基于IFC的水利水電工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)研究

劉丹 滕彥 周爭(zhēng) 何逸凡 王志敏

摘要：為規(guī)范水利水電工程信息模型（WPIM）數(shù)據(jù)在全生命期各階段的存儲(chǔ)和交換，基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Industry Foundation Classes（IFC 4.0.2.1）規(guī)定的數(shù)據(jù)模式，研究了水利水電工程信息模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明：在IFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的領(lǐng)域?qū)印⒐蚕韺优c核心層中新增水利水電工程空間結(jié)構(gòu)單元（Spatial Structure Element）、構(gòu)件單元（Element）兩類(lèi)實(shí)體和相關(guān)關(guān)系實(shí)體，通過(guò)新定義實(shí)體（Entity）、預(yù)定義類(lèi)型（Predefined Type）、屬性集（Property Set）的方式，擴(kuò)展編制了水利水電工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)水利水電BIM聯(lián)盟先行啟動(dòng)的4項(xiàng)BIM標(biāo)準(zhǔn)之一，適用于水利水電工程全生命期全專(zhuān)業(yè)的BIM模型的存儲(chǔ)和交換。

關(guān) 鍵 詞：BIM; IFC; 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn); 水利水電工程

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV61;TP312 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.037

0 引 言

BIM技術(shù)已在工程行業(yè)應(yīng)用多年，在工程全過(guò)程、全專(zhuān)業(yè)、全參與的過(guò)程中BIM應(yīng)用軟件種類(lèi)繁多（如Revit、Bentley、Catia、Tekla Sructurest、Rhinoceros等），不同軟件生成的文件格式不盡相同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互困難，形成信息孤島[1]。為此，building SMART提出以工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)（industry foundation classes，IFC）作為BIM數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)[2]。IFC是一種中立、開(kāi)放的數(shù)據(jù)交換格式。張建平等[3]提出了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)化方法，實(shí)現(xiàn)了多種模型之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)化;楊緒坤[4]等基于IFC擴(kuò)展研究了鐵路工程BIM存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn);陳國(guó)良[5]基于IFC標(biāo)準(zhǔn)研究了三維地質(zhì)模型的擴(kuò)展模型IFC-3DGeoMdl，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型與其他專(zhuān)業(yè)BIM模型的集成;趙繼偉[6]基于IFC研究擴(kuò)展了水利工程BIM模型描述標(biāo)準(zhǔn);張志偉[7]等基于IFC研究水電工程信息模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出與交換情況，并根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行了驗(yàn)證;張社榮[8]等基于IFC研究了水電設(shè)備信息模型的創(chuàng)建技術(shù)。但水利行業(yè)基于IFC的研究還是小范圍，沒(méi)有成體系，無(wú)法解決行業(yè)內(nèi)BIM數(shù)據(jù)不互通的問(wèn)題。為此，水利水電BIM聯(lián)盟在2017年啟動(dòng)了水利水電工程信息模型（water and hydropower projects information modeling，WPIM[9]）存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)編制項(xiàng)目，在IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)水利水電工程的需求擴(kuò)充形成了水利水電的BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，以期打通BIM數(shù)據(jù)在水利水電工程全專(zhuān)業(yè)、全階段、全參與方之間的流轉(zhuǎn)，進(jìn)一步促進(jìn)BIM技術(shù)在水利水電行業(yè)深度發(fā)展。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)

1.1 IFC體系結(jié)構(gòu)

IFC標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際組織building SMART制定的一個(gè)公共的、中性的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，最新被納入ISO標(biāo)準(zhǔn)的版本為2018年發(fā)布的ISO 16739-1：2018（IFC 4.0.2.1）[10]，本次研究在該版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

IFC標(biāo)準(zhǔn)為工程信息數(shù)據(jù)提供了一個(gè)模塊化的模型結(jié)構(gòu)，由4個(gè)概念層次組成，從下往上依次為資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、共享層（Interop Layer）、領(lǐng)域?qū)樱―omainLayer），各概念層次相互之間規(guī)定了嚴(yán)格的調(diào)用關(guān)系。每個(gè)層次只能引用同層或下層的信息資源，不能引用上層信息資源。每個(gè)概念層次中定義了一系列的模型模塊[4]。

在IFC體系中，核心層規(guī)定了IFC模型的基本框架和擴(kuò)展機(jī)制，除資源層類(lèi)型外，所有實(shí)體類(lèi)型均由核心層實(shí)體1fcRoot繼承而來(lái);同時(shí)，根類(lèi)IfcRoot還派生出屬性定義IfcPropertyDefinition實(shí)體、關(guān)系IfcRelationship實(shí)體、對(duì)象IfcObjectDefinition實(shí)體3個(gè)基本抽象類(lèi)，每個(gè)基本抽象類(lèi)又分別派生出相應(yīng)的子類(lèi)，如圖1所示[6，11]。水利水電工程主要基類(lèi)實(shí)體在圖1所示的IFC體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承擴(kuò)展。

1.2 IFC擴(kuò)展機(jī)制

IFC標(biāo)準(zhǔn)具有3種擴(kuò)展方式，分別為IFC實(shí)體擴(kuò)展、屬性集擴(kuò)展、基于IfcProxy的實(shí)體擴(kuò)展。IFC實(shí)體擴(kuò)展和基于lfcProxy的實(shí)體擴(kuò)展屬于實(shí)體擴(kuò)展機(jī)制的方式，可以滿(mǎn)足用戶(hù)直接自定義實(shí)體的要求;其中，IFC實(shí)體擴(kuò)展是新增實(shí)體定義，而基于IfcProxy的實(shí)體擴(kuò)展是臨時(shí)派生。IFC屬性集擴(kuò)展的機(jī)制是在已有的實(shí)體描述基礎(chǔ)上，增加新的沒(méi)有定義的屬性信息[6]。

針對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)缺乏水利水電領(lǐng)域描述，需要進(jìn)行擴(kuò)展大量新的實(shí)體定義情況，采用增加IFC實(shí)體定義的方式進(jìn)行擴(kuò)展編制，這種方式也是對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充，運(yùn)行效率較高。對(duì)于IFC標(biāo)準(zhǔn)已有的相關(guān)工程對(duì)象的定義，直接加以引用，不再重復(fù)定義實(shí)體。

2 水利水電工程IFC擴(kuò)展

2.1 水利水電工程空間結(jié)構(gòu)分解

IFC分解方式有3種：系統(tǒng)分解、實(shí)體構(gòu)件分解、空間結(jié)構(gòu)分解。系統(tǒng)分解主要應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)中，空間結(jié)構(gòu)分解主要應(yīng)用于土建領(lǐng)域[12-13]。按照專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域劃分，可以將水利水電工程劃分出土建專(zhuān)業(yè)、機(jī)電金結(jié)專(zhuān)業(yè)以及地質(zhì)專(zhuān)業(yè)三大類(lèi)。針對(duì)土建部分，采用空間結(jié)構(gòu)分解與實(shí)體構(gòu)件分解相結(jié)合的方式。分解方法為：空間結(jié)構(gòu)→更小的空間結(jié)構(gòu)→構(gòu)件。故水利水電工程項(xiàng)目（IfcProject）包含水利水電工程建筑產(chǎn)品（IfcWaterAndHydropower），水利水電工程建筑產(chǎn)品可分解為水利樞紐建筑物（IfcHydroJunction）、導(dǎo)截流建筑物（IfcDiversion）、引調(diào)水建筑物（IfcTransfer）、河道整治建筑物（IfcRiverRegulation）。水利樞紐建筑再分解為擋水建筑物（IfcDam）、泄水建筑物（IfcSpillway）、引水發(fā)電建筑物（IfcHeadracePower）。由此土建專(zhuān)業(yè)分解成以上幾個(gè)空間結(jié)構(gòu)單元（SpatialStructure），然后再進(jìn)行實(shí)體構(gòu)件分解，最終分解到構(gòu)件級(jí)（Element）?？臻g結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件之間的關(guān)系如圖2所示。其中，IfcRelAggregates表示聚合關(guān)系，它有2個(gè)屬性：RelatingObject和RelatedObjects。RelatingObject表示聚合對(duì)象，是整體的意思;RelatedObjects表示被聚合的對(duì)象，是部分的意思，應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)單元之間。IfcRelContainedInSpatialStructure表示空間結(jié)構(gòu)包含關(guān)系，也有2個(gè)屬性：RelatingStructure和RelatedElements。RelatingStructure表示空間結(jié)構(gòu)單元，RelatedElements表示包含在空間結(jié)構(gòu)單元中的構(gòu)件，應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)單元與構(gòu)件之間。

針對(duì)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)部分，也采用空間結(jié)構(gòu)分解與實(shí)體構(gòu)件分解相結(jié)合的方式，分解為地層、不良地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等，再往下細(xì)分至構(gòu)件。

針對(duì)機(jī)電金結(jié)部分，采用系統(tǒng)分解與實(shí)體構(gòu)件分解相結(jié)合的方式，分解方法為：系統(tǒng)→子系統(tǒng)→設(shè)備[12-13]。將機(jī)電金結(jié)系統(tǒng)分解為水機(jī)、金結(jié)、電氣、通信4個(gè)子系統(tǒng)，然后再進(jìn)行實(shí)體構(gòu)件分解，最終分解到設(shè)備級(jí)。

2.2 水利水電工程信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)架構(gòu)

在IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)水利水電工程特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展的水利水電工程信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示。在核心層，新增水利水電工程相關(guān)概念實(shí)體。

在共享層，新增共享水利水電工程元素的定義，包括公用構(gòu)件類(lèi)型、公用空間結(jié)構(gòu)單元、公用構(gòu)件實(shí)體、公用關(guān)系實(shí)體、公用屬性集。在領(lǐng)域?qū)?，新增土建?zhuān)業(yè)、機(jī)電金結(jié)領(lǐng)域、地質(zhì)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域3個(gè)領(lǐng)域。

3 基于IFC的水利水電工程具體擴(kuò)展內(nèi)容

本次研究主要將WPIM（水利水電工程信息模型）劃分為空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件2種。在IFC基礎(chǔ)上，通過(guò)新定義相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)單元（IfcSpatialStructureElement）、構(gòu)件（IfcElement），給出具體的實(shí)體定義、類(lèi)型定義與屬性集定義的方式進(jìn)行擴(kuò)展[14]，各層次具體擴(kuò)展實(shí)體如表1所列。

3.1 土建IFC擴(kuò)展

3.1.1 土建領(lǐng)域數(shù)據(jù)模式

通過(guò)定義相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)單元和構(gòu)件的方式，來(lái)擴(kuò)展土建BIM模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)架構(gòu)，其IFC類(lèi)擴(kuò)展繼承關(guān)系如圖4所示。

空間結(jié)構(gòu)單元與構(gòu)件的擴(kuò)展方法類(lèi)似，現(xiàn)以構(gòu)件的擴(kuò)展為例，首先從IfcElement派生出IfcWaterAndHydropowerElement（水利水電工程構(gòu)件），再派生出IfcDamElement（擋水建筑物構(gòu)件）、IfcSpillwayElement（泄水建筑物構(gòu)件）、IfcHeadracePowerElement（引水發(fā)電建筑物構(gòu)件）、IfcDiversionElement（導(dǎo)截流建筑物構(gòu)件）、IfcTransferElement（引調(diào)水建筑物構(gòu)件）、IfcRiverRegulationElement（河道整治建筑物構(gòu)件），放在領(lǐng)域?qū)?。每一?xiàng)又可擴(kuò)展出具體的構(gòu)件，如擋水建筑物構(gòu)件可派生出大壩壩身（IfcDamBody）、大壩結(jié)構(gòu)層（IfcStructureLayer）、防滲體（IfcImperviousBody）、壩頂抗震結(jié)構(gòu)（IfcAseismicStructure）等構(gòu)件。

3.1.2 共享數(shù)據(jù)模式

考慮到水利水電工程各擴(kuò)展領(lǐng)域中存在通用的空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件，如隧洞、襯砌、水工墻等不僅存在于引水發(fā)電工程，也存在于引調(diào)水工程，將這類(lèi)實(shí)體統(tǒng)一歸集為水利水電工程共享數(shù)據(jù)，新增公用空間結(jié)構(gòu)單元實(shí)體定義、公用構(gòu)件實(shí)體與類(lèi)型定義、公用關(guān)系實(shí)體定義、公用屬性集定義。

如表1所列，新增公用空間結(jié)構(gòu)單元實(shí)體定義水利樞紐空間結(jié)構(gòu)單元（IfcHydroJunctionStructureElement），EXPRESS描述如下：

ENTITY IfcHydroJunctionStructureElement

SUPERTYPE OF（One of

（IfcDamStructureElement

，IfcSpillwayStructureElement

，IfcHeadracePowerStructureElement））

SUBTYPE OF（IfcWaterAndHydropowerStructureElement）;

END_ENTITY;

通過(guò)對(duì)各類(lèi)工程的梳理整合，公用構(gòu)件實(shí)體主要為混凝土構(gòu)件（IfcConcreteElement）與巖土構(gòu)件（IfcGeoElement）?；炷翗?gòu)件包括：隧洞、襯砌、噴混、廊道、水工墻、樓梯、交通橋、孔口、墩、梁、水工板、柱、護(hù)坦、護(hù)底、樁等。巖土構(gòu)件包括錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、臨時(shí)支護(hù)、止水、排水等。其中混凝土構(gòu)件（IfcConcreteElement）EXPRESS描述如下：

ENTITYIfcConcreteElement

SUBTYPE OF（IfcWaterAndHydropowerElement）;

PredefinedType：IfcConcreteElementTypeEnum;

END_ENTITY;

根據(jù)水利水電工程需求擴(kuò)展了4個(gè)關(guān)系實(shí)體。填充關(guān)系實(shí)體（IfcRelFillsHydraulicElement）與空腔實(shí)體邊界關(guān)系（IfcRelBoundryOfHollowElement）因?yàn)榻⒃谒?shí)體與其父級(jí)（IfcElement）之間，故設(shè)置在核心層[3]。上下游關(guān)系（IfcRelWaterConnectionElement）與左右岸關(guān)系（IfcRelBankConnectionElement）由于僅涉及水工專(zhuān)業(yè)實(shí)體，可設(shè)置在共享層或領(lǐng)域?qū)樱紤]IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)遵從重力引用原則，將這2個(gè)關(guān)系實(shí)體放在共享層。其中填充關(guān)系實(shí)體（IfcRelFillsHydraulicElement）EXPRESS描述如下：

ENTITY IfcRelFillsHydraulicElement

SUBTYPE OF IfcRelConnects

RelatingElement：IfcWaterAndHydropowerElement;

RelatedHydroElement：IfcElement;

END_ENTITY;

共享層定義了一些公用構(gòu)件，需對(duì)每一類(lèi)構(gòu)件定義屬性集，考慮到一些構(gòu)件具有一部分相同的屬性，如隧洞、水工墻、樓梯、交通橋等都是混凝土構(gòu)件，為避免每類(lèi)構(gòu)件重復(fù)定義屬性，抽取出相同屬性形成公用屬性集[12]。按照IFC屬性集定義規(guī)則，公用屬性集定義了水利水電工程通用屬性集、混凝土構(gòu)件通用屬性集以及一些公用構(gòu)件的專(zhuān)有屬性集。混凝土構(gòu)件通用屬性集包含屬性如表3所列。

3.2 機(jī)電金結(jié)IFC擴(kuò)展

由于水利水電工程機(jī)電金結(jié)對(duì)象的擴(kuò)展與土建對(duì)象的組織邏輯不同，機(jī)電金結(jié)屬于“網(wǎng)狀輸送系統(tǒng)”，因此采用系統(tǒng)分解與實(shí)體構(gòu)件分解相結(jié)合的方式。在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，有專(zhuān)門(mén)針對(duì)管線(xiàn)輸送系統(tǒng)IFC模型描述的方式：① 用來(lái)表達(dá)定義整體的管線(xiàn)空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的管線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)象（IfcDistributionSystem）;② 用來(lái)定義連接各類(lèi)實(shí)體之間關(guān)系的接口對(duì)象（IfcDistributionPort）;③ 用來(lái)定義各類(lèi)具有真實(shí)物理形狀實(shí)體的管線(xiàn)實(shí)體構(gòu)件（IfcDistributionElement）[15-16]。

3.2.1 機(jī)電金結(jié)系統(tǒng)對(duì)象

機(jī)電金結(jié)信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)架構(gòu)由配送系統(tǒng)（IfcDistributionSystem）、配送構(gòu)件（IfcDistributionElement）及配送接口（IfcDistributionPort）組成。將水利水電工程機(jī)電金結(jié)系統(tǒng)劃分為4個(gè)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)：水機(jī)系統(tǒng)（IfcHydraulicMachine）、金結(jié)系統(tǒng)（IfcMetalStructure）、電氣系統(tǒng)（IfcElectrical）、通信系統(tǒng)（IfcSignalCommunication），并為其定義新的構(gòu)件實(shí)體、構(gòu)件類(lèi)型與屬性集，以滿(mǎn)足水利水電工程領(lǐng)域的需求。IFC管線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)象聚合關(guān)系如圖5所示。

3.2.2 設(shè)備對(duì)象

以水機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展為例，使用IfcDistributionSystem表達(dá)整個(gè)水機(jī)系統(tǒng)，使用IfcDistributionElement進(jìn)行設(shè)備構(gòu)件對(duì)象的表達(dá)（擴(kuò)展繼承關(guān)系見(jiàn)圖6），在IfcFlowController（管線(xiàn)控制設(shè)施）下擴(kuò)展IfcValve（閥門(mén)）、IfcGenerator（發(fā)電機(jī)）、IfcGeneratorCircuitBreaker（發(fā)電機(jī)斷路器）;在IfcDistributionChamberElement（管線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)裝備）下擴(kuò)展IfcHydraulicMeasuringDevice（水力測(cè)量裝置）、IfcAuxiliaryWatervaperSystem（輔助水氣系統(tǒng)）、IfcGeneratorCircuitBreaker（發(fā)電機(jī)斷路器）;在IfcFlowMovingDevice（流體動(dòng)力設(shè)施）下擴(kuò)展IfcTurbine（水輪機(jī)）、IfcPump（泵）等構(gòu)件（見(jiàn)圖6）。

對(duì)新增的設(shè)備構(gòu)件進(jìn)行類(lèi)型定義、實(shí)體定義與屬性集定義，形成水機(jī)系統(tǒng)的BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)則，金結(jié)、電氣、通信系統(tǒng)擴(kuò)展方法與其類(lèi)似，均可參照?qǐng)?zhí)行。

4 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

基于本研究擴(kuò)展形成水利水電IFC標(biāo)準(zhǔn)的不同軟件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)共享與交互應(yīng)用路線(xiàn)（見(jiàn)圖7），包括2方面數(shù)據(jù)交互，具體如下。

（1） 建模軟件之間數(shù)據(jù)交互。Revit、Bentley、Catia等BIM軟件可通過(guò)配置文件或修改設(shè)置手動(dòng)自定義添加IFC類(lèi)，也可通過(guò)二次開(kāi)發(fā)IFC定義設(shè)置功能。根據(jù)本研究制定的標(biāo)準(zhǔn)批量設(shè)置完成后導(dǎo)出為IFC文件，能更精確地表達(dá)水利水電工程實(shí)體與信息，滿(mǎn)足在不同軟件之間的數(shù)據(jù)無(wú)損交互。

（2） 與BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)交互。基于IFC標(biāo)準(zhǔn)建立模型解析邏輯，實(shí)現(xiàn)IFC模型的結(jié)構(gòu)化處理，并在此基礎(chǔ)上建立BIM模型平臺(tái)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息模型數(shù)據(jù)共享和交換，滿(mǎn)足后續(xù)基于BIM的各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，闡明了水利水電工程土建領(lǐng)域空間分解邏輯與機(jī)電金結(jié)領(lǐng)域系統(tǒng)分解邏輯，分土建類(lèi)與機(jī)電類(lèi)兩大方面研究水利水電工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)具體擴(kuò)展方案。目前，基于IFC擴(kuò)展的水利水電工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)已于2020年5月正式對(duì)外發(fā)布與實(shí)施。

由于人力資源、時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等因素限制，沒(méi)有對(duì)施工領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容做過(guò)多擴(kuò)展，有待進(jìn)一步完善，并且也暫未開(kāi)展基于實(shí)際項(xiàng)目的軟件驗(yàn)證工作，計(jì)劃下一階段實(shí)施并作為完善標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，為全面實(shí)現(xiàn)水利水電工程項(xiàng)目全階段、全專(zhuān)業(yè)、跨平臺(tái)的BIM應(yīng)用與協(xié)同奠定基礎(chǔ)。

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（編輯：鄭 毅）