示。

圖13 分級結(jié)果BIM展示

根據(jù)分級結(jié)果，系統(tǒng)允許通過Navis Work時程控制的方式進行圖5所示開挖工法庫的開挖工法推薦，進行相應(yīng)圍巖級別下開挖工法的三維動態(tài)展示。

實際施工過程中，應(yīng)用本程序計算得K94+276～ YK94+246區(qū)段為Ⅴ級圍巖，此處原設(shè)計級別為Ⅳ級。因此對支護方案進行了加強變更，變更后結(jié)果如圖14所示。按變更方案施工后，安全監(jiān)測結(jié)果顯示該區(qū)域為穩(wěn)定狀態(tài)，說明了程序應(yīng)用的有效性。

圖14 變更后施工情況

4.3 隧道錨固參數(shù)優(yōu)化

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)隧道反饋分析集成模型IFC物理文件中工程設(shè)計錨固參數(shù)的查詢，并提供對相應(yīng)斷面的錨固參數(shù)優(yōu)化功能，通過點擊錨固參數(shù)優(yōu)化按鈕，系統(tǒng)調(diào)用后臺基于粒子群算法的隧道圍巖錨固參數(shù)優(yōu)化程序，分別給出圍巖變形最小、工程造價最低情況下的錨固支護方案，系統(tǒng)基于上述兩種錨固參數(shù)方案給出較為合理支護參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，并在窗口右下角的支護參數(shù)優(yōu)化結(jié)果顯示欄內(nèi)顯示，見圖15。

圖15 圍巖參數(shù)反分析模塊

點擊優(yōu)化結(jié)構(gòu)反饋至BIM模型功能按鈕，該斷面的錨固參數(shù)優(yōu)化結(jié)果則反饋至隧道動態(tài)施工信息集成模型，同時窗口右上角的模型顯示區(qū)對更新后的模型進行顯示，便于施工管理人員查詢參考。

5 結(jié)論

a. 建筑信息模型是復(fù)雜工程信息管理的一種有效平臺與途徑，但是當前已有規(guī)范僅適用于房屋建筑領(lǐng)域，隧道等土木工程建設(shè)的BIM信息管理模式還不完善，巖土工程相關(guān)BIM標準有待于進一步開發(fā)。

b. 基于IFC標準的隧道工程信息存儲標準拓展是一種巖土工程信息科學管理與規(guī)劃的有效手段，能夠?qū)崿F(xiàn)不同BIM平臺之間工程信息的無損交互，可為相關(guān)基坑、邊坡等巖土工程施工信息管理平臺建立提供參考。

c. 隧道施工過程中各方信息是相互關(guān)聯(lián)的，對所得信息進行計算分析是信息化施工過程不可或缺的一步。本文嘗試建立的基于IFC標準拓展的隧道工程智能管理系統(tǒng)平臺，經(jīng)驗證具有一定的工程適用性，為類似巖土工程信息化施工體系建立提供了一種新思路。