鋼筋數(shù)據(jù)從IFC 向數(shù)控加工設(shè)備的傳遞

盧禹 韓磊 袁鵬 華攀

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司合肥分公司，合肥 230031；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥 230031；3.安徽省路港工程有限責(zé)任公司，合肥 230031）

引言

隨著中國制造2025 的提出，信息化與工業(yè)化技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，建造的自動化和智能化被認(rèn)為是建筑業(yè)未來的發(fā)展趨勢。目前，數(shù)控化的鋼筋加工設(shè)備已得到大規(guī)模推廣，提升了鋼筋加工效率、降低了材料浪費(fèi)，對于建筑業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在建筑全生命周期的共享和交互，IAI( International Alliance for Interoperability) 提 出 了IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)，即工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)[1]。2013 年，IFC 被正式采納為ISO 標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)編號ISO 16739；2021 年，我國基于IFC 數(shù)據(jù)格式編制并發(fā)布了《建筑信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51447-2021）。

本文通過對IFC 數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，將模型中的鋼筋信息提取出來轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工文件，以二維碼方式傳遞到數(shù)控加工設(shè)備，減少了工人讀圖、錄入等中間環(huán)節(jié)，提高了鋼筋的加工效率和精度。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著BIM 技術(shù)的推廣以及對鋼筋數(shù)字化加工需求的增加，在國內(nèi)外眾多國家和地區(qū)出現(xiàn)了一批從IFC數(shù)據(jù)文件中解析鋼筋信息以及信息向數(shù)控設(shè)備傳遞的實(shí)踐和理論研究。Maciel、Alex R[2]研究了將鋼筋加工數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BVBS 中的鋼筋信息映射到IFC 標(biāo)準(zhǔn)中的方法；朱俊武[3]采用Planbar 軟件建立鋼筋模型，并利用模型導(dǎo)出鋼筋下料單，實(shí)現(xiàn)智能鋼筋加工；陳紅倫[4]研究了鋼筋模型幾何信息在IFC 標(biāo)準(zhǔn)中表達(dá)方式，為軟件開發(fā)和應(yīng)用提供理論支持。王勇[5]利用IFC 的建筑結(jié)構(gòu)信息模型描述方法和模型擴(kuò)展機(jī)制，構(gòu)建了建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的IFC 擴(kuò)展模型，并開發(fā)了相關(guān)原型系統(tǒng);郁嘉誠[6]基于國際IFC 標(biāo)準(zhǔn)，以連續(xù)梁為研究對象，研究其鋼筋模型的自動生成算法。

以上研究都針對IFC格式模型的解析和信息提取，以及將數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)控加工設(shè)備的一個或多個環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，提供了一些可靠的解決方案。但是上述研究并沒有系統(tǒng)地解決將IFC 格式模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)控加工設(shè)備的問題。

2 技術(shù)方案

本文提出直接基于IFC 格式的施工圖設(shè)計模型，從中解析鋼筋加工信息并轉(zhuǎn)換為BVBS數(shù)據(jù)格式文件，并將其輸入數(shù)控鋼筋加工設(shè)備的系統(tǒng)性解決方案。

2.1 BVBS 編碼結(jié)構(gòu)

目前，與CAM 鋼筋加工設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)格式為BVBS 編碼。BVBS 編碼分為形狀類型、頭部數(shù)據(jù)塊（H）、幾何數(shù)據(jù)塊（G）、鋼筋網(wǎng)數(shù)據(jù)塊（A）、鋼筋數(shù)據(jù)塊（X/Y）、私有塊（P）、校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊（C）七部分。其中鋼筋網(wǎng)數(shù)據(jù)塊和鋼筋數(shù)據(jù)塊為鋼筋網(wǎng)專有數(shù)據(jù)，私有快（P）用于記錄自定義數(shù)據(jù)，均不在本文研究范圍。其它數(shù)據(jù)塊具體說明如表1 所示：

表1 BVBS 頭部數(shù)據(jù)塊與IFC 的字段映射

（1）形狀類型：描述待加工鋼筋的類別。比如“BF2D”表示加工成二維鋼筋，“BF3D”表示加工成三維鋼筋[7]；

（2）頭部數(shù)據(jù)塊(H)：提供鋼筋的識別和特征數(shù)據(jù)，包括鋼筋的工程編號、圖號、圖紙索引、鋼筋編號、鋼筋長度、數(shù)量、鋼筋重量、鋼筋直徑、鋼筋等級、彎曲直徑等信息；

（3）幾何數(shù)據(jù)塊(G)：包含鋼筋的段長、彎曲半徑、彎折角度、XYZ 軸坐標(biāo)（僅三維鋼筋形狀使用）等信息；

（4）校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊(C)：用以檢驗(yàn)在該部分以前字符串（包含字母標(biāo)識“C”）的準(zhǔn)確性。

以上數(shù)據(jù)塊中，頭部數(shù)據(jù)塊(H)、幾何數(shù)據(jù)塊(G)是需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的主要內(nèi)容。

2.2 鋼筋信息在IFC 中的表達(dá)

2.2.1 IFC 信息模型體系結(jié)構(gòu)

IFC 標(biāo)準(zhǔn)將建筑全生命全專業(yè)信息架構(gòu)分為四個功能層，從下到上依次為資源層、核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)樱總€功能層都是由獨(dú)立的模塊組成，且模塊之間的信息相互獨(dú)立。IFC 標(biāo)準(zhǔn)為模型層級架構(gòu)之間定義了嚴(yán)格的引用關(guān)系，即一個類型不能引用上一層級的類型，但能引用相同或下層級的類型，此種繼承規(guī)則使IFC標(biāo)準(zhǔn)保持了良好的穩(wěn)定性和信息延續(xù)性。

針對BVBS 編碼結(jié)構(gòu)中字段信息的需求，本研究從IFC 中解析以下幾方面的鋼筋實(shí)體信息。

2.2.2 鋼筋實(shí)體的非幾何信息表達(dá)。

在IFC 文件中，IfcProject 用來描述項(xiàng)目基本信息，包括文件創(chuàng)建信息、項(xiàng)目編號、項(xiàng)目名稱等；IFC 中沒有針對圖紙編號給出相對應(yīng)的存儲實(shí)體，但在IfcDocumentInformation 實(shí)體中提供外部鏈接文檔的圖號和圖紙索引信息。IfcReinforcingBar 實(shí)體綜合描述了與鋼筋直接相關(guān)的信息，包括名稱、標(biāo)簽、對象類型、鋼筋直徑、鋼筋長度等。

2.2.3 鋼筋實(shí)體的幾何形狀信息表達(dá)

鋼筋在IFC 中一般采用Brep 和 sweptsolid 兩種幾何表達(dá)形式，其中Brep 使用面片圍合的方式來表示3D 模型[9]，支持在碰撞檢測方面的應(yīng)用，但不支持對元素的特征進(jìn)行識別或編輯；sweptsolid 是通過參考輪廓在空間中沿三維曲線掃描表示3D 形狀，三維曲線可通過參數(shù)化方式進(jìn)行表達(dá)，便于編輯和修改，并且使用swept solid 相較于Brep 的表示方式其文件語句更少。因此，sweptsolid 是更主流的鋼筋幾何形狀表示方式。本文僅基于sweptsolid 表達(dá)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

在sweptsolid 表達(dá)方法中，鋼筋拉伸總路徑用IfcCompositeCurve 實(shí)體來表達(dá)。IfcCompositeCurve 實(shí)體記錄了直線段和弧線段路徑的集合，通過提取其IFC語句中的路徑描述參變量，可確定鋼筋線性幾何特征參數(shù)。

2.2.4 鋼筋數(shù)量的表達(dá)

根T 梁中通常存在多根具有形狀相同的一組鋼筋的情況。在 IFC 標(biāo)準(zhǔn)中，為消除大量重復(fù)數(shù)據(jù)，常采用IfcMappedItem[8]方式表示多根幾何形狀完全相同的鋼筋模型。對于具有相同幾何形狀的一組鋼筋，在IFC中可以先用IfcReinforcingBar 實(shí)體描述其中一根，并通過IfcMappedItem 實(shí)體來實(shí)現(xiàn)其它鋼筋的映射。因此從理論上說，可以通過IfcMappedItem 實(shí)體來獲取同一型號鋼筋的數(shù)量。

2.3 IFC 與BVBS 的數(shù)據(jù)映射關(guān)系

從上一節(jié)的研究可以知道，BVBS 頭部數(shù)據(jù)塊、幾何數(shù)據(jù)塊中所需的主要信息都已包含在IFC 中。幾何數(shù)據(jù)塊信息可從IfcCompositeCurve 實(shí)體中檢索到，BVBS 頭部數(shù)據(jù)塊與IFC 的字段映射如表1 所示。需要說明的是，BVBS 中頭部數(shù)據(jù)塊中的“鋼筋重量、彎曲直徑”屬于原材料性能和屬性，無法從IFC 文件中獲取。同時，BVBS 編碼允許上述數(shù)據(jù)為空，并不影響鋼筋的數(shù)控加工。

在從IFC 中獲取到鋼筋信息后，再依據(jù)2.1 中的BVBS 編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，即可形成鋼筋加工的數(shù)控文件。

2.4 BVBS 數(shù)據(jù)向數(shù)控設(shè)備的傳遞

常見的數(shù)控鋼筋加工設(shè)備一般支持PDF417 二維條碼數(shù)據(jù)傳輸[10]和網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)傳輸兩種方式。

PDF417 二維條碼是一種高密度、高信息含量的便攜式數(shù)據(jù)文件，是實(shí)現(xiàn)證件及卡片等大容量、高可靠性信息自動存儲、攜帶并可用機(jī)器自動識讀的理想手段，在證件識別、工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

相比而言，PDF417 二維條碼的數(shù)據(jù)傳輸方式具有便于部署、操作簡便等優(yōu)勢。本研究選用該技術(shù)方案，即：將BVBS 碼轉(zhuǎn)換為數(shù)控設(shè)備支持的PDF417 二維條碼，操作人員通過掃碼槍完成生產(chǎn)訂單的數(shù)據(jù)錄入。數(shù)控加工設(shè)備獲取加工參數(shù)后，繪制出所需鋼筋的加工圖形，并將參數(shù)存儲在PLC 控制器中，然后執(zhí)行定量加工生產(chǎn)。

3 研究案例

3.1 參數(shù)化創(chuàng)建與布置

某工程的項(xiàng)目代號HZGS，其預(yù)制T 梁的圖號為QTL-25-09，索引號B-B。其中某型號鋼筋為12mm 直徑的HRB400 熱軋帶肋鋼筋（如圖1 所示），鋼筋數(shù)量193 根?，F(xiàn)基于5#鋼筋提取數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為BVBS 碼，以二維碼方式傳遞到數(shù)控加工設(shè)備。

圖1 鋼筋尺寸示例圖

3.2 模型導(dǎo)出與解析

模型采用Autodesk Revit 2021 版建立，錄入必要的項(xiàng)目信息后，導(dǎo)出為IFC4 版本的數(shù)據(jù)文件?；诘? 節(jié)提供的方法，從數(shù)據(jù)文件中解析到鋼筋實(shí)體的有關(guān)信息，如表2 所示。

表2 從IFC 中解析的頭部數(shù)據(jù)塊信息

在從Revit2021 軟件中導(dǎo)出的IFC 文件中，并沒有查到預(yù)先記載的圖號、圖紙索引信息，所有鋼筋均以IfcReinforcingBar 實(shí)體的方式定義，因此為鋼筋數(shù)量的獲取也帶來了困難?？紤]到生產(chǎn)加工的管理需要，本次在提取數(shù)據(jù)后，為其補(bǔ)充相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 人工補(bǔ)充的頭部數(shù)據(jù)塊信息

在該鋼筋相關(guān)的IfcCompositeCurve 實(shí)體中，找到了鋼筋形狀的描述，轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)表達(dá)方式后，如表4所示。

表4 從IFC 中解析的鋼筋幾何數(shù)據(jù)塊信息

3.3 BVBS 編碼

根據(jù)上節(jié)獲取到的信息以及人工補(bǔ)充的信息，這批待加工鋼筋的BVBS 編碼如下：

形狀類型：BF2D@

頭部數(shù)據(jù)塊：HjHZGS@rQTL-25-09@iB-B@p5@l2664.8@n193@e@d12@gHRB400@s@v@a@t@

幾何數(shù)據(jù)塊： Gl330@w-81@l341.2@w0@r74@w81@l61.7@w0@r36@w90@l876@w0@r36@w90@l61.7@w0@r74@w81@l341.2@w-81@l330@w0@

校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊：C84@（計算過程略）

完整的BVBS 碼如下： BF2D@HjHZGS@rQTL-25-09@iB-B@p5@l2664.8@n193@e@d12@gHRB400@s@v@a@t@Gl330@w-81@l341.2@w0@r74@w81@l61.7@w0@r36@w90@l876@w0@r36@w90@l61.7@w0@r74@w81@l341.2@w-81@l330@w0@C84@

3.4 將BVBS 編碼轉(zhuǎn)換為PDF417 二維條碼格式

本研究利用在線插件將上一節(jié)中的BVBS 碼生成為PDF417 二維條碼，其列數(shù)設(shè)定為8 列，生成條碼如圖2 所示。

圖2 以PDF417 條碼格式呈現(xiàn)的BVBS 編碼

經(jīng)驗(yàn)證，將Codeland CL5100 型號掃描槍接入MEP 品牌的SL18 型號鋼筋數(shù)控加工設(shè)備，并正確設(shè)置后，可成功將上述PDF 二維條碼信息讀入數(shù)控加工設(shè)備中。

3.5 在工程項(xiàng)目中應(yīng)用情況

德州至上饒國家高速公路合肥至樅陽段項(xiàng)目設(shè)計有4 000 多片預(yù)制T 梁。T 梁生產(chǎn)中使用了先進(jìn)的數(shù)控鋼筋加工設(shè)備和流水式T 梁生產(chǎn)線。在鋼筋尺寸錄入數(shù)控設(shè)備過程中，部分T 梁鋼筋使用了上述從IFC 文件讀取信息、掃碼錄入的方式。相比傳統(tǒng)人工錄入過程，該方法省略了現(xiàn)場工人讀取二維圖、人工錄入?yún)?shù)的過程，保證了信息傳遞的準(zhǔn)確性。由于減少了人工錄入環(huán)節(jié)，對鋼筋加工的效率也有一定程度的提升。

4 結(jié)論

應(yīng)用實(shí)踐表明，基于IFC 格式的數(shù)字化交互方式基本滿足設(shè)計信息向建造階段的應(yīng)用需要，在模型中的相關(guān)信息可有效傳遞并轉(zhuǎn)換為BVBS 編碼，并傳送到數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工。該技術(shù)可減少中間環(huán)節(jié)，提高鋼筋的加工效率和精度。但是，即使像Revit 這樣市場覆蓋率較高的成熟軟件，在轉(zhuǎn)換為IFC 文件過程中也存在數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，從而增加了人工錄入數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)?；贗FC 標(biāo)準(zhǔn)，如何采取更可靠的方式表達(dá)鋼筋的非幾何信息，并與數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)合起來形成體系化的數(shù)據(jù)傳遞流程，將是下一步的研究方向。