基于IFC的BIM數(shù)據(jù)融合技術(shù)與實(shí)踐

摘要：隨著B(niǎo)IM技術(shù)在建筑行業(yè)的深入應(yīng)用，眾多不同領(lǐng)域和專業(yè)的數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中被引入，導(dǎo)致BIM數(shù)據(jù)格式多樣、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及互操作性差等問(wèn)題，各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換異常困難。利用工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）標(biāo)準(zhǔn)將不同格式和專業(yè)的BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，是解決這一問(wèn)題的有效途徑。將各種格式的BIM數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為IFC格式，通過(guò)解析IFC文件，設(shè)計(jì)出高效的數(shù)據(jù)融合算法，消除IFC文件中的冗余數(shù)據(jù)，并檢測(cè)不同數(shù)據(jù)源之間的沖突，確保BIM數(shù)據(jù)的一致性。基于上述數(shù)據(jù)融合方法，開(kāi)發(fā)了一套BIM數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證數(shù)據(jù)融合效果。結(jié)果表明：基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)融合方法能夠有效融合設(shè)計(jì)階段的BIM數(shù)據(jù)，促進(jìn)多專業(yè)協(xié)同工作，提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān) 鍵 詞：BIM；IFC；數(shù)據(jù)融合；數(shù)據(jù)兼容性

中圖法分類號(hào)：TU17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.055

0 引言

一個(gè)完整的工程項(xiàng)目往往涵蓋建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。在此背景下，建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術(shù)因其在工程管理中的高效性和可視化特點(diǎn)^［1］，逐漸被應(yīng)用于各類工程項(xiàng)目中。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)IM數(shù)據(jù)的需求與應(yīng)用重點(diǎn)各異，不同部門(mén)與機(jī)構(gòu)在BIM數(shù)據(jù)的處理與管理上也存在顯著差異，這導(dǎo)致產(chǎn)生了多源的BIM數(shù)據(jù)。多源BIM數(shù)據(jù)可能源自不同的專業(yè)領(lǐng)域，因設(shè)計(jì)階段的不同而呈現(xiàn)出差異性，其使用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)亦各不相同，進(jìn)而引發(fā)數(shù)據(jù)不兼容的問(wèn)題。此外，由于設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)的多樣性，如Revit、Bentley、Catia、Tekla Structures、Rhinoceros等，它們各自生成的BIM數(shù)據(jù)格式亦不盡相同，這增加了數(shù)據(jù)交互的難度，導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象的出現(xiàn)^［2］。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC（Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎(chǔ)類），對(duì)BIM數(shù)據(jù)的融合技術(shù)進(jìn)行研究與實(shí)踐，旨在解決工程中由于數(shù)據(jù)格式不兼容導(dǎo)致的信息孤島問(wèn)題，確保在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期中，從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)，各相關(guān)方能夠高效地共享、集成和利用工程項(xiàng)目的數(shù)字化信息。

1 IFC概述

IFC是由建筑智能模型聯(lián)盟（building SMART International）開(kāi)發(fā)和維護(hù)的一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，用于在建筑信息模型（BIM）領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行信息交換和共享。作為一個(gè)開(kāi)放和中立的標(biāo)準(zhǔn)，IFC旨在促進(jìn)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目全生命周期中的數(shù)據(jù)互操作性，涵蓋了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等各個(gè)階段^［3］。其采用EXPRESS語(yǔ)言、XML語(yǔ)言對(duì)各種實(shí)體、枚舉類型等進(jìn)行定義。IFC標(biāo)準(zhǔn)因其良好的公開(kāi)性、數(shù)據(jù)描述的全面性已迅速成為各大BIM軟件廠商之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)層次

IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模式架構(gòu)將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為4個(gè)層級(jí)：資源層、核心層、交換層和領(lǐng)域?qū)?sup>［4^］（圖1）。資源層位于最底層，包含所有資源定義的單個(gè)模式，如時(shí)間、價(jià)格等，不包括全局唯一標(biāo)識(shí)符（GUID），且不得獨(dú)立于核心層使用。核心層由核心模式和核心擴(kuò)展模式組成，定義了帶有GUID、所有者和歷史信息的通用實(shí)體。交換層用于跨領(lǐng)域定義和共享產(chǎn)品、過(guò)程或資源的信息。最高層的領(lǐng)域?qū)訉Ｗ⒂谔囟I(lǐng)域的產(chǎn)品、過(guò)程或資源的詳細(xì)描述和定義，通常用于領(lǐng)域內(nèi)的信息交換和共享。各層級(jí)協(xié)同工作，確保數(shù)據(jù)的一致性和互操作性。

1.2 IFC文件信息

在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，幾何和屬性是描述BIM中對(duì)象的關(guān)鍵元素。它們之間的關(guān)系是BIM數(shù)據(jù)模型的重要組成部分，可用于準(zhǔn)確、全面地表達(dá)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的各種信息。

幾何表示描述了建筑組件的形狀、尺寸和空間位置。IFC采用多種幾何表示方法，包括B-rep（邊界表示）、CSG（構(gòu)造實(shí)體幾何）、掃掠實(shí)體（Swept Solids）和曲面模型等^［5］。這些表示方法通過(guò)IfcShapeRepresentation類來(lái)定義，確保每個(gè)建筑組件在模型中都有準(zhǔn)確的幾何形態(tài)。

屬性為幾何形態(tài)提供了豐富的描述信息，例如材料、顏色、表面積、體積等。屬性通過(guò)屬性集（Property Sets）組織，由IfcPropertySet類管理，每個(gè)屬性集包含多個(gè)具體屬性（如單值屬性、多值屬性等）。這些屬性可以直接與幾何關(guān)聯(lián)，通常通過(guò)IfcRelDefinesByProperties關(guān)系類分配給具體的建筑部件^［6］。

幾何和屬性之間的關(guān)系在IFC模型中通過(guò)多種方式體現(xiàn)，如直接關(guān)聯(lián)、類型定義、材質(zhì)關(guān)聯(lián)和參數(shù)化幾何與屬性等。通過(guò)詳細(xì)定義幾何和屬性之間的關(guān)系，確保了建筑信息模型的完整性和豐富性，使得模型不僅能準(zhǔn)確展示建筑組件的形狀，還能提供詳細(xì)的屬性信息，有助于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)融合方法

本文研究方法是將不同來(lái)源、可能代表建筑工程項(xiàng)目不同階段、不同專業(yè)領(lǐng)域或不同參與方提供的IFC文件的幾何體和屬性整合為一個(gè)統(tǒng)一的、包含所有必要信息的綜合IFC模型。這種融合對(duì)于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的信息完整性、協(xié)調(diào)性和一致性至關(guān)重要，融合流程如圖2所示。考慮到由于不同版本的IFC文件可能包含不同的元素、屬性和結(jié)構(gòu)，直接融合可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或不兼容。故融合的IFC文件使用的版本需統(tǒng)一到同一版本，如IFC2×3或者IFC4×3等，避免因版本差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致和數(shù)據(jù)解析的問(wèn)題。在使用BIM設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)（如Revit、Bentley、Catia等）導(dǎo)出IFC時(shí)^［7］，須導(dǎo)出為相同版本的IFC文件。

在IFC文件中以及在融合的結(jié)果數(shù)據(jù)中，通常會(huì)有冗余數(shù)據(jù)存在，如圖3所示。冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因很多。不同的BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)、實(shí)例重復(fù)、幾何復(fù)雜性高、模型拆分或更新都會(huì)導(dǎo)致冗余數(shù)據(jù)在無(wú)意中產(chǎn)生。在相對(duì)較大的模型中，這種冗余甚至可能累積到60%～70%^［8］，多個(gè)IFC文件的融合會(huì)進(jìn)一步加劇冗余數(shù)據(jù)的嚴(yán)重程度。

冗余數(shù)據(jù)帶來(lái)諸多弊端，不僅會(huì)顯著增加IFC文件的大小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸成本增加，降低軟件的處理速度和效率，影響模型的加載、渲染和操作，還會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)一致性和準(zhǔn)確性方面的問(wèn)題，導(dǎo)致模型中的信息沖突和混亂，增加團(tuán)隊(duì)之間對(duì)模型的理解和操作模型的難度，影響協(xié)作效率。

2.1 IFC文件解析

2.1.1 讀取IFC文件

IFC文件通常可以分為3個(gè)主要部分：頭部（HeadSection）、主體（BodySection）和尾部（FootSection）。頭部部分包含IFC文件的元數(shù)據(jù)和基本信息，通常包括文件的描述，文件的名稱和文件的版本信息。主體部分是IFC的核心部分，包含了實(shí)際的BIM數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)以實(shí)例（Instance）的形式存儲(chǔ)，每個(gè)實(shí)例代表一個(gè)特定的對(duì)象或元素。每個(gè)實(shí)例由唯一的標(biāo)識(shí)符（ID）和詳細(xì)的屬性描述組成。尾部部分標(biāo)志著IFC文件的結(jié)束。

2.1.2 重復(fù)檢測(cè)

重復(fù)檢測(cè)需要逐行讀取文件中的每個(gè)實(shí)例，將其ID、類型和詳細(xì)屬性提取并存儲(chǔ)^［9］。同時(shí)檢測(cè)過(guò)程還包括處理引用關(guān)系，即解析實(shí)例之間的相互關(guān)聯(lián)。為了消除冗余數(shù)據(jù)，此過(guò)程需要定義3個(gè)必要的容器：一個(gè)用于存儲(chǔ)實(shí)例內(nèi)容及其標(biāo)識(shí)符的內(nèi)容字典，其中鍵是實(shí)例的ID，值是實(shí)例的內(nèi)容；一個(gè)用于存儲(chǔ)引用關(guān)系的引用關(guān)系字典，例如#555=IFCPOLYLINE（（#4，#552，#553，#554，#4））用{‘#555’：［‘#4’，‘#552’，‘#553’，‘#554’，‘#4’］}表示；一個(gè)用于存儲(chǔ)重復(fù)項(xiàng)的字典，例如#552=IFCCARTESIANPOINT（（670560.，0.））和#2019=IFCCARTESIANPOINT（（670560.，0.））中，由于兩者值相同，可視為重復(fù)項(xiàng)，用{‘#552’：‘#2019’}表示。主體解析流程如圖4所示。

2.1.3 引用替換

在完成主體解析后，如果重復(fù)項(xiàng)字典不為空，則表明存在冗余數(shù)據(jù)。這時(shí)需要遍歷重復(fù)項(xiàng)字典中的每一項(xiàng)，獲取其關(guān)聯(lián)列表，并在內(nèi)容字典中消除重復(fù)項(xiàng)的引用。具體流程如圖5所示。

值得注意的是，在消除重復(fù)引用項(xiàng)的過(guò)程中，可能會(huì)引入新的重復(fù)項(xiàng)。因此，在引用替換完成后，需要基于更新后的內(nèi)容字典生成新的BodySection，并再次執(zhí)行解析和引用替換的操作。這個(gè)迭代過(guò)程可能會(huì)多次進(jìn)行，直到解析過(guò)程中得到的重復(fù)項(xiàng)字典為空，冗余數(shù)據(jù)才完全消除。

2.2 數(shù)據(jù)融合

對(duì)多個(gè)IFC文件解析之后，每個(gè)文件都生成一個(gè)經(jīng)過(guò)消除冗余數(shù)據(jù)的內(nèi)容字典。數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵步驟在于將這些內(nèi)容字典融合成一個(gè)統(tǒng)一的字典。在融合之前，還必須考慮空間坐標(biāo)和ID沖突，以確保合并過(guò)程數(shù)據(jù)中的準(zhǔn)確性和完整性。

2.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于IFC文件可能在不同的BIM設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)生成導(dǎo)出，其使用的空間坐標(biāo)系不盡相同。在對(duì)不同坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，幾何數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)位的問(wèn)題，這不僅影響了模型的準(zhǔn)確性和完整性，還可能給后續(xù)的建筑設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)工作帶來(lái)諸多不便。以WGS1984（EPSG：4326）和CGCS2000_3_Degree_GK_CM_111E（EPSG：4546）這兩種常見(jiàn)的坐標(biāo)系為例，它們分別代表了不同的地理坐標(biāo)系統(tǒng)^［10］。當(dāng)需要將使用這兩種不同坐標(biāo)系的BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，由于這兩種坐標(biāo)系在定義、計(jì)算方式和數(shù)據(jù)表示上存在差異，直接進(jìn)行融合會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的數(shù)據(jù)錯(cuò)位。因此，在融合不同坐標(biāo)系的IFC文件時(shí)，必須先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以確保幾何數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

在IFC4版本之后，IFC標(biāo)準(zhǔn)中添加了IfcProjectedCRS實(shí)體和IfcMapConversion實(shí)體，分別用于定義基于投影的坐標(biāo)參考系統(tǒng)和投影坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)（包括原點(diǎn)偏移、旋轉(zhuǎn)和縮放等）。在實(shí)例字典中查找這兩個(gè)實(shí)體可以快速地獲取地理坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)換參數(shù)。如若解析的IFC文件版本不支持或未能查找到，則需要人工指定投影坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過(guò)一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，包括投影變換、坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)等，將IFC文件中的幾何坐標(biāo)信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至同一坐標(biāo)系之下。

2.2.2 ID重映射

ID作為IFC文件中每個(gè)實(shí)例的唯一標(biāo)識(shí)符，其格式嚴(yán)格規(guī)定為以“#”為前綴，且起始值標(biāo)識(shí)符為1，后續(xù)以升序排列。在多個(gè)IFC文件的內(nèi)容字典進(jìn)行融合時(shí)，不可避免地會(huì)存在嚴(yán)重的ID沖突情況。

為了有效解決這一問(wèn)題，需要對(duì)全部的內(nèi)容字典進(jìn)行ID重映射。首先，通過(guò)逐一掃描各內(nèi)容字典，統(tǒng)計(jì)出其內(nèi)部ID的最大數(shù)值。隨后，按照累加原則，為每個(gè)內(nèi)容字典分配一個(gè)唯一的ID偏移量。最后，再次對(duì)每個(gè)內(nèi)容字典進(jìn)行遍歷，將其對(duì)應(yīng)的偏移值逐一累加到每個(gè)ID之上，用以替換原有ID，確保新生成的ID不會(huì)與其他內(nèi)容字典中的ID發(fā)生沖突。

2.2.3 數(shù)據(jù)合并

處理完ID沖突的問(wèn)題，即可對(duì)多個(gè)IFC文件的內(nèi)容字典進(jìn)行合并操作。此過(guò)程需要定義一個(gè)新的內(nèi)容字典，將所有內(nèi)容字典的數(shù)據(jù)逐一添加到新的內(nèi)容字典中。鑒于不同IFC文件中可能包含相同的實(shí)例，為防止冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，必須在數(shù)據(jù)合并完成后再次執(zhí)行刪除冗余數(shù)據(jù)的操作，操作過(guò)程同2.1節(jié)中的重復(fù)檢測(cè)和消除引用一致。

2.2.4 重排序

經(jīng)過(guò)對(duì)冗余數(shù)據(jù)的清除以及ID重映射等操作，內(nèi)容字典中的實(shí)例ID呈現(xiàn)出不連續(xù)且分配不合理的狀態(tài)。為此，需要對(duì)所有實(shí)例進(jìn)行重排序，依據(jù)一定的規(guī)則對(duì)內(nèi)容字典中的實(shí)例順序進(jìn)行重新設(shè)置。具體規(guī)則是實(shí)例的引用次數(shù)越多，為其分配的ID標(biāo)識(shí)符越小。為頻繁引用的實(shí)例對(duì)象分配更短的標(biāo)識(shí)符，達(dá)到減少導(dǎo)出IFC文件體積的目的，同時(shí)也有助于提升文件的緊湊性，進(jìn)而增強(qiáng)文件的可讀性。此過(guò)程需要定義一個(gè)引用計(jì)數(shù)字典，用于保存每一個(gè)實(shí)例被引用的次數(shù)。圖6為重排序流程。

3 驗(yàn)證

3.1 開(kāi)發(fā)實(shí)例

為了驗(yàn)證基于IFC的BIM數(shù)據(jù)融合技術(shù)的有效性和適應(yīng)性，本文使用Visual Studio 2019開(kāi)發(fā)了一款具備可視化功能的IFC融合工具，能夠有效解析、處理和融合IFC文件。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用開(kāi)源工具IFC++解析IFC文件，實(shí)現(xiàn)IFC文件的讀取與導(dǎo)出^［11］；使用開(kāi)源工具GDAL進(jìn)行各種復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算^［12］；最后，結(jié)合開(kāi)源工具OSG和C#來(lái)實(shí)現(xiàn)工具的可視化功能。OSG用于實(shí)現(xiàn)IFC文件的三維可視化和操作功能，能夠直觀地瀏覽和操作IFC文件中的三維模型，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和平移等操作^［13］。C#用于開(kāi)發(fā)工具的用戶界面部分，包括IFC文件的結(jié)構(gòu)樹(shù)面板和屬性面板的可視化。結(jié)構(gòu)樹(shù)面板展示了IFC文件中的各個(gè)實(shí)體和層次關(guān)系；屬性面板顯示所選實(shí)體的詳細(xì)屬性信息。融合工具界面如圖7所示。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

基于以上工具，以長(zhǎng)江大保護(hù)智慧工程中宜昌東山水質(zhì)凈化廠的BIM模型為例，展開(kāi)基于IFC的BIM數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)踐。

宜昌東山水質(zhì)凈化廠坐落于湖北省宜昌市高新區(qū)，為三峽集團(tuán)與宜昌市攜手打造長(zhǎng)江大保護(hù)典范城市的重要展示窗口之一。其設(shè)計(jì)處理能力可達(dá)5萬(wàn)m³/d，采取地下式建設(shè)方式，有效實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化與環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)。東山水質(zhì)凈化廠的BIM模型使用Revit設(shè)計(jì)和創(chuàng)建，本次研究對(duì)廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)施的BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合實(shí)踐。圖8列出了此次融合的設(shè)施BIM數(shù)據(jù)。

使用IFC融合工具對(duì)這4個(gè)BIM模型進(jìn)行融合，融合后效果圖如圖9所示。從圖中左側(cè)的結(jié)構(gòu)樹(shù)可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)BIM模型獨(dú)立的結(jié)構(gòu)樹(shù)已整合為一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)樹(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證融合效果，對(duì)融合前后的文件進(jìn)行分析，表2列出了數(shù)據(jù)融合前后的實(shí)體數(shù)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)消除冗余率達(dá)24.42%。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)傳統(tǒng)的BIM數(shù)據(jù)來(lái)自不同的設(shè)計(jì)軟件和專業(yè)領(lǐng)域，格式和標(biāo)準(zhǔn)各異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間不兼容的問(wèn)題，本文以IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提出了一種BIM數(shù)據(jù)融合方法。同時(shí)研究提出了IFC文件在融合過(guò)程中消除冗余數(shù)據(jù)的具體方法和步驟，能夠有效應(yīng)對(duì)工程中的BIM數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。實(shí)際工程案例的實(shí)踐表明，本研究方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，可實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的無(wú)縫融合，提高了BIM模型的完整性和一致性，為建筑工程全生命周期的管理提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在下一步的研究中，將著重解決實(shí)際應(yīng)用中仍然存在的一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：①開(kāi)發(fā)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換和校驗(yàn)工具，減少不同BIM軟件在IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)出過(guò)程中的錯(cuò)誤和信息丟失。②優(yōu)化計(jì)算性能，開(kāi)發(fā)高效的算法和工具，提升數(shù)據(jù)融合的速度和效率。③研究基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的智能化沖突檢測(cè)和冗余數(shù)據(jù)解決方案，減少人工干預(yù)，提高處理效率和準(zhǔn)確性。通過(guò)以上研究工作，不斷完善基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)融合方法，推動(dòng)BIM技術(shù)在建筑工程中的廣泛應(yīng)用。

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（編輯：鄭毅）