IFC標準擴展方法在公路工程中的應用探究

趙飛 朱明 徐益飛 彭昌翠 董建輝

摘 要：隨著建筑信息模型技術的發(fā)展與應用，越來越多的數(shù)據(jù)貫穿于工程的全生命周期，信息化的數(shù)據(jù)傳遞與共享不可避免，選擇通用的數(shù)據(jù)格式是必然趨勢.研究IFC標準對工程數(shù)據(jù)的傳遞與共享發(fā)現(xiàn)，已有的IFC標準不能滿足對公路路線及監(jiān)測儀器的標準與傳遞；在研究了IFC標準的4層架構及功能的基礎上，提出了基于新增實體、基于IfcProxy實體及基于屬性集的3種擴展思路，其中兼容性最好、可靠度最高及操作最簡單的是基于屬性集的擴展；通過屬性集的擴展方法，實現(xiàn)了路線中心線及監(jiān)測儀器中監(jiān)測信息的表達與傳遞.研究成果在川九路的邊坡監(jiān)測試點工點中應用，實現(xiàn)了公路數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器與監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享與傳遞.

關鍵詞：建筑信息模型技術；IFC；數(shù)據(jù)共享；公路工程；監(jiān)測技術

中圖分類號：U415.1

文獻標志碼：A

文章編號：1004－5422（2023）03－0318－06DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.015

0 引 言

最近幾年，信息化技術在公路行業(yè)的應用越來越規(guī)范，特別是建筑信息模型（BIM）技術的發(fā)展對公路行業(yè)影響越來越明顯［1］，根據(jù)相關的調查與數(shù)據(jù)，BIM技術在設計領域的高使用率單位接近了40%［2］，在施工領域超過50%單位在使用［3］，但大多數(shù)使用的單位僅在展示匯報、翻模和建設管理等方面應用BIM技術［4］，多停留在BIM的幾何應用上.目前，越來越多的單位認識到BIM的價值不僅僅體現(xiàn)在幾何信息表達上，更不局限于某一階段，期望在同一個項目的全生命周期內(nèi)集成多方數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多方工程數(shù)據(jù)的共享與交換，以滿足不同參與方的數(shù)據(jù)應用需求.

IFC數(shù)據(jù)交換標準［5］是一個完全公開的，不受限制的數(shù)據(jù)交互格式，有效地解決了數(shù)據(jù)在工程的全壽命周期的扭轉與流通問題.盡管IFC標準在不停地完善，一代一代迭代，但還是存在很多的問題.例如，在公路的監(jiān)測預警中會涉及各種各樣的監(jiān)測儀器，其核心就是傳感器，而且傳感器類型繁多，雖然IFC中可以用IfcSensor實體來表示傳感器，但IfcSensorTypeEnum枚舉類型中仍然缺失很多類型，沒有類似應變式與振弦式傳感器，需要對已有的進行擴展［6］.

近年來，國內(nèi)外學者都在對IFC標準進行進一步研究，不斷地完善和擴展，讓其在各行各業(yè)得到廣泛應用.Rio等［7］在已有IFC標準的結構傳感器實體上進行擴展；陳立春等［6］提出了IFC標準在領域層的實體擴展方法；蘇林［8］提出了適用于線性工程的IFC標準，對公路IFC標準的研究和應用有較大的參考價值.

目前，采用監(jiān)測技術手段對已發(fā)現(xiàn)的重大不良地質工點進行健康監(jiān)測，監(jiān)測的實現(xiàn)就是通過各種傳感器監(jiān)測其穩(wěn)定性狀態(tài)，預警預報即將發(fā)生的破壞事件，在其臨近破壞前為公路的應急搶險提供寶貴的時間，減少或避免發(fā)生交通安全事故［9-11］.隨著BIM技術的發(fā)展，監(jiān)測技術與BIM技術的融合能產(chǎn)生更大的價值，但監(jiān)測成果的表達僅通過表格的形式展示，存在不能真實地反映其位置，統(tǒng)計分析較麻煩等問題.需要尋找一種數(shù)據(jù)共享交互的方式來實現(xiàn)在不同系統(tǒng)中的傳遞與共享，采用IFC標準的數(shù)據(jù)格式能滿足要求，使監(jiān)測成果具有模型信息、數(shù)據(jù)信息與坐標信息等，讓監(jiān)測成果的表達更加完善，發(fā)揮更大的價值［12-15］.

IFC標準在4×1的版本中增加了路線中心線實體，其從定位實體派生而來，含平面和縱斷面，但并不能完全適用于公路線性工程，公路線性中的緩和曲線為特定的回旋線型，其不支持常見的緩和曲線，也不支持路線數(shù)據(jù)中常見的斷鏈，無法表達里程樁號不連續(xù)的問題，在最新的IFC標準4×2的版本也未見補充；其次，公路監(jiān)測預警工作中，常見的監(jiān)測儀器的傳感器的類型等不全.本研究將依據(jù)以上IFC標準遇到的問題，在IFC標準的4×2版本基礎上展開研究及擴展探索，最終在川九路災后恢復重建中應用.

1 IFC標準及擴展方法

1.1 IFC的4層架構

IFC標準的核心在于信息的描述與共享.IFC的總體框架是分層級，每層相對獨立，設計為4層架構（見圖1），從上到下依次為領域層、共享層、核心層及資源層.每層包含若干模塊，每個模塊又包含不同信息，各層之間遵循重力原則，即階梯原則，每層的類別可參照同一層級或較低層級的類別，不能參照較高層級的類別，這樣可以做到當上層資源發(fā)生變動，下層不受影響.

資源層是IFC框架層次的最底層，根據(jù)重力原則，其他層均可以使用該層的資源信息.該層主要描述模型中所需要的基本信息，不針對具體哪個行業(yè)，是無整體結構的分散信息.主要包括材料資源、幾何資源和成本資源等.

IFC標準的第2層是核心層，作為中間層，可以為上下層提供數(shù)據(jù)支撐.該層主要描述工程模型的結構，工程信息的集成，是對現(xiàn)實場景中的工程抽象化表述，包括核心和核心擴展2個方面的抽象，對工程屬性描述常包括屬性定義和屬性集定義［16-17］.

共享層是IFC架構中的第3層，主要服務于領域層，領域層中的模型可以通過該層來實現(xiàn)信息交換的目的，定義多個領域中公用概念和對象，如IfcWall即可以表示建筑行業(yè)中的墻，也可以表示公路行業(yè)中路基的擋墻等.

領域層是IFC架構的頂層，定義了各個專業(yè)領域涉及到的具體實體，如電器領域、暖通領域與消防管道領域等，但無交通或公路領域，需要對現(xiàn)有IFC標準進行擴展.

1.2 IFC擴展思路

經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，IFC標準至今更新了18個版本，但因涉及行業(yè)太多，專業(yè)性太強，目前的標準仍然存在很多的不足，不夠完善.在實際的應用過程中，各行各業(yè)需要根據(jù)具體的特性對已有的標準進行擴展.目前，國內(nèi)外學者對IFC數(shù)據(jù)模型的擴展方法主要有3種，IfcProxy實體的擴展、基于新增實體的擴展與基于屬性集的擴展［9］.以上3種擴展方式的對比分析結果見表1.

易用性反映用戶現(xiàn)實的難度，兼容性是指與現(xiàn)有標準的兼容問題，類型安全是指在開發(fā)基于IFC的應用程序時，是否能夠有編譯器提供類型檢查.基于增加實體的擴展方法已經(jīng)超出了IFC標準的自身架構體系，已經(jīng)改變了IFC模型的自身定義，并且是IFC標準每1次重大版本更新經(jīng)常使用的方法.基于IfcProxy實體的擴展是為IfcProxy實體關聯(lián)屬性集和類型對象，較易實現(xiàn)，兼容性由IfcProxy實體提供保證，兼容性較好，但用戶自定義的類型在程序運行時以字符串方式存儲在IfcProxy的ObjectType屬性中，編譯器不能進行類型檢查，類型安全得不到保證.基于屬性集的擴展是通過自定義屬性集和自定義屬性來表達標準中未定義的信息，實現(xiàn)難度較低，且不會對原有IFC體系產(chǎn)生影響，不會引起模型體系的歧義與沖突，類型也安全［10］.根據(jù)以上對IFC標準的研究，考慮擴展難易程度、兼容性及安全性，本研究也將采用屬性集的擴展方法，實現(xiàn)IFC模型的數(shù)據(jù)交換.

2 IFC路線表達與擴展

2.1 IFC標準的問題

公路是一種典型的線性工程，用平面數(shù)據(jù)、縱面數(shù)據(jù)及樁號數(shù)據(jù)等信息能很好地表達公路的線性特征.以前IFC標準是沒有路線的存儲標準，在2016年更新的IFC4版本中才增加了路線數(shù)據(jù)，定義了IfcAlignment（見圖2），對IFC標準基于增加實體的擴展，該實體位于標準的核心層，主要用于描述路線中線的信息，其派生自定位實體，主要表達的內(nèi)容包括平面信息及縱斷面信息，但不能表達我國公路路線設計中常見的緩和曲線及斷鏈信息，需要對已有的IFC標準進行擴展［8］.

2.2 路線擴展思路

目前的IFC標準版本對路線描述不夠完善的問題，將通過對IfcAlignment實體進行擴展（見圖3）來解決，主要包括路線平面、路線縱斷面及里程系統(tǒng).其中，增加緩和曲線實體及里程系統(tǒng)，完善了公路路線信息的表達，建立了適用于公路路線信息表達的IFC4×2GL標準.路線平面一般在二維平面中表達；路線縱斷面主要指高程沿著路線方向的變化，指路線的高程變化特征；道路的里程直觀地反映線路的具體位置，沿路線的二維平面定義，樁號長度與平面路線長度一致.

3 監(jiān)測的表達與擴展

目前的IFC標準中對監(jiān)測信息的表達（見圖4）主要適用于環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測技術中常用的傳感器均用IfcSensor實體表示.傳感器的類型均包含在IfcSensorTypeEnum（枚舉類型）中，用實體的PredifinedType屬性表達，監(jiān)測信息與數(shù)據(jù)用IfcProperty表示，多個IfcProperty就構成1個屬性集（IfcPropertySetDefinition），屬性集與傳感器用IfcRelDefinesByProperties關聯(lián)起來［18］.

IFC中對監(jiān)測信息的表達主要針對的是環(huán)境監(jiān)測，這與工程監(jiān)測（邊坡監(jiān)測和滑坡監(jiān)測等）的需求存在較大的差距.已有學者對監(jiān)測儀器及監(jiān)測數(shù)據(jù)的表達進行了研究［12］，考慮本項目的情況，在2方面有擴展需求：首先，枚舉類型中的傳感器類型需要豐富，原來只包括環(huán)境監(jiān)測的類型，需添加位移、應力、應變和加速度等工程監(jiān)測中常見的傳感器類型；其次，在現(xiàn)有IFC中添加監(jiān)測信息模型數(shù)據(jù).根據(jù)前文分析研究，采用屬性集及屬性的擴展方法，又根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求，對監(jiān)測信息模型數(shù)據(jù)表達通常選用屬性集定義中適當?shù)膶傩越㈥P聯(lián)，表2定義了IFC傳感器的屬性類型與屬性值類型.

4 數(shù)據(jù)共享案例分析

4.1 道路模型

利用AutoCivil3D軟件建立道路模型，通過軟件導出IFC模型，采用自主開發(fā)的基于地理信息（GIS）的公路工程三維輔助設計系統(tǒng)，對導出的IFC模型二次處理導出符合擴展后的路線數(shù)據(jù)，能較好地反映路線直線段、圓曲線段及緩和曲線段（見圖5）.根據(jù)IFC數(shù)據(jù)完成了某山區(qū)公路的路基、橋梁、隧道及服務區(qū)的模型創(chuàng)建.路線數(shù)據(jù)導入超圖和BIM Vision等軟件均能較好地反映路線特性，實現(xiàn)了路線數(shù)據(jù)的交換共享.在自主開發(fā)的IFC解析軟件（見圖6）中可以完整地解析IFC格式的數(shù)據(jù)，包括路線的信息及屬性信息.

在川九路道路建模中，通過通用的IFC標準傳遞公路設計信息，讓數(shù)據(jù)的表達與傳遞不依賴任何軟件平臺，實現(xiàn)了不同軟件生成的數(shù)據(jù)傳遞與共享，AutoCivil3D的道路模型、Revit生成的隧道及橋梁模型均快速在平臺展示，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的融合.

4.2 監(jiān)測傳感器

將監(jiān)測傳感器的擴展內(nèi)容添加到EXPRESS架構中［16］.利用Revit創(chuàng)建族的功能，添加族類型屬性，參數(shù)化族相當于在EXPRESS架構中增加擴展，導出增加族的IFC模型，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)集成到IFC文件中，最后在軟件BIM Vision中查看傳感器，進行數(shù)據(jù)完整性、準確性及可視化的驗證［13］.

本研究以崩塌監(jiān)測中常見的儀器傾角儀作為驗證傳感器（見圖7），為了驗證數(shù)據(jù)，模擬了1組傾斜角度值，把監(jiān)測數(shù)據(jù)添加到IFC模型文件中.其中，Guid為儀器唯一編碼；SetSensorType是儀器的類型，其類型為DipAngleSensor（傾角儀）；SetSensorCode是儀器編號；SetSensorInstallTime是儀器安裝時間；SetPointDipAngle是儀器的模擬讀數(shù)；SetSensorRange是儀器的量程.

對比分析已有的數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)完整性、準確性與已有方式保持一致，無數(shù)據(jù)遺漏和準確性的問題，采用公開的IFC格式傳輸具有適用性強與傳輸便捷等優(yōu)勢，利于數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)或平臺的接入與共享，包括幾何屬性和數(shù)據(jù)屬性，增加了數(shù)據(jù)的生命力.

5 討 論

隨著BIM技術在公路行業(yè)的應用越來越廣泛，從設計、建設到運維均在使用，為了讓工程數(shù)據(jù)在工程的全生命周期內(nèi)流轉，數(shù)據(jù)的傳遞與共享是一定會涉及到的問題，本研究就初步探索了IFC標準在山區(qū)公路模型和監(jiān)測中的數(shù)據(jù)共享應用.

通過對IFC標準的架構進行分析，剖析了IFC標準的4層架構及每層架構的作用與意義，根據(jù)其特點提出了擴展的思路與方法.根據(jù)我國公路路線設計的特點，分析了現(xiàn)行IFC標準對路線中心線的描述與定義，發(fā)現(xiàn)其不足并提出擴展思路.掌握公路沿線的不良地質穩(wěn)定性，最有效的方式就是對已有的不良地質工點安裝相關監(jiān)測傳感器，動態(tài)監(jiān)測其穩(wěn)定性狀態(tài)，并進行監(jiān)測預警預報.基于IFC標準的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞與共享，分析了IFC標準的現(xiàn)狀與不足，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的IFC標準的傳感器是基于環(huán)境監(jiān)測指定的，本研究推廣到工程監(jiān)測中，并提出了解決方法與IFC標準擴展的思路.針對公路路線及監(jiān)測儀器的特點，在現(xiàn)有IFC標準的基礎上，分析了標準的不足，提出了解決方案，擴展了公路路線及監(jiān)測儀器的標準，完善了IFC標準的路線表達及儀器表達.解決了川九路的道路模型數(shù)據(jù)與監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)的傳遞與共享問題，為今后類似工程項目提供了解決方案，具有指導意義.

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（實習編輯：羅 媛）

Abstract：With the development and application of BIM technology，more and more data will penetrate the whole life cycle of the project，and the transmission and sharing of information-based data is inevitable.It is an inevitable trend to choose a common data format.The study of the transmission of engineering data by IFC standards finds that the existing of IFC standards cannot meet the requirements and transmission of highway routes and monitoring instruments.On the basis of studying the four-layer structure and functions of the IFC standard，three expansion ideas are proposed based on newly added entities，on IfcProxy entities as well as on attributes，among which the most compatible，the most reliable and the easiest to operate is the expansion based on the attribute set.Through the expansion method based on the attribute set，the expression and transmission of the monitoring information from the route center line and the monitoring instruments are realized.The research results are applied in the slope monitoring pilot site of Chuanjiu Road，which helps realize the sharing and transmission of road data，monitoring instruments and monitoring data.

Key words：BIM technology;IFC;data sharing;highway projects;monitoring technology

基金項目：四川省交通運輸廳科技項目（2018-B-05）；四川省交通勘察設計研究院有限公司科技項目（232021001）

作者簡介：趙 飛（1983—），男，碩士，高級工程師，從事公路勘察設計及BIM技術研究.E-mail：zfclassic580@qq.com

通信作者：徐益飛（1987—），男，高級工程師，從事公路路基設計及BIM技術研究.E-mail：fei@bimscodi.cn