路基與土方工程IFC國際標準研究

趙飛飛，韓斌，楊緒坤

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著BIM技術(shù)快速發(fā)展，其內(nèi)涵和外延不斷深化和拓展，應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的建筑領(lǐng)域逐漸擴展到基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?；A(chǔ)設(shè)施是社會運轉(zhuǎn)所需的基礎(chǔ)工程設(shè)施，BIM技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期具有巨大的應(yīng)用潛能［1-2］，而信息交換貫穿其整個生命周期。

工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Classes，IFC）是由buildingSMART發(fā)布的BIM數(shù)據(jù)交換標準，提供了一個綜合的、中立的、標準化的BIM數(shù)據(jù)交換格式，不依賴于具體系統(tǒng)。隨著BIM在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，IFC標準也逐漸向基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域擴展［3-4］。在buildingSMART國際組織中，基礎(chǔ)設(shè)施室（Infrastructure Room）負責定義公路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的IFC標準，鐵路室（Railway Room）負責定義鐵路工程IFC標準，并分別建立了相應(yīng)的IFC Road、IFC Bridge、IFC Tunnel、IFC Rail［5］等項目組。在各標準編制過程中發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域存在共性的一些概念在多個項目中分別定義，容易出現(xiàn)不一致的問題。為此，基礎(chǔ)設(shè)施室在2018年啟動了IFC公用模式（IFC Common Schema）項目，旨在識別基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域共用的對象，并統(tǒng)一進行IFC標準擴展定義，以保證對象定義的一致性。路基與土方工程是IFC Common Schema項目的一項重要研究內(nèi)容。

路基與土方工程是基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域不可或缺的組成部分，也是其他工程的基礎(chǔ)。在鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲國際標準框架［6］下，考慮基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域公路、鐵路等行業(yè)的應(yīng)用需求，定義路基與土方工程概念模型?；贗FC標準，構(gòu)建路基與土方工程IFC標準擴展架構(gòu)，確定實體繼承關(guān)系，為標準編制提供重要支持。

1 路基與土方工程IFC用例

用例（use case）識別是進行需求分析的常用手段，主要用于確定交換場景和交換需求，即確定信息交換方、信息交換內(nèi)容、信息交換階段、信息交換格式以及信息交換粒度。在IFC國際標準研究過程中，識別用例、確定需求通常是第1步，也是IFC標準擴展的基礎(chǔ)。大多數(shù)項目具有一些較為典型的用例，如可視化、模擬仿真、工程量計算、成本估算等。

building SMART在其發(fā)布的IFC基礎(chǔ)設(shè)施總體架構(gòu)指南［7］中，定義了基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域14個通用用例?；谶@些通用用例，同時參考IFC Bridge、IFC Road等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域項目確定的用例，并通過與IFC Common Schema項目組國際專家進行充分研討，識別了路基與土方工程共27項IFC用例（見表1），包括通用用例和專有用例。其中，基床結(jié)構(gòu)層厚度確定、土方填挖設(shè)計、邊坡防護設(shè)計、地基處理設(shè)計、邊坡穩(wěn)定性分析和土方調(diào)配等是路基與土方工程的專有用例。

表1 路基與土方工程IFC用例

2 路基與土方工程概念模型

概念模型是現(xiàn)實世界到信息世界的第1層抽象，可用于表達某領(lǐng)域相關(guān)概念及相關(guān)概念之間的關(guān)系。IFC基本概念分解方式包括空間分解、功能（系統(tǒng)）分解、物理構(gòu)件分解。路基與土方工程是基礎(chǔ)性工程，在空間上可以包含到其他工程結(jié)構(gòu)中。根據(jù)IFC標準擴展的基本原則，盡量減少新增實體定義。因此，路基與土方工程相關(guān)概念主要從物理構(gòu)件的角度進行分解。

統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是國際上標準化的建模語言，采用文本和符號圖形化描述面向?qū)ο蟮哪Ｐ停?］。采用UML構(gòu)建路基與土方工程概念模型，可理清路基與土方工程領(lǐng)域涉及的實體及相互之間的關(guān)系。在構(gòu)建概念模型時，實體抽象的粒度需適當。粒度太大，難以反映工程中的實際需求；粒度太小，將使標準內(nèi)容過于龐大，不利于標準的維護。

UML中有多種關(guān)系類型，如聚合（Aggregation）、泛化（Generalization）、依賴（Dependency）等。聚合用于表示整體與部分的關(guān)系；泛化用于表示一種繼承關(guān)系，子類繼承父類的所有屬性和方法；依賴表示一個概念依賴于另一個概念的定義，是一種單向的弱關(guān)聯(lián)關(guān)系。在路基與土方工程概念模型構(gòu)建過程中主要使用聚合、泛化2種關(guān)系類型，表達概念與概念之間的關(guān)系。

一段路基可視為由路基與土方工程元素組成；路基與土方工程元素可進一步分為填方、挖方、地基加固和護坡；填方、挖方、地基加固可根據(jù)施工工藝工法進一步細分。路基與土方工程概念模型見圖1。

圖1 路基與土方工程概念模型（UML）

3 路基與土方工程IFC標準擴展

3.1 標準擴展架構(gòu)

為提高標準的可維護性和可擴展性，IFC數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)劃分為4個層次，自底向上分別是：資源層（Resource Layer）、 核心層（Core Layer）、共享層（Interop Layer）、領(lǐng)域?qū)?（Domain Layer）［9］。其中，資源層定義了一些資源信息，但資源定義沒有全局唯一標識符，不能獨立使用，因此需要與上層定義一起使用；核心層包括核心模式和核心擴展模式，定義了一些基礎(chǔ)性的通用實體，每個實體都具有全局唯一標識符；共享層定義了多個領(lǐng)域共性的內(nèi)容，主要用于不同領(lǐng)域之間的信息交換和共享；領(lǐng)域?qū)佣x了專門用于某個特定領(lǐng)域的實體，主要用于領(lǐng)域內(nèi)部之間的信息交換和共享。

隱爆角礫巖是熱液運移的良好通道和容礦場所，是金屬礦床的一種重要類型[9]，常與淺成—超淺成中酸性斑巖體相伴產(chǎn)出。許多斑巖型金、銀、鎢錫礦及斑巖型銅金鉬礦床都與隱爆角礫巖存在密切的時空及成因聯(lián)系[10-11]。

路基與土方工程作為基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域共性的內(nèi)容，在IFC架構(gòu)的共享層進行定義?；诼坊c土方工程概念模型，在IFC4.2標準架構(gòu)的共享層新增共享基礎(chǔ)設(shè)施元素模塊（Shared Infrastructure Elements），并在其中增加挖方（IfcEarthworksCut）、路基與土方工程元素（IfcEarthworksElements）、填方 （IfcEarthworksFill）、地基加固（IfcReinforcedSoil）等實體定義；在共享層的共享建筑元素模塊（Shared Building Elements）中，以預(yù)定義類型枚舉值的方式增加侵蝕防護（EROSIONPREVENTION）的概念。路基與土方工程IFC標準擴展架構(gòu)見圖2。

圖2 路基與土方工程IFC標準擴展架構(gòu)

3.2 實體擴展

IFC標準定義了對象、屬性和關(guān)系，其中，對象主要分為空間元素、物理構(gòu)件和系統(tǒng)，分別采用IfcSpatialElement、IfcElement和IfcSystem來表示。預(yù)定義類型（PredefinedType）是IFC實體的一個特殊屬性，可實現(xiàn)對實體類型的進一步細分。預(yù)定義類型屬性為枚舉型，其取值一般是廣泛認可的分類?；谏鲜龈拍钅Ｐ停坊c土方工程IFC標準定義了4個新的物理構(gòu)件實體，并通過預(yù)定義類型屬性，定義了路基與土方工程23個預(yù)定義類型枚舉項（見圖3）。

圖3 路基與土方工程IFC實體繼承關(guān)系（UML）

（1）IfcEarthworksCut：表示挖方概念，繼承自IfcFeatureElementSubtraction實體類，并通過預(yù)定義類型屬性IfcEarthworksCutTypeEnum定義了9個預(yù)定義類型枚舉值，包括：TOPSOILREMOVAL（清表）、CUT（路塹）、TRENCH（挖溝槽）、DREDGING（清淤）、BASEEXCAVATION（挖基）、OVEREXCAVATION（超挖）、PAVEMENTMILLING（路面銑刨）、STEPEXCAVATION（挖臺階）、EXCAVATION（一般挖方）。

（2）IfcEarthworksElement：表示路基與土方工程元素，繼承自IfcBuiltElement，并派生出IfcEarthworksFill和IfcReinforcedSoil兩個子類。

（3）IfcEarthworksFill：表示填方概念，繼承自IfcEarthworksElement，并通過預(yù)定義類型屬性IfcEarthworksFillTypeEnum定義了7個預(yù)定義類型枚舉值，包括：SUBGRADE（路基本體）、SUBGRADEBED（基床）、EMBANKMENT（路堤）、SLOPEFILL（邊坡填筑）、BACKFILL（回填）、COUNTERWEIGHT（反壓護道）、TRANSITIONSECTION（過渡段）。

（4）IfcReinforcedSoil：表示地基加固，繼承自IfcEarthworksElement，并通過預(yù)定義類型屬性IfcReinforcedSoilTypeEnum定義了6個預(yù)定義類型枚舉值，包括：ROLLERCOMPACTED（振動碾壓）、DYNAMICALLYCOMPACTED（強夯）、SURCHARGEPRELOADED（堆載預(yù)壓）、GROUTED（注漿）、REPLACED（換填）、VERTICALLYDRAINED（豎向排水）。

此外，在IfcBuiltSystemTypeEnum枚舉類型中新增了侵蝕防護（EROSIONPREVENTION）枚舉值，表示護坡概念，并通過屬性集定義了典型的侵蝕防護類型，包括：植物防護（Planting）、實體防護（Solid）、框架防護（Framework）、錨桿框架防護（Anchored framework）、噴射混凝土防護（Shotcrete）、防護網(wǎng)（Screening）、土工合成材料防護（Geosynthetics）等。

3.3 屬性集擴展

IFC標準可通過靜態(tài)擴展的方式定義新的屬性集［10-11］。屬性集的擴展可分為2種方式：一種是在IFC已有屬性集中增加新的屬性；另一種是新增屬性集。在IFC Common Schema項目中，不同國家和地區(qū)對路基與土方工程屬性集的需求不同，目前項目成果中僅定義了很小部分屬性集和屬性。路基與土方工程部分屬性集定義見表2。

表2 路基與土方工程屬性集定義

3.4 實例圖

實例圖（Instance Diagram）可表達IFC實體之間的關(guān)系，以及IFC對象與業(yè)務(wù)需求之間的映射。IFC實體之間的關(guān)系是通過IFC關(guān)系對象來表達的，包括IfcRel-Aggregates、 IfcRelContainedInSpatialStructure、 IfcRelReferencedInSpatialStructure、IfcRelVoidsElement、IfcRelAssigns-ToGroup等，關(guān)系對象定義在IFC架構(gòu)的核心層。IfcRel-Aggregates關(guān)系對象表示一種聚合關(guān)系，通常用于表達整體與部分之間的關(guān)系；IfcRelContainedInSpatialStructure表示構(gòu)件與空間結(jié)構(gòu)之間的包含關(guān)系，具有嚴格的層次性，一個構(gòu)件只能包含在一個空間結(jié)構(gòu)單元中；IfcRelReferencedInSpatialStructure表示空間參考或引用關(guān)系，沒有嚴格的層次性；IfcRelVoidsElement表示在某種現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進行開孔/開洞/挖除，形成一種空間；IfcRelAssignsToGroup表示將對象關(guān)聯(lián)到一個組對象。

以鐵路工程為例的實例見圖4，圖中使用IFC表達了一段半路堤半路塹鐵路路基：場地對象（IfcSite）通過 IfcRelAggregates、IfcRelContainedInSpatialStructure 包含本段路基所屬鐵路對象（IfcRailway）和涉及的地質(zhì)對象（IfcGeomodel）；地質(zhì)對象（IfcGeomodel）通過IfcRelVoidsElement關(guān)聯(lián)挖方對象（IfcEarthworksCut/CUT）以表示路塹；鐵路對象（IfcRailway）通過IfcRel-Aggregates包含路基對象（IfcFacilityPart/BELOWGROUND），通過IfcRelReferencedInSpatialStructure引用侵蝕防護對象（IfcBuiltSystem/EROSIONPREVENTION）；路基對象 （IfcFacilityPart/BELOWGROUND） 通過 IfcRelContainedInSpatialStructure包含路基本體（IfcEarthworksFill/SUBGRADE）、地基加固/注漿（IfcReinforcedSoil/GROUTED）和邊坡填筑（IfcEarthworksFill/SLOPEFILL）；路基本體又進一步通過IfcRelAggregates包含基床（IfcEarthworksFill/SUBGRADEBED）、 路 堤 （IfcEarthworksFill/EMBANKMENT）。其中，邊坡填筑（IfcEarthworksFill/SLOPEFILL）通過IfcRelAssignsToGroup也同時作為侵蝕防護對象（IfcBuiltSystem/EROSIONPREVENTION）的一部分。

圖4 路基與土方工程IFC實例

4 結(jié)束語

路基與土方工程是基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的共性內(nèi)容，也是buildingSMART國際標準項目IFC Common Schema的重要研究內(nèi)容。采用用例識別-概念模型構(gòu)建-標準擴展定義三步法，識別了路基與土方工程27個用例，構(gòu)建了概念模型，在IFC標準框架的共享層，擴展定義了基礎(chǔ)設(shè)施共享元素模塊，并在其中定義了路基與土方工程相關(guān)元素。研究成果已納入IFC4.3候選標準，目前正在進行標準驗證，通過進一步調(diào)整和優(yōu)化，最終將成為正式標準發(fā)布。研究只涵蓋路基與土方工程部分核心內(nèi)容，未涵蓋路基排水等其他概念，路基排水作為路基與土方工程不可或缺的重要組成部分，也是IFC標準向基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域擴展的一個重要方向。此外，路基與土方工程屬性集的定義還有待進一步完善。