基于IFC的橋梁安全信息可視化研究

包龍生，安培磊，王 鵬，梁 偉，于 玲

(1.沈陽建筑大學(xué)交通與測繪工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

隨著現(xiàn)代橋梁的大規(guī)模建成，橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)處于瓶頸期，同時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中，會隨著外界因素的不斷腐蝕、結(jié)構(gòu)材料的逐漸老化以及車輛荷載的不斷作用，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多種病害，導(dǎo)致橋梁承載能力降低[1]。由此可見，橋梁的管理和維護(hù)工作就顯得尤為重要[2-3]，但傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)技術(shù)，有很大的局限性，病害可視化程度低，運(yùn)營維護(hù)人員不能準(zhǔn)確快速地找到橋梁病害位置。為了改善這一現(xiàn)狀，BIM技術(shù)在橋梁安全管理方面得到了深入應(yīng)用[4]，但同時(shí)越來越多的研究者認(rèn)為 BIM 應(yīng)用的技術(shù)路線，不應(yīng)該止步于三維可視化的研究，而應(yīng)該進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)橋梁多維信息的數(shù)據(jù)共享與交換，以滿足病害信息與橋梁模型信息的融合[5]。B.Mcguire等[6]將橋梁BIM模型與橋梁檢測信息進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，并對橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評估。慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Y.Ji[7]擴(kuò)展了橋梁模塊在IFC標(biāo)準(zhǔn)中的定義方式，豐富了橋梁模型的數(shù)據(jù)格式。

IFC標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是利用數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳遞，而是不同數(shù)據(jù)之間的整合，為病害信息模型與橋梁實(shí)體模型相結(jié)合提供了路徑。IFC標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用Express 語言表達(dá)實(shí)體構(gòu)件信息，實(shí)現(xiàn)模型信息數(shù)據(jù)的存儲與交換[8-9]。目前，多種建模軟件均可對IFC數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取和輸出，為模型的多平臺數(shù)據(jù)交流搭建了信息渠道[10]。

基于上述分析，筆者在準(zhǔn)確解析IFC數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，著重利用Express語言的可描述性，總結(jié)一種通用的橋梁安全信息模型的創(chuàng)建方式。研究表明：基于橋梁實(shí)體模型的IFC數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)特征，將病害模型數(shù)據(jù)與原構(gòu)件模型數(shù)據(jù)二次重組，可實(shí)現(xiàn)橋梁信息模型的多平臺可視化和病害信息的準(zhǔn)確表達(dá)。

1 IFC概況與結(jié)構(gòu)特征

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展概述

IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)在1997年發(fā)布IFC1.0 后，經(jīng)過數(shù)年來的發(fā)展完善，逐漸成為了一套非常完善的數(shù)據(jù)交換共享標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，目前官方最新的版本是IFC4.2 版。IFC標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了多方信息模型在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交互[13-14]。IFC4.1版本用水平和垂直線形的組合作為一種新的幾何表示形式，用于描述基礎(chǔ)設(shè)施的線形。IFC4.2版本擴(kuò)展了橋梁模塊和基礎(chǔ)設(shè)施的空間結(jié)構(gòu)，橋梁模塊可以對橋梁構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)有一個準(zhǔn)確的定義和描述，促進(jìn)了BIM技術(shù)在橋梁建設(shè)行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用[15]。

1.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)的框架體系

IFC標(biāo)準(zhǔn)的框架體系從功能定義上可以分為資源層、核心層、交互層和領(lǐng)域?qū)?，每個層次都有其固有的信息定義范圍和彼此依存的穩(wěn)定關(guān)系[16-17]。以橋梁結(jié)構(gòu)為例，就構(gòu)件本身屬于領(lǐng)域?qū)?，但?gòu)件本身的多種元素和信息需要通過資源層、核心層和交互層來依次定義。

IFC 標(biāo)準(zhǔn)采用的描述性語言EXPRESS，具有較強(qiáng)的可讀性和編譯性。EXPRESS是一種概念性架構(gòu)語言，為現(xiàn)階段沒有被IFC定義的專業(yè)信息領(lǐng)域提供了多種預(yù)定義類型，如圖1所示。以橋梁結(jié)構(gòu)和病害模型為例，可以通過預(yù)定義的方式，完善IFC標(biāo)準(zhǔn)中的橋梁模塊。

圖1 IFC體系預(yù)定義類型

1.3 IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

IFC數(shù)據(jù)文件由頭段和數(shù)據(jù)段兩部分構(gòu)成[18]，頭段主要表達(dá)了文件的總體信息以及常規(guī)設(shè)置信息，數(shù)據(jù)段主要表達(dá)模型的屬性信息和幾何信息。

(1)頭段文件

在每一個IFC交換文件都以頭段數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)段開頭，該段以"HEADER"作為開始代碼，并且以"ENDSEC"作為結(jié)束代碼。文件數(shù)據(jù)有創(chuàng)建時(shí)間、數(shù)據(jù)版本和標(biāo)準(zhǔn)版本等，并且按這一定順序依次出現(xiàn)，具體代碼如下:

ISO-10303-21;

HEADER;

* Creation date:Wed Jun 16 10:38:56 2021

* Database version:5507

* Schema:IFC2X3

* Model:DataRepository.ifc

…

FILE_SCHEMA((′IFC2X3′));

ENDSEC;

(2)數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段位于頭段之后，是IFC文件的主體部分。該段以"DATA"作為開始代碼，并且以"ENDSEC"作為結(jié)束代碼。

2 T梁的IFC數(shù)據(jù)表達(dá)研究

2.1 T梁的位置定義

基于Revit2016平臺創(chuàng)建結(jié)構(gòu)項(xiàng)目文件，并導(dǎo)出IFC數(shù)據(jù)文件。在頭段文件已建立成功的基礎(chǔ)上，通過EXPRESS語言定義數(shù)據(jù)文件，以多種定義方式分別對T梁模型的位置信息和幾何信息進(jìn)行表達(dá)，相應(yīng)的IFC格式數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

表1 定義方式及IFC數(shù)據(jù)格式

為了確定三維實(shí)體模型的具體位置，設(shè)立三維坐標(biāo)系對模型進(jìn)行定位，坐標(biāo)系可以分為局部坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系。三維坐標(biāo)系中物體的位置信息由位置坐標(biāo)，Z軸方向和X軸方向三部分組成確定，其中Y軸方向由Z軸和X軸方向來推導(dǎo)確定。

三維坐標(biāo)系如圖2所示，坐標(biāo)系由ObjectPlacement描述，在數(shù)據(jù)段中坐標(biāo)系存在分層依次參考的情況，在明確各坐標(biāo)系層次關(guān)系的前提下，進(jìn)而確定構(gòu)件最終所在的坐標(biāo)系和坐標(biāo)值。三維T梁構(gòu)件模型的位置由所在的三維參考坐標(biāo)系定義，參考坐標(biāo)系則由上一級參考坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系共同定義，局部坐標(biāo)系對參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置進(jìn)行了定義，上級考坐標(biāo)系則對Z軸方向和X軸方向進(jìn)行了定義，從而確定了模型構(gòu)件的具體位置。

圖2 三維坐標(biāo)系示意圖

在IFC中，很多橋梁工程中的特殊構(gòu)件缺少信息定義和實(shí)體定義方式；此處以IfcBuildingElementProxy定義T構(gòu)件模型，具體代碼如下：

#6=IFCCARTESIANPOINT((0.,0.,0.));

#31=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$);

#32=IFCLOCALPLACEMENT(#249,#31);

#104=IFCBUILDING(…,#32,…);

#110=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$);

#111=IFCLOCALPLACEMENT(#32,#110);

#113=IFCBUILDINGSTOREY(…,#111,…);

#174=

IFCCARTESIANPOINT((1032.,527.,0.));

#176=

IFCAXIS2PLACEMENT3D(#174,$,$);

#177=

IFCLOCALPLACEMENT(#111,#176);

#179=

IFCBUILDINGELEMENTPROXY(…,#177,…);

#248=

IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$);

#249=IFCLOCALPLACEMENT($,#248);

#250=IFCSITE(…,#249,..);

上述代碼對T梁實(shí)體模型所在坐標(biāo)系分層依次定義，定義關(guān)系解析如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)屬性示意圖

2.2 T梁的二維橫截面創(chuàng)建

在已定義的局部坐標(biāo)系里，進(jìn)行T梁橫截面的創(chuàng)建，采用截面定義的方法，即通過連接多個二維坐標(biāo)點(diǎn)(IfcCartesianPoint)形成閉合的平面輪廓線(IfcPolyLine)，進(jìn)而定義面片模型。具體描述方式代碼如下：

#123=

IFCCARTESIANPOINT((2000.，-800.));

#125=

IFCCARTESIANPOINT((1850.，-800.));

…

#147=IFCPOLYLINE((#123，#125，#127，#129，#131，#133，#135，#137，#139，#141，#143，#145，#123));

#149=

IFCARBITRARYCLOSEDPROFILEDEF(.AREA.，′tX268814E2D6881X0′，#147);

T梁拉伸實(shí)體模型創(chuàng)建信息如圖4所示。#123～#145依次對T梁橫截面的12個關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行定義，并且通過IFCPOLYLINE命令形成輪廓線，進(jìn)而編輯#149代碼，形成T梁橫截面。

圖4 T梁拉伸實(shí)體模型創(chuàng)建信息詳圖

2.3 T梁的三維可視化模型創(chuàng)建

拉伸是多種預(yù)定義方式中的一種，對已創(chuàng)建的T梁橫截面(#149)賦予拉伸命令，進(jìn)而形成T梁實(shí)體(IfcExtrudedAreaSolid)。拉伸命令中的參數(shù)包括拉伸方向和拉伸長度，創(chuàng)建方式和參數(shù)信息如圖4所示。具體代碼如下:

#150=

IFCCARTESIANPOINT((-500.，0.，500.));

#152=

IFCAXIS2PLACEMENT3D(#150，#11，#19);

#153=IFCEXTRUDEDAREASOLID

(#149，#152，#19，1000.);

#154=IFCSHAPEREPRESENTATION

(#88，′Body′，′SweptSolid′，(#153));

上述代碼，#154表示T梁的預(yù)定義類型為拉伸(SweptSolid)。#153定義了拉伸實(shí)體的具體信息，其中#149表示拉伸橫截面，#19定義了拉伸方向?yàn)橄蛄?0，0，1)的正方向，#152定義了拉伸的局部坐標(biāo)系，同時(shí)也定義了拉伸長度為1 m。數(shù)據(jù)文件在可視化平臺XbimXplorer，校核成功，T梁模型創(chuàng)建完成。

3 橋梁病害信息融合實(shí)現(xiàn)機(jī)制

3.1 病害信息坐標(biāo)化

在橋梁安全信息的表達(dá)過程中，采用邊界定義(BrepModel)的方式對構(gòu)件實(shí)體模型的IFC文件進(jìn)行二次重構(gòu)，以準(zhǔn)確的表達(dá)病害的幾何信息和位置信息。筆者以裂縫作為研究對象，對病害幾何特征進(jìn)行二維坐標(biāo)化，并應(yīng)用EXPRESS語言來精確的刻畫病害模型的方法來表達(dá)裂縫位置、長度和深度等相關(guān)信息。

經(jīng)過對病害圖片視覺角度和背景的灰度值調(diào)節(jié)，建立xy平面的網(wǎng)格圖。通過加載原圖像;將原圖像在x、y兩個方向上等間距劃分網(wǎng)格，具體網(wǎng)格尺寸，由圖片所呈現(xiàn)的病害尺寸和病害幾何特征共同決定。裂縫二維網(wǎng)格離散圖如圖5所示，以常見病害裂縫為例，圖片所呈現(xiàn)裂縫最小寬度為2.3 mm，因此二維坐標(biāo)集的間隔精度精確至1 mm?；贗FC的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，以二維網(wǎng)格中某一點(diǎn)為局部坐標(biāo)原點(diǎn)，建立局部二維坐標(biāo)系，確定裂縫外表面各點(diǎn)二維坐標(biāo)點(diǎn)值，進(jìn)而可引用到相應(yīng)實(shí)體模型的三維參考坐標(biāo)系中，從而達(dá)到確定裂縫在三維構(gòu)件模型表面具體位置的目的。

圖5 裂縫二維網(wǎng)格離散圖

3.2 橋梁構(gòu)件模型三維離散化

為了確保病害形狀的真實(shí)性，筆者提出了三維網(wǎng)格分散法，對構(gòu)件進(jìn)行均勻離散化，為三維坐標(biāo)值的確定提供參考依據(jù)。三維網(wǎng)格對混凝土或者其他構(gòu)件進(jìn)行離散化和均勻化的同時(shí)，為了確保病害精度要求，其間距要滿足病害相應(yīng)規(guī)范的尺寸要求。

為了滿足規(guī)范要求和提高病害可視度，設(shè)置病害可視化參數(shù)來控制病害幾何尺寸的精度和可視化程度，再通過病害實(shí)際尺寸和可視化參數(shù)計(jì)算來獲取所要建立的三維坐標(biāo)點(diǎn)集的間距尺寸，如圖6所示。

圖6 T梁模型的均勻離散圖

以建好的三維T梁構(gòu)件模型為例，進(jìn)行均勻離散化處理，通過二維平面坐標(biāo)點(diǎn)集間隔距離，由式(1)可計(jì)算得到三維空間坐標(biāo)點(diǎn)集間隔距離，通過將二維局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到三維參考坐標(biāo)系中和坐標(biāo)點(diǎn)細(xì)化來定位病害關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，再由坐標(biāo)點(diǎn)連接形成面實(shí)體，從而創(chuàng)建病害實(shí)體，實(shí)現(xiàn)橋梁安全信息模型的創(chuàng)建。

Ws=akwe.

(1)

K=d/Dx.

(2)

式中:Ws為三維坐標(biāo)點(diǎn)集間隔精度；We為二維坐標(biāo)點(diǎn)集間隔精度；a為可視化參數(shù)；k為拍攝修正系數(shù)(相機(jī)鏡頭平行于病害所在平面);d為病害實(shí)際寬度值；Dx為拍攝照片病害測量寬度值。

#216～#226為T梁腹板外表面的縱向裂縫的三維坐標(biāo)點(diǎn)集，坐標(biāo)集分布詳情如圖7所示。具體模型創(chuàng)建代碼如下:

圖7 裂縫坐標(biāo)集分布詳情圖

#216=

IFCCARTESIANPOINT((80.，-297.，557.));

…

#226=

IFCCARTESIANPOINT((80.，-28.，807.));

3.3 Brep定義病害信息模型

將三維坐標(biāo)點(diǎn)集依次連接形成病害輪廓，依據(jù)閉合輪廓的代碼編號，編寫病害模型對應(yīng)的外表面；最終形成帶病害的實(shí)體模型。

#228表示T梁腹板外表面的輪廓線，#230則是由#228形成相應(yīng)的外表面邊界條件;同理，#231是由裂縫所在腹板外表面的三維坐標(biāo)集#216～#226連接而成的外輪廓線，#233則為裂縫的邊界條件，通過邊界條件#230和#233形成存在裂縫的腹板外表面。具體代碼如下：

#228=

IFCPOLYLOOP((#139，#137，#162，#160));

#230=

IFCFACEOUTERBOUND(#228，.T.);

#231=IFCPOLYLOOP

((#216，#218，#220，#222，#224，#226));

#233=IFCFACEBOUND(#231，.T.);

#234=IFCFACE((#230，#233));

#256～#266為T梁腹板內(nèi)表面的縱向裂縫的關(guān)鍵三維坐標(biāo)點(diǎn)集，#268為裂縫所在腹板內(nèi)部的三維坐標(biāo)集#256～#266連接而成的內(nèi)輪廓線，從而通過邊界條件#270生成裂縫多邊形底面#271。

#256=

IFCCARTESIANPOINT((0.，0.，1414.));

…

#266=

IFCCARTESIANPOINT((0.，166.，1755.));

#268=IFCPOLYLOOP

((#256，#258，#260，#262，#264，#266));

#270=

IFCFACEOUTERBOUND(#268，.T.);

#271=IFCFACE((#270));

#276，#281，#286，#291，#296和#301為縱向裂縫的6個內(nèi)側(cè)面，每個內(nèi)側(cè)面由4個三維坐標(biāo)集連接而成。以內(nèi)側(cè)面#276為例，病害多維表面定義如圖8所示。

圖8 病害多維表面定義

#273和#275分別是由四個關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)形成的輪廓線和邊界條件，進(jìn)而生成內(nèi)側(cè)面#276。具體代碼如下：

#273=

IFCPOLYLOOP((#260，#258，#218，#216));

#275=

IFCFACEOUTERBOUND(#273，.T.);

#276=IFCFACE((#275));

…

#298=

IFCPOLYLOOP((#264，#262，#226，#224));

#300=

IFCFACEOUTERBOUND(#298，.T.);

#301=IFCFACE((#300));

通過命令I(lǐng)FCCLOSEDSHELL匯集外表(Shell)的集合，包括6個裂縫內(nèi)側(cè)面、裂縫底面、腹板外表面(帶裂縫)以及T梁其他外表面。最終形成由邊界定義的實(shí)體模型#305。具體代碼如下:

#303=IFCCLOSEDSHELL((#150，#179，#184，#189，#194，#199，#204，#209，#214，#234，#239，#244，#249，#254，#271，#276，#281，#286，#291，#296，#301));

#305=IFCFACETEDBREP(#303);

在結(jié)束編譯數(shù)據(jù)之后，病害實(shí)體模型如圖9所示。將攜有病害信息的IFC數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到可視化平臺XbimXplorer，實(shí)現(xiàn)了病害的成功附著，同時(shí)避免了二次重構(gòu)過程中數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)不可讀的問題。

圖9 病害實(shí)體模型

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用邊界定義的方法，實(shí)現(xiàn)了病害數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的二次重組，解決了病害信息無法在三維可視化構(gòu)件模型中準(zhǔn)確表達(dá)的問題。

(2)筆者提出了三維網(wǎng)格分散法，創(chuàng)建實(shí)體構(gòu)件模型的三維網(wǎng)，將平面二維網(wǎng)病害坐標(biāo)點(diǎn)集轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)點(diǎn)集，為病害表面創(chuàng)建提供相對位置信息。

(3)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的通用性，總結(jié)出一種高效的建立病害信息模型的方法，提高了橋梁安全信息模型在多平臺之間的信息共享效率。